Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

10. fejezet - ÜREGES ALKATRÉSZGYÁRTÁSI TECHNIKÁK POLIMEREKBŐL

10. fejezet - ÜREGES ALKATRÉSZGYÁRTÁSI TECHNIKÁK POLIMEREKBŐL

Az eddig megismert műanyagfeldolgozó eljárásokkal nem lehet gazdaságosan palackokat, tartályokat vagyis üreges testeket előállítani. Az ilyen termékek előállítására több módszert is kifejlesztettek. A leggyakrabban alkalmazott technikák:

  • extrúziós fúvás

  • fröccsfúvás

  • rotációs öntés

  • összeépítés két héjból.

Az extrúziós fúvásnál a hőre lágyuló műanyagból extrudált cső-darabot, (amely még nem hűlt le) behelyezik az alakadó szerszámba, és a csőbe vezetett sűrített levegővel a nagyrugalmas állapotban levő csövet nekipréselik a szerszám falának.

A fröccsfúvásnál annyi a különbség, hogy a polimerből először előformát fröccsöntenek, és ezt helyezik el a végső alakot adó szerszámban, ahol felfújják. Mindkét eljárásban a felfúvás után a polimert hagyják lehűlni a temperált szerszámban, majd mikor a termék már kellően alacsony hőmérsékletű, eltávolítják a szerszámból.

A rotációs öntésnél fűthető szerszámban helyezik el a hőre lágyuló műanyag granulátumot vagy port, a szerszámot felmelegítik, és közben két egymásra merőleges tengely körül forgatják. A megolvadó polimer a centrifugális erő hatására veszi fel a szerszám alakját. Ezzel az eljárással zárt termékek is előállíthatók.

Az összeépítésnél két – fröccsöntéssel vagy vákuumformázással kialakított – héj-részt (pl. két félgömböt) építenek össze. Az eljárás különlegessége, hogy különböző anyagú héj-részeket is össze lehet építeni.

A fúvásos technológiákkal napjainkban 2 millió tonna feletti hőre lágyuló polimer mennyiséget dolgoznak fel, főként csomagolóanyaggá (üdítőitalos, olajos, mosószeres palackok, kozmetikai cikkek flakonjai, stb.) A két leggyakrabban használt anyag a HDPE és a PET, együttesen a teljes felhasznált polimer mennyiség 90 %-át teszik ki. Legnagyobb felhasználó az élelmiszeripar. Ezen kívül PVC-t és PP-t is gyakran dolgoznak fel extrúziós vagy fröccsfúvással.

Új piacot jelent a fúvásos technológiák számára a különféle műszaki műanyagok feldolgozása. Az autóiparban üreges lökhárítókat, kocsi-ülések vázát, valamint üzemanyagtartályokat állítanak így elő. A bútoriparban üreges bútorlapokat készítenek, főleg irodai berendezési tárgyak előállításához.

A fúvásos technológiával feldolgozható műanyagok választékában napjainkban még nem szerepelnek erősen töltött vagy szálerősítésű anyagok, mert ezek folyóképessége és ömledékszilárdsága nem megfelelő. Kis mértékben töltött (főként a folyóképességet kevéssé befolyásoló töltőanyagokkal, pl. talkum, faliszt) műanyagok feldolgozására már történtek kísérletek.

10.1 Extrúziós fúvás

Az extrúziós fúvásnál extrúzióval csövet készítenek a polimerből. A még meleg, nagyrugalmas állapotban levő csövet (előgyártmány) két félből álló szerszámban, sűrített levegővel (ritkábban, degradációra érzékenyebb polimerek esetén nitrogén gázzal) a szerszám falához préselik, ahol a műanyag felveszi a szerszám alakját. A leggyakrabban készített palackoknál a (többnyire csavaros) nyak kiképzése az ún. tüske segítségével történik.

A 10.1 ábrán látható az extrúziós fúvás vázlata. Mivel az extrudált cső nincs megtámasztva, a polimer kiválasztásánál a legfontosabb szempont az ömledékszilárdság. A csőnek nem szabad elszakadni saját súlya alatt, ugyanakkor kellően rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy a szerszám alakját felvegye.

