Lebontható polimerek, adalékanyagok Dr. Tábi Tamás 2015. Október 28.
Probléma a „hagyományos” műanyagokkal
Egy lehetséges megoldás
Egy lehetséges megoldás
Biológiailag lebomló (lebontható) polimerek (röviden lebontható polimerek vagy biopolimerek) alatt olyan, általában természetes alapú, megújuló erőforrásból előállított polimereket értünk, amelyek a talajban komposztálva, vagy biotikus környezetbe helyezve a gombák, baktériumok vagy algák enzimatikus bontó képességének hatására hónapok, esetleg néhány év alatt szemmel nem látható részekre (humusz, víz, szén-dioxid) bomlanak és a bomlástermékek nem szennyezik a környezetet vagy a komposztot.
Szacharidok, mint az műanyagipar új építőkövei
Megújuló erőforrásból milyen polimerek állíthatóak elő?
6
Lebontható polimerek csoportosítása
Agro-polimerek
Lebontható poliészterek
A világban megvalósult pár biopolimer alkalmazás
Politejsav (PLA)
Tejsav, Politejsav Ez milyen polimer? A Politejsav (Poly(Lactic Acid) (PLA)) egy termoplasztikus (részben kristályos), alifás poliészter. Hogyan állítják elő? Megújuló erőforrásból, pontosabban keményítőből (poliszacharid) vagy cukorból (diszacharid). Első lépésként a keményítőt (vagy cukrot), mint glükóz-származékot savas hidrolízissel szőlőcukorra (glükóz) bontják, amelynek tejsavas erjesztésekor (fermentáció) pedig tejsav képződik. A tejsavbaktériumok (Lactobacillus) jelenlétében a folyamat során a szőlőcukorból (C6H12O6) tejsav (C3H6O3) képződik:
C6H12O6 = 2C3H6O3 A tejsav alkalmazása? A tejsavat leginkább élelmiszeriparban hasznosítják antioxidánsként, élelmiszerek savanyítására (káposzta) vagy tartósítószerként (E270). Emellett az emberi szervezet is termeli (izomláz), valamint fertőtlenítő hatása is van, így például a szájban, belekben is megtalálható.
Tejsav, Politejsav Szőlőcukor (keményítőből előállítva) tejsavas erjesztése során tejsav képződik
Tejsav, Politejsav
A Politejsav tulajdonságai A PLA tulajdonságai: Mechanikailag kiváló (60-65 MPa szilárdság, 3 GPa merevség), de rideg (PS-hez hasonló tulajdonságok), azaz csak 3-5% körüli szakadási nyúlással rendelkezik és ütőszilárdsága is kicsi Zsugorodása csekély (0,3-0,5%) Lassú kristályosodás jellemzi, ömledékállapotból lehűtve nagy valószínűséggel teljesen amorf terméket kapunk Átlátszó termékek gyárthatóak belőle, de a kristályosság növelésével átlátszósága elvész Mivel a Tg=55-65°C, így a hőállósága is kicsi (amorf termék esetén) Tg fölé melegítve intenzív hideg-kristályosodás indul be Hagyományos technológiákkal feldolgozható, de a feldolgozásra érzékeny (hőmérséklet, tartózkodási idő) Hidrofil, de nem vízoldható; vízgőz és gázzáró képessége a PET-nél jelentősen rosszabb, ugyanakkor aromazárása és zsírállósága kitűnő, erősen poláros UV fénynek, alkoholnak ellenáll, de savaknak, lúgoknak nem Széleskörűen módosítható ömledékkeveréssel (extruzió) Ára jelenleg a PC ára körül alakul (1,9 Euro/kg)
A Politejsav feldolgozása
PLA fröccsöntése
PLA vákuumformázása
PLA vákuumformázása
PLA palackfúvása
PLA habosítása
PLA fizikai hab (CO2) + Talkum + Lánchossz növelő
PLA fizikai hab (CO2)
A Politejsav lebomlása
A Politejsav (PLA) lebomlása Lebomlása? Lebomlásával nem szennyezi a környezetet (víz, humusz, szén-dioxid keletkezik). Lebomlása komposztban (T>~60°C) pár hónap alatt végbemegy, ugyanakkor csakis egy kezdeti hidrolízis után indul meg (észter-kötés), azaz szobahőmérséklet mellett szinte teljesen stabil, és a belőle készített termék hosszútávon, évekig használható marad (biotikus környezetben nem bomlik). Sajnos még nem áll rendelkezésre akkora komposztálási kapacitás, ami meg tudna bírkózni több 10.000 tonna PLA-val évente.
