Polimerek anyagszerkezettana és technológiája

Polimerek anyagszerkezettana és technológiája -Javított változat2014/2015/2 félév vizsgakérdések kidolgozása

Készítette: Mr. GMA

Sziasztok! Ez az előző feltöltött polimerek kidolgozás javítása, volt benne egy-két durvább hiba, ami tanuláskor tűnt fel, vált világossá. Ettől függetlenül még TARTALMAZHAT HIBÁKAT, ezen kívül az adatok például az egyes műanyagoknál vagy technológia évről évre újul, változik, ezért érdemes előadásokra bejárni (így a lehetséges hibákat is ki lehet szűrni). Így az előadással együtt jó kiindulópont lehet a vizsgára. Sok sikert mindenkinek! Javított hibák: 11. kérdés: PP rugalmassági modulusa nem MPa hanem GPa 35. kérdés: példák 52. kérdés: képlet magyarázata 71. kérdés táblázat, fázisállapotok 85. kérdés felesleg kivágva 98. kérdés: negatív előjel 99. kérdés: sugarával arányos, nem átmérővel

2

1. Mi a polimer? A polimerek a szerves kémia olyan hosszúláncú vegyületei, amelyekben sok ezer elemi építőegység kötődik egymáshoz elsőrendű kovalens kötéssel.

2. Ismertesse a szerkezeti anyagok csoportosítását! 

Fémek



Kerámiák



Polimerek



Fém, kerámia, polimer mátrixú kompozitok



Hibrid rendszerek: Ha a kompozit alkotói, a befoglaló mátrix vagy az erősítőanyag összetett, több alkotóból áll

Polimereken belül: 1. Természetes polimerek: cellulóz, kaucsuk, természetes szálak 2. Mesterséges polimerek (hétköznapi értelemben vett: „műanyagok”), azon belül: 

Hőre lágyuló polimerek-megömleszthetőko Részben kristályos polimerek 

pl. PET, PP, PE

o Amorf polimerek  

pl. PVC, PS

Hőre nem lágyuló-vagy hőre keményedő-polimerek o Elasztomerek o Duromerek

3. Sorolja fel a tömegműanyagokat! Ezek közül melyik amorf és melyik részben kristályos? Részben kristályos polimerek: PET, PP, PE Amorf polimerek: PVC, PS

3

4. Mi a monomer; oligomer; homopolimer; kopolimer? A monomer egy egységet jelöl, ezek ismétlődéséből áll össze a polimer. Például az etilén. Az oligomer mindössze néhány monomer összekapcsolódása. A homopolimerben az ismétlődő egységek ugyanazok, ezzel szemben A kopolimer több ismétlődő egységet tartalmaz (tipikusan kettőt, ABS hármat tartalmaz).

5. Mi a különbség a monomer és az ismétlődő egység között? Vegyük pl az etilén esetét. Amíg az etilénen belül a két szénatom kétszeres kémiai kötéssel kapcsolódik egymáshoz (tehát nincs nem kötő elektronpár a molekulán belül) addig monomerről beszélünk. Ha ez a kétszeres kötés felbomlik, úgy mindkét szénnek lesz egyegy plusz elektronja, amivel egy másik monomerhez tud kapcsolódni, ilyenkor már ismétlődő egységről beszélünk.

6. Mi a polimerizációs fok? A polimerizációs fok (DP-Degrees of Polymerization) megmutatja, hogy hány ismétlődő egységből áll egy adott polimer. A műszaki életben ez 10000-1000000 terjed.

7. Mik a polimerek jellemző sajátosságai?

4



Nem vihetők gáz halmazállapotba, mert az elpárologtatásukhoz szükséges energia meghaladja a kötések energiáját.



Nem lehet desztillálni, illetve nem szublimálnak.



A polimerekben a különböző hosszúságú molekulák elegyei más kristályosodási tulajdonságokkal rendelkeznek, ebből következik, hogy nem létezik 100%-ban kristályos polimer.



Oldódásuk eltér a kismolekulájú anyagokétól, lassan folyó, nagy viszkozitású oldataik vannak.



Tisztításukra nem használhatók az elterjedt módszerek (pl. desztilláció, átkristályosítás).

8. Mik a mesterséges polimerek előnyei, hátrányai a többi szerkezeti anyaghoz képest? Előnyei: 

Kicsi a sűrűsége-energiafogyasztás csökken



Kiváló szilárdsági jellemzők



Jó korrózióállók-PE-t semmi nem támadja meg szobahőmérsékleten->vegyszerállók



Kiváló csillapítóképesség és ütésállóság



Kiváló hang, hő-és elektromos szigetelő képesség



Anyagában színezhető-kopás esetén is ugyanaz a szín



Kis súrlódási tényező pl. csapágyak, teflon



Átlátszó polimerek



Alacsony az olvadáspontjuk, így alacsony a feldolgozási költség



Nagy tervezési szabadság

Hátrányai: 

Kis hőállóság, emiatt főleg szobahőmérsékleten használhatók



Jól éghetőek-műszaki szempontból hátrány



Elöregednek



Időfüggő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek->bonyolult tervezés

9. Mik a műanyagok? Milyen alapvető követelményeknek kell megfelelniük? A műanyagok szerves polimerek, amelyeket a természetben előforduló polimerek átalakításával állítjuk elő, vagy kis molekulákból pl. kőolaj származékból mesterségesen állítjuk elő. Főbb követelmények: 

Károsodás nélkül legyenek feldolgozhatóak.



Felhasználás során tulajdonságukat hosszú távon megőrizzék



Mechanikai és termikus tulajdonságaikat igény szerint be lehessen állítani. 5

10. Ismertesse a polietilén legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés, főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, típusok, égési tulajdonságok, felhasználási terület)! 

Sűrűség: 0,92-0,95 g/cm3



Húzószilárdság: 10-20 MPa



Rugalmasság modulus: 0,8 GPa

Tulajdonságok: 

Kiváló vegyszerállóság-szobahőmérsékleten nincs oldószere



Jól hegeszthető



Jó hidegálló



Gyenge hőállóság (max 80°C)



Rossz időjárás állóság



Jó villamos szigetelőképesség



Nem engedi át a vizet, gázokat idővel átengedi



Részben kristályos polimer



Biokompatibilis anyag

Felhasználás:

6



Uzsonnás tasak



Bevásárlótáska



Vegyvédelmi felszerelések, flakonok



Gázcső, vízcső, ha vastag



Buszok kapaszkodója



Térdprotézis

Típusai: 

LDPE (Low Density PE)-kis sűrűségű PE pl. fólia



HDPE (High Density PE)-nagy sűrűségű PE pl. cső



UHMWPE (Ultra High Molekular Weight PE)-ultra nagy molekula tömegű PE-jobb mechanikai jellemzőkkel rendelkezik



HOPE (High Oriented PE)-rendezett molekulájú PE, a molekulákat kötegekbe helyezzük, ezzel nagy szilárdságot érünk el pl. köteleknél.

Égése: 

Jól ég



Láng elvétele után tovább ég



Lángja van



Gyertyaszagot áraszt

11. Ismertesse a polipropilén legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés, főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők, felhasználási terület)!  Sűrűsége: ~0,91 g/cm3  Húzószilárdsága: 15-30 Mpa  Rugalmassági modulusa:0,9-1,2 GPa Tulajdonságok: 

Részben kristályos polimer



Orientáltsága jobb mint a PE-nek



Vegyszerálló



Rossz időjárásálló



Jobban társítható más anyagokkal, mint a PE



Erősíthető, tölthető

7

Felhasználás: 

Kötöző anyag



Medence anyaga



Rekeszek, kupakok



Kaspók



Csatok



Gépek burkolatai



Konnektorok

Égése: 

Gyertya szagot ill. égett papír szagot áraszt



Jobban ég, mint a PE

12. Ismertesse a PVC (Poli-vinil-klorid) legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés, főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők, felhasználási terület)! 

Sűrűsége:~1,3 g/cm3



Húzószilárdság: 40-60 MPa



Rugalmassági modulus: 2-4 GPa

Tulajdonságok: Önállóan nem feldolgozható, lágyítókat kell keverni hozzá 40-50% arányban, ezek adják az illatot

8



Nem engedi át a nedvességet



Amorf anyag, így a vastag fóliák is lehetnek átlátszóak



Hegeszthető



Jó ütésálló



Jól tölthető



Jó vegyszerálló



Jó időjárásálló (UV)

Felhasználás: 

Lefolyócső



Esőkabát



Padló



Ablakkeret



Műbőr termékek pl. gumicsizma

Égése: 

Kicsi zöldes lánggal, nem jól ég



Klór szagot áraszt



Minél nagyobb arányban tartalmaz lágyítókat, annál jobban ég.

13. Ismertesse a polisztirol legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés, főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők, felhasználási terület)!  Sűrűsége:~1,05 g/cm3  Húzószilárdsága: 35-55 MPa  Rugalmassági modulusa: 1,2-2,5 GPa Tulajdonságok: 

Amorf anyag



Rossz időjárásálló



Kiváló optikai tulajdonságok



Rossz az ütésállósága->könnyen reped



Vákuumformázható

Felhasználás: 

CD-tok



Játékok



Csomagolás-habosított csomagoló eszközök (hungarocell) 9



Bon-bon tálca

Égése: 

Kormozó lánggal, intenzíven ég



Jellegzetes sztirol szagot áraszt

14. Ismertesse a PET(Poli-etilén-tereftalát) legfontosabb jellemzőit (főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők felhasználási terület)! 

Sűrűsége: 1,3-1,4 g/cm3



Húzószilárdsága: 50-70 MPa



Rugalmassági modulusa: 3-4 Gpa

Tulajdonságok: 

Részben kristályos anyag



Opálos



Gyors hűtés hatására nem lesz idő kialakulni a kristályoknak



Jó hőállósági tulajdonság



Méretstabil ->ellenáll a fárasztási igénybevételeknek



Vegyszerálló



Jó szigetelő

Felhasználás:

10



Fogaskerekek



Csomagolóanyag



PET palack



Háztartási gépek borításai



Olcsó pulóver



Párnahuzat

Égése: 

Kormozó lánggal ég



Serceg->nedvességfelvevő anyag



Nincs jellegzetes illata

15. Hasonlítsa össze a tömegpolimereket és a műszaki polimereket! Mik a legfontosabb különbségek? A műszaki polimerek műszaki cikkekben kerülnek felhasználásra, így olyan követelményeknek is meg kell felelniük, amiknek a tömeg polimereknek nem. Ilyen például, hogy a műszaki polimereknek jóval méretpontosabbnak, hőállónak, kopásállónak, üzembiztosnak, szívósnak és könnyen karbantarthatónak kell lennie. Ezen felül a műszaki polimereknek jóval nagyobb a húzószilárdsága, ellenállónak kell lenniük a feszültségkorrózióval szemben és a vegyszerek ellen is.