Extrúziós fúvással tipikusan 250 ml és 5000 l közötti üreges testeket lehet előállítani. A folyamatosan dolgozó extruderrel működő technológiákat előszeretettel használják a termikus degradációra érzékeny anyagok, mint a PVC, feldolgozására. Az extrúziós fúvással előállított termékeknél kevesebb kötöttség van, mint a fröccsfúvással előállítottaknál, így pl. itt könnyen kialakítható a palackon üreges fogantyú. Szintén viszonylag szabad keze van a tervezőnek erősen nyújtott, vagy lapos alakok kialakításában. Az extrúziós fúvás szerszámait gyakran készítik alumíniumból, így a szerszám költsége kb. egyharmada a fröccsszerszáménak. Az előgyártmány tömegét, illetve vastagság¬eloszlását viszonylag könnyen lehet változtatni, ezért az extrúziós fúvást gyakran alkalmazzák prototípus kifejlesztésére.

Extrúziós fúvás

10.1 ábra:Extrúziós fúvás [10.1] balra: cső extrudálása, középen: a cső felfújása a szerszámban, jobbra: szerszámnyitás és kidobás

10.1.1 Terméktervezés

Az extrúziós fúvással előállított termék tervezésénél is célszerű néhány szabályt betartani. Ilyenek pl. a felfúvási arány, lekerekítési sugarak, a szerszámok geometriai méretei, stb. A jó termék tervezésének alapfeltétele a folyamat és a berendezés alapos ismerete.

A legtöbb extrúziós fúvással előállított terméknél célszerű lekerekített formákat, kúpos felületeket kiképezni. A nagyobb lapos felületeket, éles sarkokat kerülni kell. Az ilyen sarkok elvékonyodnak, a lapos felületek pedig általában deformálódnak, eltorzulnak. Hasonló módon a kiemelkedő vonalak sugara is legalább 1,5 mm legyen, különben az előgyártmány nem tudja kitölteni az alakot, és a bezárt levegő beégést okozhat.

Az extrúziós fúvásnál a 4:1 felfúvási arányt lehet maximumnak tekinteni. Ezt az arányt az egyes részeknél sem szabad túllépni. Az olyan fogantyú-kialakítások például, amelyek mélyebbek, mint amilyen szélesek a szerszám osztósíkja mentén, gyakran elvékonyodnak és gyengék lesznek.

Merevítő bordák kialakításával gyakran ellentétes hatást érünk el. Ezek megnövelik a lefedendő területet, így szintén a falvastagság csökkenését, és ezzel a merevség csökkenését idézik elő. (Csőharang vagy harmonika-hatás.)

Az extrúziós fúvási technológia és a terméktervezés nemcsak a palackok mechanikai tulajdonságait, de azok űrtartalmát is befolyásolják. A vékonyabb falú palackok nem csak könnyebbek lesznek, de jobban „kihasasodnak”. Egy 4 l-es palack tömegét 5 g-mal csökkentve azt tapasztalták, hogy a palack térfogata 12 ml-el megnőtt. A részletesebb vizsgálat szerint 5 ml ebből a tömegcsökkenés, míg 7 ml a kihasasodás következménye volt. A nagyobb ömledék és szerszámhőmérséklet, rövidebb élőgyártmány-hossz, rövidebb ciklusidő és megnövelt levegőnyomás mind a palack térfogatát csökkentő tényező.

10.1.2 Az extrúziós fúvás berendezései

Az extrúziós fúvásnál tehát az extruder a plasztifikált polimer ömledékből csövet állít elő, amelyet a szerszám két fele közrezár. A szerszámba fúvótüskét helyeznek, amelyen keresztül a túlnyomásos levegő a nagyrugalmas állapotban levő csövet a szerszám falához nyomja. A cső (más néven előgyártmány) felveszi a hideg szerszám alakját, és lehűl. A szerszám összezáródásakor minden esetben sorja keletkezik, amelyet a termékről leválasztanak és visszadolgoznak.

Két alapvető extrúziós fúvási technológiát különböztethetünk meg:

  • a folyamatos és

  • a szakaszos extrúziós fúvást

10.1.2.1 Folyamatos extrúziós fúvás

A folyamatos technológiánál az előgyártmány csövet olyan (mérsékelt) sebességgel extrudálják, amely megfelel a fúvás, hűtés és eltávolítás sebességének. A fúvószerszámot nem helyezhetjük közvetlenül az extruder alá, hiszen az akadályozná a folyamatos előgyártmány készítést. Itt is két alapvető megoldás terjedt el: kisebb (kb. 1000 ml-ig) termékeknél a szerszámot mozgatják a 10.2 ábra szerint, nagyobb terméknél az előgyártmányt lecsípik, és azt szállítják a formázószerszámhoz, 10.3 ábra.

