Alkalmazott kutatás
Új polikarbamid injektáló gyanták csatorna-oldalbekötések robottechnikával végzett bontásmentes javításához Dr. Nagy Gábor* ügyvezet! igazgató, Balázs Ferenc* kutató-fejleszt! mérnök, Dr. Balogh Tamás* m"szaki igazgató
1. A kutatás-fejlesztési munka háttere A POLINVENT KFT. több évtizede foglalkozik polikarbamid (polyurea – PU) alapú, h!re keményed! m"gyanta rendszerek kutatás-fejlesztésével, üzemesítésével és gyártásával [1]. 2008–2010 között az EUROSTARS program támogatásával a „Polylayer” projekttel jelent!s eredményeket értünk el a melegen szórt direkt PU rendszerek fejlesztésében [2]. Ezt azért nevezzük direkt PU eljárásnak, mert a di- és triamin elegyek különleges, nagynyomású airless berendezésben az izocianátokkal közvetlenül (milliszekundumokkal) a kiszórás el!tt keverednek össze. A munka legfontosabb eredménye az amin-epoxi adduktok egy speciális családjának kifejlesztése és szabadalmaztatása volt. A PU rendszerek meleg szórása során az adduktok az amin blendek alkotórészeként különlegesen nagy tapadószilárdságú bevonatokat eredményeznek. A gyors, melegen szórt rendszerekhez képest újdonságot jelentenek a lassú direkt PU rendszerek, amelyekhez f!leg szekunder diaminokat használnak. A kísérletek szerint, az adduktok egyes változataival jó min!ség" lassú PU rendszereket is lehet készíteni. A további fejlesztés során ezeket a korábbi projektben felfedezett, de kell!en még nem ismert, kevésbé reaktív adduktokkal, és egyéb saját fejlesztés" szekunder di- és poliaminokkal kívántuk a lassú PU termékek skáláját tovább b!víteni, valamint m"szakilag és gazdaságilag optimalizálni. A jelen kutatás a 2012–2013-ban folyó EUROSTARS „Surea” projekt keretében valósult meg. Ennek célja direkt és indirekt PU alapú anyagok, valamint a hozzájuk illeszked! felhasználási technológiák fejlesztése volt. Az új alkalmazástechnikai megoldások els!sorban kartusos kiszerelés" termékek statikus kever!vel történ! homogenizálására épültek. Ezek kézi vagy hordozható, pneumatikus vagy elektromos meghajtású készülékekkel pontos keverési arányú és buborékmentes homogenizálást, majd azt követ!en megbízható injektálást és/vagy szórást tesznek lehet!vé, amir!l korábban már beszámoltunk [3]. Emellett már a projekt tervezésekor gondoltunk nagyobb lépték", de szintén statikus kever!vel kombinált megoldások támogatására is a gyantafejlesztés oldaláról. *Polinvent
2. A kit!zött célok A bontásmentes csatornajavítás fejl!dése során az els!ként alkalmazott technológiák az egyszer"bb esetekre, az egyenes cs!szakaszok inverziós bélelésére, majd az ezekhez tartozó pontszer", illetve lokális hibahelyek packeres javítására koncentráltak. Kés!bb megoldották a cs!csatlakozások javítását is, a f!ág irányával a kívánt szöget bezáró kisebb átmér!j" oldalsó nyúlványt tartalmazó speciális packerekkel, és az ún. kalapprofilú vázanyagok alkalmazásával. Az impregnált vázanyag jó tapadásának biztosítása, majd a kívánt helyeken a folyamatos átmenet kialakítása azonban ezekkel a módszerekkel meglehet!sen kényes feladat. Különösen a kanyarokban (90º-os könyököknél) nehéz elkerülni a vázanyag ráncosodását, gy"r!dését. A távérzékelés és a robottechnika fejl!désének köszönhet!en lassan, de biztosan terjed a piacon az oldalbekötések robottechnikával történ! javítása. Távirányítású robotokkal, maratással 1–2 cm mély, nagyjából szabályos, gy"r" alakú fészket alakítanak ki a csatlakozás körül. Utána egy gumi futballbels!höz hasonló, felfújható zsaluzattal zárják le belülr!l az injektálandó teret. Az injektálás – nagy moduluszú szálasanyagoktól mentes – gyantákkal történik, ezekt!l, mint mátrixanyagoktól érthet!en nagyobb szilárdságot és kopásállóságot, jobb tapadást várnak el, mint a korábban alkalmazott anyagokkal (m"gyantákkal) összehasonlítva, amelyek f! funkciója a térkitöltés, valamint az er!sít! szálak er!átadásának biztosítása. Ezt az alkalmazási területet figyelemmel kísérve korábban azt állapítottuk meg, hogy két nagy meghatározó robotgyártó (egy svájci és egy német cég) a kezdetekt!l összefogott egy-egy nagy gyantagyártóval, és a robotokat a javítási technológiával együtt eleve azzal az anyaggal engedélyeztette. Egy ilyen nagy érték" termékcsaláddal, mint az igen drága csatornajavítási robotok területe, magas a piaci belépési korlát, mert egyidej"leg nagy t!kebefektetésre, magas szint" elektronikai és mechanikai ismeretekre és kapacitásokra, továbbá rugalmas vev!szolgálati hálózatra van szükség. Ez a szegmens korábban számunkra megközelíthetetlennek t"nt. Konzorciu-
Kft.