16. Mutassa be és értékelje műszaki szempontból a polioxi-metilént! 

Sűrűsége: ~1,4 g/cm3



Húzószilárdság: 60-90 MPa



Rugalmassági modulus: 2,5-5 GPa

Tulajdonságok: 

„Leggépészetibb” polimer



Részben kristályos



Szívós, kemény, merev, kopásálló



Méretstabil



Jó vegyszerálló



Magas kifáradási határ



Jó csillapítási képesség



Rossz időjárásálló

11

Felhasználás: 

Fogaskerekek



Csatok



Szivattyúk

Égése: 

Műszaki szempontból rossz



Hevesen ég, csepegve

17. Hasonlítsa össze a polimetil-metakrilátot és a polikarbonátot! Polimetil-metakrilát-PMMA Sűrűség: 1,15-1,2 g/cm3 Húzószilárdság: 50-80 MPa Rugalmassági modulus: 2,5-4 GPa Amorf polimer Üvegszerű, víztiszta Jó kopásállóság Jó időjárásálló Meleg alakítással jól formázható Repülőgépipar használja Biokompatibilis Protézisek,műfogak,kontaktlencse Világító lánggal ég, nem kormoz nem füstöl, gumicukor szagú

Polikarbonát-PC Sűrűség: 1,1-1,2 g/cm3 Húzószilárdság: 60-70 MPa Rugalmassági modulus: 2-2,5 GPa Amorf polimer Víztiszta, átlátszó anyag Jó ütésállóság Könnyebben karcolható, mint a PMMA Kevésbé időjárásálló Burkolati elemek CD lemezek anyaga Üveget pótolják vele Önkioltó, ha elvesszük a lángot, elalszik

18. Jellemezze röviden a poliamidokat, az akrilnitril-butadién sztirol kopolimert és a poliuretánt! Polamid (PA):

12



Sűrűsége: ~1,15 g/cm3



Húzószilárdsága: 90-180 MPa



Rugalmassági modulusa: 2,5-5 GPa

Tulajdonságok: 

Részben kristályos polimer



Jó mechanikai jellemzők



Jó kopásálló



Hőálló



Szálat lehet belőle húzni



Jól feldolgozható-forgácsolással megmunkálható



Jó nedvesség felvevő-változtatja mechanikai tulajdonságait!



Jól tűri a hősokkot, de tartósan magas hőmérsékleten degradálódik



Üvegszál+poliamid: hőre lágyuló, nagy szilárdságú polimer, fontos a műszaki életben

Felhasználás: 

Fogaskerekek, csigák



Fazekak füle



Teniszütők, kötelek

Égése: 

Láng elvétele után nem ég



Éget keratin (haj) „illata” van

Akrinitril-butadién-sztirol (ABS): 

Sűrűsége: ~1,01-1,2 g/cm3



Húzószilárdsága: 30-50 MPa



Rugalmassági modulusa: 1,1-1,3 GPa

13

Tulajdonságok: 

Kopolimer



Nagy szilárdságú



Jó ütésálló, kopásálló



Amorf, de nem átlátszó



Jól színezhető



Repedésre hajlamos



Más polimerrel jól keverhető



Zaj és rezgéscsillapító képessége kiváló



Mérettartó, kis mértékben zsugorodik

Felhasználás: 

Legó



Fedőréteg

Poli-uretán (PUR) 

Sűrűsége: 1,1-1,2 g/cm3



Húzószilárdság: 30-60 MPa



Rugalmassági modulus: 1,3-2 GPa

Tulajdonságok: 

Típusai: o Részben kristályos o Amorf o Lineáris szerkezetű o Habosított, nem habosított o Térhálós

14



Jó szigetelő



Forgácsolással megmunkálható

Felhasználás: 

Autóipar: struktúrhab (kellemes a tapintása)



Cipőtalp



Teniszpálya borítása

19. Mutassa be az atomok közötti elsőrendű kémiai kötéseket, és értékelje azokat a polimerekkel kapcsolatos fontosságuk szempontjából! Kovalens kötés:

A kovalens kötés olyan elsőrendű kémiai kötés, amelyben az atomok közös vegyértékkel rendelkeznek. Kémiai jellegükben azonos vagy különböző elemek atomjai között jön létre vegyértékelektronjaik közössé tételével. Egyszeres, pl. H-H kapcsolódás: Kétszeres, pl. O-O kapcsolódás: Háromszoros, pl. N-N kapcsolódás: A szénatomok között egyszeres, kétszeres és háromszoros kovalens kötés is kialakulhat. Polimerek definíciójából következően az egyik legfontosabb kötés.

Ionos kötés: Az ionos kötés elsőrendű kémiai kötés, mely ellentétes töltésű ionokat tartalmazó anyagokban fordul elő. Az ionok közötti elektrosztatikus vonzás és taszítás szabályos szerkezetbe, ionrácsba rendezi az anyagot alkotó ionokat, melynek a rácspontjain szabályosan váltakozva kationok és anionok találhatók. A nagy kötési energia miatt az ionrácsos anyagok általában magas olvadáspontúak Az erős kötés miatt az ionok a rácsban nem tudnak elmozdulni, ezért szilárd halmazállapotban az ionos vegyületek nem vezetik az elektromos áramot, olvadékban és oldatban azonban az ionok elmozdulhatnak, így ilyen állapotban vezetők.

15

Az üveg két fő alkotórésze a szilícium-oxid, valamint a benne található különféle fémoxidok óriásmolekulává egyesülnek, erős kovalens-és ionos kötést kialakítva. Így az üveg is egyfajta polimernek tekinthető.

Fémes kötés: A fémes kötés az egész kristályra kiterjedő közös elektronfelhő által létrehozott kémiai kapcsolat, mely fémek szerkezetében jelentkezik. A sok ezer lánctagból álló polimer egyes „láncszemei” közötti kötőerők, – kovalens kötések – nem kisebbek, hanem azonos nagyságrendű erők, mint a fémek atomjait a fémrácsban összekötő fémes kötések kötési energiája.

20. Mutassa be az atomok közötti másodrendű kötéseket, és értékelje azokat a polimerekkel kapcsolatos fontosságuk szempontjából! Mindegyik típusához hozzon példát, hogy melyik polimer, vagy polimer család esetén van különös jelentősége. Általánosságban a másodrendű kötések az elsőrendű kovalens kötésű molekulaláncok között jön létre.

Diszperziós (van der Waals-féle) kötés: Apoláris molekulák közt kialakuló gyenge másodrendű intermolekuláris kötés, mely az elektronfelhő pillanatnyi átmeneti torzulásának köszönhetően létrejött gyenge dipólusok között megjelenő elektrosztatikus vonzás. Általában a leggyengébb másodrendű kötésnek mondják, ám a polimerek esetében meghaladja az elsőrendű kötés energiáját, mivel a hosszú polimerláncok mentén végig megjelenik ez a fajta kötéstípus.

Dipol-dipol kölcsönhatás: Orientációs hatásnak is nevezzük, mert a dipólusmolekulák a kedvező állapot irányába forgatják egymást.

Hidrogénkötés: A másodrendű kötéseknek azt a fajtáját, ahol egy hidrogénatom létesít kötést két másik atom között hidrogénkötésnek nevezzük.

21. Mit jelent az allotrópia? Allotrópia: Ugyanazon kémiai elem azonos halmazállapotú, de eltérő szerkezetű változata. Pl. O2 –>O3 16

22. Ismertesse a szén különleges szerepét! A szénnek milyen allotróp módosulatai vannak? Mik ezek legfontosabb jellemzői? A szintetikus polimerek-hétköznapi értelemben vett műanyagok- szénlánc-alapú óriásmolekulák. Így a tömegműanyagok szén nélkül nem is létezhetnének. A műanyagokon kívül rengeteg más polimer (pl. műszaki polimerek ) is tartalmaznak szénatomot. A modern technológiában is fontos szerepe van (pl. szén nanocsövek).

Allotróp módosulatai: 

Gyémánt: o Egy szénatomhoz négy másik szénatom kapcsolódik o 0,154 mm a kötéstávolság o Tömör anyag: a legnagyobb keménységű ismert anyag o Nagy szilárdsági modulus, de törékeny o Izotróp tulajdonságú: az atomok elrendeződése a térben mindenhol azonos o Jól vezeti a hőt, az elektromosságot nem



Grafit: o Az egyik legpuhább ma ismert anyag o 6 szénatom kapcsolódik egymáshoz, gyűrűs formában, ezek pedig rétegződnek o Delokalizált elektronfelhővel rendelkezik->jó elektromos és hő vezető o Csillogó színe van o Réteges szerkezet hátránya, hogy elcsúszhat o A kovalens kötések síkban helyezkednek el



Fullerének: o Szén új allotróp módosulatai o Gömbszerű, zárt szerkezetben kapcsolódik egymáshoz 60 szénatom o Szén nanocső készítése: a hatszög alakokat „cső” formába kapcsolják o Jó vezetők lehetnek



Grafén: 17

o Legújabb felfedezés, még kutatják

23. Sematikus vázlatok segítségével mutassa be a mesterséges polimerek fő előállítási módjait! Polimerek 3 fő előállítási módja: 1) Polimerizációs láncreakció 2) Poliaddíció 3) Polikondenzáció 1) Polimerizációs láncreakció: (bővebb leírás következő kérdés)

18

2) Poliaddíció: pl. PUR Olyan, viszonylag lassú láncreakció, amely nem jár melléktermék képződéssel vagy kilépéssel, csak atomátrendeződéssel.

3) Polikondenzáció: pl. PA Melléktermék kiválással járó kondenzációs reakció lépésenként megvalósított folyamata. Lassabb, mint a polimerizációs láncreakció. A kiváló anyagot kondenzátumnak hívjuk, ami főleg víz.

24. Mi a polimerizációs láncreakció? Mik a jellemzői? A folyamatnak mik a fő lépései? Soroljon fel polimer típusokat, amelyeket így állítanak elő! Polimerizációs láncreakció:

19

Olyan polimer lánc felépítési eljárás, melyben tipikusan C=C molekulákat alakítunk át több ezer ismétlődő egységet tartalmazó molekulákká.

Tulajdonságai: 

Melléktermék nincs



Lényegében segédanyag hozzáadása nélkül végbemegy



Egyszeres kovalens kötések alakulnak ki



Láncreakcióban játszódik le ->gyors, egymás után ismétlődő sorozat

A folyamat főbb lépései: 1) Iniciálni kell a folyamatot- kezdőlépés 2) Láncnövekedés-propagációs szakasz a. Nem kell hozzá külső energiát befektetni b. A folyamat önfenntartó sorozatban, hő felszabadulása mellett megy végbe. A folyamat addig tart amíg, a. El nem fogy az alapanyag (teljes konverzió, azaz átalakulás végbement) b. Külső adalék anyagot adagolunk hozzá, amivel megállítjuk a folyamatot A PET-en kívül minden tömeg polimert ezzel az eljárással állítanak elő (PE,PP,PVC,PS). Ezzel állítják elő a plexit is.

25. Milyen tipikus gépészeti berendezéseket használhatnak a polimerek előállításához? 

Tartályreaktorok: o Keverőelem van benne o Duplafalúak ->duplikátorok, a falak között hűtőfolyadék található o Egy keverés nem elegendő a teljes átalakuláshoz, a jó minőséghez



Kaszkád reaktorok: o Több lépésben végzik a konverziót: o tartály: 25%-os konverzió o tartály: 50 %-os konverzió o tartály 75%-os konverzió

20



Csőreaktor: A csőreaktor a polimerizációs reakciók folytonos üzemű megvalósításának legmodernebb gépészeti megoldása. A több száz méter hosszúságú, 40–50 mm átmérőjű acélcsőben nemcsak a programozott hőmérsékleti kontroll, hanem a cső a csőben hőcserélő elvével a leggazdaságosabb hő-visszanyerés is megvalósítható. Így készül hazánkban is többféle PE típus



Formaadó, szerszám reaktorok o A reakció a szerszámban zajlik le o Térhálós polimereket gyártják így, pl. gumiabroncs, PE kábelbevonat



Csigareaktorok o Egy vagy több csigás extrúdert tartalmaz

26. Ismertesse a polimerizáció kivitelezésének ipari módszereit (tömbpolimerizáció, oldószeres polimerizáció, emulziós, illetve szuszpenziós polimerizáció)!  Tömbpolimerizáció: o A polimerizáció a monomerben játszódik le o Megkülönböztetünk homogén ill. heterogén tömbpolimerizációt 1. Homogén tömbpolimerizáció: o Az elkészült polimer oldódik a monomerben, egy fázist alkotnak o Pl. PS oldódik sztirolban 2. Heterogén tömbpolimerizáció: o A monomer nem oldja a polimert, hanem kicsapja azt o Pl. PVC

 Oldószeres polimerizáció: o Oldatot hoznak létre, melyben elkeverik a monomert o Az oldószer a hőeffektus csökkentésére szolgál o Megkülönböztetünk homogén és heterogén oldószeres polimerizációt

21

1. Homogén oldószeres polimerizáció: o Az oldószer a polimert is oldja o Pl. PS+benzol 2. Heterogén oldószeres polimerizáció: o Az oldószer nem oldja a polimert o Pl. PET+benzin

 Emulziós polimerizáció: Eredetileg a közegben nem oldódik a monomer, de cseppekben oszlatjuk el folyékony halmazállapotban a folyadékban, így már oldódik, és végbemegy a polimerizáció. A folyadékot a folyadékban nevezzük emulziónak. Pl. PVC

 Szuszpenziós polimerizáció: Hasonló, mint az emulziós polimerizáció, de itt a monomer szilárd fázisú, finom szemcsék formájában juttatjuk be a folyékony halmazállapotú közegbe (gyakran víz). Pl. PS.