Szerszámmozgatás függőlegesen vagy oldalirányban

10.2 ábra:Szerszámmozgatás függőlegesen vagy oldalirányban [10.4]: I) függőlegesen, II) oladalirányban, 1) extruder fej, 2) cső, 3) fúvószerszám

Előgyártmány mozgatása

10.3 ábra:Előgyártmány mozgatása [10.4] 1) extruder fej, 2) fúvószerszám 3) cső, 4) lecsípő fogó

A 10.2 ábrán vázolt szerszámmozgatásos módszernek is több változata terjedt el: a szerszámot emelő módszer, 10.4 ábra, a karusszel-elrendezés, 10.5 ábra, illetve a váltószerszám, 10.6 ábra.

Folyamatos extrúzió emelt szerszámmal

10.4 ábra:Folyamatos extrúzió emelt szerszámmal [10.4] a) előgyártmány extrúzió, b) szerszámzárás, c) felfúvás, d) hűtés, e) késztermék eltávolítás, f) szerszám felemelése

Több szerszámos függőleges karusszel elrendezésű extrúziós fúvó berendezés. Az egyes palackokat a szerszámnyitáskor választják le a folyamatos előgyártmányról

10.5 ábra:Több szerszámos függőleges karusszel elrendezésű extrúziós fúvó berendezés. Az egyes palackokat a szerszámnyitáskor választják le a folyamatos előgyártmányról [10.2]

Váltószerszámos folyamatos extrúziós fúvó berendezés. Ennél a kétoldalas rendszernél a szerszámok felváltva fogadják az előgyártmányt

10.6 ábra:Váltószerszámos folyamatos extrúziós fúvó berendezés. Ennél a kétoldalas rendszernél a szerszámok felváltva fogadják az előgyártmányt [10.1]

A folyamatos extrúziós fúvás termelékeny, és egyes esetekben, mint pl. hőérzékeny polimerek feldolgozásakor az egyetlen elfogadható megoldás.

10.1.2.2 Szakaszos extrúziós fúvás

A szakaszos extrúziós fúvás a másik elterjedt technológiai megoldás. Itt az előgyártmány csövet az előző termék eltávolítása után közvetlenül az extruder szerszám alatt elhelyezett, és nem mozgatott formaadó szerszámba extrudálják. A teljes folyamat, a felfúvás, lehűtés, és késztermék eltávolítás mind az extruder fej alatt elhelyezett szerszámban történik. Ennél a megoldásnál az előgyártmányt befogó szerkezet egyszerűbb megoldású lehet, mint a folyamatos technológiáknál. A szakaszosan működő extrudercsiga miatt a módszer leginkább a kevéssé hőérzékeny poliolefinek feldolgozásához alkalmas. A szakaszos extrúziós fúvási technológiának is több változata terjedt el: a tengelyirányban elmozduló csigadugattyús változat (hasonló a fröccsöntőgépeknél alkalmazott megoldáshoz), 10.7 ábra, a napjainkban már ritkán alkalmazott gyűrűdugattyús ömledéktárolós (akkumulátoros) változat, 10.8 ábra, és a 10.9 ábrán látható akkumulátor (tároló)-fejes változat.

Szakaszos extrúziós fúvó berendezés

10.7 ábra:Szakaszos extrúziós fúvó berendezé1 [10.4]

Gyűrűdugattyús ömledéktárolós extrúziós fúvó fej vázlata

10.8 ábra:Gyűrűdugattyús ömledéktárolós extrúziós fúvó fej vázlata [10.4] 1) falvastagság állító rúd, 2) hidraulikus henger, 3) gyűrűdugattyú

Tárolós (akkumulátor) fej vázlata

10.9 ábra:Tárolós (akkumulátor) fej vázlata [10.4]

Az akkumulátor-fejes szerszámok főleg nagyobb méretű termékek előállítására használatosak. Előnyösebbek a korábban alkalmazott gyűrűdugattyús ömledéktárolós fejeknél, mert míg azokban működési módjukból adódóan az először a szerszámba került ömledék utolsónak hagyta el a szerszámot, az akkumulátor-fejes szerszámoknál az először bekerült ömledék elsőként távozik a tárolófejből.

A modern gépeken (akár szakaszos, akár folyamatos működésűek) a cső előgyártmány falvastagsága programozható (10.10. ábra), például az extruder csigafordulatszámának változtatásával, vagy olyan szerkezeti egységgel, amely a szerszám résméretét tudja programozottan változtatni. Az előgyártmányon így vékonyabb-vastagabb gyűrűket tudunk kialakítani, a késztermék falvastagság igényének megfelelően. A programozott falvastagságú előgyártmány előnye, hogy a késztermék mechanikai tulajdonságainak javításán túl tömeg, és ezzel árcsökkentést is lehetővé tesz.

