M!anyagok feldolgozása és alkalmazása
M!anyag csövek és profilok az épít"iparban Dr. Lehoczki László, a M!anyag és Gumi szerkeszt"je
Az épít!ipari m"anyagok világpiaca A m!anyagok globális kereslete az épít"iparban 7%/év átlagos növekedési ütemmel 2019-re elérheti értékben az 57,5 milliárd dollárt, állítja piaci tanulmányában a TRANSPARENCY MARKET RESEARCH. A b"vül" épít"ipar, együtt a m!anyagok iránti nagyarányú kereslettel, az épít"ipari m!anyagok piacára is hasonló hatással van. Az iparág fejl"dése Indiában, Kínában és Brazíliában várhatóan alapvet"en hozzá fog járulni a keresletnövekedéshez a következ" öt évben. Az urbanizáció és az életstílus változása ezekben az országokban szintén sarkallja a növekedést. Ugyanakkor, az alapanyagárak emelkedése, a m!anyagok használatával kapcsolatos környezetvédelmi szabályozások fékezhetik a jöv"ben a piaci b"vülést. A m!anyagok növekv" alkalmazása a „zöld” építészetben, valamint a bioalapú m!anyagok egyre nagyobb mérték! használata új lehet"ségeket nyithat ezen a területen. 2012-ben a globális kereslet 35%-át a PVC tette ki, így az épít"ipar legszélesebb körben használt m!anyaga. A PVC népszer! a tulajdonságai miatt, mint a tartósság, a kopásállóság és a könny! súly. Az akrilátok hozhatják a leggyorsabb növekedési ütemet, ugyanis n" irántuk az igény a felületbevonásban, valamint a tömít"- és ragasztóanyagoknál. A csövek és csatornák alkalmazási szegmens volt a legnagyobb az épít"ipari m!anyagoknál 2012-ben, de meg kell említeni más felhasználási területeket is, amelyek jelent"s tényez"nek számítanak, mint a burkolás, a tet"fedés, a vízszigetelés, az er"sítés, a padlózás és az általános szigetelés. Ez utóbbi volt a második legnagyobb alkalmazási területe az épít"ipari célú m!anyagoknak, amely az elkövetkez" években is hasonló mértékben fog b"vülni. Az ajtók és fittingek állnak a következ" helyen, ez a két szegmens mutatja a leggyorsabb növekedési ütemet. Észak-Amerika dominálta a piacot, második Európa, az épít"ipar, ezen belül is a felújítások, renoválások fellendülésének köszönhet"en. Ázsiában/ Óceániában várható majd a leggyorsabb b"vülés, 2013 és 2019 között átlag évi 7,5%-kal. A RESEARCH AND MARKET piackutató éves szinten szintén 7%-os növekedést vár az épít"ipari m!anyag alkalmazások világpiacán, ami értékben 2016-ra elérheti a 45,6 milliárd USD-t. Globális viszonylatban Európa több mint 30%-os piaci részesedéssel rendelkezik ezen a területen, míg az országok tekintetében az USA hasítja ki a legnagyobb piaci szeletet, a közeljöv"ben India és Japán 2014. 51. évfolyam 8. szám