PLA laboratóriumi lebontása
PLA/30m% keményítő
PLA
PLA/15m% cellulóz
PLA laboratóriumi lebontása
10
10
5
5 0
-5
0
25
50
75
100
125
150
175
-10 -15 -20 -25 -30
PLA PLA/30m%keményítő PLA/15m%cellulóz
-35
200
225
250
Tömegváltozás [%]
Tömegváltozás [%]
0
-5
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
-10 -15 -20 -25 -30
PLA PLA/30m%keményítő PLA/15m%cellulóz
-35 Lebontási idő [óra]
Lebontási idő [óra]
Enzimes oldat
Desztillált víz
PLA
PLA/30m% keményítő
PLA/15m% cellulóz
250
Lebomló polimerek komposztálása
Lebomló polimerek komposztálása
Lebomló polimerek komposztálása
Lebomló polimerek komposztálása
Hőmérséklet [°C]
Hőmérséklet a komposztban
Idő [nap]
~1 hét
Termékek házi komposztálása (0.hét)
Termékek házi komposztálása (12.hét)
Politejsav Alkalmazása? Átlátszósága miatt potenciálisan alkalmazható a csomagolóiparban, ugyanakkor folyadékok esetében jelenleg még nem vagy csak korlátokkal alkalmazható a szén-dioxid, oxigén és vízgőz áteresztő képessége miatt. Tekintve, hogy ellenáll az alkoholnak, így parfümök „csomagolására” alkalmas. Elektronikai iparban már készítettek belőle különböző számítógép perifériákat, billentyűzetet, egeret (elsősorban a burkolatokat), vagy DVD lemezt. Szál és ezáltal szövet formájában is használható kendők, ruhák létrahozására.
Polikaprolakton (PCL)
Polikaprolakton Ez milyen polimer? A Polikaprolakton (PCL) egy részben kristályos, termoplasztikus, alifás poliészter. Hogyan állítják elő? Az ε-kaprolaktonból lehet előállítani gyűrűfelnyitásos polimerizációval. Napjainkban leginkább kőolajból állítják elő, nem pedig megújuló erőforrásból, ugyanakkor utóbbit is tervezik a jövőben. Tulajdonságai? Kis olvadási hőmérséklete miatt (65ºC) keverékként, kopolimerizálva, vagy térhálósítva hasznosítják, ugyanakkor ennek megfelelően kis mértékű a feldolgozási energiaigénye, egyben kicsi a viszkozitása. Alacsony üvegesedési hőmérséklettel rendelkezik (-60°C), kis mértékű kristályosság jellemzi. Jó víz-, olaj-, és oldószer állósággal rendelkezik.
Polikaprolakton Lebomlása? Komposztálva is, és biotikus környezetbe helyezve is gyorsan elbomlik enzimatikus úton, köszönhetően az alacsony olvadási hőmérsékletének. Alkalmazása? Biokompatibilitása és gyors lebomlása miatt gyógyszertartalmú kapszulák bevonásánál (időzített lebomlás), sebészetben varrófonalként, implantátumként, illetve csomagolástechnikában alkalmazzák (főleg keményítővel társítva) leginkább rugalmas termékek (fóliák) anyagaként. Európában leginkább a termoplasztikus keményítővel társított keverékből gyártott lebomló szemeteszsákként terjedt el (Mater-Bi). Keményítő jelenléte jelentősen gyorsítja a lebomlását, ugyanakkor a keményítő jelenléte a vízfelvételt növeli.