27. Írja fel a Charothers egyenletet! Mit mutat meg?

DP: polimerizációs fok: Az a szám, amely megmutatja, hogy hány monomerből lehet felépíteni az adott makromolekulát.

N0: folyamat elején a molekulák száma N: polimerizációs folyamat során keletkezett molekulák száma ξ:konverzió, megmutatja, hogy a molekulák milyen arányban alakultak át makromolekulává

22

Carothers egyenlet azt fejezi ki, hogy igen magas konverziót, a 100 %-os átalakulást 0,1%nál is pontosabban megközelítő „beépítést” kell elérnünk ahhoz, hogy valóban polimer jellegű,103- lánctagból álló szerkezeti anyagot hozzunk létre.

28. Mit jelent a polimerek molekulatömegének szám szerinti, illetve tömeg szerinti átlaga? (Számítási példa előfordulhat!) Molekula tömege:

ahol DP a polimerizációs fok, M0 a moláris tömeg. A polimer molekulatömegének szám szerinti átlaga:

ahol Mi az i.-ik molekula tömege, ni a darabszám Pl: 10 db 10000g/mol-os és 90 db 1000 g/mol-os molekula esetén:

A polimer molekulatömegének tömeg szerint vett átlaga:

ahol mi adott tömegarány Pl. az előbbi példa adatai alapján:

(m1 és m2 összege természetesen egyet ad, mivel arányokról beszélünk) 23

29. Mi a polidiszperzitás? Mit mutat meg? A polidiszperzitás a polimer molekulatömegének tömeg szerinti átlagának és a szám szerint vett átlagának a hányadosa:

Megmutatja mennyire széles a molekulatömeg-eloszlás, azaz megmutatja, mekkora a molekulatömegek szóródása.

30. Hogyan hat a molekulatömeg változása a polimerek mechanikai tulajdonságaira, kristályos jellemzőire, ömledék viszkozitására?

31. Mutassa be a polimer anyagok kötőcsoport szerinti osztályozását!

M

-A-

-Γ1-X-Γ2-Γ1-X-Γ2

M: monomer A: ismétlődő egység X: magrész, általában szén vagy szilícium -Γ2-Γ1-: hídcsoport/kötőcsoport

 Homogén szénvázú szerves polimerek o Γ=0 o A fővázban csak szén van o Típusai:

24



Etilén bázisúak pl. PE, PP, PS, PVC, PMMA, teflon



Nem etilén bázisúak, pl. természetes gumi

 Heterogén szénvázú szerves polimerek o Típusai: Éterek: Γ=-O-, pl. cellulóz



Észterek: Γ=-C-O-, pl. PET



Karbonátok: Γ=-O-C-O-, pl. PC



Amidok: Γ=-N-C-, pl. PA (DNS)



Uretánok: Γ=-N-C-O-, pl. PUR

=O



=O -H

=O -H

 Heterogén szilíciumvázú szervetlen polimerek: o Szilikonok:

Γ=-O-

32. Mi a konformáció és mi a konfiguráció? A konfiguráció a molekulában a kovalens kötéssel kapcsolódó atomok térbeli elrendeződése egy központi atom körül, pl. polietilénben a hidrogénatomok elrendeződése. A konformáció a molekulában különböző, egymással nem kapcsolódó atomok egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződése.

33. Ismertesse a polimer láncok szabályosságát jellemző tulajdonságokat (fejláb kapcsolódás, taktikusság) és azok jelentőségét a kristályosság szempontjából! Fej-láb kapcsolódás: Elengedhetetlen feltétele a kristályosodásnak -FL-FL-FL-FL-FLIzotaktikus elrendeződésű, ami azt jelenti, hogy a molekulák kapcsolódása rendezett (intermolekuláris kapcsolat). 25

Fej-fej-láb-láb kapcsolódás: Szündiotaktikus elrendezés, ami azt jelenti, hogy a molekulák között bizonyos rendezettség figyelhető meg. -FF-LL-FF-LL-FF-LL-FF-LL-

Ataktikus anyagról van szó, ha nincs semmiféle rendezettség a molekulák kapcsolódásában. Ezek az amorf anyagok.

34. Mi a kopolimerizáció célja? A kopolimereknek milyen típusait ismeri? A kopolimerizáció célja olyan műanyagok előállítása, amelyek fiziko-mechanikai és egyéb tulajdonságai jobbak, mint a megfelelő homopolimereké. Példaképp a polietilén kitűnő fagyállóságú kaucsuk lenne, de nagy kristályosodási hajlama miatt amorf állapotban nem stabil. Propilén egységek beépítése a polimerláncba megbontja a polimerlánc szabályosságát és a kristályosodási hajlam megszűnik. Az így nyert etilén-propilén kopolimerek kitűnő kaucsukok.[

Kopolimerek típusai: a) Monomer egységenként szabályosan váltakozó kopolimerek: -A-B-A-B-A-B b) Monomer egységenként szabálytalanul váltakozó kopolimerek: -A-A-B-B-A-A-B-B-A-A-B-Bc) Szakaszos vagy blokkpolimerek (pl. ABS): -B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-Ad) Ojtott kopolimerek: Amikor az egyik monomerből felépült makromolekulán, oldalláncként, egy másik monomerből felépíthető polimerláncot ültetnek rá. Az ojtott oldallánc összetétele, gyakorisága és hosszas együttese szabja meg az ojtott kopolimer tulajdonságait.

………………………………………………………… ………………………………………………………… …………………………………………………………

-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-

26

-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

35. Mutassa be a polimerek csoportosítását a makromolekula alakja szerint! Lineáris polimerek a) Fonalmolekulák (pl. LDPE) b) Fonalmolekula sűrű, rövid elágazásokkal (pl. HDPE) c) Fonalmolekula ritkább, hosszabb elágazásokkal (pl. LLDPE) Ez a három csoport alkotja a hőre lágyuló polimerek csoportját, reverzibilisen ömledék állapotba hozhatók.

Térhálós polimerek (pl. műgyanta) Ezek a hőre nem lágyuló (hőre keményedő) polimerek, nem vihetők ömledék állapotba d) Polimerlánc gyűrűkkel e) Létra polimerek f) Elágazott polimer g) Ritka térhálós polimer h) Sűrű térhálós polimer

27

36. Mit jelent az, hogy egy polimer lineáris, illetve hogy térhálós? Mondjon példákat ezekre! Lineáris polimerek Olyan polimerek, amelyek reverzibilisen ömledék állapotba vihetők (hőre lágyuló polimerek). Pl. HDPE, LDPE, PE, PP, PS, PET.

Térhálós polimerek Olyan polimerek, amelyek nem vihetők ömledék állapotba, hőre „keményednek”, vagyis hőre nem lágyulnak. Pl. PUR, műgyanta, bakelit

37. Mik a különbségek a kis- és nagymolekulájú anyagok között? Kismolekulájú anyagok: 

Molekulái könnyebben tudnak rendeződni



Nagy rugalmassági modulusú anyagok



Erősebb kölcsönhatás



Kismolekulájú anyagoknál: olvadáspont van

Nagy molekulájú anyagok:

28



Lazább szerkezetűek



Molekulái el tudnak mozdulni



Kis rugalmassági modulusú anyagok



Nincs 100% kristályos polimer



Nagy molekulájú anyagoknál olvadási intervallumról beszélünk



Mechanikai tulajdonságaik időfüggőek

38. Hasonlítsa össze a kis- és nagy molekulájú anyagok fajtérfogat változását a hőmérséklet függvényében! Kismolekulájú anyagok fajtérfogat-változása a hőmérséklet függvényében:

Kismolekulájú anyagok esetében megkülönböztetünk első-és másodrendű átalakulást. A hőmérséklet növekedésével mindkét esetben folyadékká válik az anyag, a különbség, hogy az üveges anyagoknál üvegesedési hőmérsékletről, kristályos anyagoknál kristályolvadási hőmérsékletről beszélünk. Fontos megemlíteni, hogy kismolekulájú anyagoknál ezek a kitüntetett értékek pontok, polimereknél intervallumokról beszélünk. Nagy molekulájú anyagok fajtérfogat-változása a hőmérséklet függvényében:

29

Nagy molekulájú anyagok esetén is beszélhetünk üveges és kristályos anyagokról (előbbi az amorf, utóbbi a részben kristályos). Üveges polimer esetében az üvegesedési intervallumot követően folyadékot (ömledéket) kapunk, melynek annak ellenére, hogy folyadék, vannak szilárd anyagokra utaló tulajdonságaik. Részben kristályos polimerek esetében a szilárd halmazállapotot az üvegesedési intervallum után egy újabb szilárd halmazállapot követ, mivel a polimeren belüli kristályok továbbra is megmaradnak, ekkor csak lágyul a polimer. Ha tovább melegítjük, a kristályokat is sikerül megolvasztani, majd a kristályolvadási intervallum után megkapjuk a polimer ömledéket. A nagy molekulájú anyagok érdekes jellemzője a hiszterézis. Ez azt mutatja, hogy ha a polimert ömledékké alakítjuk, majd lehűtjük, a hűtés nem ugyanazon az úton megy végbe, mint a melegítés, a két görbe közötti „rés” lesz a hiszterézis.

39. Mik a polimer blendek? Miért állítunk elő blendeket? Ismertesse a blendek csoportosítását! Polimer keverék (blend): két különböző polimerből álló rendszer, tekintet nélkül arra, hogy az alkotórészek között létrejött-e kapcsolat. Előállításuk célja egész egyszerűen az, hogy ötvözzük különböző polimerek számunkra előnyös tulajdonságait. Pl. PVC-be nitrilkaucsukot keverhetünk (NBR), amitől ütésállósága javul.

Csoportosításuk:  Elegyedő blendek: o Homológ polimer komponenesek: 

Pl. PA, PA keverék

o Különböző összeférhető polimerek keveréke: 

Pl. PC/ABS keveréke (mobiltelefon hátulja)

 Nem elegyedő blendek: 

Pl. PET-PE: szivacsos anyag jön létre (ideiglenes útjelző táblák talpa)

 Polimer ötvözetek: o Kompatibilizáció útján létrehozott, célszerűen módosított határfelületekkel összeépített (egyébként inkompatibilis) polimer keverék. Kompatibilizálás pl. különdöző adalékanyagokkal történik. o Pl. PA/PE keverék: benzintartály, benzintank (többrétegűek)

 Nem elegyedő, nem kompatibilizált blendek 30

40. Mit jelent az, hogy egy polimer részben kristályos, illetve amorf? Soroljon fel részben kristályos, illetve amorf polimereket (legalább 4 darabot típusonként)! Részben kristályos polimerek: Kisebb térfogatot foglalnak el, így jó a gázzáró képességük A polimernek a tulajdonságai nagyban függenek attól, hogy mennyi kristályos rész található bennük. Pl. minél kevesebb kristály található benne, annál inkább ütésállók, kevésbé hajlamosak vetemedésre, és annál inkább átlátszók, viszont annál kevésbé szilárdak, hőállóak. Amikor a polimerben nem található már kristály, akkor amorf polimerről beszélünk. Részben kristályos polimerek: 

PE, PP, PET, POM, PA, PUR

Amorf polimerek: 

PVC, PS, PMMA, PC, ABS

41. Részben kristályos polimerek esetén hogyan változnak a polimerek fizikai tulajdonságai a kristályos részarány növekedésével? A kristályos részarány növelésével nő a szilárdság, a gázzáró képesség, hőállóság, de nő a vetemedésre való hajlam is. Csökken az áttetszőség és az ütésállóság.