növekedése lesz a leggyorsabb ütem!. Az épít"ipari m!anyagok végfelhasználói szegmensei közül a szigetelési piac várhatóan eléri a 13,3 milliárd USD-t. A csövek és csatornák piaci részesedése 36%-kal a legnagyobb, 2011– 2016 között a várható keresletnövekedés átlag évi 6,6% lesz. Az ajtók és fittingek 8,8%/év értékkel a leggyorsabban b"vül" területnek számítanak 2016-ig. Ez a piackutató cég is a PVC-t nevezi meg a leggyakrabban használt m!anyagként az épít"iparban (csövek, csatornák, ajtó és ablak profilok, tet"fedés). A kompozit anyagok állnak a második helyen (betonvasalások, fürd"szoba felszerelések stb.). Várható a közeljöv"ben, az akrilátok mellett, a TPE felhasználásának gyors növekedése is flexibilis jellemz"i miatt. A m!anyagok jól ismertek tartósságukról, esztétikus megjelenésükr"l, nagy teljesítményükr"l és könny! kezelhet"ségükr"l. A csomagolóipar után, az épít"ipar a legnagyobb alkalmazója a m!anyagoknak, a használt m!anyag típusok közül a legfontosabbak az akrilátok, a polietilén, a polikarbonát, a habosított polisztirol és a PVC. F" el"nyeik között szerepel a fenntarthatóság, az innovációs lehet"ségek, a költséghatékonyság, a reciklálhatóság és a kis karbantartási igény. Ugyanakkor, számos kihívással kell szembenéznie az iparágnak, mint pl. a szigorú környezetvédelmi szabályozások és az ingadozó alapanyag árak. Ezeken a kihívásokon úrrá lehet lenni, ha egyensúlyt tartanak a környezet védelme, a technológiai fejlesztések és a funkcionalitás között. A magas olajárak és a környezetvédelmi elvárások miatt, több vállalkozás kezdett el foglalkozni a biom!anyagokkal, amely anyagtípus a közeljöv"ben jövedelmez" lehet"ségeket hozhat. A számos alkalmazási terület közül ebben a cikkben a m!anyag csövek és profilok gyártási és alkalmazási újdonságait emeljük ki. M"anyag csövek Az amerikai FREEDONIA piackutató cég a 2013-ban kiadott „World Plastic Pipe” tanulmányában megállapítja, hogy a m!anyag csövek iránti kereslet 2017-ig évi 8,5%kal fog emelkedni, és elérheti a 11,2 milliárd méter gyártott hosszt. Ez jelent"s javulás a 2007–2012 közötti id"szakhoz képest. Észak-Amerika és az Ázsia/Óceánia térség átlag feletti b"vülés (9,8 és 9,7%) elé néz, míg Nyugat-Európában lesz a legkisebb a növekedési ütem az 287
M!anyagok feldolgozása és alkalmazása 5%/év körüli értékkel. Ezeknek az el"rejelzéseknek az alapja a világviszonylatban növekv" épít"ipari beruházások, ahol a m!anyag cs" a legnagyobb mennyiségben használt termék. Két fontos régiót emelnek ki: az USA-t, ahol az épít"ipari fellendülésnek köszönhet"en, a csövek iránti kereslet közel kétszámjegy! b"vülést mutat, és Kínát, amely továbbra is a világ legnagyobb épít"ipari piaca marad. Másik lényeges trend, hogy a m!anyag csövek további piaci részesedést szereznek más anyagok, mint pl. a réz, a beton és az acél helyettesítésével, mivel olcsóbbak, könnyen telepíthet"k és teljesítménybeli el"nyökkel is rendelkeznek. A PVC csöveket használják a legszélesebb körben, a m!anyag cs" kereslet több mint 55%-át tették ki 2012ben. A jöv"ben a HDPE várhatóan piaci részesedést vesz el a PVC-t"l számos alkalmazási területen. A PEX is egyre inkább megszokottá válik több regionális piacon, pl. kiszorítja a PVC ivóvíz-elosztó csöveket. El"nyös teljesítményük miatt, az üvegszálakat is kezdik szélesebb körben használni a vízellátásban és a szennyvíz-elvezetésben. A