Poliuretán alkalmazások GYIMESI GYÖRGYNÉ okleveles vegyészmérnök
DR. MACSKÁSI LEVENTE a Mûanyag és Gumi fõszerkesztõje
A BASF a düsseldorfi K 2007 elõtt meghívta a világ mûanyag- és gumiipari újságíróit Frankenthalba, ahol 2007. július 3.-án és 4.-én kutatási-, fejlesztési, valamint innovációs tevékenységérõl elõadássorozatot rendezett. Cikksorozatunk az itt elhangzottakat mutatja be. 1. Térhálósított Elastollan (TPU-X) és Ultramid CR (PA) gumi-fém kombinációk helyettesítésére (Hans-Werner Kampsen) A gumi-fém kombináció fontos szerepet játszik sok területen, mindenekelõtt a csapágy és a futómû mechanikus rezgésénél. A drága gumiszerelékek és az emelkedõ fémárak gyorsították az alternatív megoldások kutatását. Sok esetben a nehéz fémelemek helyettesítése könnyû mûanyagokkal, amelyhez még jelentõs szerelési elõnyök is kapcsolódnak, már sikerült. Pl. az acélt és az alumíniumot Ultramid® CR-rel, a BASF egyik poliamidjával váltották ki. Egy idõ óta már gondolkodtak azon, hogy gumit hõre lágyuló, fröccsöntött elasztomerrel helyettesítsék. A megoldást jelentõ térhálósított hõre lágyuló poliuretánt (TPU-X) az ELASTOGRAN elõször a K 2007-en állította ki. Az új termék neve Elastollan® és a hõre lágyuló szerkezeti anyaggal, az Ultramid® A3WG7CR-rel, valamint az A3WG10CR-rel (PA 66) kétkomponensû fröccsöntéssel feldolgozható. A könnyû, üvegszál erõsítésû PA biztosítja a stabilitást, a poliuretán adja a gumirugalmasságot. A CR jelzés a BASF új poliamid típusa, amelyet nagy dinamikus terhelésre optimalizáltak (1. ábra).
TPU-X: gumirugalmas és lágy, vegyszer- és ózonálló Az új Elastollan® érdekes tulajdonságú anyag, jó a nyomási-alakváltozás- és a rezgéscsillapító képessége, így jól hasznosítható az autóiparban. Lágyító hozzáadása nélkül a keménysége 60 Shore A. Tartósan használható 120°C-ig, rövid ideig kibírja a 150°C-ot is. A térhálósítással javul a vegyszerállósága, így kellõ biztonsággal alkalmazható olyan helyen is, ahol a klasszikus gumi nem. További elõnye a hagyományos gumival szemben a nagyon jó ózonállósága, változatosan színezhetõ és szagtalan. Új kombinációs és gyártási lehetõségek Az új eljárást az ELASTOGRAN és a BASF együtt fejlesztette ki. A speciálisan módosított Elastollan®-t kétcsigás extruderrel plasztikálják, egy új fejlesztésû folyékony prepolimerrel térhálósítják és az Ultramid® CR-re fröccsöntik. A hõre lágyuló poliuretán a térhálósítás hatására gumiszerûvé válik. Az Elastollan® jól tapad a poliamidhoz, nem kell ragasztót alkalmazni. A térhálósodás a ciklusidõ alatt végbemegy. Az automatizált, folyamatos fröccsöntés jó minõségû terméket eredményez. Az új megoldás további elõnyöket is jelent, elmarad a vulkanizáció és egyéb utómunkálatok, nagyobb a formaválasztási szabadság. A gyártási folyamat megvalósításához a KRAUSS-MAFFEI KUNSTSTOFFTECHNIK GMBH komplett gépsort mutatott be a K 2007 vásáron, amellyel a rezgéscsillapító és a tartóegység a négyütemû szerszámban gazdaságosan gyártható. Németországban jelenleg évi 230 ezer tonna gumi alkatrészt gyártanak. A térhálósítható poliuretán és az Ultramid® kombináción alapuló új eljárás jól alkalmazható nemcsak az autóiparban, hanem a gépgyártásban is. 2. Modern partvédelem Elastocoast poliuretán rendszerrel (Dr. Marcus Leberfinger)
1. ábra. Kétkomponensû fröccsöntött darab. A stabilitást biztosító kemény komponens Ultramid® CR (PA 66) (fekete), a gumirugalmasságot biztosító lágy komponens Elastollan® (TPU-X) (kék)
2008. 45. évfolyam, 1. szám
Az árvizek komoly károkat okoznak világszerte, a tengerek szintje emelkedik. A 2007 februárjában tartott IV. klímakonferencia vészprognózisa szerint, az évszázad végéig 60 centiméterrel emelkedik a tengerszint. Ez a tény partvédelmet tesz szükségessé nemcsak Németországban az Északi-tengernél, hanem a világ számos más pontján is. A partvédelemhez hatékony módszert fejlesz-
23
Mûanyagok alkalmazása
BASF innovációk IV.
