Polimer alapanyagok alkalmazásának előnyei-hátrányai Dr. Tábi Tamás

Polimer alapanyagok alkalmazásának előnyei-hátrányai Dr. Tábi Tamás 2015. Szeptember 23.

Anyagok csoportosítása

2

Acél Öntöttvas Al-ötvözet

Fémek, ötvözetek Ni-ötvözet Ti-ötvözet PE, PP, PC PS, PET, PVC PA

Al-oxid Si-karbid

Kerámiák

Kompozitok

Si-nitrid

Hibrid anyagok

Polimerek Poliészter Epoxi

Szendvics szerkezetek Na2CO3 üveg

Üvegek Kvarcüveg

TPE Butil gumi

Elasztomerek Természetes gumi Szilikon EVA

Anyagok fejlődése, relatív fontossága

3

Polimerek alkalmazásának fő előnyei-hátrányai Előnyök: - Kis sűrűség, - Kompozitként (de akár homopolimerként is) nagyon jó fajlagos mechanikai (szilárdság/sűrűség, merevség/sűrűség, stb.) jellemzők, - Egyszerű feldolgozhatóság kis energia-befektetéssel, - Újrafeldolgozhatóak, - Célzottan módosíthatóak adalékanyagokkal, - Jó vegyszerállóság, nincs korrózióveszély, - Rezgés-, és zajcsillapító tulajdonság, - Léteznek optikailag víztiszta polimerek, - Kis hő-, és elektromos vezetőképesség.

4

Polimerek alkalmazásának fő előnyei-hátrányai

5

Hátrányok: - Kis hőállóság, - Feldolgozás közben degradálódhatnak (termikus és/vagy nyírás okozta), - Nagy hőtágulási együttható, kis hő-, elektromos vezetőképesség, - Éghetőség, - Jelentős a környezeti hatások befolyása (hő, napfény), - Nedvesség hatása (nedvességfelvétel, méretstabilitás, lágyító hatás, hidrolízis), - Időfüggő tulajdonságok (kúszás, feszültség-relaxáció, szilárdsági jellemzők), - Zsugorodnak, vetemednek, - Könnyen karcolódhatnak.

6

Polimerek alkalmazásának előnyei

7

Kis sűrűség

Sűrűség mérése

 Mért

mszáraz   e tan ol  mszáraz  me tan ol

8

Ár - sűrűség

9

Ár - sűrűség

10

Ár - sűrűség

11

12

Jó fajlagos mechanikai jellemzők

Mechanikai tulajdonságok

• Merevség (anyag tulajdonság + tervezés) • Szilárdság • Szívósság (rideg-képlékeny) (Ütőszilárdság, törési szívósság)

13

Mechanikai tulajdonságok, terhelések

14

Mechanikai tulajdonságok mérése, szakítóvizsgálat

15

Mechanikai tulajdonságok mérése, szakítóvizsgálat Szívós - PC

Rideg - PMMA

Erő - Elmozdulás

800

700

700

Erő - Elmozdulás

600

600

500

500

Erő [N]

Erő [N]

16

400 300

400 300 200

200 100

100

0

0 0,0

0,5

1,0 1,5 2,0 Elmozdulás [mm]

2,5

3,0

Szakítószilárdság – húzószilárdság?

0,0

0,5

1,0 Elmozdulás [mm]

 húzó[ MPa] 

1,5

FM A0

E húzó[%] 

 2  1  2  1

 húzó[%] 

LM  L0  100 L0

2,0

Mechanikai tulajdonságok mérése, hajlítóvizsgálat

17

Mechanikai tulajdonságok mérése, hajlítóvizsgálat

300

18

Erő - Elmozdulás

250

Tönkremenetel?

Erő [N]

200 150 100 50 0 0,0

0,5

1,0

1,5 2,0 Elmozdulás [mm]

2,5

3,0

Hajlítószilárdság – határhajlító feszültség?