keresletre el"nyös hatással van, hogy n" a nagyobb átmér"j! m!anyag csövek használata. Ezeket ivóvíz-, csatorna- és es"víz elvezet" hálózatoknál alkalmazzák legf"képp. Számos fejlett országban, az infrastruktúra korszer!sítése keretében, a víz- és szennyvízszállító csöveket m!anyagokra cserélik, mert olcsóbbak és könnyen telepíthet"k. A fejl"d" országokban a helyi víz- és szennyvíz infrastruktúra beruházások fontos szerepet játszanak a keresletnövekedésben. A 2014-ben Düsseldorfban tartott PIPES IN INFRASTRUCTURE konferencián az infrastrukturális beruházásokban használt m!anyag csövekkel kapcsolatos tapasztalatokat osztották meg az el"adók, köztük a TECNOMATIC cég, amelynek megállapítása szerint, a többréteg! csövek kimagasló teljesítménnyel rendelkeznek, és ez a teljesítmény meghaladja az egyréteg! csövekét. Az ománi MUNA NOOR cs"gyártó TECNOMATIC sorral extrudál max. 1200 mm átmér"j! többréteg! PE csövet, akár 2000 kg/óra kihozatallal. További termékei még a duplafalú, bordázott PP csatornacs" 1200 mm átmér"ig, a fittingek, aknanyílások és a többréteg! PE biztonsági csövek. A többréteg! cs" gyakorlati megoldást kínál a PE rendszerek beépítésénél és összeillesztésénél jelentkez" problémákra, ugyanakkor nagy biztonságot is nyújt minimális hozzáadott költséggel. A speciális terhelési feltételeknek megfelel" legjobb anyagkombinációk védelmet és hosszú élettartamot biztosítanak. Az újgenerációs cs" ideális az Ománban és más közel-keleti országokban el"forduló gyenge min"ség!, köves talajokhoz, amelyek nagy feszültségeket okozhatnak a cs"falban. Ezekre a kihívásokra válaszolnak a BOROUGE nagy repedésállóságú (HSCR) PE 100 anyagai, köztük a BorSafe HE3490-LS-H 288
HSCR típus. Ellenállnak a küls" felület károsodásából és a pontterhelésekb"l adódó lassú repedésterjedésnek is, ugyanakkor számos árokásás nélküli technológiával telepíthet"k. A TECNOMATIC sor 37L/D viszonyú extruderekb"l áll, és a legújabb, többréteg! szerszámfej technológiát használja (1. ábra). A három extruder a Vega család tagja, két Vega 60.37-es a bels" és küls" rétegekhez, és egy Vega 90.37 a középs" réteghez. A kombinált teljes kihozatal 2000 kg/óra jó ömledékhomogenitással. Az extrudereknek alacsony az energiafelvétele, köszönhet"en az optimalizált csigatervezésnek és az AC motoroknak, valamint a hornyolt adagolózónák nagy kapacitásának. Fontos része a sornak a TECNOMATIC Venus Multi 1200 mmes szerszámfeje. A három-spirálos tervezés biztosítja az optimális ömledékfolyást. További jellemz"k a kompakt méret, a kis nyomásnövekedés, és az ebb"l következ" energiamegtakarítás. A f!t"-h!t" rendszer állandó bels" h"mérsékletet biztosít, még nagy mennyiség! anyagok esetén is. A leveg" h!tés intenzíven h!ti a cs" bels" felületét az extrudálás irányával ellentétes leveg"beszívással. A gyártott csövek átmér"je 250–1200 mm, a falvastagság max. 88 mm lehet, a h!tést két vákuumfürd"vel oldották meg, amelyek 18 m hosszúságúra is kiterjeszthet"k.