2014. 51. évfolyam 1. szám
31
Alkalmazott kutatás mi partnerünk, a FLUVIUS GMBH viszont talált egy másik feltörekv! német céget, amely eltökélte, hogy belép erre a piacra, megvan hozzá a t!keereje és a technológiai háttere. Szerencsére a POLINVENT KFT. csatornajavítási gyantákkal szerzett sok éves németországi referenciái alapján megvolt benne a bizalom is, hogy éppen velünk fogjon össze. Nevük egyel!re nem publikus, mert csak 2014 tavaszán kívánnak a piacon megjelenni az újdonsággal. A felhasználó részér!l az anyaggal kapcsolatban megfogalmazott követelmények: –#a keverés 1:1 térfogatarányban történhessen, –#a speciális, f"thet! zsaluzatot az injektálás befejezése után 20 perccel el lehessen távolítani, –#a homogenizált, egyébként kétkomponens" gyanta fazékideje 11–13°C-on legalább 2 perc legyen, –#a rendszer kell!en tixotróp legyen, hogy az injektált anyag a zsaluzat és a cs!fal közötti térben maradjon, a gravitáció hatására onnan ne folyjon ki, –#a kikeményedett anyag mechanikai és vegyszerállósági tulajdonságai feleljenek meg a német csatornahálózatban elvárható követelményeknek. Német partnereinkkel konzultálva magunk részére további követelményeket is megfogalmaztunk: –#az egyes komponensek viszkozitása elegend!en alacsony legyen ahhoz, hogy a töml!ben változó, de legfeljebb 25 bar nyomáson kb. 50 méter hosszon is továbbíthatók legyenek, –#az anyag komponenseinek ne legyen kellemetlen szaga, –#a gyanta egyik komponensének, s ezáltal az injektált anyagnak a színe lehet!leg legyen világos zöld (részben a természetességre asszociálva, részben azért, hogy megkülönböztesse más gyártók gyantáitól), –#az újdonságnak tekinthet!, saját gyártmányú komponens(ek) a REACH besorolása szerint polimernek min!süljön/min!süljenek. 3. A kutatás módszerei és az elért eredmények Korábbi tapasztalatainkra támaszkodva alapfeltevésünk az volt, hogy egyes lassú PU anyagok e követelményeket nagy valószín"séggel kielégítik. Célzott laboratóriumi vizsgálatokat folytattunk e célra módosított lassú, szekunder diaminokat tartalmazó polikarbamidokkal, és velük különböz! arányban elegyített tixotropizáló szerrel. A lassú polikarbamidokkal végzett nagy számú korábbi kísérletünk analógiáinak felhasználásával alig több, mint 30 anyagvariáns laboratóriumi el!állítása és tesztelése alapján már sikerült két, minden szempontból ígéretes változatot találnunk. A viszkozitásokat úgy állítottuk be, hogy a technológia által biztosítható enyhe el!melegítés (a tároló tartály-
32