3,5

 hajlító[ MPa]  E hajlító[%]   hajlító[%] 

3  FM  L 2  b  h2

 2  1  2  1

600  s  h  100 L2

Mechanikai tulajdonságok mérése, Charpy-féle ütőszilárdság

19

EC kJ  cU [ 2 ]   1000 bh m

Polimerek mechanikai tulajdonságai

20

Polimer típus:

Sűrűség [g/cm^3]:

Szakítószilárdság [MPa]:

Húzó modulusz [MPa]:

Szakadási nyúlás [%]:

Hajlítószilárdság [MPa]:

Hajlító modulusz [MPa]:

Ütőmunka (hornyolt) [kJ/m^2]:

Ütőmunka (hornyolatlan) [kJ/m^2]:

LDPE PP PA6 PA6 GF30 POM POM GF25 PET PBT GF30 PMMA PS ABS PC PPS GF40 PEEK CF30 PLA UP GF 40 UP GF 55 EP CF 60

0,92 0,9 1,13 1,37 1,41 1,58 1,3 1,53 1,18 1,04 1,06 1,2 1,64 1,44 1,22 1,6 2 1,5

10 30 80 135 60 125 80 135 60 50 50 65 180 230 65 200 350 600

200 1600 3200 8500 3200 9000 2500 10500 3200 3300 2400 2400 14000 13000 3000 14000 31000 62000

400 150 50 5 25 3 4 2,5 3 3 40 6 1,6 1,5 3 2 1 0,9

10 37 100 145 100 160 110 220 80 95 75 85 250 355 100 275 550 700

400 1400 2200 5900 2800 7000 3000 9000 3200 3500 2500 2400 13000 20000 3000 7000 21000 63000

NT 10 25 20 10 5,5 3 10 2 2 22 70 10 9 4 26 35 49

NT >40 NT NT 90 30 NT 50 15 10 60 NT 32 42 35 Nincs adat Nincs adat Nincs adat

Merevség - sűrűség

21

Szilárdság - merevség

22


23


24

Szilárdság – merevség fajlagosan

25

26

Egyszerű feldolgozhatóság

Feldolgozhatóság

27

Hőre lágyulók (viszkózus ömledék): Polimer Ömledéktípus: hőmérséklet [°C]: - Extruzió LDPE 180-240 - Fröccsöntés PP 200-300 PA6 230-260 - Vákuumformázás POM 180-220 PET 240-290 - Préselés PBT 230-260 PMMA 180-250 - Palackfúvás PS 180-280 ABS 180-260 - Fóliafúvás PC 230-300 PPS 280-350 - Rotációs öntés PLA 190-230 ~1500 - FDM (Fused Deposition Modelling) Üveg (SiO ) Acél ~1700-1800 -… Hőre nem lágyulók (térhálósak, kis viszkozitás): - Kézi laminálás - Szórás - Tekercselés - Préselés - Pultruzió - Vákuum injektálás -… 2

Szerszámhőmérséklet [°C]:

Zsugorodás [%]:

20-40 20-70 60-100 40-120 60-120 60-80 40-80 15-50 40-80 80-110 80-120 20-40 -

2,6 1,2-2,5 0,7-2,0 1,7 1,2-2,0 1,4-2,0 0,3-0,7 0,3-0,6 0,4-0,7 0,6-0,8 0,2-0,8 0,2-0,5 0,1-0,2 1-2 (gyártási)

Feldolgozhatóság

10000

Eredeti PMMA alapanyag

28

230 240 250

100

10 1

10

100 Gamma pont [1/s]

1000

10000

10000

Eredeti PMMA/ABS alapanyag

230 240 250

1000

Éta [Pas]

Éta [Pas]

1000

100

10 1

10


1000

10000

Feldolgozhatóság, zsugorodás

S [%] 

LSZ  LP  100 LSZ

29

30

Újrafeldolgozhatóság


31


PC, PMMA, PC/ABS, PMMA/ABS

Vizsgált feldolgozási szintek: 0x (eredeti alapanyag), 1x, 3x újrafeldolgozás

32

10000

33

1400

PC

1350

PMMA

1300

PMMA/ABS

240

1250 1200

PC/ABS

250

Eredeti PMMA/ABS alapanyag

230

1000

Éta [Pas]

1150 1100 1050 1000

100

950 900 850

10

800 0

1 2 Újrafeldolgozás száma [-]

1

3

10000

10


1000

10000

0x, 1x, 3x újrafeldolgozott PMMA/ABS alapanyag (240°C) 0x 1x 3x

1000

Éta [Pas]