42. Ismertesse a következő fogalmakat: krisztallit, fibrilla, lamella, szferolit! Krisztallit: Az a legkisebb kristályos egység, amely jól jellemzi a részben kristályos polimer kristályos részét. Fibrilla: Hosszú, kristályos képződmény, amely megmutatja a kristályos rész alakját. A fibrilla sok egymás mellé rendeződött lamella, amely több 10 nm vastag. A fibrilla is lehet krisztallit, de nem muszáj, hogy az legyen. Lamella: lapos, széles képződmények, általában ez a szerkezet jellemző a polimerekre, minthogy egymás mellé rendeződnek a láncok. A polimer molekulák „behajtogatódnak” egymás mögé, így lamellákat alkotnak. Ahol a visszahajtogatás történik, ott amorf a polimer. Egy lamella az adott polimer egy rétege.

31

Szferolit: gömbszerű képződmény a polimerben. Ömledéket hűtve gócokat alakítanak ki. Kettős töréssel rendelkeznek, tartalmaznak amorf részeket, ahol a gömbök összeérnek, ott is amorf a polimer. Méretüket a hűtési sebesség befolyásolja. Kettõs törés: egyes anyagokban a felületre beesõ természetes fénysugár felbomlása két sugárra. A rendes sugár követi a fénytörés törvényeit, a rendellenes nem: terjedési sebessége az iránytól függ. Polimereknél bizonyítja, hogy orientált részek vannak jelen, amelyek elég nagyok ahhoz, hogy depolarizált fényszóródás legyen

43. Mik a polimerek szerkezettípusai?  Lineáris amorf szerkezetű polimerek: o termoplasztikus (megolvasztható) polimerek o nincsenek benne kristályok o Pl. PVC, PS, PMMA, PC

 Térhálós szerkezetű polimerek: o Ritkán térhálós: (elasztomerek) 

Tg<0, például gumik

o Közepesen térhálósak: (termoelasztomerek) 

Szobahőmérsékleten változtatják a tulajdonságaikat



Tg= kb. 20 °C

o Sűrűn térhálosak: (duromerek): 

32

Tg>60 °C pl. UP (telítetlen poliészter) EP (telített poliészter)

 Részben kristályos polimerek: a. Rojtos micellás szerkezet b. Parakristályos szerkezet c. Szferolitos szerkezet d. Fibrillás szerkezet

44. Mutassa be az ún. rojtos-micella elméletet (rajz)! A tömény polimer oldatban illetve olvadékban hosszabb lánc-kötegekből alakulnak ki a rendezett kristály-tartományok. Ezeket a kristályos részeket kusza láncszakaszokat tartalmazó, rendezetlen amorf tartományok választják el egymástól. A sajátos szerkezeti formációt rojtos micellának nevezik. A kristályos kötegek kiterjedése jóval kisebb a polimer lánc hosszánál, ezért a láncok itt is hajtogatódnak illetve több molekulának is összeilleszkedhet hosszabb-rövidebb láncszakasza egyetlen kötegben. Természetesen egy makromolekula egyidejűleg több amorf és kristályos tartományhoz tartozhat. A kristályos szerkezetű rendezett lánckötegek és az amorf rész aránya a kristályosodás körülményeitől függ.

33

45. Mutassa be az ún. parakristályos szerkezetet! Mit jelent az első-, illetve másodfajú rácshiba? A parakristályos szerkezet lényege, hogy növeljük a részben kristályos polimerben levő kristályok számát, amíg a kristályos részarány nagyobb lesz az amorf részaránynál. Ezzel azonban a molekularácsban első és másodfajú hibák keletkeznek. Viszont a parakristályos szerkezet előnye, hogy rendezettebb szerkezetű, hőállóbb és nagy szilárdságú polimert kapunk. Például: HOPE (Highly Oriented Polyethylene) kötél. Elsőfajú hiba: A molekularácsban a molekulák nem a pontos geometriai helyükön vannak, egy ideális rácspont körül elfordulnak, de nagyobb térrészt tekintve a hibák kiegyenlítik egymást. Az elsőfajú rácshiba főleg hőmozgásból adódik.

Másodfajú rácshiba: Halmozódó hibák, a hiba sokszorozódik, torzult rácsszerkezet jön létre, így nem lesz tökéletes

34

46. Mutassa be a hedrites, dendrites szerkezetet, a nyújtott láncú lamella szerkezetet, a transzkristályos szerkezetet és a „saslikos” szerkezetet! 

Hedritek: o Sokszögû szerkezetek, amelyek (mivel határozott felületük van) az egykristályhoz némiképp hasonlók. o Néhány lamellás rétegbõl állnak, melyek együttes vastagsága elérheti az egy mikrométert. o Oldatból való kristályosításkor vagy olvadékból is kialakulhatnak.



Dendritek: o Átmeneti alakzatok. o Rosszúl fejlett egykristályokból állank és nem tökéletes kristályosításkor keletkeznek. o Alakjuk fenyõfaághoz hasonlít.



Nyújtott láncú lamellák: o A láncok teljesen nyujtottak, a láncvégzõdések ugyanabban a síkban fekszenek. o Polietilénnél, kis molekulatömegû paraffinoknál. o Lassú kristályosodás esetén 10 000-nél nagyobb molekulatömegü polietilénnél. o Nagynyomáson végzett kristályosításkor is keletkezik.



Transzkristályos szerkezet: o A felületen szferolitok nőnek, amelyek gátolják egymás növekedését. Jó terhelés átadási tulajdonságú.



Saslikos szerkezet: o Egy fibrillára nőnek rá a lamellák

35

47. Mutassa be a polimerek szerkezeti gráfját!

48. Mi a DSC mérés lényege? Mire használható? A DSC (Diferrenciálos pásztázó kaloriméter) a polimerek termikus tulajdonságainak meghatározására használható, a hőáram-különbség mérésének segítségével. . A mintát és a referenciát elkezdik fűteni egyenletesen. Cél: T-t lineáris diagram megmaradjon

36

Az 1. folyamat a hűtés, a 2. a melegítés. ∆Hkr a kristályosodás, ∆Hm a megolvadás, ennyivel kevesebb vagy több hő kell a linearitáshoz. Azt mondjuk, hogy a kristályolvadási hőmérséklet az alsó „pukli” csúcsában van, annak ellenére, hogy ez egy intervallum, ezen túl kell melegíteni, hogy a kristály megolvadjon. A kristályos részarány kiszámítása:

49. Írja fel a Hooke-törvényt szilárd testekre vonatkozóan!

A lineárisan rugalmas anyag Hooke-modelljében a húzó vagy nyomó mechanikai feszültség (σ) a fajlagos nyúlással (ε) arányos. 37

50. Milyen eltéréseket ismer a polimerek és a fémek viselkedése között? 

Mivel a polimerek hosszú molekula láncokból állnak, így a fémekkel ellentétben a nemlineáris viselkedés lesz rájuk jellemző, a megnyúlás, és így a feszültség is időtől függő tulajdonság lesz, így a Hooke-törvény is ennek megfelelően módosul: Polimereknél a nagy alakváltozások és a mechanikai tulajdonságok időfüggőek.



A fémekkel ellentétben a polimerekre az inhomogén szerkezet a jellemző, mivel amorf és kristályos részek váltják egymást a polimeren belül.



A tulajdonságok erősen hőmérsékletfüggőek, ez a fémeknél nem annyira jelentős. (pl. a 90°C-os forró víz összehúzza a PET palackot, ám a fémeknél több száz vagy több ezer fokot is el kell érni ahhoz, hogy jelentős legyen a hőmérséklet befolyása).

51. Miért nevezzük a polimereket anizotrop anyagoknak? Az izotróp anyagoknál (pl. fémek) az alakváltozás minden irányban azonos, de mivel a polimerek nem homogén anyagok (amorf és kristályos részek váltják), így az alakváltozás sem lehet minden irányban azonos. Ezért nevezzük őket anizotrop anyagoknak.

52. Mit jelent polimerek húzóvizsgálatánál az érintő, illetve a húr modulus? (számítási példa előfordulhat!) Húr modulus (Eh): a görbe tetszés szerinti (de jellemzően a kezdeti szakaszon megválasztott) két pontját összekötő egyenes meredeksége. A vonatkozó szabvány szerint a 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmenő egyenesnek a meredekségét kell meghatároznunk, vagyis az általános érvényű

összefüggésbe a és ε2-ε1 kifejezés ebben az esetben 0,002.

mért értékeket helyettesítjük, valamint az

értéke ebben az esetben 0,002Érintő modulus (Ee): a görbe tetszőleges pontjához húzott érintő meredeksége. Mivel a szakítógörbe általában már a kezdeti szakaszban sem lineáris (ellentétben a fémekével), így érintőjének meredeksége is pontról pontra változik.

38

53. Rajzoljon fel egy tipikus szakítógörbét polimerek esetén és definiálja a következő fogalmakat: mérnöki feszültség; nyúlás; folyási feszültség, húzószilárdság; szakítószilárdság; húzószilárdsági nyúlás; szakadási nyúlás, érintő modulus, húr modulus! (Számítási példa előfordulhat!)

Polimerek szakítógörbéi. a) rideg (üvegszerű) viselkedés, b) és c) nyakképződést mutató viselkedés d) lágy, gumiszerű viselkedés nagy (>50%) szakadási nyúlással

Mérnöki feszültség: σ Az erő tengely helyén a mérnöki húzófeszültséget (σ [MPa]) megkapjuk, ha az erőt (F [N] osztjuk a próbatest (középső részének) kiindulási keresztmetszetével (A0 [mm2]):

A mérnöki húzófeszültség [MPa] azt fejezi ki, hogy a próbatest 1 mm 2 – húzási iránnyal megegyező normálvektorú – keresztmetszetében mekkora erő [N] ébred. (Kétszer akkora keresztmetszetű, de azonos anyagú próbatestnél kétszer akkora erőt mérnénk a vizsgálat során, az ébredő feszültség viszont ugyanakkora lenne mindkét esetben, mert az magát az anyagot jellemzi). 39

Relatív nyúlás: ε A relatív nyúlás (ε) a próbatest megnyúlásának (∆l [mm]; ∆l= l-L0, ahol l a próbatest aktuális hossza) és a kezdeti mérési hossznak (L0 [mm]) a hányadosa:

A relatív nyúlást általában százalékban (pl. 5%), vagy mértékegység nélkül (pl. 0,05) fejezzük ki (azt mutatja meg, hogy a próbatest a mérés adott pillanatában éppen hány százalékkal hosszabb, mint terheletlen állapotban volt). Folyási feszültség: σY Az az első feszültség, amelynél a nyúlás a feszültség növekedése nélkül növekszik (szakítógörbe nyúlás szerinti deriváltja itt nulla). Fémes szerkezeti anyagoknál a folyási feszültség egy éles határ (folyáshatár): alatta rugalmas, míg felette képlékeny alakváltozás jelentkezik. A viszkoelasztikus viselkedésű polimereknél már rendszerint kis feszültségeknél is maradó alakváltozások alakulnak ki, vagyis egyfajta folyási jelenség már hamarabb is fellép, tehát folyáshatár nincsen. A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel sem lép a folyási jelenség, másoknál több száz %-os folyási alakváltozás következhet be, amelyet a próbatesten nyakképződés és szerkezeti átalakulás kísérhet. A folyást bizonyos polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezheti. Húzószilárdság: σM A szakítógörbe első lokális maximumánál ébredő (mérnöki) feszültség. Ez a feszültség egybeeshet a folyási feszültséggel (σY, „b” és „c” görbe), vagy a szakítószilárdsággal (σB, „a” görbe). Szakítószilárdság: σB Közvetlenül a szakadás (próbatest kettéválása) előtt mért erő és a kezdeti keresztmetszet hányadosa. Húzószilárdsági nyúlás: εM A húzó nyúlás a próbatest húzószilárdságának megfelelő pontban:

ahol L0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, LM a próbatest vizsgált szakaszának az első lokális erőmaximumnál mért megnyúlt hossza.