ban max. 40°C, a csövek végén h"vös id!ben kb. 20°C) után a komponensek a hosszú töml!kben még viszonylag könnyen továbbíthatók legyenek, de a h"vös (11– 13°C) cs!falhoz érve, 1–2 cm-es vastagságban, gyorsan leh"lve a keverék viszkozitása már olyan mértékben n!jön, hogy az anyag magától megdermedjen, zselizáljon, azaz gélszer"vé alakuljon. Erre már csak rá kell segíteni a komponensekbe bekevert, meglehet!sen drága, nanotartományba es! szemcseméret" (5–50 nm) tixotropizáló szerrel. A laboratóriumi szinten legjobban teljesít! két változatból el!ször komponensenként 20–20 kg-ot adtunk át kipróbálásra, majd a kett! közül a jobbnak bizonyult anyagból 100–100 kg-ot. Ezzel a Thixo-Inject PU-1 jelzés" anyaggal azóta számos üzemi, majd helyszíni kísérletet végeztek. Ezek során több lépcs!ben fejl!dött, finomodott a gépészeti háttér. 2013 !szére kialakult és stabilan, megbízhatóan m"ködött a technológia, amelyre német konzorciumi partnerünk a saját nevében meg is indította a DIBt engedélyezési eljárást. 4. A kifejlesztett anyag tulajdonságai A Thixo-Inject PU-1 típusú új, direkt polikarbamid gyantát sokoldalúan vizsgáltuk a POLINVENT KFT. saját eszközeivel, valamint a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK laboratóriumában. Az engedélyezési eljárás során eleinte meglep! volt, hogy a m"szaki szabályozásban mindig élenjáró Németországban az egyes paraméterekre nincs számszer" el!írás, csak a gyártó által egyoldalúan közölt és vállalt m"szaki paraméterek mértékadók. 2013 júliusától viszont az EU-ban is hatályba lépett az új termékfelel!sségi szabályozás [4]. Az új rendszer lényege, hogy a CE jelölés használatához már nem adott szabványnak való megfelelésr!l kell a gyártónak nyilatkoznia, mint korábban, hanem DOP (DECLARATION OF PERFORMANCE) formájában maga adja meg, milyen m"szaki paramétereket tud garantálni. Az új anyag néhány mért jellemz!jét az 1. és 2. táblázatban foglaltuk össze (ezek még nem a gyártó által deklarált értékek, csak a mért laboratóriumi eredmények). A tapadószilárdságot a POLINVENT KFT. laboratóriumában vizsgáltuk. A Thixo-Inject PU-1 komponenseket ikerkartusba töltöttük, majd azokból statikus kever!n át nyomtuk ki. A felületet el!bb a – szintén saját fejlesztés" – ragasztóval benedvesítettük, és arra frissen 30–40 $mra érdesített, D = 20 mm átmér!j" acél babákat nyomtunk. Megszilárdulás után a kinyomódó többlet ragasztót D = 20 mm bels! átmér!j" koronafúróval távolítottuk el. A beton mintafelületen a tapadószilárdságot 1 óra után, az összes többi felületen 24 óra után mértük. Az összes mérés DE FELSKO POSITEST AT-A automatikus készülékkel, 1 MPa/s terhelési sebességgel, 20°C-on történt.
