Alternatywne zastosowania tworzyw sztucznych w wybranych aplikacjach

Alternatywne Zastosowania Tworzyw SztucznychObecnie sektor przetwórstwa tworzyw sztucznych jest nadal niezwykle dynamicznie rozwijającym się obszarem naszej gospodarki. Możliwości oferowane przez tworzywa sztuczne, głównie w zakresie stosowania ich jako alternatywnych materiałów (głównie w odniesieniu do ceramiki, szkła, metalu oraz drewna) powodują ciągły wzrost oczekiwań i wymagań rynku, głównie w aspektach jakościowych, ekonomicznych oraz estetycznych.

Tym samym niesie to ze sobą konieczność posiadania interdyscyplinarnej wiedzy przez konstruktorów wyrobów, dotyczących właściwości tworzyw sztucznych, ich zastosowania i użytkowania, a mających bezpośredni wpływ zarówno na parametry ich przetwórstwa (warunków kształtowania wyrobu) jak i cechy użytkowe. Pamiętając, że obszary stosowania tworzyw wiążą się praktycznie z każdą dziedziną ludzkiego życia i zdrowia, właściwy dobór materiału staje się kluczową kwestią.

Przyznanie Polsce organizacji Mistrzostw Europy w piłce nożnej w 2012 spowodowało w ostatnich latach znaczący wzrost zapotrzebowania producentów wyrobów z tworzyw na materiały mogące spełnić wymagania stawiane takim aplikacjom jak siedziska stadionowe. Oprócz konieczności budowy nowych stadionów innym przyczynkiem do wzrostu zainteresowania tym obszarem produkcji wyrobów z tworzyw była i jest konieczność modernizacji istniejących obiektów sportowych jak również program budowy małych, nowych i nowoczesnych obiektów "Orlik".

Szczegółowe wymagania względem siedzisk stadionowych są regulowane poprzez akty normatywne wydawane przez organy związane bezpośrednio z daną dyscypliną sportu; w przypadku piłki nożnej to głównie FIFA, UEFA oraz podmiot (związek) właściwy dla danego kraju (PZPN).

Należy zwrócić uwagę, że najczęściej definiowanymi wymogami, w odniesieniu do tej grupy wyrobów, są właściwości użytkowe gotowego wyrobu, tj.:

1. wysoka wytrzymałość mechaniczna (głównie udarność) w szerokim zakresie temperatur użytkowania

Ten aspekt wiąże się przede wszystkim z ekspozycją wyrobu gotowego na działanie czynników atmosferycznych (temperatura otoczenia określana z reguły w przedziale -30 do +80 stopni Celsjusza) oraz z możliwymi do wystąpienia aktami wandalizmu. Częstokroć stosuje się dodatkowe rozwiązania konstrukcyjne (użebrowania, zapraski, konstrukcje metalowe) powodujące większą odporność siedziska na zniszczenie.

2. duża stabilność barwy i koloru pod wpływem działania czynników atmosferycznych oraz odporność na działanie czynników atmosferycznych (w tym promieniowania UV)

Właściwe zabezpieczenie tworzywa przed szkodliwym działaniem czynników atmosferycznych (m.in.: promieniowanie UV) powodujących procesy starzeniowe powoduje konieczność stabilizacji materiałów polimerowych przy użyciu odpowiednich rodzajów stabilizatorów. Pośród nich, oprócz typowych stabilizatorów UV/LS, wyróżnić należy tzw. antyoksydanty (antyutleniacze) zabezpieczające przed destrukcyjnym oddziaływaniem tlenu na makrocząsteczki.

3. podwyższona odporność na działanie płomienia (ognia)

Wielokroć czynionym błędem przez producentów siedzisk stadionowych jest określanie produkowanych przez nich wyrobów jako "niepalne". Należy mieć świadomość, że wszystkie tworzywa sztuczne są palne (w zależności od warunków ekspozycji i temperatury) a jedyną możliwością jest podniesienie ich naturalnej odporności na działanie ognia. Ta z kolei wiąże się z parametrami charakteryzującymi ich samoistną zdolność do podtrzymywania płomienia (indeks tlenowy) jak również sposobem i szybkością rozprzestrzeniania się ognia (klasa palności).