40

Szakadási nyúlás: εB A húzó nyúlás a próbatest szakítószilárdságának megfelelő pontban:

ahol LB: a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza. Húr modulus (Eh): A görbe tetszés szerinti (de jellemzően a kezdeti szakaszon megválasztott) két pontját összekötő egyenes meredeksége (a fenti ábrán a „d” görbén felvett két pont). A vonatkozó szabvány szerint a 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmenő egyenesnek a meredekségét kell meghatároznunk, vagyis az általános érvényű

összefüggésbe a

és

mért értékeket helyettesítjük, míg epszilonok

helyére a kapott diagramról leolvasott értékeket.

Érintő modulus (Ee): A görbe tetszőleges pontjához húzott érintő meredeksége. Mivel a szakítógörbe általában már a kezdeti szakaszban sem lineáris (ellentétben a fémekével), így érintőjének meredeksége is pontról pontra változik.

54. Polimerek esetén mi a hajlítószilárdság, határlehajlás, illetve határhajlító feszültség? Hajlítószilárdság: A töréskor elérhető maximális hajlító feszültség

ahol σBh a keresett hajlítószilárdság, M a próbatestben ébredő maximális hajlító nyomaték, K a keresztmetszeti tényező. Az EN ISO 178:2001-es szabványban is szereplő összefüggés:

41

ahol F a töréshez tartozó erő [N], L az alátámasztási távolság [mm], b a próbatest szélessége [mm], h a próbatest vastagsága [mm].

Ez a következőképpen jön ki:

A fenti ábra az ún. hárompontos hajlító vizsgálat, melynek lényege, hogy a vizsgált próbatestet két végén alátámasztják, majd középen terhelni kezdik, hajlítják. Az ábra szerinti maximális hajlító nyomaték: M

valamint a keresztmetszeti tényező:

Ezeket behelyettesítve a képletbe, majd az egyszerűsítéseket elvégezve megkapjuk a szabványban szereplő képletet. Határlehajlás: f* Az a lehajlási érték, ameddig feltételezhetjük a klasszikus számítási összefüggések érvényességét. Értéke a mindenkori L alátámasztási távolság 10%-a (f* =0,1.L). Ha tehát ezen f*határlehajlás érték elérése előtt eltörik az anyag, akkor a törési ponthoz tartozó Ft törőerőből számolt nyomatékkal a σBh hajlítószilárdságot határozzuk meg, és ezzel jellemezzük a vizsgált anyag teherbírását. 42

Határhajlító feszültség: σh Abban az esetben, ha az f* határlehajlás érték eléréséig nem törik el az anyag, hanem csak f* -nál nagyobb f értéknél törik, vagy egyáltalán nem törik el, akkor az f*-hoz tartozó F* határhajlító erőből számított nyomatékkal a σh ún. határhajlító feszültséget határozzuk meg, és alkalmazzuk a vizsgált anyag szilárdsági jellemzésére, összehasonlítására. Számítása tehát az előbbivel azonos, kivéve, hogy törőerő helyett a határlehajláshoz tartozó erőt használjuk.

55. Hogyan hat kompozitok esetén az erősítőszálak orientációja a hajlítószilárdsági jellemzőkre? A polimer mátrixú kompozitok jellemzői jelentős mértékben eltérnek az erősítetlen rendszerek viselkedésétől. A hajlított tengelybe eső szálak adják a legnagyobb merevséget, míg ettől egyre nagyobb mértékben eltérve a próbatestek modulusa egyre kisebb

Külön kell említeni a szendvicsszerkezeteket. Ezek jellemzője a kis anyagmennyiség növekedéssel elérhető nagy hajlítómerevség növekedés (D=IE, ahol I a másodrendű nyomaték, E a modulus).

43

56. Mi a kúszás (definíció + gerjesztés és válasz fgv.-ek, a gerjesztés megszűnte után is!)? A kúszás során a (polimer) anyag deformációja, állandó mechanikai feszültség-terhelés mellett, az időben folyamatosan nő. A kúszásvizsgálat során többnyire ugrásszerűen terhelik az anyagot, majd a terhelést állandó értéken tartják. Az anyag válasza erre az ún. kúszás-gerjesztésre a kezdeti ugrásszerű deformációt követő, az időben folyamatosan növekvő deformáció. A deformációnak három komponense van, melyeket különböző elemekkel modellezünk:

A fenti modellek sorba kapcsolásával kapjuk a Burgers-féle négyparaméteres modellt, amely a legkisebb elemszámú modell az amorf termoplasztikus polimerek kúszási viselkedésének minőségi leírásához:

44

A gerjesztés és válaszfüggvényei:

45

57. Mi a feszültségrelaxáció (definíció + gerjesztés és válasz fgv.-ek a gerjesztés megszűnte után is!)? A lineáris polimerek esetében, ha az anyagot ugrásszerűen, állandó ε0 deformációnak tesszük ki, akkor a mért feszültség a kezdeti maximális értékéhez képest az időben csökken és tart 0-hoz. Eközben a terhelés kezdeti pillanatában még teljes egészében rugalmas ε0 alakváltozás fokozatosan elkezd késleltetett rugalmas és maradó alakváltozássá átalakulni. Elegendően hosszú T idő alatt az ε0 alakváltozás teljes egészében maradóvá alakulhat, miközben a feszültség teljesen 0-ra csökken. A jelenség egyszerű modellezésére az úgynevezett Maxwell-modell alkalmas, amelyet egy rugó és egy viszkózus elem sorba kapcsolásával kaphatunk:

A relaxációgerjesztés és válaszfüggvénye:

46

58. Mutassa be a polimerek mechanikai viselkedését leíró mikro-, illetve makro deformáció komponenseket! Milyen molekuláris szintű változásokhoz köthetőek az egyes mikro deformáció komponensek? Értékelje a makrodeformáció komponenseket mechanikai, és termodinamikai reverzibilitás szempontjából!

Mikrodeformációs komponensek: 

Energiarugalmas: εU Ha megnyújtjuk a molekulát megnyúlik, majd a feszültség megszűnése után visszaalakul, így mechanikailag és termodinamikailag is reverzibilis.



Entrópiarugalmas: εS Az összegombolyodott szerkezet kiegyenesedhet. Mechanikailag reverzibilis, de termodinamikailag irreverzibilis.



Enregiadisszipáló: εirrev A molekula nem tud visszaalakulni. Mechanikailag és termodinamikailag is irreverzibilis.

47

Makrodeformációs komponensek: 

Pillanatnyi rugalmas deformáció komponens: Mikro szerkezetileg az atomtávolságok és vegyértékszögek megváltozásához kapcsolódik - pillanatszerűen, késleltetés nélkül alakul ki a terhelés pillanatában, és ugyancsak késleltetés nélkül alakul vissza a terhelés megszűntével, azaz az időtől független, és a fel- és leterhelés görbéje egybeesik. A terhelés során kialakult deformáció és a befektetett deformációs munka is teljes mértékben visszaalakul, ezért e komponens mechanikailag és termodinamikailag is reverzibilis. A deformáció komponens legegyszerűbb mechanikai modellje a Hooke-törvényt követő rugó.



Késleltetett rugalmas komponens Mikro szerkezetileg a feszültség hatására a molekulaláncok kigöngyölődéséhez, illetve visszagöngyölődéséhez kapcsolódik, a terhelés folyamán késleltetve alakul ki, és a terhelés megszűnte után késleltetve alakul vissza, azaz időfüggő, és a felilletve leterhelés görbéi nem esnek egybe (ún. hiszterézis jelentkezik). A hiszterézis-hurok területe a hővé alakult, veszteségi deformációs munkahányaddal arányos. E komponens ezért mechanikailag reverzibilis, de termodinamikailag irreverzibilis. E deformáció komponens legegyszerűbb modellje egy rugó és egy - szintén további idealizálási lépést jelentő – Newton-törvényt követő viszkózus elem párhuzamos kapcsolásával kapható ún. Kelvin-Voigt elem.



Maradó deformáció komponens Mikro szerkezetileg a molekula-láncok egymáshoz képesti elcsúszásához, maradó elmozdulásához kapcsolódik, a terhelés folyamán folyamatosan alakul ki, időben halmozódik és a terhelés megszüntetése után a kialakult deformáció érték megmarad. A fel- és leterhelés görbéi nem esnek egybe, sőt az utóbbi elfajul, és a befektetett deformációs munka teljes egészében hővé alakul. Következésképpen, e komponens mind mechanikailag, mind termodinamikailag irreverzibilis. E deformáció komponens legegyszerűbb modellje a Newton-törvényt követő viszkózus elem.

48

59. Mutassa be az egyes deformáció komponensek modelljét és azok mechanikai gerjesztés és válaszfüggvényeit, valamint a modell alapegyenletét!

49

60. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek kúszását leíró Burgersmodellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!

Állandó terhelés esetén érvényes a nyúláskomponensek szuperpozíciójának elve, ezért a Burgers-féle összetett modell nyúlás-válaszfüggvénye az azt alkotó modellelemek válaszfüggvényeinek szuperpozíciójával összegezve szerkeszthető meg. Ebből adódóan indirekt módon - a mért kúszásgörbéből meghatározhatóak az arra illesztett Burgersmodell (Burgers-függvény) paraméterei (együtthatói). A modell gerjesztési függvénye és válaszfüggvényei megtalálható az előző kérdésben. (a. illetve e. ábra).

50

61. Mutassa be a gyengén térhálós elasztomerek kúszását leíró Stewartmodellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)! A gyengén térhálós elasztomerek terhelés megszűnése után visszanyerik eredeti alakjukat. Ezt a viselkedést a Stewart-modellel jellemezhetjük, amely nagyon hasonlít a Burgers-féle modellre, azzal a különbséggel, hogy itt nincs sorba kötve viszkózus elem:

Gerjesztési függvény és válaszfüggvényei:

51

Normális esetben elasztomereknél nincs maradandó alakváltozás. Amennyiben mégis maradandó alakváltozást szenved, annak oka valószínűleg, hogy a polimer elöregedett, az idő múlásával változtak mechanikai tulajdonságai.

62. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek feszültségrelaxációját leíró Maxwell-modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)! A lineáris polimerek esetében, ha az anyagot ugrásszerűen, állandó ε0 deformációnak tesszük ki, akkor a mért feszültség a kezdeti maximális értékéhez képest az időben csökken és tart 0-hoz. Eközben a terhelés kezdeti pillanatában még teljes egészében rugalmas ε0 alakváltozás fokozatosan elkezd késleltetett rugalmas és maradó alakváltozássá átalakulni. Elegendően hosszú T idő alatt az ε0 alakváltozás teljes egészében maradóvá alakulhat, miközben a feszültség teljesen 0-ra csökken. A jelenség egyszerű modellezésére az úgynevezett Maxwell-modell alkalmas, amelyet egy rugó és egy viszkózus elem sorba kapcsolásával kaphatunk:

Az állandó megnyúlás gerjesztés és válaszfüggvénye:

52

63. Mutassa be a gyengén térhálós elasztomerek feszültségrelaxációját leíró Standard-Solid-modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!