2014. 51. évfolyam 1. szám
5. Alkalmazástechnikai 1. táblázat. kísérletek a cs"csatlakozás A folyékony gyantakomponensek néhány jellemz"je javítására Jellemz" POLY ISO Forráspont, °C >250 >260 (300 fölött lebomlik) Konzorciumi K+F partne1,15*±0,03 1,15*±0,03 S"r"ség 20°C-on, g/ml* rünkkel és a robottechnikát fejViszkozitás 20°C-on, 5 rpm-nél, mPa·s 6500±500 5800±500 leszt! céggel közösen 2013-ban Szín zöld halványsárga Magyarországon egy, Németor*A két komponens térfogat- és tömegaránya gyakorlatilag azonos szágban pedig öt alkalommal végeztünk „éles” alkalmazás2. táblázat. technikai kísérletet. Eközben a A megszilárdult injektáló gyanta néhány mért jellemz"je technológia folyamatosan fejl!Minta kora H"mérséklet Jellemz" Átlagérték Szórás nap °C dött, finomodott. A m"veleti S"r"ség 20°C-on, g/ml 7 20 1,1 0,02 sorrend a következ!: Egytengely" húzószilárdság, MPa 7 20 24,4 1,60 –#a javítandó csatornaszaSzakadási nyúlás, % 7 20 10,8 3,17 kasz nagynyomású vízsugaras Kezdeti E-modulusz húzásra, MPa 7 20 932,0 62,20 tisztítása, Hajlító-húzószilárdság, MPa 7 20 52,0 1,51 –#kamerás ellen!rzés és doKezdeti E-modulusz hajlításra, MPa 7 20 457,0 51,00 Nyomószilárdság, MPa 7 20 56,2 4,00 kumentálás, 7 23 5,18 1,22 Fajlagos üt!munka, Wc, kJ/m2 –#az injektálandó tér kialakíKeménység, Shore A 7 23 100,0 0,70 tása távirányítású maratással, Keménység, Shore D 7 23 71,0 2,00 –#meggy!z!dünk arról, hogy a tartályokban elegend! és megfelel! állagú „A” és „B” komponens van, a robot m"kö3. táblázat. d!képes, és a megfelel! töml!k vannak a tartályhoz és a Tapadószilárdság különböz" felületeken, robothoz kapcsolva, átlagértékek (2013. devember 16-i adatok) –#a hajlékony zsaluzat pozicionálása, Átlagérték Vizsgált felület MPa –#injektálás, Mázas k!agyag 4,26 –#rövid (de legalább 20 perces) várakozási id! után a Beton 3,77 hajlékony zsaluzat és tartozékainak eltávolítása, Érdesített polikarbonát 9,67 –#a javítás min!ségének kamerás ellen!rzése és dokuSIma polikarbonát 3,60 mentálása. Érdesített polietilén 1,40 Az 1a.–1b., illetve a 2a.–2b. ábrák az injektálás el!tti Sima polietilén 1,10 és utáni állapotot mutatják be, a gy"jt!csatornába felülÉrdesített polipropilén 2,30 r!l és oldalról csatlakozó házibekötés esetén. Sima polipropilén 0,90 6. Az adagolási pontatlanság hatásának vizsgálata A gép konstrukt!rének kérésére, a szállító pumpák t"-
Érdesített PVC Sima PVC Érdesített acél
5,60 1,10 22,00
1. ábra. a) Fels! bekötés helye a maratás után, b) fels! bekötés helye a kész javítással
2014. 51. évfolyam 1. szám
33
Alkalmazott kutatás
2. ábra. a) Oldalsó bekötés helye a maratás után, b) oldalsó bekötés helye a kész javítással
résének beállítása érdekében megvizsgáltuk, hogy mi történik, ha az 1:1 térfogattól kis mértékben eltér a keverési arány. El!ször az ISO komponens mennyiségét csökkentettük 5, illetve 10%-kal, majd a POLY komponensét 5, illetve 10%-kal. Így – a tervezett pontos 1:1 aránnyal együtt – összesen 5 különböz! tömegarányú rendszert mértünk be, majd homogenizáltunk vegyszerkanállal. A keverés minden esetben 40 másodpercig tartott. Ezután típusonként 5-5 darab 20%20%120 mm-es próbatestet öntöttünk szobah!mérsékleten, acélsablonba. A mintákat 3 napos 22°C-os tárolás után vizsgáltuk. A mért legnagyobb hajlító- és nyomóer!ket a 4. táblázat
