Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

13.4 Polimer habok és habosítási technológiák

13.4 Polimer habok és habosítási technológiák

Polimerekből a legkülönbözőbb megjelenésű és tulajdonságú habokat lehet előállítani: a hab szerkezete lehet nyitott– vagy zárt cellás, habot lehet készíteni hőre lágyuló és térhálós polimerből, és a hab mechanikai tulajdonságai a gumiszerűtől a keményhabig a teljes rugalmassági modulusz skálát lefedhetik. Nagy jelentőségük van az integrál, vagy struktúr-haboknak, ahol egyetlen technológiai lépés során alakul ki a termék belső habszerkezete, amely a külső felületek felé haladva fokozatosan tömörré válik. Az integrálhabokkal a termékek vastagsága és hajlítómerevsége növelhető anélkül, hogy a termék tömege (súlya) megnőne.

A habok kétfázisú rendszerek: rendszertelen (statisztikus) eloszlású, változó méretű lég– (gáz) buborékok a polimer matrixban.

Bár habot szinte az összes hőre lágyuló polimerből lehet készíteni (legismertebb talán a PS hab, „Hungarocell”), a térhálós polimerekből készített haboknak napjainkban még nagyobb a jelentőségük, ezért került a habgyártási technológiák ismertetése a térhálós polimerek technológiái közé ebben a könyvben.

Néhány főbb habosított polimer alkalmazási területet a 13.1 táblázatban soroltunk fel.

13.4.1 A habosítási technológiák alapjai

A habot képező gáz előállítási módja szerint hét fő habosítási eljárást ismerünk.

  • Kémiai habosítószerek („hajtóanyagok”). A kémiai habosítószerek (CBA, Chemical Blowing Agent) finom eloszlású porok, amelyeket 0,25 – 1 t% koncentrációban szárazon a polimerhez kevernek. Extrudáláskor, fröccsöntéskor, vagy egyéb feldolgozási művelet során hő hatására a habosítószer elbomlik, miközben (típusától függően) CO (szénmonoxid), CO2 (széndioxid), N2 (nitrogén), vagy NH3 (ammónia) gázok keletkeznek. A finom eloszlású por mint a buborékképződés gócképzője is kifejti hatását. Tipikus kémiai habosítószerek a bomlásukkor a fenti gázok szinte mindegyikét fejlesztő azovegyületek, pl. az azobiszformamid (ABFA), vagy az azodikarbonamid (AZ). Az AZ 205–215 °C között bomlik, és grammonként 220 cm3 normál állapotú gázt fejleszt (66 % N2, 24 % CO, 5 % CO2, 5 % NH3). A kémiai habosító típusok között találunk 110 °C-on bomló, és 400 °C-on bomló vegyületeket is.

  • Gázinjektálás. Gázinjektálás során nagy nyomással N2–t, vagy egyéb gázt juttatnak a feldolgozó gépben ömledék állapotban levő polimerbe, az extruder, vagy a fröccsöntő gép hengerébe. Amint a polimer elhagyja az extruder szerszámot, illetve fröccsöntéskor bekerül a fröccsszerszámba, a külső nyomás lecsökken, így a polimerben levő nagyobb nyomású gáz kitágul, és kialakítja a polimerben a hab-szerkezetet. Ennél az eljárásnál is szükséges gócképzőkkel elősegíteni a buborékok kialakulását.

  • Gázfejlesztés a polimerizáció során. A tömör poliuretánok feldolgozásakor izocianátot és poliolt kevernek össze sztöchiometriai arányban. Ha kis mértékű izocianát felesleget használnak, és egy kevés vizet adnak a poliolhoz, CO2 gáz képződik, és a poliuretánban kialakul a habszerkezet. Ez a technika környezetbarátnak tekinthető, mindenesetre kevésbé környezetszennyező, mint bizonyos kémiai habosítószerek.