Polimerek adalékanyagai
Polimerek adalékanyagai Árcsökkentő adalékanyagok: - Töltőanyagok Feldolgozás-javító adalékanyagok: - Lágyítók, - Csúsztatók (formaleválasztók). Tulajdonság-módosító adalékanyagok: - Töltőanyagok, - Lágyítók, - Erősítőanyagok, - Színezékek, - Fehér és fekete pigmentek, - Stabilizátorok (Antioxidánsok, UV stabilizátorok, hőstabilizátorok, hidrolízis), - Égésgátlók, - Habosítók, - Ütésállóság-növelők, - Tapadásgátlók, - Bomlást elősegítők, - Kompatibilizálók, - Antisztatizálók (antisztatikumok),
Polimerek adalékanyagai Tulajdonság-módosító adalékanyagok: - Gócképzők (átlátszóság növelők), - Zsugorodáscsökkentők, - Anti-bakteriális, - Gázzáró-képesség növelők, - Páralecsapódás csökkentők, - Elektromos vezetőképesség növelők, - Hővezető-képesség növelők, - Savmegkötők (sósav-akceptorok), - Optikai fehérítők, -…
Lágyítók
Lágyítók Fizikai háttér: Egyes polimerek rugalmassága, hajlékonysága nem megfelelő az adott célra. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A lágyítók használatával nő a polimer hajlékonysága, hidegállósága, nyúlása, esetlegesen az ütésállósága (ütőmunkája), javul a feldolgozhatóság, csökken az ömledék-viszkozitás (kisebb fröccsöntési nyomás), csökken a Tg, és a rugalmassági modulusz és a szilárdság. A lágyítók kis molekulatömegű polimerek, vagy oligomerek, amelyek kompatibilisak a lágyítani kívánt polimerrel. Kis molekulatömegű lágyító hatásosabb (kevesebb kell belőle), de kimigrál(hat) a felületre vagy kioldódhat a polimerből (élelmiszeripari használata engedélyköteles), amíg a nagyobb molekulatömegű kisebb hatékonyságú, ugyanakkor jelentősen kevéssé migrál. A lágyítók 80%-át a PVC lágyítására és feldolgozhatóvá-tételére használják. Működésük szerint másodlagos kötéseket alakítanak ki a polimer láncmolekuláival, növelik a polimer molekulák közti távolságot, így növelik azok mobilitását és ezáltal deformálhatóságát. Részbenkristályos polimerek esetében a kristályos részarány változatlan marad, a lágyító csak az amorf részarányt módosítja. Gyorsítják a kristályosodás folyamatát.
Lágyítók Fizikai háttér: Egyes polimerek rugalmassága, hajlékonysága nem megfelelő az adott célra. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A lágyítók használatával nő a polimer hajlékonysága, hidegállósága, nyúlása, esetlegesen az ütésállósága (ütőmunkája), javul a feldolgozhatóság, csökken az ömledék-viszkozitás (kisebb fröccsöntési nyomás), csökken a Tg, és a rugalmassági modulusz és a szilárdság. A lágyítók kis molekulatömegű polimerek, vagy oligomerek, amelyek kompatibilisak a lágyítani kívánt polimerrel. Kis molekulatömegű lágyító hatásosabb (kevesebb kell belőle), de kimigrál(hat) a felületre vagy kioldódhat a polimerből (élelmiszeripari használata engedélyköteles), amíg a nagyobb molekulatömegű kisebb hatékonyságú, ugyanakkor jelentősen kevéssé migrál. A lágyítók 80%-át a PVC lágyítására és feldolgozhatóvá-tételére használják. Működésük szerint másodlagos kötéseket alakítanak ki a polimer láncmolekuláival, növelik a polimer molekulák közti távolságot, így növelik azok mobilitását és ezáltal deformálhatóságát. Részbenkristályos polimerek esetében a kristályos részarány változatlan marad, a lágyító csak az amorf részarányt módosítja. Gyorsítják a kristályosodás folyamatát.