tartalmazza, de a jelenséget talán szemléletesebben mutatja a 3. ábra. Az ISO komponens enyhe túladagolása egyáltalán nem okoz szilárdsági problémát, s!t, az értékeket akár javíthatja is. Ezt persze nem szabad eltúlozni, mert az ilyen eltérés károsan befolyásol más jellemz!ket (pl. a fazékid!t). A POLY komponens túladagolására viszont jóval érzékenyebben reagál a rendszer: 10% túladagolás a hajlító-húzószilárdságot már kb. 70%-kal, és a nyomószilárdságot is mintegy 40%-kal csökkenti. A fentiek alapján azt javasoltuk a konstrukt!röknek, hogy ha nem tudják szigorúan az 1:1 arányt biztosítani, akkor az ISO
4. táblázat. Egyes mechanikai tulajdonságok 1:1-t"l eltér" keverési arány esetén ISO:POLY tömeg-, illetve Átlagos maximális hajlítóer"* térfogatarány N 10 %-kal kevesebb ISO 162:180 675±50 5 %-kal kevesebb ISO 171:180 1080±110 1:1 tömegarány 180:180 2280±130 5 %-kal kevesebb POLY 180:171 2390±80 10 %-kal kevesebb POLY 180:162 2450±70 *A N-ban megadott hajlítóer!t 0,01875-tel szorozva kapjuk a hajlító-húzófeszültséget N/mm2-ben **A nyomott felület nagysága 400 mm2
Átlagos maximális nyomóer"**, kN 11,9±0,5 15,6±1,0 17,8±1,0 19,5±0,5 20,0±1,0
3. ábra. a) A hajlító-húzószilárdság, b) a nyomószilárdság függése az ISO/POLY aránytól
34
2014. 51. évfolyam 1. szám
komponens pumpáját a POLY-hoz képest inkább 5–10%kal nagyobb átlagértékre állítsák be. 7. Összefoglalás A POLINVENT KFT. egy nemzetközi K+F projekt keretében felkérést kapott speciális, robottechnikával végzett cs!csatlakozás-javításokra alkalmas, kétkomponens" injektáló gyanták kifejlesztésére. Alapfeltevésünk szerint, egyes saját fejlesztés" lassú PU anyagaink – módosításokkal – az erre vonatkozó követelményeket nagy valószín"séggel kielégítik. Célzott laboratóriumi teszteket folytattunk erre a célra kifejlesztett, hagyományos di- és poliizocianátokkal, lassan reagáló, szekunder diamin csoportokat tartalmazó unikális polikarbamidokkal, és velük különböz! arányban elegyített tixotropizáló szerrel. Német kivitelez! és gépfejleszt! partnereinkkel közösen helyszíni kísérletek során dolgoztuk ki az anyag öszszetételét és a feldolgozási technológiát. A 2012 !szén elkészült jó min!ség" helyszíni javítások és a német partnerekt!l kapott kedvez! visszajelzés alapján a technológiát és a hozzá tartozó Thixo-Inject PU-1 terméket immár stabilnak, véglegesnek tekintjük. A piaci bevezetés 2014 tavaszától várható.
2014. 51. évfolyam 1. szám
A kutatás az EUROSTARS E!6945 „Surea” projekt keretében, a KUTATÁSI ÉS TECHNOLÓGIAI INNOVÁCIÓS ALAP társfinanszírozásával valósult meg. A szerz!k köszönetet mondanak a NEMZETI FEJLESZTÉSI ÜGYNÖKSÉG-nek és a MAG ZRT.-nek a projekt pénzügyi támogatásáért. Köszönet illeti továbbá EUROSTARS projekt-partnerünket, a düsseldorfi FLUVIUS-GMBH-t és német gépészeti fejlesztési partnerét a közös munkába hozott m"szaki kivitelezési és piaci ismeretekért, valamint a K+F projektre fordított saját er!forrásaikért. Köszönet illeti továbbá a gondos laboratóriumi vizsgálatokért a Sankt-Wendel-i SBKS intézetet és a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉKÉ-t. Irodalomjegyzék
[1] Nagy, G.: A Polinvent Kft. K+F és egyéb eredményei az elmúlt öt évben, M"anyag és Gumi, 46/8, 281–290 (2009). [2] Balogh, T.; Balázs, F.; Bánhegyi, Gy.: Melegen szórható direkt polikarbamid rendszerek általános jellemzése, M"anyag és Gumi, 46/8, 305–308 (2009). [3] Nagy, G.; Balogh, T.: Kartusos kiszerelés", statikus kever!vel homogenizált indirekt polikarbamid gyanták egyes mechanikai tulajdonságainak vizsgálata, M"anyag és Gumi, 50/10, 395–399 (2013). [4] Construction Products Regulation (EU) No 305/2011 (CPR), http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/construction/legislation/
35