1. ábra. Tecnomatic többréteg! cs" gyártósor
A BOREALIS két olyan BorSafe típust is kifejlesztett, amelyek jobban ellenállnak a klórozott fert"tlenít"szereknek. Számos régióban használnak ilyen anyagot az ivóvízhálózatban. Az ME3440-D és a HE3490-DS alapú csövek legalább háromszor hosszabb élettartamúak, mint a hagyományos polietilénb"l készültek. A BORSTAR bimodális technológiával gyártott BorSafe család markáns mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, ezért alkalmas olyan PE nyomócsövekhez, amelyek fektetése nehéz körülmények között történik. Sokszor fontos, hogy a vízáramlás a cs"ben gyorsabb legyen, ezért kisebb csöveket használnak nagyobb menynyiség! víz szállítására. Ugyanakkor el"fordulhat, hogy a csövön belül lassabban kell áramoltatni a vizet, pl. amikor meredek hegyoldalról folyik le. Az olasz SYSTEM 2014. 51. évfolyam 8. szám
GROUP ehhez fejlesztett ki egy HDPE rendszert. A bordás HDPE csöveknek mesterségesen létrehozott érdességük van a bels" felületen, hogy akadályozzák a vízáramot. A rendszer elnevezése Slow Flow AMR. A cs" a BARI POLYTECHNIC kutatásainak eredménye. Az érdes felület turbulenciát okoz, amely csökkenti az áramlási sebességet. A további sebességcsökkentés érdekében, a csöveket „vortex” aknanyílásokkal kombinálják a csatorna és a csapadékvíz-elvezet" rendszerekben. A bordázott csöveket els"sorban a csatornázásban használják tartósságuk, szilárdságuk és kis súlyuk miatt. Az új alkalmazási területekre való kiterjesztésük folyamata viszont id"igényes és nagy munkával jár, még akkor is, ha végül megéri. Az amerikai TENNESSEE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION engedélyezte a nagy átmér"j!, bordázott HDPE csövek hosszirányú telepítését es"víz-elvezet" rendszerekhez (2. ábra). Az engedély kiadására egyéves kültéri vizsgálatsorozat után került sor, ahol megállapították, hogy nem volt jelent"s károsodás, behajlás és feszültség kialakulás sekély betemetés és 90–120 cm-es töltési magasság mellett. A PLASTICS PIPE INSTITUTE becslése szerint, az es"víz-elvezet"khöz használt HDPE csövek több mint 80%-ánál a hosszirányú telepítést választják. Ez az engedély meger"síti e tartós termék iránti bizalmat.
3. ábra. Unicor légh!téses cs"bordázó
mér"je 30-tól 152 cm-ig terjed, és 100 éves élettartamra tervezték. A PP cs" átment a szükséges vizsgálatokon, alkalmazható oldal- és keresztirányú csatornákhoz, valamint az es"víz-elvezetésben. Olyan helyeken is alternatívát jelent, ahol eddig HDPE csöveket használtak.
4. ábra. ADS bordázott PP cs" fektetése
2. ábra. Bordázott HDPE cs" hosszirányú telepítése
A német UNICOR a bordázott cs" technológia vezet" szerepl"jének számít (3. ábra). Új fejlesztése a légh!téses cs"bordázó, amelyet els"sorban az észak-amerikai piacon értékesítenek. A berendezés szerszámát közvetlenül h!tik leveg"vel. A zárt rendszerre nincs hatással a küls" h"mérséklet. Ezt a „zárt” elemet az UNICOR vízh!t"ib"l fejlesztették tovább, ezeket a berendezések Európában használják túlsúlyban. Az amerikai FLORIDA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION engedélyt adott az ADVANCED DRAINAGE SYSTEMS (ADS) nagy teljesítmény!, bordázott polipropilén csövének használatára (4. ábra). A cs" ütésálló PP kopolimerb"l készül, ami nagyobb merevséget és tartósságot nyújt. Át2014. 51. évfolyam 8. szám
