Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

16.5 Reaktív kompatibilizáció az újrahasznosításban

16.5 Reaktív kompatibilizáció az újrahasznosításban

Az újrahasznosítás leginkább ígéretes technikája ezek után a reaktív kompatibilizáció útján létrehozott polimer ötvözetek, sőt ily módon erősített kompozit rendszerek felé vezet. Ez lehet az az út, amely az újrahasznosítással gyakran együttjáró, szignifikáns minőségromlás (degradáció, down-cycling) helyett még minőségnövekedést is hozhat az újrahasznosítás során (up-cycling).

Erre a komplex megközelítési módra jellemző példaként szeretnénk bemutatni a különféle természetes és mesterséges polimer rostokkal – textilipari és faipari hulladék rostokkal – társított hőre lágyuló polimer kompozit kutatásainkból néhány kiragadott részletét.

A természetes rostanyagok, a fa, a bőr, a textilipar ősidőktől fogva ismert szálanyagai, mind nagyszilárdságú polimerek. Kimutatható, hogy a hibahely-mentes cellulózrost szakítószilárdsága az acélét is meghaladja. E természetes polimereknek a mesterséges polimerekkel társított rendszerei már egy ideje a távlati megoldásokat kereső kutatás és fejlesztés figyelmének középpontjában állnak.

A társítás, a kompozitba vitel fő gátja az adott esetben a természetes és mesterséges polimerek számos fontos tulajdonságának gyökeresen eltérő vonása. Ezek az ellentmondások jól bemutathatók, ha pl. farostot vagy kenderrostot akarunk beépíteni erősítőanyagként PP matrixba. A rost poláros, rendszerint inhomogén, kevéssé reprodukálható minőségű, nedvszívó anyag, míg a szabályos poliolefin matrix kifejezetten apoláros és víztaszító jellegű. A natúrrost nedvességtartalmát lecsökkenthetjük, de akkor elvesztik rugalmasságuk jelentős részt („lágyító tartalmukat”), stabilitásukat. Olyan tapadásközvetítő anyagra van szükség, amely a magas hőmérsékletű feldolgozás során is „nedvesíti” és megvédi az érzékeny natúrrostot, és végső soron jól összeköti, kapcsolja az apoláros és poláros komponenst.

Az egyik – talán a legcélravezetőbb – megoldás: a reaktív kompatibilizáció.

A 16.4 táblázat PP – farost társított anyagok tulajdonságait mutatja be.

16.4. táblázat - Farost PP társított anyagok tulajdonságai [16.13]

  

HM-PP

(BASF,D)

WF-PP

(ICI,UK)

Woodstock

(GOR, Italy, USA)

WFRP-S

(AECL, Canada-Hungary)

PP

Összetétel

Polipropilén (s%)

Farost (s%)

60

40

60

40

60

40

65

35

100

0

Tulajdonságok

Hajlítószilárdság (MPa)

Hajlítási modulusz (GPa)

Szakító szilárdság (MPa)

Szakító modulusz (GPa)

Ütésállóság (hornyolt, IZOD) (J/m)

HDT 1,85 N/mm (°C)

HDT 0,45 N/mm (°C)

Hőtűrés * (°C)

MFI (2,16 kp, 230 °C)

34,0

4,0

106

31,3

2,17

19,3

2,68

52

0,3

43,5

2,86

24,2

3,38

100

1,0

62,5

3,46

48,8

3,39

11

116

146

142

4,4

37,8

1,41

37,3

1,87

12

51

20


* 1 GPa hajlítási modulusnál mérhető hőmérséklet

A 16.4 táblázaton bemutatott farost-PP társított anyagokból három (a BASF, az ICI és a GOR Co. terméke) kereskedelmi termék, és nem tartalmaz nyilvánosságra hozott kompatibilizáló adalékot. A negyedik saját (kanadai-magyar kooperációban megvalósított) fejlesztési termék, amely 1 % poliészter-akrilát típusú reaktív adalékot tartalmaz, melynek reakcióját – alkalmas iniciálási rendszer felhasználásával – az extruderben indítottuk el (reactive extrusion). Látható, hogy a szilárdság és a hőtűrés tekintetében ez mutatkozott a legjobbnak.

Ismeretes, hogy a 16.4 táblázat anyagai közül a GOR cég Woodstock anyagát vagy ahhoz egészen hasonló kompozitot többször 10 000 to/év nagyságrendű felhasználással alkalmazza több ország személygépkocsi gyártása, textillel (pl. PP-nemezzel) borított belső autóburkoló elemek készítésére. Azt, hogy ez milyen sokoldalúan alkalmazott alapanyag lehet, a 16.11 ábra mutatja be.