Extrúziós fúvásnál az előgyártmány (cső) falvastagsága programozható

10.10 ábra:Extrúziós fúvásnál az előgyártmány (cső) falvastagsága programozható. A falvastagságot ott növelik meg, ahol a termék alakja miatt a nyúlás nagy [10.1]

10.1.3 Különleges extrúziós fúvási technológiák

10.1.3.1 Koextrúziós fúvás

A fóliáknál, illetve egyéb extrúziós termékeknél jól bevált koextrúziós technológia az extrúziós fúvásnál is alkalmazható. Az első koextrúziós fúvási technológiával előállított termékek élelmiszeripari csomagolóanyagok voltak, amelyeknél fontos az oxigén és párazárás, valamint a jó ütésállóság. Ezeket a tulajdonság kombinációkat monolitikus szerkezettel elérni nem, vagy csak drágán lehet. A HDPE és a PP pl. jó párazáró képességű anyag, ugyanakkor oxigénáteresztő képességük nagy. Az etilén-vinilalkohol kopolimer (EVOH) gázáteresztő képessége (O2, CO2) kicsi, viszont víz hatására bomlik. Élelmiszercsomagolásra ezeket az anyagokat kiválóan lehet kombinálni; ötrétegű szendvicsszerkezet kialakítását láthatjuk a 10.11 ábrán.

Koextrúzióval előállított ötrétegű szendvicsszerkezet

10.11 ábra:Koextrúzióval előállított ötrétegű szendvicsszerkezet [10.1] A betűk jelentése: S) külső réteg, pl. HDPE, B) középső, kis gázáteresztő képességű réteg, kb. 5-15 % (pl. EVOH, ionomer), A) ragasztó (kötő) réteg, kb. 2 %

Néhány egyéb, koextrúzióval kialakítható szendvicsszerkezet: háromrétegű szendvics, ahol a középső réteg a gyártási folyamatban keletkező, vagy a felhasználóktól begyűjtött és újrafeldolgozott hulladék. Itt nincs szükség ragasztóréteg(ek)re, mert mindhárom réteg azonos polimert tartalmaz. Kétrétegű szerkezet: a fal külső vékony rétege anyagában színezett polimer, a belső réteg natúr polimer. Ragasztóréteg itt sem szükséges. Mindkét megoldás előnye a monolit szerkezettel szemben az alacsonyabb alapanyag-ár. Bár az első, és ma is legnagyobb felhasználó az élelmiszeripari csomagolóanyagok előállítása, a módszer más területeken is egyre jobban terjed; pl. gépkocsik üzemanyagtartálya, ipari és mezőgazdasági vegyszerek tároló tartályai.

Az előzőekben ismertetett extrúziós fúvási technológiák mind alkalmasak koextrúziós fúvásra is. A megfelelő technológia kiválasztásához a termék és az anyag ismeretén kívül szükséges a várható termelési volumen ismerete is.

10.1.3.2 Lamináris termékek extrúziós fúvása

A koextrúziós fúvás alternatívája lehet a DuPont cég által kifejlesztett ún. lamináris morfológiájú extrúziós fúvási technológia. Ennél az eljárásnál egyesítik a koextrúzióval előállítható termékek jó tulajdonságait a hagyományos extrúziós fúvás viszonylag egyszerű berendezéseivel és relatív alacsony költségével.

Az előgyártmány készítéséhez két polimert használnak itt is, mint a koextrúziónál: egy jó gázzáró tulajdonságú polimert, amelyet 10–15 %-os arányban mechanikusan hozzákevernek a (viszonylag) olcsó jó víz-gőzzáró, másik polimerhez (pl. poliolefinhez). Az előgyártmány készítéshez egyszerű extrudert használnak, amelyben a nyírás hatására a két anyag a 10.12 ábra szerinti átlapoló, réteges szerkezetet hozza létre. Bár a gázzáró polimer nem alkot folytonos réteget, a gázmolekuláknak igen hosszú, zegzugos utat kell megtenniük a falban, hogy az egyik oldalról átjussanak a másikra, ezért a gázáteresztő képesség igen kicsi lesz. A folytonos vízgőz-záró réteg ugyanakkor nedvesség áteresztéssel szemben teljes biztonságot ad.

Lamináris morfológiájú palack falának vázlatos szerkezete

10.12 ábra:Lamináris morfológiájú palack falának vázlatos szerkezete [10.2]