A modellt egy E tulajdonságú rugó és egy viszkózus elem sorba kapcsolásából, valamint ennek a kettőnek és egy E∞ tulajdonságú rugó párhuzamos kötésével kapjuk. A nyúlás-gerjesztés és a feszültség-válaszfüggvénye:

Látható, hogy a feszültség t=∞ esetén nem 0-hoz, hanem egy adott értékhez tart.

53

64. Értelmezze az alábbi fogalmakat: időtartam szilárdság, tartós szilárdság, időtartam feszültség! Időtartam szilárdság: σB/t Az a legnagyobb feszültség terhelés, mely mellett az anyag legfeljebb t0 idő után szakad el. Például: σB/1000=200MPa azt jelenti, hogy a 200 MPa terhelést 1000 óráig bírja az anyag. Időtartam feszültség: σε/t Az a maximális feszültség érték, mely esetén a deformációt t0 idő után érjük el. Például: σε/1000=20 MPa azt jelenti, hogy 20 MPa terhelés mellett 1000 óra után éri el az adott ε deformációt. Tartós szilárdság: σB/∞ Az a feszültség, amely végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb alakváltozást.

65. Mit jelent az, hogy egy polimer hidrofil, vagy hidrofób? Mi ezek kapcsolata a polimerek molekuláris felépítésével? Soroljon fel tipikusan hidrofil, illetve hidrofób polimereket! Hidrofil polimer: A hidrofil polimerek nagymértékben vesznek fel nedvességet, mivel a fő vagy oldalláncban található egy poláros jellegű csoport, amelyhez vízmolekula tud csatlakozni. Ilyen polimerek például a PA, PC, Poliészter, PET. A hidrofil polimerek tartalmaznak valamilyen alkohol csoportot. Hidrofób polimer: Nincs poláros jellegű csoportja (alkoholcsoportja), így nem képesek nagymértékű nedvesség felvételre. Ilyenek például a PE,PS,PP.

54

66. Milyen nedvesség-felvételi mechanizmusokat ismer a polimereknél? Mutassa be diagram segítségével ezek függését a relatív légnedvességtől. Mutasson be polimerek esetén egy adott relatív légnedvességre vonatkozó száradási, illetve nedvesedési görbét (idő függvényében)! 

Közvetlen vízfelvétel A polimerben található hidrofil molekulákhoz közvetlen kapcsolódik a vízmolekula.



Közvetett vízfelvétel

Nem közvetlen kapcsolódik a polimerekhez, hanem a polimerhez korábban kacsolódott vízmolekulákhoz kapcsolódnak a vízmolekulák. Ennélfogva ha nincs közvetlen vízfelvétel, akkor közvetett sincs. A közvetett jóval lassabb, mint a közvetlen. 

Kapilláris vízfelvétel Magas páratartalom mellett megy végbe. A polimeren kis pórusok találhatók, és mivel a poláros molekulák vonzzák a vizet, így a pórusokban víz jelenik meg.

55

67. Hogyan függ a polimerek szakítógörbéjének jellege, a szakítási sebességtől, a hőmérséklettől és a polimer nedvesség tartalmától? Szemléltesse ábrával a jelenségeket! Mivel magyarázhatóak a jelenségek molekuláris szinten?



Sebesség Nagyobb szakítási sebességek esetén a viszkoelasztikus tulajdonságokkal rendelkező anyagok (polimerek) merevebben és ridegebben viselkednek, általában a szilárdságuk is nagyobb értékre adódik (azt mutatja a fönti, bal oldali ábra). Ez a jelenség azért lép fel polimereknél, mert a nagy vizsgálat sebesség mellett a hosszú molekuláknak nincsen elég idejük, hogy a húzás irányába rendeződjenek.



Hőmérséklet A polimerek esetén már kis hőmérsékletváltozás is jelentősen befolyásolja a merevséget, a szilárdságot, illetve a tönkremeneteli folyamat jellegét. A polimerek az ún. üvegesedési átmenetük hőmérséklete (Tg) alatt üvegszerű fizikai állapotban ridegen, míg e felett az ún. nagyrugalmas fizikai állapotban, szívósabban viselkednek és nagyobb a szakadási nyúlásuk is (fenti jobb oldali ábra).



Nedvesség Nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a rugalmassági modulust, szilárdságot és növeli a szakadási nyúlást (ezt mutatja a következő ábra). Ennek oka, hogy a nyíró feszültség hatására a molekulák könnyebben tudnak egymáson elmozdulni az abszolvált víz miatt.

56

68. Mi a különbség a halmazállapot és a fázisállapot között? A polimereknek milyen fázisállapotai lehetnek? Polimereknél a halmazállapot lehet: szilárd, folyadék, míg a fázisállapot kristályos illetve amorf lehet. A polimerek lehetnek részben kristályosak és amorf polimerek, részben kristályoson belüli fázisok: kristályos+üvegszerű amorf, kristályos+nagyrugalmas amorf, viszkózusan folyós, amorfon belüli fázisok: üvegszerű, nagyrugalmas, viszkózusan folyós.

69. Mit jelent az, hogy egy részecske mozgása mikro-, illetve makro-Brown típusú? Először is tisztáznunk kell a szegmens fogalmát. A szegmens a polimerben lévő molekulalánc egy kis szakaszát jelenti. A szegmensek mozgása alapján különböztetünk meg mikro-és makro-Brown mozgásokat. 

Mikro Brown mozgás: A szegmensek saját tömegközéppontjukhoz képest körbe mozognak.



Makro Brown mozgás: Ekkor már a szegmensek tömegközéppontjai egymáshoz képest elmozdulnak, vagyis az egész molekula mozog.

57

70. Mit jelent az üveges átmeneti hőmérséklettartomány? Az a tartomány, amikor az amorf polimer ömledék állapotból üvegessé alakul, vagyis a szegmens mozgások befagynak, megszűnnek a mikro- és makro Brown mozgások. Mivel nem tud egyszerre az összes szegmens mozgása befagyni, ezért tartományról beszélünk. A folyamat természetesen fordítva is igaz.

71. Mutassa be a polimerek amorf fázisának fizikai állapotait! Ismertesse a jellemző átmeneti hőmérsékleteket, és értékelje az egyes állapotokat Brown mozgás szempontjából! 1. 0K (kelvin) 2. 0K
58

71. Mutassa be a polimerek kristályos fázisának fizikai állapotait! Ismertesse a jellemző átmeneti hőmérsékleteket, és értékelje az egyes állapotokat Brown mozgás szempontjából! 1. 0K 2. 0K
szilárd

szilárd

szilárd

ömledék

kristályos

kristályos

kristályos

viszkózusan folyós

üvegszerű 0K
nagyrugalmas nagyrugalmas Tg
Tm
72. Mit jelent az, hogy egy mechanikai vizsgálat statikus, kvázi-statikus, illetve, hogy dinamikus? Statikus, tartós igénybevételről akkor beszélünk, ha egy időpillanatban az addig nem terhelt anyagra terhelést adunk (például egy készülék esetében a be- és kikapcsolás). Kvázi statikus terhelésről beszélünk, amikor az igénybevételeket a vizsgált folyamat szempontjából elhanyagolható mértékű változások jellemzik Dinamikus terhelés: A terhelés időben véletlenszerűen vagy harmonikusan változik. A változás érintheti mind a terhelésváltozás mértékét (pl.: rezgés amplitúdó), mind annak gyakoriságát (pl.: rezgés frekvencia).

59

73. Mi lesz polimerek esetén az 𝜀(𝑡)=𝜀1+𝜀0∙sin(𝜔𝑡) dinamikus kúszásgerjesztésre adott válasz? Hogyan származtatható ebből a komplex rugalmassági modulus? A fenti képlet a dinamikus mechanikai analízis (DMA) ciklikus gerjesztés görbéjét leíró egyenlet. Mivel a polimer lineáris rendszerként viselkedik, szinuszos nyúlás gerjesztésre a válasz egy feszültség, amely szintén szinuszos:

ahol δ a fáziseltolás, vagy fáziskésés (tisztán elasztikus anyagoknál, fémeknél δ=0). a feszültség relaxáció-időtől függ. Ha 𝜀1-t nullának választjuk, akkor a válasz:

A szinusz függvény tulajdonságai miatt δ értéke 0 és π/2 lehet. Ezeket és trigonometriai ismereteket(sin(α+β)) felhasználva a következőképp írhatjuk fel a fenti választ két részre bontva:

majd úgy helyettesítünk, hogy az első tag fázisban legyen , a másik π/2-vel eltolva:

A fenti válaszfüggvényben az első tag a gerjesztéssel fázisban van, míg a második π/2vel van eltolva. Osszuk le az egyenletet 𝜀0-val:

Az egyenletben szereplő hányados az állandó tárolási modulus (E’), míg a lesz a veszteségi modulus (E”)- például a hő veszteség. Úgy is fel lehet fogni, hogy van egy komplex rugalmassági modulus, amely e két modulusnak a vektori összege.

60

Így:

E*=

74. Mi a veszteségi tényező? Mit mutat meg? A veszteségi tényező a veszteségi modulus (E”) és az állandó tárolási modulus hányadosa:

Ez pedig nem más mint a komplex rugalmassági modulus és az állandó tárolási modulus által bezárt szög tangense:

A veszteségi tényező megmutatja, hogy a tárolt energia mekkora része alakult hővé.

75. Mutassa be a termomechanikai görbék meghatározási módszereit! 1. DMA segítségével Szilárdsági vizsgálatokat végzünk különféle hőmérsékleteken, és a sok szakítóvizsgálat pontjait ábrázoljuk egy E, T diagramon és a kapott pontokat összekötjük.

61

2. TMA (termo mechanikai analízis) segítségével Itt állandó statikus feszültségnek tesszük ki a mintát, mindig más hőmérsékleten. Ez pontosabb, mint a DMA mivel itt már a kész görbét kapjuk, az előző esetben pedig pontokat kellett összekötni. 3. DMTA (dinamikai termikus analízis) segítségével Dinamikai mechanikus analízist folyamatosan növekvő hőmérsékleten végezzük el. Ezzel a vizsgálattal jól tudjuk közelíteni mikor, hol és mi történik az anyagban. Az üvegesedési hőmérsékletet is jól lehet vele közelíteni (ez a legmagasabb pontja a görbének).

76. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek jellemző DMTA görbéit! Jelölje be rajta az amorf fázis fizikai állapotait!

A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást jelölik.

62

77. Mutassa be a részben kristályos polimerek jellemző DMTA görbéit (Tm>Tf)! Jelölje be rajta fázisok fizikai állapotait!

A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást jelölik.

78. Mutassa be a részben kristályos polimerek jellemző DMTA görbéit (Tm
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást jelölik.

63

79. Mutassa be a sűrűn térhálós polimerek (duromerek) jellemző DMTA görbéit!

A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB a mikro Brown mozgást jelöli. A TKS a térháló kötés sűrűség rövidítése. Minél nagyobb, annál nagyobb marad a rugalmassági modulus, vagyis minél több kapcsolatot hozunk létre, annál kevésbé érezhető az üvegesedési hőmérséklet hatása.

80. Mutassa be a gyengén térhálós polimerek (elasztomerek) jellemző DMTA görbéit!

64

A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB a mikro Brown mozgást jelöli.

81. Mi a hőmérséklet-idő ekvivalencia elvének alapja polimerek esetén? A hőmérséklet-idő ekvivalencia elve, hogy ha különböző hőmérsékleteken vizsgáljuk az anyagot, akkor választ kapunk hosszútávú tulajdinságaikra. Például szeretnénk tudni, hogy egy szerkezeti polimer mikor törik el. 1 óra alatt különféle hőmérsékleteken végzett vizsgálatokat végzünk. Eltolási tényező segítségével eltolják ezeket a görbéket. Így mestergörbéket lehet készíteni, melyeket évtizedekre előremenőleg tudunk következtetni.