A COMPOSITE PIPES INDUSTRY (CPI) üvegszál-er"sítés! (GRP) csöveit a BRITISH PETROL (BP) építi be Omán északi részén. Ezek a korrózióálló csövek költséghatékonyak, nem igényelnek karbantartást és javítást. Alkalmasak nagy nyomású és savas közegek szállítására (5. ábra). A COMPOSITE FLUID TRANSFER (CFT) díjnyertes nyomócsöve a TICONA Celstran folytonos szállal er"sített, h"re lágyuló kompozitjait (CFR-TP) használja. A Fiberflex11 csövet általános vízszállító infrastruktúrákhoz tervezték (6. ábra). A CFR-TP tulajdonképpen egy HDPE h"re lágyuló kompozit szalag, amelyet speciális, extrudált, vékonyfalú HDPE béléssel tekernek körbe, és amelyet a CFT által kifejlesztett eljárással h"kezelnek. A cs"konstrukcióhoz küls" rétegként a VALÉRON Strenght Films HDPE fóliáját adják, amely az UV-sugárzás és a kopás ellen véd. A Fiberflex-11 cs" könnyebb, mint a hasonló átmér"j! és nyomásosztályú kompozit és m!anyag csövek. Két ember is könnyen fel tudja emelni és szállítani, 289
M!anyagok feldolgozása és alkalmazása melyek kis, közepes és nagy molekulatömeg!ek. Ennek a kombinációnak már eleve nagy a h"állósága, a katalizátor a butén komonomert eltávolítja a kisebb frakciókból és „áthelyezi” a nagyobb frakciókba, javítva ezzel a szívósságot. A végeredmény egy olyan cs", amely elegend"en szívós a kültéri alkalmazásra, és ellenáll a max. 80°C-os h"mérsékletnek. Az anyaggal helyettesíthet"k a fémek (melyek gyorsan korrodeálódnak), a PVDF (ami tízszer drágább) vagy a térhálós polietilén (amely keményebb a bekötéshez). Potenciális épít"ipari felhasználása lehet az ipari szennyvízcsatornák vagy biomassza üzemeknél a folyadékszállítás. 5. ábra. Üvegszállal er"sített kompozit csövek
nincs szükség ehhez különböz" emel"eszközökre, ezzel n" a biztonság, csökken a károsodás kockázata és a helyreállítási költség. Egy ilyen, 30 láb (914 cm) hosszúságú cs" súlya csak 58 kg, míg egy hasonló méret!, 30 cm átmér"j! HDPE SDR 9 cs"é 297 kg, így elmondható, hogy a kompozit cs" 80%-kal könnyebb. A Fiberflex-11 módosítható úgy, hogy nagyobb nyomásokon, durvább környezetben, magasabb h"mérsékleteken m!ködjön, nagyobb átmér"k esetén is.
M"anyag profilok A düsseldorfi K 2013 kiállításon mutatta be a ROSSI STAMP a FibrePlas eljárást, amellyel száler"sítés! profilokat lehet gyártani egy speciális tervezés! szerszámmal. Folytonos hosszú üvegszálak bekeverésével több mint 500%-kal növelhet" a hajlítómerevség, de csak azokon a helyeken, ahol szükség van er"sítésre. Emellett kisebb a költségigénye, mint a megegyez" fém vagy pultrudált termékeknek. A fémes er"sítés elhagyásával, a FibrePlas profilok ideális megoldásnak számítanak olyan környezetben, ahol a h"vezetés és a korrózió problémát okozhat. Az üvegszál-er"sítés az épületek h"hatásfokát is javítja. Az eljárás a pultruziós és extruziós technológiát vegyíti, a fejlesztés során törekedtek arra, hogy m!szakilag életképes és a piacon értékesíthet" eljárást hozzanak létre, els"dleges célpont pedig az épít"ipari szektor volt (7. ábra).