Za niezwykle istotny aspekt przy doborze materiału należy uznać kwestię brak emisji toksycznych dymów w trakcie spalania. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że użycie pewnych typów antypirenów (pochodnych fluorowców, fosforu) powoduje wyraźne zmniejszenie palności modyfikowanego produktu, lecz równocześnie wywołuje powstanie silnie toksycznych gazów i zwiększenie zawartości dymów w produktach spalania, co ma duże znaczenie dla określonych zastosowań polimerów (wyposażenie wnętrz, elementy statków, samolotów, samochodów itp.) Z tego względu do oceny skuteczności omawianego dodatku należy dołączyć dwa wyżej wspomniane elementy.

4. wysoka estetyka (jakość) powierzchni

Oprócz typowych wymagań dotyczących kolorystyki i faktury powierzchni za istotną kwestię uważa się także odporność na zabrudzenie oraz odporność na działanie detergentów (środków czyszczących).

Dodatkowo powyższym wymaganiom z reguły towarzyszą oczekiwania dotyczące wysokiej stabilność właściwości w szerokim zakresie temperatur, dobrej odporności chemicznej, oraz wysokiej (łatwej) przetwarzalności. Ze względów środowiskowych obligatoryjnym wymogiem jest brak zawartości metali ciężkich zgodnie z dyrektywą ROHS (m.in. kadmu i ołowiu).

W sferze projektowania wyrobu pojawią się także niezwykle istotne aspekty związane z ergonomią wyrobu oraz jego funkcjonalnością mające bezpośredni związek z jego konstrukcją.

Zestawienie tych właściwości w połączeniu z aspektem ekonomicznym niejako "wymusiło" możliwe do zastosowania w tym obszarze aplikacyjnym tworzywa:

POLIAMID 6 (PA6)

  • Najczęściej typy o standardowej lub podwyższonej lepkości względnej polimeru (2,7-3,0),
  • Zawierający antypireny (środki opóźniające rozprzestrzenianie się płomienia), pozwalające dla uzyskania klasy palności V2, V1 lub V0 (wg normy UL94), ewentualnie B1 (wg DIN 4102) dla określonej grubości kształtki (wyrobu),
  • O podwyższonej odporności (stabilizacji) na działanie warunków atmosferycznych (w szczególności światła i promieniowania UV),
  • Barwiony w masie.

POLIPROPYLEN (PP)

  • Najczęściej kopolimer blokowy PP, ze względu na większą odporność udarową (na uderzenie), szczególnie w niskich temperaturach,
  • Często, dla nadania odpowiedniej (wyższej) sztywności, napełniony talkiem lub kredą (10-30%),
  • Zawierający antypireny (środki opóźniające rozprzestrzenianie się płomienia), pozwalające dla uzyskania klasy palności V2, V1 lub V0 (wg normy UL94), ewentualnie B1 (wg DIN 4102) dla określonej grubości kształtki (wyrobu)
  • O podwyższonej odporności (stabilizacji) na działanie warunków atmosferycznych (w szczególności światła i promieniowania UV),
  • Barwiony w masie.

POLIAMID 6 (PA6)

Produkt polikondensacji kaprolakatamu. Tworzywo częściowo krystaliczne. Gęstość 1,13 g/cm3.

Temperatura topnienia ok. 220°C. Dobre właściwości mechaniczne, duża wytrzymałość na rozciąganie, odporność na ścieranie, mały współczynnik tarcia. Stałość kształtu w podwyższonych temperaturach. Odporny na działanie benzyny i rozpuszczalników. Duża chłonność wilgoci (2.5-2.8%). Silnie zależne od zawartości wilgoci właściwości elektryczne. Wykazuje pełzanie na zimno. Typy wzmocnione włóknem szklanym: wzrost ciężaru właściwego (do 1,60 g/cm3) bardzo wysoka sztywność, podwyższona odporność na pełzanie, wysoka stabilność wymiarowa.