Lágyítók Főbb követelmények a lágyítókkal szemben: - Kis illékonyság, - Vízoldhatatlanság, - Jó hő-, és fényállóság, - Összeférhetőség a polimerrel, - Migrációállóság, tartós hatás, - Hidegállóság, - Vegyszerállóság, - Lángállóság, - Biológiai bonthatóság (víz és szén-dioxid képződik). További hatása a polimerre: Sok esetben a lágyító alkalmas egyben csúsztatóként, valamint formaleválasztóként és a molekulaláncok mozgékonyságát növelve növeli a kristály-gócok növekedési sebességét, azaz gyorsítja a kristályosodási folyamatot, de a gócképződési folyamatot nem (lásd gócképzők).
Lágyítók Példák adalékanyagra: A világ összes lágyító termelésének 85%-át a PVC lágyítására használják. - Ftalátok (ftálsav észterek), - Adipinsavak, - Foszforsavészterek, - Citrát-észterek (biológiailag lebomló).
Fehér és fekete pigmentek
Fehér és fekete pigmentek Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A fény spektrumából szinte az összes hullámhossz-tartományt elnyelik (fekete) vagy épp visszasugározzák (fehér). Egyéb hatása a polimerre: Mindkét esetben UV stabilizátorként is működnek, megnövelt időjárásállóság. Példák fehér pigmentekre: Titán-dioxid (TiO2): A leghatékonyabb, legelterjedtebb fehér pigment. Jó kémiai, termikus stabilitás, diszpergálhatóság jellemzi, valamint nem toxikus. Mivel elnyeli az UV sugárzást (és hővé alakítja), így megvédi a polimert. Cink-szulfid (ZnS): A Titán-dioxid alternatívája. A ZnS (3-mas Mohs keménység) jóval puhább anyag, mint a TiO2 (6-7-es Mohs keménység) így kisebb a szerszám és egyéb alkatrészek kopása, ugyanakkor kevesebb UV fényt nyel el.
Egyéb hehér és fekete pigmentek További példák adalékanyagra: - Alimínium-szilikát - Bárium-szulfát - Kálcium-szilikát - Magnézium-szilikát (talkum) Fekete pigment (szinte kizárólag ezt használják): Korom: Ideális többfunkciós adalékanyag, mivel színez, erősít, UV állóságot növeli, antisztatizál (elektromosan vezető). Leginkább a gumiipar használ kormot a gumi kopás, kifáradás, valamint szakítás elleni erősítésére. Általánosan igaz, hogy a kisebb szemcseméretű korom jobb tulajdonságokat kölcsönöz a polimernek, ugyanakkor nehezebb eloszlatni.
Stabilizátorok
Stabilizátorok Fizikai háttér: A polimerek bomlása megindulhat: - Fizikai tényezők (hő, nyíróerők, napfény), - Kémiai behatás (oxigén, víz, vegyszerek), - Biológiai tényezők (gombák, baktériumok) hatására. Ezek alapján megkülönböztetünk UV stabilizátorokat, antioxidánsokat (hőstabilizátorokat). A tisztán termikus bomlás jellege háromféle lehet: - Statisztikus lánctördelődés (degradáció) - Depolimerizáció (polimerizációval ellentétes folyamat, oligomerek, monomerek keletkeznek) - Elimináció (oldalcsoportok leszakadnak, de a főlánc sértetlen) Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A polimer oxigén (+ hő) és/vagy UV sugárzással szembeni ellenállóképességének növelése, hogy az adott polimert nagyobb hőmérsékleten fel lehessen dolgozni, vagy hosszú ideig bírja az emelt üzemhőmérsékletet vagy kültéri körülményeket.