Fröccsöntési nyomás [bar]


100

10 1

10


1000

10000


34

Húzószilárdság [MPa] [MPa] Hajlítószilárdság

100 70

PC

25

PC/ABS

20

PMMA/ABS

5070 60 40 50 3040 PC PC

2030 20 10 10

PMMA PMMA PC/ABS PC/ABS PMMA/ABS PMMA/ABS

00 00

15

10

5

0 0

1 2 Újrahasznosítás száma [-]

3

modulusz rugalmassági Hajlító [MPa] modulusz rugalmassági Húzó [MPa]

Charpy ütvehajlító szilárdság [kJ/m 2]

PMMA

90 60 80

11 22 Újrahasznosítás száma [-] Újrahasznosítás száma [-]

3

3500 3000 3000 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 1000

PC PC PMMA PMMA

500 500

PC/ABS PC/ABS PMMA/ABS PMMA/ABS

00 00

11 22 Újrahasznosítás Újrahasznosítás száma száma [-] [-]

33


Hőre keményedők?

35


Biodegradábilis polimerek?

36

37

Jó vegyszerállóság, nincs korrózióveszély

Vegyszerállóság

38

Vegyszerállóság

39

40

Rezgés-, és zajcsillapítás


Viszkoelasztikus viselkedés

41


Viszkoelasztikus viselkedés

42


43


44

45

Optikailag víztiszta polimerek


2010. December 2.

46


47

Sugárzás intenzitás [W/m2]

UV: 150-380 nm Látható fény: 380-760 nm Infravörös fény: 780-3000 nm Hullámhossz [nm]


48


49


50

Reciklálás hatása

51

Reciklálás hatása

52

53

Polimerek alkalmazásának hátrányai

54

Kis hőállóság

Hőállóság és mérése

HDT mérés (A, B, C) - Háromféle terhelés (0,45 vagy 1,8 vagy 8,0 MPa) - 2°C/perc felfűtés (általában) - Szilikonolaj fürdőben - 0,32 mm megengedett lehajlás - A HDT hőmérséklet alá kell hűteni egy fröccsöntött terméket (kellő merevség)

55


Vicat mérés - Kétféle terhelés (10 vagy 50 N) - 2°C/perc felfűtés (általában) - Szilikonolaj fürdőben - 1 mm megengedett benyomódás - A Vicat hőmérséklet alá kell hűteni egy fröccsöntött terméket (kidobócsap)

56


Alapanyag LDPE HDPE PP PA6 PA6+30m%GF POM PET PMMA

Hőre keményedők? (elszenesednek)

HDT hőállóság [°C] 40 50 55 80 215 110 70 85

Alapanyag PS HIPS ABS PC PI+40m%GF PPS+40m%GF PEEK PEEK+30m%CF

57

HDT hőállóság [°C] 80 78 95 128 320 260 152 315

Hőállóság

58

Termikus tulajdonságok, használhatósági tartomány Amorf polimerek Amorf polimer Tg [°C]: típus: PVC PMMA PC PS ABS

80 110 140 90 110

Részben kristályos polimerek Részben kristályos Tg [°C]: polimer típus: HDPE -110 LDPE -110 PP -10 PAN 105 PA6 50 PEEK 115 POM -60 PET 75

59

Termikus tulajdonságok, használhatósági tartomány Elasztomerek

Duromerek

60

Hő hatása a mechanikai jellemzőkre

61

62

Nagy hőtágulás, kis hő-, és elektromos vezetőképesség (szigetelés)

Hőtágulás, hővezetés

Alapanyag Réz Acél Alumínium Üveg LDPE PP PA6 PA6 + 30m% üvegszál POM PET PMMA PS ABS PC PPS + 40m% üvegszál PEEK PEEK + 30m% szénszál

Hőtágulás [mm/m*100°C] 1,7 1,5 2,4 0,8 25 18 10 4 11 7 8 7 9 7 2 4,7 1,5

Nyitott vagy zártcellás szerkezet legyen?