W każdym przypadku zalecane jest suszenie poliamidu przed jego przetwórstwem - dopuszczalna zawartość wilgoci przy przetwórstwie < 0.2%. Temperatura suszenia w zakresie 80-110°C. Materiał wykazuje stosunkowo wysoką stabilność termiczną, niemniej jednak po przekroczeniu temp. 310°C następuje termiczny rozkład polimeru z wydzieleniem produktów rozkładu w postaci: tlenku węgla, amoniaku, kaprolaktamu, itp.

  • Bardzo dobra estetyka powierzchni,
  • Dobra odporność na ścieranie,
  • Dobra odporność na uderzenie, również w niskich temperaturach,
  • Dobre płynięcie, łatwość przetwórstwa,
  • Dobre właściwości elektroizolacyjne,
  • Doskonała odporność na działanie paliw i olejów,
  • Duża wytrzymałość i sztywność w wysokich temperaturach,
  • Duża chłonność wilgoci,
  • Konieczność suszenia materiału przed przetwórstwem,
  • Nieodporny na działanie silnych kwasów nieorganicznych,
  • Niska stabilność wymiarowa.

POLIPROPYLEN (PP)

  1. Otrzymywany w reakcji polimeryzacji propylenu,
  2. Tworzywo częściowo krystaliczne,
  3. Gęstość 0,91 g/cm3.

Temperatura topnienia ok. 165°C. Twardy, odporny na tworzenie rys naprężeniowych. Odporny na działanie niskich temperatur. Typy wzmocnione włóknem szklanym charakteryzują się bardzo wysoką sztywnością oraz stabilnością wymiarową. Bardzo dobra odporność chemiczna (nieodporny na działanie aromatycznych i chlorowanych węglowodorów).

Nie posiadają właściwości higroskopowych, dlatego też nie muszą być suszone przed przetwórstwem.

  • Dobra odporność chemiczna na działanie większości związków organicznych,
  • Dobra odporność na działanie czynników środowiskowych oraz korozję naprężeniową,
  • Dobra odporność na sterylizację (para),
  • Dobra odporność zmęczeniowa,
  • Doskonała charakterystyka przetwórcza,
  • Doskonałe właściwości dielektryczne,
  • Możliwość dopuszczenia do kontaktu z żywnością,
  • Możliwość łączenia, zgrzewania, spawania, itp.
  • Niski ciężar właściwy,
  • Niski koszt,
  • Stabilność właściwości mechanicznych i elektrycznych w kontakcie z wilgocią,
  • Wyższa, w porównaniu z homopolimerami, elastyczność,
  • Wyższa, w porównaniu z homopolimerami, odporność na uderzenie,
  • Wyższa, w porównaniu z polietylenem, sztywność,
  • Brak odporności na działanie silnie utleniających kwasów,
  • Kruchość w temperaturach poniżej -20°C,
  • Mała odporność na działanie promieniowania UV,
  • Niska odporność na zarysowanie,
  • Niższa, w porównaniu z homopolimerami, temperatura ugięcia pod obciążeniem (HDT),
  • Ograniczona odporność na działanie podwyższonych temperatur,
  • Pęcznienie pod wpływem działania chlorowanych rozpuszczalnikach i związkach aromatycznych,
  • Skurcz wtórny w zależności od udziału fazy krystalicznej,
  • Wyższy, w porównaniu z homopolimerami, skurcz przetwórczy,
  • Zła adhezja farb.

W chwili obecnej, metody inżynierii materiałowej stanowią doskonałe narzędzia w projektowaniu właściwości użytkowych wyrobów oraz wynikających stąd wymagań stawianym stosowanym tworzywom.

Możliwości otrzymywania materiałów posiadających właściwości odmienne od tych, które mają wyjściowe polimery, zostały osiągnięte dzięki zastosowaniu technologii compoundingu, będącej jedną z odmian powszechnie znanego procesu wytłaczania tworzyw sztucznych.

W tej perspektywie spojrzenie na compounding jako na technologię pozwalającą produkować lepiej, szybciej i przede wszystkim taniej pozwala na stwierdzenie, że compounding to nie tylko alternatywa, ale przyszłość i konieczność.

Źródło: www.tworzywa.pl.

Komentarze