Antioxidánsok
Antioxidánsok Fizikai háttér: Az oxidációt a levegő oxigénje (+ hő) inicializálja. Oxidáció során szabadgyökök képződnek, amelyek az oxigénnel reagálva peroxid gyököket, utóbbiak pedig a polimer lánccal tovább reagálva hidroperoxidokat hoznak létre. Ez a reakció degradálja, öregíti és ezáltal ridegíti a polimer terméket. Az oxidáció hatására esztétikai (sárgulás), optikai (átlátszóság-csökkenés) és mechanikai tulajdonságok romlása következik be. Az antioxidánsok semlegesítik ezeket a szabadgyököket. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: Az oxidáció hatására létrejövő káros hatások megakadályozása. Az alkalmazott mennyiség 1-2%. Megkülönböztetünk elsőrendű és másodrendű antioxidánst. Az elsőrendű antioxidánsok a szabad gyökök létrejöttét gátolja („gyökfogók”), a másodrendűek pedig a hidroperoxidot bontja le („peroxid bontók”). Példák adalékanyagra: - Térben gátolt fenolok, aromás aminok (elsőrendű antioxidánsok) - Foszfitok, tioéterek (másodrendű antioxidánsok) - Kettőt együttesen szokták alkalmazni a szinergikus hatás miatt
UV stabilizátorok
UV stabilizátorok Fizikai háttér: A napsugárzás UV tartományának energiája azonos nagyságrendű mint a fővegyérték-erők energiája, így a polimerek kültéri használat esetén fotodegradálódhatnak (foto-oxidálódhatnak), ami ridegedéshez, a termék/alkatrész berepedezéséhez, ütésállóságának (és a többi mechanikai tulajdonság) drasztikus csökkenéséhez, elszíneződéshez vezethet. A fény a polimer terméken visszaverődhet, szóródhat, áthatolhat rajta, vagy elnyelődhet. Foto-oxidációt az elnyelt fénysugárzás okozza és leginkább a polimer láncban található kettős kötésekre van hatással, mivel azokat gerjeszti. Egyes hullámhossz tartományok egyes polimerekre károsabbak, míg másokra nem. Pl. PP esetében a 330 nm alatti hullámhossz tartomány a veszélyesebb, amíg PE esetében a 330 nm feletti. Részben kristályos polimereknél a kristályos részarány szétszórja a fényt, így ezek a polimerek még jobban ki vannak téve a foto-oxidációnak.
UV stabilizátorok Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A napsugárzás okozta oxidáció káros hatásának csökkentésére. Az alkalmazott mennyiség 0,01-2%. Működési mechanizmus (hasonló az antioxidánsokhoz) szerint lehetnek: - UV-abszorberek, vagy UV-árnyékolók (elnyelik a sugárzást és hőenergiává alakítják vagy leárnyékolják az UV tartományt) - Kioltók (a fény által gerjesztett atomcsoportok energiáját átveszik és leadják) - Hidroperoxid-bontók (a fotooxidáció következtében létrejövő hidroperoxidcsoportokat bontják) - Gyökfogók (a bomlás első lépéseként létrejövő csoportokat, szabadgyököket megkötik)
UV stabilizátorok Példák adalékanyagra: UV-árnyékolók: Kálcium-karbonát (önmagában használva fehér színt kölcsönöz a terméknek) UV-abszorberek: Benzofenon vegyületek Kioltók: Nikkel alapú stabilizátorok Gyökfogók, hidroperoxid-bontók: Úgynevezett HALS (Hindered Amine Light Stabilizers) vegyületek
Hidrolízis elleni stabilizátorok