  • Gőzképződésen alapuló módszer. Szintén a poliuretánoknál használt technológia, amely a polimerizációs reakció hőjét hasznosítja. A reakcióelegyhez (poliol és izocianát) alacsony forrpontú folyadékot (klórmentes Freon, pentán) kevernek. A felszabaduló reakcióhő elgőzölögteti a folyadékot, ami létrehozza a habszerkezetet. A polimerizációs reakció kinetikáját (katalizátorokkal) úgy kell szabályozni, hogy a képződő polimer viszkozitása kellően nagy legyen, mielőtt az összes folyadék elpárologna. (Kis viszkozitású folyadékból nem lehet habot képezni!) Az egyenletesebb póruseloszlás elérése céljából a rendszerhez felületaktív anyagot (többnyire szilikon olajat) is adnak.

  • „Habverés”. Kaucsuk latexnél alkalmazott technológia. A háztartási habveréshez hasonlóan, mechanikusan kevernek levegőt a kolloid tulajdonságú polimer latexhez. A keletkezett habot kivulkanizálják.

  • Adszorbpciós módszer. Finom eloszlású adalékanyagok (pl. korom) a felületükön jelentős mennyiségű gázt képesek megkötni, adszorbeálni. Melegítés hatására az adszorbeált gáz felszabadul, és kialakítja a pórusos szerkezetet.

  • Habosítható gyöngyök. A polisztirol habgyártásnál alkalmazott módszer. A két legelterjedtebb megoldás szerint alacsony forrpontú folyadékot (pentán) adnak

    • közvetlenül a sztirol szuszpenziós polimerizációjakor

    • utólag

    a polimerhez. A termék különálló apró gyöngyökből áll (a polimerizációs eljárást „gyöngypolimerizáció”-nak hívják). Felmelegítéskor a meglágyuló polimert a pentán gőzei felhabosítják.

13.2. táblázat - Habosított polimerek felhasználási területei

AlkalmazásHab-tulajdonságok
Hűtőszekrény hőszigetelésHőszigetelés, merevség
Épületek szigeteléseHőszigetelés, könnyű súly
Ülés-borításRugalmasság, kis súly
Bútor szerkezeti elemFautánzatú, erős
Műszer, TV, HI-FI készülék csomagolásÜtés elleni védelem, kis súly
Kabát bélésanyagaHőszigetelés, tisztíthatóság
KábelszigetelésKis dielektromos veszteség, hajlékonyság
Szőnyeg hátoldalaRugalmas, hajlékony, tisztítható
Gépkocsi panelekHő – és hangszigetelés
MűbőrMegjelenés, hajlékonyság
MűbőrMegjelenés, hajlékonyság
Élelmiszer tálcaÍz– és szagmentes, szilárd
Számítógép házMerev, ütésálló, elektromosan szigetelő

13.4.2 Poliuretán habok előállítása

A poliuretán (PUR) habok előállítása során kémiai reakció – poliaddíció – játszódik le. Poliuretánból a habok széles skálája előállítható, a lágytól a keményhabig. A kiindulási anyagok a diizocianát, poliol és a habosítószer. A kiindulási anyagokat intenzíven összekeverik, és folyamatos eljárásnál szállítószalagra terítik, 13.35 ábra, vagy szakaszos eljárásnál a megfelelő formaadó szerszámba adagolják.

Folyamatos PUR hab gyártó berendezés Hennecke szerint

13.35 ábra:Folyamatos PUR hab gyártó berendezés Hennecke szerint [13.8] 1) monomerek és habosítószer, 2) részleges habosodás, 3) szállítószalag, 4) teljes habosodás, 5) alsó formaleválasztó fólia, 6) oldalsó formaleválasztó fólia, 7) keverőfej, 8) gázáteresztő felső fedőlap, 9) térfogatkiegyenlítő készülék (habvastagság szabályozás)

A felvitel, illetve beadagolás után a hőmérséklettől függő sebességgel végbemegy a reakció és a habosodás. Lehűlés után a habokat méretre vágják.