82. Mi történik a polimerek feldolgozása során? Mik a polimer feldolgozástechnológiák közös fázisai? Ismertesse ezeket! Polimerek feldolgozás technológiája: A polimer feldolgozása során az alapanyagból 1 lépésben, méretpontosan (100-ad mikron pontossággal), reprodukálható módon gyártunk nagy mennyiségben terméket (akár több millió termék). Alapanyag lehet hőre lágyuló és hőre nem lágyuló polimer. Hőre lágyuló polimerek feldolgozása esetén a kiinduló anyag tulajdonságai megegyeznek a késztermék tulajdonságaival. Például: PE kuka. Hőre keményedő polimerek feldolgozásánál az alapanyag szerkezetében eltér a terméktől. Például PUR-ból készült autó műszerfal. Polimer feldolgozás technológiák közös fázisai: 1. Alakítható állapotba hozás 

Hőre lágyuló polimerek esetében a polimert hő segítségével ömledék állapotba hozzuk, úgy dolgozzuk fel (erőhatással alakítjuk). Másik módszer a termoelasztikus állapotba hozás, melynek során annyira felmelegítjük a polimert, hogy a molekulák könnyen elmozdulnak, így kis erővel is alakítható amellett, hogy szilárd marad.



Hőre keményedők esetében az alapanyag már alapból halmazállapotú, majd gyanták segítségével dolgozzuk fel azokat.

folyékony

2. Alakadás 

Az ömledéket szerszámra kényszerítjük rá- belepréseljük.

65

3. Alakrögzítés 

Hőre lágyulók polimereket a szerszámban hűtjük, hőre keményedő polimereket szárítószekrénybe tesszük, ahol a hozzákevert gyanták révén létre jön a térhálós szerkezet.

83. Mit jelent a reológia? Reológia: anyagok deformációit leíró tudomány. Szilárd test reológia: Hooke-törvény. Ömledékeket leíró tudomány az ömledékreológia. Szurokcsepp kísérlet: Tölcsérben van egy szurokdarab, melyre kalapáccsal ráütünk. Ha magára hagyjuk, a gravitációs térben csepeg. Ebből arra lehet következtetni, hogy az anyagoknak van szilárd és folyadékokra jellemző tulajdonsága is.

84. Mik az ömledékreológia alapjellemzői? 1. Erők 

Komprimáló erők: térfogatot csökkentik. Kis molekulájú anyagoknál nem tudják csökkenteni, de a polimerek összenyomhatók.



Nyomóerők: ömledék áramlást biztosító erők.



Nyíróerők: áramláskor mindig fellép. A falhatás okozza: a falnál az ömledék sebessége 0, beljebb folyamatosan nő, ebből származik a nyíróerő.

2. Deformáció 

Polimer ömledékekben létezik viszkózus és rugalmas deformáció is.

3. Időtartam 

Nyírási viszonyok különbözők lesznek az ömledéken belül az idő előrehaladtával.

4. Hőmérséklet 

66

Gyorsabb gyártás és magasabb hőmérséklet lehetőé teszi az anyag könnyebb deformációját. Az extrúzió ezen alapszik.

85. Mi a viszkozitás? A viszkozitás a folyadék belső súrlódását jellemző állandó. Elmélete a következő:

A kép bal oldalán két síklap közé helyezett lapos szilárd testet látunk, amelyet alul és felül a lapokhoz ragasztottunk. Jobb oldalon a két párhuzamos lap között folyadékréteg van. A szilárd test és a folyadékréteg lappal párhuzamos keresztmetszete A [m2] nagyságú.

Az alsó lap rögzített, a felső önmagával párhuzamosan elmozdítható. Ha a lappal párhuzamos irányú F [N] erővel hatunk a felső lapra, akkor a szilárd testben keletkező τ=F/A [Pa] csúsztatófeszültség (a felülettel párhuzamos, egységnyi felületre ható erő) hatására a szilárd test deformálódik. A deformációra jellemző γ szög egy határig arányos a τ [Pa] csúsztatófeszültséggel,tehát a deformáció nagysága arányos a szilárd testben ébredő csúsztatófeszültséggel, ez az arányossági tényező a G nyíró rugalmassági modulus.

Ha folyadék van a lapok között, az F erő hatására a felső lap u sebességű mozgásba jön, a folyadék időben folyamatosan deformálódik. Ezért a

τ csúsztatófeszültség függvényében a

deformáció helyett a deformációsebességről (dγ/dt) beszélünk.

67

Felírható a deformációsebesség (vagy alakváltozási sebesség, mértékegysége 1/s!!!) és a csúsztatófeszültség közötti egyenes arányosságot kifejező összefüggés, azaz a Newtonegyenlet, amelyben η [Pa·s] egy, a folyadék tulajdonságaitól függő értékű arányossági tényező, amelyet dinamikai viszkozitásnak nevezünk:

Ebből

Fontos megjegyezni, hogy a fenti viszkozitás a dinamikai viszkozitás. Létezik még kinematikai viszkozitás, amely a folyadékban (gázban) keltett örvényszerű zavarok öncsillapodásának gyorsaságát jellemzi, jele: ν (nű), mértékegysége: [m2/s]. A kapcsolat a két viszkozitás között :

ahol ró a sűrűség.

86. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Hooke-féle modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾)! A jól ismert modell az ideálisan rugalmas viselkedést írja le, miszerint az anyagban ébredt τ feszültség annak γ deformációjával arányos, arányossági tényező a G nyíró rugalmassági modulus, ezt mutatja a következő ábra:

68

ahol G nyírórugalmassági modulus. (Tau mértékegysége Pa, gammának értelem szerűen nincs) Ez a fajta viselkedés a polimer ömledékekre csak kis mértékben jellemző, de bizonyos esetekben nem hagyható figyelmen kívül. Az igénybevétel – deformáció – időtartam kapcsolat elemzésében válasszuk az alábbi modellt: τ = τ1 = állandó igénybevétel Δt ideig (II. tartomány), τ = 0 igénybevétel (tehermentes állapot) Δt ideig (I és III. tartomány), τ = 2 τ1 = τ2 igénybevétel Δt ideig (IV. tartomány), és vizsgáljuk az anyag γ deformációját :

69

A

összefüggés alapján a deformációk értékei:

87. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Newton-féle modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾)! Hogyan függ a viszkozitás az igénybevétel nagyságától? Ez a reális folyadékok viselkedésének leírására is használatos modell az ömledékreológia alapmodellje. Az ideálisan képlékeny anyagban ébredt τ feszültség a deformáció sebességgel arányos, arányossági tényező az η newtoni viszkozitási tényező:

Ennek alapján a newtoni közeg viszkozitása független az igénybevételtől (τ, függ:

70

), csak a hőmérséklettől

A Hooke-modellnél látható különböző szintű, időben állandó τ igénybevétel esetén a newtoni közeg γ deformációja az alább látható módon alakul:

A newtoni alapegyenlet alapján a deformációk értéke a fenti igénybevétel esetén:

88. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Ostwald de Waele-féle (hatványtörvény) modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾)! Mit jelent az, hogy egy folyadék dilatáns, illetve hogy pszeudoplasztikus? A polimer ömledékek viselkedését már jobban közelítő ún. hatványtörvényt követő anyagok esetén az ömledékben ébredt τ feszültség a hatványával arányos:

deformációsebesség valamilyen n>0

71

A legtöbb polimer ömledék esetén n<1, azaz az ömledék viszkozitása – állandó hőmérsékleten -az igénybevétel (τ, ) növekedésével csökken. Ezt a fajta viselkedést pszeudoplasztikusnak nevezik (az anyag nyírásra „vékonyodik”). Bizonyos, ritkábban előforduló esetekben (pl. erősen töltött polimer rendszerek esetén) ezzel ellentétes viselkedést tapasztalhatunk: Az igénybevétel (τ, ) növekedésével a viszkozitás is növekszik. Az ilyen, nyírásra „vastagodó” viselkedést dilatánsnak nevezik.

72

A pszeudoplasztikus anyagokra jellemző deformáció növekmények a fenti igénybevétel estén:

ahol ηII és ηIV a II. és IV. tartományban érvényes, a τ1, ill τ2 nyírófeszültségekhez tartozó látszólagos viszkozitási tényezők (lásd következő kérdés). Mivel ηII> ηIV, ezért a négyes szakaszra jellemző deformáció is nagyobb lesz.

89. Mit jelent a látszólagos viszkozitási tényező? Vezesse le a látszólagos viszkozitási tényező és a dinamikai viszkozitási tényező közötti összefüggést, hatványtörvénnyel leírható ömledékek esetére! A látszólagos viszkozitási tényező a viszkozitási görbe egy adott „a” pontjához tartozó viszkozitás.

Egy tetszőleges „a” pontra a dinamikai viszkozitási tényező:

míg a látszólagos viszkozitási tényező:

73

A kettő közötti összefüggés:

90. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Bingham-féle modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾)! A polimer ömledékek képlékeny alakításában nem elhanyagolható a Bingham féle viselkedés, mely szerint áramlás csak egy τh határfeszültség felett jön létre, afelett viszont a newtoni viselkedés a jellemző

74

Alapegyenlet:

A Bingham féle közeg deformáció növekményei a fenti igénybevétel esetén:

91. Mit jelent az, hogy egy polimer ömledék viselkedése struktúrviszkózus? (folyásgörbe, viszkozitásgörbe) Mai ismereteink szerint azt mondjuk, hogy a valós polimer ömledék struktúrviszkózusan viselkedik. Ennek az a sajátossága, hogy az ömledék az extrém kis és az extrém nagy igénybevételek tartományában (I. és III. tartomány) newtoni jelleget mutat, a kettő között, a polimerfeldolgozási technológiák jellemző tartományában (II. tartomány) pedig pszeudoplasztikusan viselkedik. Folyásgörbéje:

75

A struktúrviszkózus ömledék viszkozitásgörbéje:

92. Mi a lényege a fluktuációs háló elméletnek polimer ömledékek esetén? Az ún. fluktuációs háló elmélet szerint az amorf fázisú polimer ömledékekben nyugalmi állapotban a szekunder erők laza „halmazokat”, keresztkötéseket hoznak létre Ezek az időben fluktuáló „háló” csomópontok a kis igénybevétel (τ< τ1) tartományában még nem szakadnak fel, az ömledék newtoni jellegű. Az igénybevétel növekedésével (τ1< τ< τ2) egyre nő az ömledék nyírása, a háló tömegközéppontja elmozdul, csomópontjai fokozatosan megszűnnek (elnyíródnak), így csökken a viszkozitás („vékonyodik” az ömledék). Egy bizonyos, (τ>τ2)igénybevétel felett már minden csomópont felszakad, nem tud a viszkozitás tovább csökkenni, az ömledék ismét newtoni jellegű lesz.

93. Mit jelent az, hogy egy anyag tixotróp, illetve reopektikus? Bizonyos esetekben azt tapasztaljuk, hogy állandó nyíró igénybevétel esetén az anyag viszkozitása az idő függvényében változik, majd az igénybevétel megszünte után visszaáll az eredeti értékre. Azt a fajta viselkedést, amikor az idő függvényében csökken a viszkozitás, tixotrópiának nevezzük. Ez lehet jellemző bizonyos polimer ömledékekre, de ilyen pl. a vaj, a tejföl vagy a legtöbb festék. Amikor pl. festünk, a keverés, ill. az „ecsetelés” által létrehozott nyíró igénybevétel hatására csökken (leesik) a festék (polimer oldat) viszkozitása, a festék szétterül, elfolyik a festendő felületen. Amikor az „ecsetelést” abbahagyom, megszűnik a nyíró igénybevétel, a festék viszkozitása megnő, nem folyik le a függőleges felületről. Ez a viselkedés a többkomponensű kolloid diszperz rendszerekre jellemző, ahol a részecskék és az őket körülvevő folyékony közeg (szolvátburok) között működő adhéziós erők hatására szol-gél-szol átmenetek jönnek létre.