Hidrolízis elleni stabilizátorok Fizikai háttér: Egyes polimerek hajlamosak hidrolízis útján (víz és nagy hőmérséklet együttes hatására) degradálódni. A hidrolízis tulajdonképpen a polikondenzációs reakció megfordítása. A poliolefinek nem, de a poliészterek vagy poliamidok ki vannak téve a hidrolízis veszélyének. A hidrolízis során a poliészter észter csoportjaiból sav és alkohol csoportok jönnek létre, amelyek katalizálják a reakciót, így az autokatalitikussá (önfenntartó) válik. A reakció során a polimer lánc tördelődik, a polimer termék/alkatrész pedig ridegebbé válik, majd szétesik. Az alapanyag nem megfelelő szárítása esetén a hidrolízis már a feldolgozó berendezésben megindulhat. A Politejsav (PLA) mint lebontható polimer tulajdonképpen hidrobontható, azaz egy kezdeti hidrolízis után képesek csak a bontó baktériumok feldolgozni a most már csak oligomer formában jelen lévő tejsavat. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: A hidrolízis lassítása. Az adalékanyag reagál a hidrolízis által létrehozott savakkal, így nem lesz autokatalitikus a reakció. Példák adalékanyagra: - Polikarbodiimidek
Égésgátlók
Égésgátlók Fizikai háttér: A polimerek többsége szerves molekulák révén könnyen éghető. A PE, PP, PS, PET, PUR, UP, EP könnyen égnek, de a PVC, a nagy hőállóságú polimerek, klór, valamint fluor (PTFE) tartalmú polimerek bizonyos mértékig természetüknél fogva égésgátoltak, azaz a gyújtóláng eltávolítását követően égésük megszűnik, „önkioltók”. Az éghetőségüket a LOI index segítségével minősítik. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: Égés folyamatának gátlása főként villamos-, jármű és építőipari termékekben/alkatrészekben. Működésük során az égéshez szükséges egyik elem (hő, éghető anyag, oxigén) utánpótlását megszakítják. Működésük legtöbb esetben az oxigén elvonásával (nitrogén gáz vagy halogének képződésével), vagy a hő elvonásával (vízképződéssel), vagy az éghető anyag hozzáférhetőségének elzárásával (elszenesedett réteg létrehozásával) jár, de nem az égés a legveszélyesebb, hanem az égés során keletkező toxikus melléktermékek és a sűrű füst. Az égésgátlók további feladata, hogy meggátolja az égő anyag csöpögését, és csökkentse az utóizzást. Jelenleg a kutatások arra irányulnak, hogy a lehető legkevesebb füstöt képezzen a folyamatosan égésben tartott polimer termék.
Égésgátlók Fizikai háttér: A polimerek többsége szerves molekulák révén könnyen éghető. A PE, PP, PS, PET, PUR, UP, EP könnyen égnek, de a PVC, a nagy hőállóságú polimerek, klór, valamint fluor (PTFE) tartalmú polimerek bizonyos mértékig természetüknél fogva égésgátoltak, azaz a gyújtóláng eltávolítását követően égésük megszűnik, „önkioltók”. Az éghetőségüket a LOI index segítségével minősítik. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: Égés folyamatának gátlása főként villamos-, jármű és építőipari termékekben/alkatrészekben. Működésük során az égéshez szükséges egyik elem (hő, éghető anyag, oxigén) utánpótlását megszakítják. Működésük legtöbb esetben az oxigén elvonásával (nitrogén gáz vagy halogének képződésével), vagy a hő elvonásával (vízképződéssel), vagy az éghető anyag hozzáférhetőségének elzárásával (elszenesedett réteg létrehozásával) jár, de nem az égés a legveszélyesebb, hanem az égés során keletkező toxikus melléktermékek és a sűrű füst. Az égésgátlók további feladata, hogy meggátolja az égő anyag csöpögését, és csökkentse az utóizzást. Jelenleg a kutatások arra irányulnak, hogy a lehető legkevesebb füstöt képezzen a folyamatosan égésben tartott polimer termék.