Természetes rosttal erősített hőre lágyuló kompozit alkalmazások a gépkocsigyártásban

16.11 ábra:Természetes rosttal erősített hőre lágyuló kompozit alkalmazások a gépkocsigyártásban a) napellenző lemez, b) árnyékoló redőny, c) tetőborítás, d) hátsó ablak alatti polc, e) csomagtér borítás, f) csomagtartó fedél borítás, g) fejtámla alkatrészek, h) üléstámla, utastér alkatrészek, i) ajtó-belső borítás, j) kerékház borítás, k) köténylemez, l) motorháztető borítás

A 16.11 ábrán bemutatott alkalmazások közül az ajtó borításban bizonyított legmeggyőzőbben a farost-PP kompozit: kellő merevséget és kitűnő melegformázhatóságot nyújt a textilkombinációval együtt – és igen előnyös áron, hiszen a természetes rostok ára még a kedvező árfekvésű PP-nél is egy nagyságrenddel olcsóbb.

Ezt a gazdaságosságot mutatja be a 16.12 és a 16.13 ábra, amikor a 16.4 táblázaton bemutatott, kompatibilizált farost-PP kompozit legfontosabb műszaki tulajdonságait a fajlagos térfogatra eső árra vetítve ábrázolja – a legfontosabb műszaki és közszükségleti polimerekkel együtt.

A 16.12 ábrából az látszik, hogy a tervezőmérnök számára kiemelt fontosságú hajlító szilárdság és hőtűrés – közelítő trend jelleggel – együtt javul (vagy romlik). Másfelől az árra vetítve e mutatókat, – amikor azt vizsgáljuk, hogy mibe kerül egy adott szintű szilárdság, hőtűrés elérése, – kiderül, hogy szétválik a mezőny: a közszükségleti műanyagokkal (PMMA, PVC, PP, PS) olcsón jó szilárdságot kapunk, de gyengébb hőtűrést.

Az alapanyag árára vonatkoztatott (fajlagos) hajlítási szilárdság és hőtűrés különféle polimerek és a farost-PP kompozit (WFRP-S) esetén

16.12 ábra:Az alapanyag árára (US cent/cm3) vonatkoztatott (fajlagos) hajlítási szilárdság és hőtűrés különféle polimerek és a farost-PP kompozit (WFRP-S) esetén [16.13]

Fordított a helyzet a PHR fenolgyantával: jó hőtűrést vásárolhatunk olcsón, de kisebb szilárdsággal párosítva. A műszaki műanyagok (LCP, PEEK, PC, POM) közismerten jó hajlítási szilárdságot és jó hőtűrést kínálnak, de rendkívül drágán (csekély ár-fajlagos mutatókkal). A farost-PP kompatibilizált kompozit (WFRP-S) arányos, kiegyenlített szilárdságot és hőtűrést nyújt, rendkívül jó gazdasági mutatóval (olcsón).

Érdekes összevetni a hajlítómodulus és az ütésállóság egymásnak ellentmondó követelményeit hasonló fajlagos, gazdaságossági értelmezésben. Az, hogy ez a két mutató egymással y = 1/x jellegű összefüggésben van, az közismert és könnyen belátható, hiszen a merevség szemben áll a szívóssággal. Ez az összefüggés jól megjelenik egyetlen műanyagcsalád esetén is, ezt mutattuk be a 77. oldalon a 4.11 ábrán a polisztirol-féleségekre. A 16.13 ábrán a legelőnyösebb anyagok a hiperbola „vágóélén” helyezkednek el: közismert a PVC jó ütésállósága és kellő merevsége pl. az épületgépészetben, méghozzá a legelőnyösebb áron.

Az alapanyag árára vonatkoztatott (fajlagos) hajlító modulusz és ütőmunka különféle polimerek és a farost-PP kompozit (WFRP-S) esetén

16.13 ábra:Az alapanyag árára (US cent/cm3) vonatkoztatott (fajlagos) hajlító modulusz és ütőmunka különféle polimerek és a farost-PP kompozit (WFRP-S) esetén [16.13]

Az ABS kiemelkedik ütésállóságával, de merevsége kevés. A különleges műszaki műanyagok (PEEK, PTFE, LCP, POM, EP) ismét csak a lehető legkevésbbé gazdaságosak: még az epoxigyanta kínálja moduluszát és szívósságát a viszonylag legkedvezőbb áron e körben. A WFRP-S kompozit az „élen” jár: igen olcsó moduluszt kínál, csekélyebb, de tisztes árú szívóssággal egybekötve.

A reaktív kompatibilizáció elve sikeresen alkalmazható reciklált polipropilén és más természetes hulladékrostok társítására. Az előnyös tulajdonságú anyagok tetszetős megjelenítésére pedig a kétkomponensű feldolgozástechnológiák a legalkalmasabbak: koextrúzióban két eredeti PP réteg közé foglalt reciklált kompozit, vagy hasonlóképpen, a „szendvics” fröccsöntésben eredeti PP bevonattal készült reciklált kompozit ellen esztétikai kifogás sem eshet. A kétfunkciós eljárások alkalmazása azonban eltérő reológiai karakterű anyagokra még további kutatási-fejlesztési munkát igényel.