tett ki a BASF egyik leányvállalata, az ELASTOGRAN. Az új poliuretán bázisú rendszer az Elastocoast®, amely a partvédelemben eddig használt megoldásoknál eredményesebb. Eddig a partvédelmet biztosító köveket betonnal és bitumennel erõsítették egymáshoz. Az Elastocoast® kétkomponensû, speciális poliuretán rendszer, amely a köveket tartósan és rugalmasan köti egymáshoz. Külön elõnye, hogy amíg a betonnal ragasztott partvédelem sima, így visszaveri a hullámokat, az Elastocoast® porózus, a nyitott cellaszerkezetû felületen megtörnek a hullámok és kisebb a visszaverõdésük.
en 5 tonna Elastocoast® anyagot dolgoztak be. Ez utóbbi partszakaszon nagyon szélsõségesek voltak a feltételek, de az új anyag igen jónak bizonyult. Az elsõ kereskedelmi jellegû építést 2006-ban Hallig Grödeben valósították meg, 500 m2-en 6,6 tonna anyagot építettek be, majd ezt 2007-ben 3000 m2-re növelték. Az ELASTOGRAN Hollandiában is kísérleti munkát kezdett, mint ismeretes az ország területének 60%-a van a tenger szintje alatt, így itt rendkívül fontos kérdés a partvédelem. Ez az együttmûködés jó kiindulási pont lehet az új rendszer globális elterjesztéséhez.
Hosszú élettartamú, környezetbarát, könnyen javítható és olcsó
3. Ricinusolajból ágybetét – Lupranol BALANCE poliol újratermelõdõ alapanyag bázison (Dr. Stephan Bauer)
Az Elastocoast® partvédelmi rendszernek számos elõnye van a hagyományoshoz viszonyítva. Az alkalmazott PUR jól ellenáll a sós víznek, idõjárásálló, jól tapad a kõhöz, víz- és kopásálló, könnyen bedolgozható, hõ- és fagyálló, környezetbarát. A nyitott cellaszerkezet ugyanakkor megfelelõ életfeltételeket biztosít a vízparton élõ növény- és állatvilágnak. 60%-ban újratermelõdõ alapanyagból készül, 20%-kal olcsóbb, mint a hagyományos beton kötõanyagú változat. Nagyon egyszerûen készíthetõ Az Elastocoast® bedolgozása nagyon egyszerû, a két poliuretán komponenst egy keverõrendszerben, akár egy betonkeverõben is, összeöntik és hozzáadják az apró köveket. A mûanyag vékony, átlátszó réteget képez a kõ felületén, majd az elegyet 15–30 cm vastagon a védendõ partszakaszra terítik (2. ábra). A poliuretán 20 perc után elkezd keményedni, egy nap után már terhelhetõ, és két nap alatt teljesen megkeményedik. Kísérleti és az elsõ kereskedelmi alkalmazás 2004-ben végezték az elsõ kísérleti partvédelmi munkákat az Északi-tenger német partszakaszán, elõször 120 m2-en, majd egy másik kísérleti munkánál 270 m2-
Az ELASTOGRAN egy új, újratermelõdõ alapanyag bázison elõállított poliolt fejlesztett ki és dobott piacra. A Lupranol BALANCE 50-et ricinusolajból állították elõ, elõnye, hogy a receptura módosítása nélkül alkalmazható a korábbi poliolok helyett. Felhasználásával magas a biomassza részaránya a késztermékben. Piac és anyag A világ lágy poliuretán hab felhasználása évi 3,8 millió tonna, ennek 80%-a bútor és ágybetét. A mûszaki célú alkalmazásoknál, pl. textilek kasírozásához és az autóipari felhasználásoknál, speciális tulajdonságok szükségesek. A lágy tömbhabok jó komfortérzetet biztosítanak, jó a lélegzõ képességük és könnyen módosíthatók a tulajdonságaik. A lágy poliuretán hab könnyû, légáteresztõ, legnagyobb részét tömbhabosítással állítják elõ. Összekeverik a poliol és izocianát komponenseket, valamint az adalékanyagokat és a vizet. A habosodó reakciós elegyet folyamatosan szállítószalagra viszik, a gyártósor hossza 120 méter. Az elõállított tömböt tetszés szerint konfekcionálják, kárpitozott bútort, ágybetétet vagy textil laminátumot készítenek belõle. Az ágybetétnek majdnem 25%-a újratermelõdõ alapanyag Az új termék elõállításánál 31% ricinusolajat használnak. A Lupranol BALANCE felhasználásával készült matrac 24% ricinusolajat tartalmaz a hab tulajdonságainak romlása nélkül (3. ábra). Ez a magas részarány áttörés a poliuretán termékeknél, a helyettesítést a BASF modern katalizátor technológiája tette lehetõvé. A siker titka a reaktív katalizátor
2. ábra. Partvédelem építés Elastocoast® rendszerrel
24
A poliétert propilén- és/vagy etilénoxid többfunkciós alkoholra, pl. glicerinre történõ poliaddicióval állítják elõ. Ez általában lúgos közegben káliumhidroxid katalizátor hatására megy végbe, ami után a rendszert semlegesíteni kell.