Égésgátlók Példák adalékanyagra (többségük tartalmaz brómot, klórt, foszfort, antimont, vagy alumíniumot): - Alumínium-trihidrát (legelterjedtebb égésgátló): kettős hatás, hőt von el és vizet fejleszt - Antimon-trioxid - Magnézium-hidroxid - Szerves halogén (Cl, Br) vegyületek: környezetvédelmi előírások miatt háttérbe szorultak (füstöt képez égés közben) - Szerves foszforvegyületek - Nanorészecskék: legújabb kutatások irányvonala
Bomlást elősegítő adalékok
Bomlást elősegítő adalékok Fizikai háttér: Habár a piacon léteznek megújuló erőforrásból előállított, és egyben biológiai úton lebontható polimerek, ugyanakkor ezek tulajdonsága, feldolgozhatósága nem mindig megfelelő a kívánt célra. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: Az adalékanyag segítségével hagyományos, kőolaj alapú polimerek is bonthatóak lesznek, méghozzá „időzíthetően”. Az adalékanyag UV fény, vagy oxigéndús környezetben felgyorsítja a polimer termék bomlását, így csökken a molekulatömeg, a termék berepedezik, szétesik, és a kis darabok vízoldhatóak lesznek, valamint feldolgozhatóak a bontó baktériumok által. Megoszlanak a vélemények, hogy a talajban az apró darabokat a bontó baktériumok fel tudják-e dolgozni, azaz valóban biológiai úton bontható válik-e a termék, vagy csak szétesővé. Mindezek alapján komoly viták folynak a „biopolimeresek” és az „adalékanyagosok” között, hogy melyik megoldás a környezetbarát és melyik lesz a jövő (még ha az adalék működik is, továbbra is kőolaj alapú a polimer). Példák adalékanyagra: - EPI TDPA nevű adalékanyaga - d w nevű adalékanyag
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok)
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok) Kristályosodás folyamata: A kristályosodás a részben-kristályos polimerekre jellemző folyamat, amint az ömledékből hűtve (ömledékállapotban nincs kristályos részarány) létrejön a kristályos szerkezet. A kristályosodás úgynevezett kristálygócok képződéséből, valamint azok növekedési szakaszából áll. A gócképződés lehet homogén (spontán) vagy heterogén. Homogén gócképződés esetén az ömledékből hűtve a molekulaláncok spontán csoportosulásai alkotnak kristálygócokat. Heterogén gócképződés esetén kívülről bevitt gócképzők, vagy bármilyen „idegen anyag” indukálja a kristálygócok kialakulását. A kristályosodás sebességét a kristálygócok képződésének sebessége és növekedésük sebessége együttesen határozza meg.
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok) Kristályosodás folyamata: A kristályosodás a részben-kristályos polimerekre jellemző folyamat, amint az ömledékből hűtve (ömledékállapotban nincs kristályos részarány) létrejön a kristályos szerkezet. A kristályosodás úgynevezett kristálygócok képződéséből, valamint azok növekedési szakaszából áll. A gócképződés lehet homogén (spontán) vagy heterogén. Homogén gócképződés esetén az ömledékből hűtve a molekulaláncok spontán csoportosulásai alkotnak kristálygócokat. Heterogén gócképződés esetén kívülről bevitt gócképzők, vagy bármilyen „idegen anyag” indukálja a kristálygócok kialakulását. A kristályosodás sebességét a kristálygócok képződésének sebessége és növekedésük sebessége együttesen határozza meg.