13.4.3 RIM (Reaction Injection Molding, reaktív fröccsöntés) habgyártás

Reaktív fröccsöntésnél két kis viszkozitású, egymással reagálni képes (többnyire monomer) folyadékot kevernek össze, és az elegyet azonnal a zárt szerszámba injektálják, 13.36 ábra. Ezzel az eljárással tömör poliuretán (PUR) termékek mellett nagy mennyiségben állítanak elő lágy és félkemény PUR habot. A poliuretán képződése az izocianátból és poliolból, valamint térhálósodása a szerszámban (az alakadással egyidőben) történik. A habképződést kémiai habosítószerekkel (CBA), izocianát felesleg mellett víz adagolásával, valamint N2 gáznak az egyik reakciókomponenshez való adagolásával érik el. Megfelelően megválasztott technológiával nyitottcellás habszerkezetet lehet készíteni.

13.4.4 Habosítható polisztirol (EPS, Expandable Polystyrene)

A habosítható PS előállításához a polimerizáció során, vagy utólag, nyomás alatt kis forrpontú folyadékot (többnyire pentán) adnak a PS gyöngyökhöz. Hő hatására a gyöngyök térfogata 2–50-szeresére megnő, és zárt cellás habszerkezet alakul ki. A térfogatnövekedést a hőmérséklettel és a melegítés időtartamával szabályozzák. A habosítható PS feldolgozása a következő lépésekből áll:

  • Elő-habosítás. A habosítható PS gyöngyöket gőzzel fűtött kamrán viszik keresztül. A gyöngyök sűrűsége jelentősen csökken, de még nem éri el végső értékét.

  • Pihentetés. 3–12 órán keresztül pihentetik a gyöngyöket. A pihentetés ideje alatt lassú zsugorodás lép fel, és a hab cellák fala szilárdabbá válik.

  • Formaadás. Az elő-habosított gyöngyöket belehelyezik az alakadó formába, és gőzzel felmelegítik. Az alakadó forma lehet egyszerűen egy nagyméretű fém (alumínium) doboz, vagy présgépbe helyezhető forma. A habosítás után a formát vízzel lehűtik, és a terméket eltávolítják.

Folyamatos PUR hab gyártó berendezés Hennecke szerint

13.36 ábra:Poliuretán RIM berendezés vázlata [13.5]

Az EPS habokat könnyű megkülönböztetni az egyéb habosítási eljárással (pl. extrudált PS hab, integrálhab) előállított haboktól, mert a hab felületén jól látszódnak a gyöngyök.

13.4.5 Hőre lágyuló struktúrhabok fröccsöntése

Legegyszerűbb esetben a hagyományos fröccsöntőgép is alkalmas hab-szerkezetű termék előállítására. Ehhez a fröccsöntőgépet csak egy zárható fúvókával kell kiegészíteni, ami megakadályozza a gáz elillanását a szerszámból. Hatékonyabb habgyártást biztosít az ömledék-akkumulátor használata, 13.37 ábra.

Az eljárásnál kémiai habosítószert adnak a polimerhez, amely a fröccsgép plasztikálóegységében a hő hatására elbomlik. A fejlődő gázok a nyomás alatt levő polimer ömledékben feloldódnak. A szerszámba annak térfogatánál kevesebb polimert fröccsöntenek. A szerszámüregben levő alacsonyabb nyomáson a polimerben oldott gázok felszabadulnak, és felhabosítják azt. Mivel a fröccsszerszám fala hideg, a polimer gyorsan megdermed a fal közelében, ezért a gáz ott nem tudja felhabosítani. Ez az oka a jellegzetes struktúrhab szerkezet kialakulásának.

Kémiai habosítószer nélküli megoldást mutat a 13.38 ábra. Ennél az eljárásnál nyomás alatt gázt (többnyire nitrogént) kevernek a polimerömledékhez. Ez az eljárás speciális berendezést igényel, ahogy az az ábrán is látszik.

Fizikai habképzésen alapuló struktúrhab fröccsöntőgép

13.37 ábra:Fizikai habképzésen alapuló struktúrhab fröccsöntőgép [13.6] A) hidraulika folyadék, B), C) dugattyú, D) injektáló henger, E) ömledék akkumulátor, F) fröccsfúvóka, G) fröccsgép alaplapja, H) szerszám, I) zárószelep, J) ömledék nyomásmentesítő szelep, K) extruder, L) gázáramlás szabályozó, M) hajtómű, N) motor