2008. 45. évfolyam, 1. szám
Rugalmas burkolat fedi a veszélyeztetett gátakat szonylag kis erõbefektetéssel létrehozott elegyet 20 perNémetország északi partjait mintegy 800 km hosszú cen belül fel kell használni, 15–30 cm vastag burkolórétegátrendszer védi az elemek támadásától. Az Északi-tenger get alkotva. A keverék víz alatt is megszilárdul. A környementi tartományok – Schleswig-Holstein és Alsó-Szászország – csaknem évi 100 millió eurót költenek part- és árzetbarát Elastocoast® anyagot más módon is fel lehet vinvízvédelemre. A jövõben ennek az összegnek növekednie ni: a laza kõtörmelékre permet formájában is szórható. kell: tudományos kutatók szerint, a következõ évszázadAz Elba egy hamburgi kikötõgátjának újjáépítésénél is ban 70 cm-es tengerszint emelkedés várható a globális feljól bizonyított az Elastocoast®, ezt követõen pedig Sylt szimelegedés miatt. A legnagyobb veszélyben levõ régiók getén várt rá komoly feladat. Az Északi-tenger telente ezért megemelik gátrendszerük magasságát, akár 9 mégyakran hevesen támadja a szigetet. 2004-ben az erodáterre is. lódott homokos partszaA korábbinál sokkal inkaszokon a tenger áttörénovatívabb megoldások se 3,5 millió euró kárt okoszükségesek a hatékony zott. 2005 szeptemberétõl és stabil partvédelemhez. a leginkább fenyegetett Ezek egyike a külön erre a északi partszakaszt Elascélra fejlesztett poliuretán tocoast® borítású gátak elasztomer, az Elastovédik. Egy hasonló kísércoast®, mely a BASF leti projektet Husum észaELASTOGRAN leányvállalaki partjainál is sikerrel fetának a terméke. Az Elasjeztek be. Dr. Marcus tocoast® megerõsíti a gáLeberfinger, az ELASTOtak kõágyazatát. Az elsõ GRAN tengeri alkalmazási védelmi vonalat a tenger projektjének vezetõje naereje ellen ez a mûanyag gyon elégedett az elsõ tél védõréteg jelenti, amely eredményeivel: „Az Elasmegtöri a hullámok erejét tocoast még Sylt tenger és lelassítja a víztömeget. felé nézõ oldalánál is jól „Az elasztomer borítás a bírta a hullámverés, a sós poliuretánoknak azt a tuvíz és a fagyás együttes lajdonságát használja ki, támadását.” A kísérleti Hatékony partvédelem poliuretán borítással hogy állandó rugalmas köeredmények önmagukért tésre képes a kõfelülettel” beszélnek, de vajon gazdaságos-e az Elastocoast® alkal– magyarázta Erik Pasche, az Elastocoast® fejlesztésében mazása? „Az árra kezdettõl fogva nagyon ügyeltünk” – közremûködõ HAMBURG-HARBURGI EGYETEM HIDRAULIKAI GÉmondta Leberfinger. „A burkolóanyag kisebb vastagsága PÉSZETI INTÉZETÉnek professzora. „Az adhézió megnöveli a és zúzottkõ-igénye együttesen azt jelentik, hogy a költségek valamivel alacsonyabbak a hagyományos betontechvédmûvek erejét. Az Elastocoast® egyszerre szilárd és ponológia költségeinél.” rózus anyag, mellyel nagyon ellenálló gátak építhetõk.” Elasztikus és porózus, ez a két tulajdonság az ElastoAz Elastocoast® ráadásul környezetbarát: a helyi flóra és fauna új élõhelyet talál a burkolat porózus anyagában, coast® titka, amivel védi a gáttestet a rázúduló víztömeg erejétõl. A zúzott kõrétegben lévõ, az egész gátrendszert vagyis a parti rákok, csigák és a föveny szintén jól járnak behálózó résekben elnyelõdik a hullámverés ereje. A régi ezzel az újítással. módszer szerinti betonból és aszfaltból, ezekbõl a hagyoA kõágyazat poliuretánnal való megszilárdításának ötletét