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok)
Gócképzés szükségességének fizikai háttere: - Egyes részben kristályos polimerek nagyon lassan kristályosodnak ömledékből való hűtéskor (pl. PLA), így nem érik el a lehető legnagyobb kristályos részarányt (gócképzők). - Egyes részben kristályos polimerek ugyan kellően gyorsan kikristályosodnak, de átlátszóságuk megszűnik a kristályos részarány következtében, így azok nem vagy csak korlátozva alkalmazhatóak orvostechnikai és csomagolástechnikai célokra (átlátszóság növelő). Többféle kristályos módosulat létezik, pl. PP esetében: α, β, γ, PLA esetében α, β, γ, és η. A gócképzők általában egyfajta kristálymódosulat képződését segítik elő. Amely gócképző hatékony az egyik polimer esetében az egyáltalán nem biztos, hogy hatékony lesz egy másik polimer esetén.
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok) Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: - Lassú kristályosodás esetén (pl. PLA) a gócképzők feladata a kristálygócok képződésének elősegítése, és ezáltal a kristályos részarány növelése. A kristályos részarány növelésével növelhető a polimer hőállósága, csökkenthető a gyártáshoz szükséges ciklusidő. - Kellően gyors kristályosodás esetén (pl. PP) a megszilárdult ömledék átlátszósága nem lehet tökéletes a kristályos részarány miatt, amely megtöri a fényt (az amorf polimerek az átlátszóak), ugyanakkor a kristályos részecskenagyság csökkentésével (kisebb szferolitok) az átlátszóság javítható. Ebben az esetben a gócképzők feladata az átlátszóság növelése, mivel a kristálygócok képződésének elősegítésével több, de kisebb krisztallitok jönnek létre.
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok) Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: - Lassú kristályosodás esetén (pl. PLA) a gócképzők feladata a kristálygócok képződésének elősegítése, és ezáltal a kristályos részarány növelése. A kristályos részarány növelésével növelhető a polimer hőállósága, csökkenthető a gyártáshoz szükséges ciklusidő. - Kellően gyors kristályosodás esetén (pl. PP) a megszilárdult ömledék átlátszósága nem lehet tökéletes a kristályos részarány miatt, amely megtöri a fényt (az amorf polimerek az átlátszóak), ugyanakkor a kristályos részecskenagyság csökkentésével (kisebb szferolitok) az átlátszóság javítható. Ebben az esetben a gócképzők feladata az átlátszóság növelése, mivel a kristálygócok képződésének elősegítésével több, de kisebb krisztallitok jönnek létre.
Gócképzők (átlátszóság növelő adalékok) Példák adalékanyagra: - Bármi… - Adipinsav - Fém sók - Szorbitol - Foszfátok - Szervetlen töltőanyagok (Titánium-dioxid, talkum, aluminim-oxid, krétapor)
Anti-bakteriális adalékok
Anti-bakteriális adalékok Fizikai háttér: A természetes (pl. cellulóz vagy keményítő) alapú polimereket a baktériumok, gombák vagy algák könnyen megtámadják és károsítják. A szintetikus műanyagok többnyire nincsenek kitéve a baktériumok hatásának, ugyanakkor a lágyító, csúsztató tartalmuk, amely kimigrál(hat) a termék felületére elősegíti a baktériumok megtapadását, ugyanis ez tápanyagot jelent számukra. Az adalékanyag funkciója és működési mechanizmusa: Megakadályozni a baktériumok, gombák káros hatását (élettartam csökkenés, elszíneződés, kellemetlen szag) a polimer termékekre/alkatrészekre. Az alkalmazott vegyületek As (arzén), Sb (antimon), Cu (réz), Sn (ón), illetve halogén tartalmúak, így az emberre is veszélyesek, de nagyon kis mennyiségben alkalmazzák ezeket (0,1-0,2%). A működésük során az anti-bakteriális adalékanyagok kimigrálnak a felületre és gátolják a mikroorganizmusok anyagcseréjét, szaporodását, vagy meg is ölik azokat. Példák adalékanyagra: - Difenil-antimon-2-etil-hexanoát - Réz-8-oxi-kinolin - Tributil-ón-oxid - Ezüst részecskék
Alapanyagok célzott módosítása
71