Alapanyag Alumínium Réz Ezüst Acél Grafitszál HDPE LDPE PP

Hővezetés [W/mK] 240 400 430 40 220 0,33 0,33 0,2

63

Hővezetés [W/mK] 0,25 0,35 0,17 0,16 0,20 0,29 0,16 0,25

Alapanyag PA6 POM PMMA PS ABS PC PVC PTFE

A rossz hővezetés (hőszigetelés) egyben előny is! Habosítva még jobb hőszigetelés!

PA6


64

Miért rossz a kis hővezetés? x=0,0 MPI

35

x=0,0 A.M. x=0,4 MPI

Hűtési idő [sec]

30

x=0,4 A.M. Hatvány (x=0,0 MPI)

25

Hatvány (x=0,0 A.M.) Hatvány (x=0,4 MPI)

20 15

Hatvány (x=0,4 A.M.) y = 1,7998x -1,0002

y = 2,5143x -1,0001

10 5 0,05 t-λ [183°C]

y = 2,9389x -0,9801 y = 2,071x -0,9891

0,1

0,15 0,2 λ Hővezetési tényező

0,25


65

Hővezetőképesség növelés

66

Polimerek

Amorf ~0,1-0,2 W/mK

Részben kristályos ~0,2-0,5 W/mK Növelt hővezetőképességű polimerek >0,5 W/mK

Hő és elektromosan vezető töltőanyag: • szén alapú • fém

Hővezető és elektromosan szigetelő töltőanyag: kerámia

Hővezető polimerek az iparban

67

67

Cool Polymers Inc.

• hő- és elektromosan vezető

• hővezető és elektromosan szigetelő • hőcserélőket, hűtőbordákat, burkolati elemeket • PP, PA, PC, LCP, PPS, PPA, TPE

Tulajdonság

Mértékegység

Sűrűség Szakítószilárdság Szakítási nyúlás Hővezető képesség

g/cm3 MPa % W/mK

CoolPoly® E1201 1,24 22 1 10

CoolPoly® E4505 1,40 45 1 4

CoolPoly® D1202 1,39 81 2,8 5

CoolPoly® D3610 1,7 109 0,2 1,5

Elektromos vezetőképesség

68

Elektromos vezetőképesség (szigetelés): A polimerek elektromosan szigetelnek, így tökéletesen alkalmasak kábelek bevonására. Erre a célra az esetek többségében PVC-t alkalmaznak. Ugyanakkor a szigetelés miatt elektrosztatikusan fel tudnak töltődni, így például egy polimer benzintank csakis antisztatikum adalékanyag alkalmazásával készülhet el. Elektromos vezetőképesség növelés: Tipikusan szén (korom) és grafit töltőanyagok alkalmazásával lehet növelni a polimerek elektromos vezetőképességét. Ezek segítségével fröccsönthető, elektromosan vezetőképes polimer termékek gyárthatóak akár energiacella alkatrészeként.

Elektromos vezetőképesség

69

70

Éghetőség

Éghetőség

Mivel a polimerek szervesek és többségében kőolaj alapúak, így nagyon jól égnek.

Kategóriák: - Nem gyullad meg magától - Önkioltó - Lassan ugyan, de végigég a próbatest - Erősen gyúlékony Ettől függetlenül vizsgálják a meggyújtott minta alatt elhelyezett pamutdarab meggyulladását (csöpögve ég)

71

Éghetőség

72

Veszélyek: - PVC égése (Poli-Vinil-KLORID): égés közben hidrogén-klorid és dioxin képződik, amelyek károsak az egészségre. - PU (Poliuretán= Poliol + izocianát): Égése közben sűrű, fekete füstöt képez, valamint az izocianát égésekor cián keletkezik, amely szintén erősen káros az egészségre. LOI (Limiting Oxygen Index): - Alapanyagra jellemző szám, amely kifejezi azt a minimális oxigén koncentrációt százalékban, amely már fenntartja az égést (a levegő oxigén tartalma 21%). Minél nagyobb, annál kevésbé önfenntartó az égés. A jól égő pamut értéke 17%, egy robbanószeré 1%, egy égésgátolt anyagé pedig akár 90%. Termikus stabilitás: Az adott (általában hőre lágyuló) polimer stabilitásának vizsgálata a hőmérséklet függvényében. A vizsgálat során a minta tömegének változását nézik, amelynek változásából következtetni lehet a bomlás kezdeti hőmérsékletére. A mérés során a „tartózkodási időre való érzékenységet” nem vizsgálják.