elõször a vasútépítésnél használták sikerrel. Az Elastományos „kötõanyagokból” épült gátfelszínek anyaga rideg és tömör, így a hullámok folyamatos nyomására elõbb apcoast®-tal a kõágyazat poliuretános stabilizációja és ellenró, majd egyre nagyobb és mélyebb repedések keletkezállóvá tétele már tengeri összefüggésben is értelmezhetõ. tek. Nem így az Elastocoast® esetében. Sylt szigetén vagy a Hamburger Hallignál (Husum) épített A korábbi gátaknál ráadásul a hullámok egy pontba gátak csak a kezdete volt a zúzott kõ és az Elastocoast® koncentrálták romboló erejüket, míg a lejtõs gátnál a hulláalkalmazásának. Kikötõi létesítményeket, árvízvédelmi gámok a lejtõ egészén fejtik ki hatásukat, nagy felületen széttakat védhet, sõt – mivel a víz nem csak a tengerparton feosztva azt. A gáttestet védõréteggel kell burkolni a makacs nyeget – „belföldön” is alkalmazható folyó menti sétányokerózió miatt, mely különleges méreteket ölt némely partnál, gátaknál. Hatalmasak a lehetõségek, csak Bajororszakaszokon, pl. Sylt esetében, ahol a hullámok a teljes szágban 1200 km árvízvédelmi töltés található. A nemrégiben közzétett Akcióterv 2020 szerint, 2,3 milliárd eurót tersziget épségét fenyegetik. Ez a feladat az Elastocoast® veznek árvízvédelmi fejlesztésekre, ebbõl csaknem küldetése. 500 millió eurót a meglévõ gátak felújítására és kiterjesztéKönnyû vele bánni: a folyadék halmazállapotú, kétkomsére szánnak. ponensû speciális poliuretánt a helyszínen elkeverik, majd Forrás: Népszerû tudomány, www.basf.de vegyítik – pl. betonkeverõben – a zúzott kövekkel, melyeM. Á. ket vékonyan (filmszerûen) és átlátszóan vesz körül. A vi-
2008. 45. évfolyam, 1. szám
25
ban az új anyagot és technológiát már néhány típusnál alkalmazták, így a Buick Lucerne, Cadillac STS vagy a Nissan Quest modelleknél. Az IMC (in-mould coating) PUR eljárás 70–90°C között alkalmazható, gyors a reakció lefutása, jól tapad a lakkhoz, amelyet a szórási eljárás elõtt a szerszámba tesznek. Könnyen eltávolítható a formából, kicsi az emisszió és egyenletes a falvastagság, amely az anyag jó folyóképességébõl adódik. A félkemény habhoz való tapadása is jó, lévén, hogy mindkét anyag ugyanahhoz a családhoz tartozik. Az aromás poliuretán rendszer a lakkozás ellenére elõnyös 3. ábra. Matracok ricinusolajból
Az ELASTOGRAN egy új, hatékonyabb katalizátort (DMC) vezetett be, kis mennyiség hatására a reakció a ricinusolaj és az etilén- és/vagy propilénoxid között végbemegy. További elõny, hogy ez a katalizátor semleges és nem keletkezik kellemetlen szagú melléktermék. Az új poliol analóg módon alkalmazható a hagyományos lágy habosításhoz használatos poliolokkal, így a vevõk gyorsan és gazdaságosan tudnak váltani. Jó mechanikai sajátságok jó határértékekkel A poliuretánoknak sok elõírásnak kell megfelelni. A jó mechanikai stabilitás, öregedésállóság és légáteresztés mellett nagyon fontos a káros anyag és Öko-tex vizsgálatok eredménye is. Az LGA károsanyag vizsgálat szerinti határérték a matracoknál 7 nap után 500 µg/m3, a Lupranol BALANCE 50 felhasználásával gyártott termékeknél ez az érték kisebb, mint 10 µg/m3. Lényegesen jobb eredményeket adtak a szagvizsgálatok is. A habok mért mechanikai paraméterei is kedvezõen alakultak. Vegyi alapanyag a kertekbõl A ricinusfa a trópusok és szubtrópusok megszokott