6. ábra. Fiberflex-11 cs"
A LYONDELL BASELL olyan új anyagot fejlesztett ki, amely ötvözi a PE-RT nagy h"állósági tulajdonságait a PE100 szívósságával, és amelyb"l a h"mérsékletnek jobban ellenálló kültéri csövek gyárthatók. A HOSTALEN CRP 100 RT fekete polimer a PE-RT típusokból származik, de kielégít" behajlással szembeni ellenállása miatt nagy átmér"j! csövek alapanyaga. Az el"állítási technológia kulcsa a katalizátor, az anyag három „frakcióból” áll, 290
7. ábra. FibrePlas profil
A német FERDINAND STUEKERJUERGEN cég végtelen szállal er"sített polimer kompozit profilokat gyárt Stuekertech néven, szabadalmaztatott ETA módszerrel. Ezek ideálisak könny!, nagy szilárdságú alkalmazásokhoz. Az extrudálás során a profil egyirányban er"sített a hosszirányú, el"impregnált szalagoknak köszönhet"en, biztosít2014. 51. évfolyam 8. szám
va a megfelel" feszít"er"t. A profiltermékek különböz", üveg- vagy szénszállal er"sített, h"re lágyuló m!anyagokból állíthatók el". A szénszállal gyártott csövek és profilok sokkal könnyebbek, mint az extrudált alumínium profilok. A profilgeometria, a termoplaszt, a szál és a szálorientáció pontos kombinációjával a termék hozzáigazítható a torziós terhelésekhez, a húzómerevséghez és húzószilárdsághoz. A kis súly mellé nagy üt"szilárdság párosul, kicsi a h"tágulás és nagy a szigetel"képesség. A szénszállal er"sített poliamid profilok s!r!sége fele az alumíniuménak, és kb. ötöde az acélénak. A REIFENHAUSER új szerszámfej segítségével új m!anyag-fa kompozit (WPC) padlózatprofilt fejlesztett ki Reiwood néven (8. ábra). Az elért költségcsökkentés f"leg a profil kialakításából származik, amelynél 20%-kal kevesebb anyagot használtak. A Bitrudex extrudálósorba illeszthet" szerszámfej megengedi a jelent"sen nagyobb gyártási sebességeket. A financiális el"nyök mellett a profilok szerelése és karbantartása is leegyszer!södik. A Reiwood kombinálja az üreges kamra és a teljes profil el"nyeit, tökéletesen és egyszer!en beépíthet" („bepattintható”) a tartókeretbe. Ez a kereskedelemben kapható üregkamrás profilokkal nem lehetséges, mivel ezeket úgy kell behelyezni, hogy a víz ki tudjon folyni a kamrákból.
9. ábra. Celuka PVC hablemezek
(10. ábra). Ezeken a telepeken, környezetvédelmi megfontolásokból, az eukaliptuszfából készült gerendákat helyettesítik HDPE-vel. A vizuális változás csekély, a polietilén ellenáll a sós víz okozta korróziónak, a h"mérsékletnek, a feszültségnek, a nyomásnak és a húzásnak, nagyon rugalmas, így illeszkedni tud a tenger mozgásához, ellenáll a hullámzás fizikai hatásainak. A spanyol Flotar telep kialakítása ugyan 20%-kal többe került a hagyományos fa platformhoz képest, viszont a kisebb karbantartási költségek miatt, ez négy év után megtérül. Közép- és hosszútávon pedig megtakarítás érhet" el azzal, hogy a m!anyag elemeket nem kell cserélni, a fával ellentétben.
8. ábra. Reiwood padlóprofil
A szegélylécek fontos elemei az ablakrendszereknek, gyártásukhoz a koextrudálás alapos ismerete szükséges. A német BERNHARD IDE szerszámgyártó szerint, számos nehezen kezelhet" anyagot, mint pl. PC/ABS blendeket használnak ezeknek a termékeknek a gyártásához, akár 1500 m/óra kihozatallal. Az osztrák HIGH TECH EXTRUSION szerszámjaival gyártott Celuka habprofilok koextrudált fed"réteggel vagy anélkül kaphatók (9. ábra). A szerszámokat profil-specifikusan készítik max. 3 m/perc lehúzósebességhez, vagy 350 kg/óra kihozatalhoz. A PP és PVC alapú WPC padló-, deszka- és kerítés profilok gyártásához használt szerszámokkal a kapacitás elérheti a 2 m/perc, vagy a 300 kg/óra sebességet. A spanyol TEPSA extruderes cég Repsol HDPE-b"l gyárt profilokat és más kiegészít"ket kagylótelepekhez 2014. 51. évfolyam 8. szám
10. ábra. Tepsa m!anyag gerendák kagylótelepen
Források
Pipe and Profile Extrusion, 2014. július/augusztus, www.pipeandprofile.com. Pipe and Profile Extrusion, 2014. május/június, www.pipeandprofile.com. Pipe and Profile Extrusion, 2014. március/április, www.pipeandprofile.com. Pipe and Profile Extrusion, 2014. január/február, www.pipeandprofile.com. Plasteurope.com, www.plasteurope.com Plastemart.com, www.plastemart.com
291