Éghetőség

73

Éghetőség

74

75

Környezeti hatások befolyása (hő, napfény)

Környezeti hatások

76

Öregedés: A környezet, leginkább a napfény (UV sugárzás), valamint a hő hatására, a polimer alapanyagban létrejövő, visszafordíthatatlan folyamat amely károsan befolyásolja az alapanyag mechanikai tulajdonságait, esztétikai megjelenését. Az öregedés hatására a polimer molekulatömege csökken.

UV sugárzás hatása

77


78

Sugárzás intenzitás [W/m2]

UV: 150-380 nm Látható fény: 380-760 nm Infravörös fény: 780-3000 nm Hullámhossz [nm]


79

UV-állóság

80

81

Nedvesség hatása (nedvességfelvétel, méretstabilitás, lágyító hatás, hidrolízis)

Nedvességtartalom hatása

82

Nedvességtartalom hatása

83

Hidrofób polimerek: - A víz nem épül be a molekulaláncba, de kapilláris elven vagy a felületen esetlegesen megtalálható, - Ilyen polimer például a PE (0,1-0,2%), PP (0,1-0,2%), Teflon (0%), stb, - Előfordulhat úgynevezett higroszkópikus kifáradás, amely az ismételt vízfelvétel-, és leadás hatására jön létre és az alapanyag ridegedéséhez vezethet. Hidrofil (higroszkópos) polimerek: - A vizet a polimer lánc kémiailag megköti, beépül a láncba, - Ilyen polimer például a PA (akár oljat is felveszi 5-6%-ban, így önkenő csapágyként is használható), PET, PLA, stb. Hidrolízis: - Forró víz vagy vízgőz hatására, a polimer láncban végbementő degradáció, - Egyes polimereknél a feldolgozás előtti maradék nedvességtartalom és a feldolgozási hőmérséklet (ömledékhőmérséklet) is okozhat hidrolízis általi degradációt (pl. PLA).

Nedvességtartalom hatása Nedvességtartalom hatása a mechanikai tulajdonságokra: Lágyító hatás érvényesül, azaz: - Szilárdság csökken, - Merevség csökken, - Szakadási nyúlás nő(het) (nagyobb deformabilitás), - Üvegesedési átmeneti hőmérséklet (Tg) csökken.

84

Nedvességtartalom hatása a méretállandósága

85

86

Időfüggő tulajdonságok (kúszás, feszültségrelaxáció, szilárdsági jellemzők)

Időfüggő tulajdonságok

87


88

Időfüggő tulajdonságok Kúsznak-e a fémek?

Igen, de csak nagy hőmérséklet és terhelés hatására

89


90


91

Időtartam szilárdság: A kúszási görbék törési pontjának összekötésével kapott burkológörbe. Pl.: B/1000 az a legnagyobb feszültség, amelynek hatására a termékben 1000 óra után következik be a törés.

σ

Tartós szilárdság: B/∞ az a legnagyobb feszültség, amelynek hatására a termékben csak végtelen idő után következik be a törés.

σ

Időtartam feszültség: A méretezés erre történik (nem feszültségcsúcsra, mint a fémeknék, hanem élettartamra (megengedhető nyúlásra)). Pl.: 1/1000 az a határfeszültség, amelynek hatására a termékben adott idő alatt adott nyúlás megy végbe.

σ

Feszültség-korrózió: Mechanikai feszültség és különböző vegyszerek érintkezése kapcsán repedések keletkeznek és növekednek a termékben.


92

93

Zsugorodás, vetemedés

Zsugorodás, vetemedés Zsugorodás: Az alakadás céljából ömledékállapotba vitt polimer hűlésekor, annak nagy hőtágulása miatt jelentős fajtérfogatváltozást szenved, amit zsugorodásnak hívunk.

Vetemedés: Az egyenetlen zsugorodás következménye. Vetemedést okozhat az eltérő folyásirányban és arra merőlegesen mért zsugorodás, egyenetlen hűtés, falvastagság, vagy anizotropikus anyagtulajdonságok (szálerősítés).