növényzete, Európában elsõsorban kertekben és parkokban található. A magból elõállított ricinusolajat korábban gyógyászati célra is használták, de ismert volt mint mûszaki olaj, bevonat, hidraulika olaj, továbbá a kozmetikai iparban is használatos volt. 4. Finom tapintás az autó belsõ terében szórt/öntött PUR bevonat és alifás HPM-TPU révén (Hermann Völker) Az ELASTOGRAN kiegészítette termékválasztékát az Elastoskin® S 4639 típussal, amely alkalmas arra, hogy az autók belsõ terében kellemes tapintású felületeket alkalmazzanak. Ezt szórással alakítják ki, felváltva az eddigi öntõ technológiát. Az aromás alapú szórt habot az ELASTOGRAN Európában elõször 2009-ben tervezi bevezetni a felsõ kategóriás autóknál. Amerikában és Ázsiá-
26
Bár az aromás poliuretán felülete nem kielégítõ és lakkozást igényel, összehasonlítva az alifásokkal ár szempontjából sokszor kedvezõ alternatíva. Ebben szerepet játszik a viszonylag kedvezõ lakkozási költség. Széles határok között változtatható a felület mind keménység, mind tapintás vonatkozásában. Jó összhang alakítható ki a szín és fényesség között. Az aromás alapú szórásos technológiát az ELASTOGRAN 2003 óta alkalmazza az ajtóborítások és 2005 óta a mûszerfalak kialakításánál. A szórással és öntássel gyártott elemeket összehasonlítva mindkettõ jónak bizonyult. Mindkét módszer lehetõséget ad többszínû darabok, kis görbületû felületek kialakítására. A gyakorlatban az Elastoskin® I alkalmazásával kevesebb volt a hibás darab. Kis emisszió és egyedi tapintás Alacsony emissziós értékeket mérnek a szokásos vizsgálati módszerekkel. Az Elastoskin® felületek minõségét több szempont szerint vizsgálták. A keménység, rugalmasság, vastagság megfelel az autógyártók kívánságának, nagy formaalakítási szabadságot biztosít. Sok esetben a felület minõsége alig tér el a valódi bõr felületétõl. A szórás kedvezõbb az egyszerûbb és olcsóbb szerszám miatt, nyitott szerszámot használnak, csak egy szerszámfél kell, így nagyobb a formaválasztási szabadság. Finom tapintású felület fröccsöntéssel: alifás Elastollan HPM-TPU Az ELASTOGRAN másik új terméke az Elastollan® hõre lágyuló poliuretán (TPU) az autók belsõ terében és a mûszerfalaknál a megfelelõ felület kialakítására használható (4. ábra). Az új alifás HPM-TPU (kemény fázisban módosított) rendszer érdekes kombinációkra ad lehetõséget fényesség és lágyság vonatkozásában. Eddig a kis Shore A keménység (<80) csak adalékanyaggal volt elérhetõ, a kemény fázisban módosított megoldásnál erre nincs szükség. Utólagos felületlakkozás a továbbiakban nem szükséges, így jelentõs a költségmegtakarítás. Nemcsak
2008. 45. évfolyam, 1. szám
4. ábra. Finom tapintású, elegáns mûszerfal
sötét, hanem a most divatos világos színek is lehetségesek. A feldolgozás kétkomponensû fröccsöntéssel történik. A nagy folyóképességû TPU ömledék elõnye, hogy
2008. 45. évfolyam, 1. szám
egyrészt kis falvastagság érhetõ el, másrészt kis részleteket is jól kitölt, tetszõleges felület alakítható ki. Az elsõ széria alkalmazásnál, a BMW 3 Coupe ajtónyitó fogantyújánál az új Elastollan® termékcsaláddal kedvezõ eredményeket értek el, a fogantyú mindkét oldala bársonyos felületû lett (5. ábra). A BMW engedélyezte az új anyag alkalmazását minden modelljénél, de kipróbálták más autók belsõ terében is.
5. ábra. Bársonyos felületû fogantyú
27