94


95


96


97

Polimer típus Kis sűrűségű polietilén Nagy sűrűségű polietilén Polipropilén Poliamid 6 Poliamid 66 Poliacetál Polifenilén-szulfid Polibutilén-tereftalát Polietilén-tereftalát Lágy Polivinilklorid Kemény Polivinilklorid Polikarbonát Polimetil-metakrilát Polisztirol Akrilnitril-butadiénsztirol Akrilnitril-butadiénsztirol és Polikarbonát blend Sztirol-akrilnitril

Rövidítés

Zsugorodás [%]

LDPE

2.6

HDPE

1.5-2.5

PP PA 6 PA 66 POM PPS PBT PET lPVC

1.2-2.5 0.7-2.0 1.0 0.22 0.2-0.8 1.4-2.0 1.2-2.0 1.0-2.5

kPVC

0.5-0.7

PC PMMA PS

0.6-0.8 0.3-0.7 0.3-0.6

ABS

0.4-0.7

ABS/PC

0.5-0.7

SAN

0.4-0.7


98


99


Bevezetett deformációs mérőszámok (ideális értékük:1): - KE/KH - H0/HSZ - Kátlag/Hátlag

100


PA6 + 0% üvegszál + 0% üveggyöngy

1,6 1,4

1,2

1,2

Zsugorodás [%]

1,4

1 0,8

Hosszirányú középen Hosszirányú szélen Keresztirányú elöl Keresztirányú hátul

0,6 0,4 0,2 0 150

250

350

450 550 650 Utónyomás [bar]

1,6

750

850

PA6 + 30% üvegszál + 0% üveggyöngy Hosszirányú középen Hosszirányú szélen Keresztirányú elöl Keresztirányú hátul

1 0,8 0,6 0,4 0,2

950

0 150

250

350


PA6 + 30% üvegszál + 3% üveggyöngy Hosszirányú középen Hosszirányú szélen Keresztirányú elöl Keresztirányú hátul

1,4

Zsugorodás [%]

Zsugorodás [%]

1,6

101

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 150

250

350


750

850

950

750

850

950



1,5

4,1

Vetemedési tényező [-]



4,6

1,4

102

1,3 1,2 Kátlag/Hátlag

1,1

H0/HSZ

1

KE/KH

0,9 0,8

3,6 Kátlag/Hátlag

3,1

H0/HSZ KE/KH

2,6 2,1 1,6 1,1

0,7

0,6

0,6 0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0,2

1,6

0,4

0,6


1,2

1,4

1,6

1,4

1,6

A Kátlag /Hátlag vetemedési tényező alakulása a nyomástényező függvényében

4,6

4,1

0 % üvegszál 10 % üvegszál 20 % üvegszál 30 % üvegszál

4,1

3,6 3,1 Kátlag/Hátlag

2,6

H0/HSZ

2,1

KE/KH

1,6

Kátlag /Hátlag [-]


1

Putó/Pbefröccs [-]

Putó/Pbefröccs [-]

4,6

0,8

3,6 3,1 2,6 2,1 1,6

1,1

1,1 0,6

0,6 0,2

0,4

0,6

0,8 1 Putó/Pbefröccs [-]

1,2

1,4

1,6

0,2

0,4

0,6

0,8 1 Putó/Pbefröccs [-]

1,2

103

Karcállóság

Karcállóság

104

30 25

Terhelés [Nm]

Karcolás során alkalmazott terhelési profil

Load, mN

20 15 10 5 0 0

100

200

300

400

Vizsgálat helye [µm] Scan position, m

500

600

Mélység [nm]

Karcállóság – üveg

Vizsgálat helye [µm]

105

Mélység [nm]

Karcállóság – PC (UV álló)


106

Mélység [nm]

Karcállóság – PC (UV álló)


107

Mélység [nm]

Karcállóság – PC (karcálló)


108

Karcállóság

A karcállóság összefügg a keménységgel, az pedig a rugalmassági modulusszal

109

110

Amorf és részben-kristályos polimerek alkalmazásának összehasonlítása

Amorf-részben kristályos polimerek összehasonlítása

111

Polimer alapanyagok alkalmazásának előnyei-hátrányai Dr. Tábi Tamás

Recommend Documents