76

A tixotróppal ellentétes viselkedést, amikor is az idő függvényében nő a viszkozitás, reopektikusnak nevezzük. Ez nem jellemző a polimer ömledékekre.

94. Mi van nagyobb hatással a polimer ömledék viszkozitására, a nyomás, vagy az átlagos molekulatömeg? A nyomás viszkozitást növelő hatását leíró összefüggés:

ahol:ηp: a viszkozitás p nyomáson, állandó τ0 esetén η0: a nullviszkozitás állandó τ0 esetén αp: nyomási kitevő Az ömledék anyagi minőségétől függő αp értéke pl. PS esetén kb. 1/1000; LDPE esetén 1/3000…1/4000, míg HDPE esetén 1/7000…1/8000. Ez annyit jelent, hogy ha a légköri nyomást pl. 2000 bar-ra növeljük, a viszkozitás növekedése PS esetén 22 %, polietilénnél pedig csak 3…5 %. A tapasztalat azt mutatja, hogy egy adott anyag esetén annak móltömegének növekedésével csökken az ömledék folyóképessége, nő a viszkozitása. Ezt a hatást leíró összefüggés:

ahol a tömeg szerinti átlagos molekulatömeg K' : anyagi minőségtől függő állandó. Ezen összefüggés alapján, ha az adott anyag átlagos moltömege pl. a duplájára nő, akkor a többi paraméter (τ, ,T, p) állandósága esetén:

77

azaz az ömledék viszkozitása kb. a tízszeresére nő! Ez annyit is jelent, hogy amíg a moltömeg növekedésével (egyre hosszabbak a láncmolekulák) javulnak a termék bizonyos használati tulajdonságai, a feldolgozhatósága egyre nehezebb (energiaigényesebb) lesz. Ezek alapján elmondhatjuk, hogy a viszkozitás nagyobb mértékben függ a molekulatömegtől, mint a nyomástól.

95. Hasonlítsa össze az amorf és a részben kristályos polimerek viszkozitásának hőmérséklet-függését!

Az ún. lágyulási karakterisztikából az következik, hogy az amorf hőre lágyuló műanyagok széles hőmérséklettartományban lágyulnak, lassan olvadnak meg, a kristályos termoplasztoknál ez a folyamat gyors, néhány °C hőmérséklettartományban lezajlik.

96. Mutassa be és értékelje a polimer ömledékekre vonatkozó Arrheniusegyenletet! Az Arrhenius egyenlet ide vonatkozó alakja:

ahol A: anyagállandó [Pa·s] E: aktiválási energia [J/mol] R: egyetemes gázállandó (8,314 [J/mol·K] T: abszolút hőmérséklet [K]

78

Ez az egyenletet a részben kristályos polimer ömledékek esetén előnyös alkalmazni. Látható, hogy a hőmérséklet növekedésével a viszkozitás exponenciálisan csökken, ez látható az előző kérdésben található diagramban.

97. Mutassa be és értékelje a polimer ömledékekre vonatkozó WilliamsLandel-Ferry egyenletet! Az amorf anyagok viszkozitási tényezőjének hőmérsékletfüggését leíró WLF (WilliamsLandel-Ferry) egyenlet használatos alakja:

Egy izotermának a logaritmikus időtengely menti eltolása egyet jelent azzal, hogy minden abszcissza-értéket egy konstanssal osztunk. Ez a konstans az at hőmérséklet-eltolási faktor. Egy bizonyos polimerre a mechanikai viselkedéstől függetlenül ugyanazok a hőmérsékleteltolási faktorok vonatkoznak. T: hőmérséklet T0: referencia hőmérséklet η0:látszólagos viszkozitási tényező C1 és C2: a hőmérséklet-eltolási faktortól függő empirikus konstansok Ha a referencia-hőmérséklet a polimer üveges átmeneti hőmérséklete (T0=Tg), akkor a konstans értéke C1=17,44 és C2=51,6.

98. Vezesse le a Newton törvénnyel modellezhető folyadék sebességét leíró függvényt kapillárisban történő áramlás esetén! Induljunk ki a Newton-egyenletből. Az alakváltozási sebesség kifejezhető az áramlási sebesség helyszerinti deriváltjával:

ahol v(r) [m/s] az ömledék áramlási sebessége a hely függvényében, és r [m] a kapilláris sugárirányú koordinátája (0 < r < R). Az előjel negatív, mivel a nyírófeszültség ellentétes előjelű a sebességhez képest. 79

Ebből:

A nyomás változása a kapilláris hossza mentén:

A levezetés folytatásához meg kell határozni a τ feszültség eloszlását a kapilláris keresztmetszete mentén. A folyadékelem erőegyensúlyára a kapilláris r sugarának függvényében a következő összefüggés írható fel:

ahol ∆p [Pa] a nyomáskülönbség a kapilláris beömlési (Abe) és kiömlési (Aki) keresztmetszete között, l (m), a kapilláris hossza. Azaz az r sugarú henger palástján ébredő erő tart egyensúlyt az r sugarú henger alapjára ható nyomóerővel (0 ≤ r ≤ R). Feltételezzük továbbá, hogy a fenti ábrának megfelelően a nyomáscsökkenés a kapilláris hossza mentén lineáris, így τ, v és mentén nem változnak.

függvényei a kapilláris sugarának, de a kapilláris hossza

A fenti egyenlet rendezésével megkapjuk a τ feszültség keresztmetszet menti eloszlását leíró függvényt, amely az áramló anyagtól független, és csak a terheléstől, valamint a kapilláris méreteitől függ:

80

Az előző egyenletekből:

melyből integrálással:

A c integrálási állandó meghatározásához azt használjuk fel, hogy r=R helyen, tehát a falnál a sebesség nulla [v(R)=0].A nyírófeszültség és sebesség eloszlások a következő ábrán láthatók:

Ebből

Az integrálási állandót visszahelyettesítve kapjuk a végeredményt:

81

99. Vezesse le a Newton törvénnyel modellezhető folyadék térfogatáramát leíró összefüggést kapillárisban történő áramlás esetén (Hagen-Poiseuille összefüggés)! Értékelje a kapott eredményt! A kapillárisban áramló newtoni folyadék sebességfüggvényének ismeretében a térfogatáram már könnyen meghatározható:

Ebbe behelyettesítve a sebességfüggvényt:

82

Ez az ún. Hagen-Poiseuille összefüggés, amely minden reológiai mérés alapjának tekinthető, mivel a térfogatáram mérése nagyon egyszerű, és ennek ismeretében a fenti összefüggéssel az η viszkozitás kiszámítható.

Ezt a newtoni egyenletbe helyettesítve kiszámolhatjuk a fal mentén fellépő maximális nyírófeszültséget. A képletből leszűrhető, hogy már nagyon szűk keresztmetszetű csőben is viszonylag nagy térfogatáramot érhetünk el, hiszen a térfogatáram a cső belső sugarának negyedik hatványával arányos.

100. Mit mutat meg az MFI és az MVR? Hogyan lehet ezeket meghatározni? Milyen tartományban mozognak a leggyakoribb gyártástechnológiák során alkalmazott polimerek MFI értékei? Az MFI (Melt Flow Index, [g/10 perc]) szabványos folyási mutatószám az a grammokban kifejezett anyagmennyiség, amely a vizsgálati és anyagszabványban előírt hőmérséklet és nyomás mellett a szabványos mérőkészülék kifolyónyílásán 10 perc alatt kifolyik.

ahol MFI [g/10 perc]: tömegre vonatkoztatott folyási mutatószám, T [°C]: vizsgálati hőmérséklet, mnom [kg]: terhelő tömeg, s [s/10 perc]: a szabványos időnek (10 perc = 600 s) megfelelő váltószám, s = 600 s/10perc 83

t [s]: két vágás közt eltelt idő, m [g]: két vágás közt kisajtolt polimerömledék tömege. Az MFI mellett gyakran használatos a térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám, az MVR (Melt Volume Rate [cm3/10 perc]), amely esetében nem a kifolyt polimerömledék tömegét, hanem térfogatát adjuk meg. A folyási mutatószám meghatározására szolgáló készülék, a kapilláris plasztométer.

MVR [cm3/10 perc]: térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám, V [cm3]: két vágás közt kisajtolt polimerömledék térfogata, Különböző feldogozási eljárásokra jellemző MFI értékek

101. Hasonlítsa össze a Newton-típusú, a hatványtörvénnyel leírható, valamint a Bingham által alkotott modellel közelíthető folyadékok sebesség eloszlását kapillárisban történő áramlás esetén!

Newton-típusú közeg sebesség eloszlása kapillárisban 84

τ>τh tartományban az áramlás newtoni, míg az alatt (τ<τh) nincs réteges (lamináris) áramlás, az ömledék rm sugárral jellemezhető hányada vm sebességgel csúszik! Ez a mag (vagy belső dugó) erősen töltött rendszereknél akár a teljes keresztmetszet 60…80 %-a is lehet! Elmondható, hogy ez a dugószerű mozgás a polimer ömledék nagy részénél előfordul, és egyfajta rugalmas viselkedést okoz. Ez látható a fenti ábrán.

85

102. Milyen véghatások lehetnek polimerek kapillárisban történő áramlásakor, mik ezek okai, és hogyan lehet ezeket kiküszöbölni? 1. Lágytörés A polimer ömledéket nagy keresztmetszetről kis keresztmetszetre hirtelen akarjuk összenyomni (az ömledékben ébredő nyomófeszültség meghaladja az anyag nyomószilárdságát). A polimer ömledék nehezen viseli el a hirtelen és jelentős keresztmetszet csökkenést. A lágytörés után a szűk keresztmetszetből kijövő anyag spirális alakú lesz. Általában akkor jelentkezik, ha a kapilláris falánál ébredő csúsztató feszültség 0,2 -0,4 MPa

Megoldás: kapillárisba beömlést könnyítjük:

86

2. Kifolyási duzzadás:

Extrudálásnál - korlátozza a profilkialakítás szabadságát, - a kész termékek lehűtéskor, az extrudált profilokba befagyott feszültségek később, a tartós igénybevételek során helyileg eltérő relaxációs jelenségeket, méretváltozást, torzulást, feszültségi repedezést, korai tönkremenetelt okozhatnak. 87

3. Rugalmas turbulencia („cápabőr”):

103. Miért nem jellemző a polimer termékek forgácsolással történő előállítása? Milyen esetekben alkalmazzák mégis? Polimereket általában nem gyártanak forgácsolással, mivel az eljárás során az üvegesedési hőmérséklet fölé kerülünk, ebből kifolyólag nagyon nagy energia kell a forgács leválasztásához.

88

Kivételek: 

Kis darabszám (pl. prototípus gyártás)



Poliamid, mert jól forgácsolható



Utólagos méretezés



Sorja eltávolítása



Polimer szemlencsék gyártása: forgácsolás+mélyhűtés (így nem érik el az üvegesedési hőmérsékletet)

104. Miért kell adalékolni a polimereket? Soroljon fel tipikus adalékanyagokat! Az adalékanyagok alkalmazására azért van szükség, mert a polimerek önmagukban nem képesek megfelelni a velük szemben támasztott követelményeknek. Az adalékanyagok a makromolekulák meglévő előnyös tulajdonságait emelik ki, vagy annak teljesen új tulajdonságot adnak.

Típusai: 

Stabilizátorok o Polimerek élettartamát állítják be o Két típusa: termikus stabilizátor (polimerizáció során adagoljuk) és UV stabilizátorok



Csúsztatók o Megakadályozzák a „cápabőr” kialakulását



Lágyítók o Főleg PVC-nél használatos



Töltőanyagok o PVC-be Ca2CO



Égésgátlók



Anti sztatizáló szerek o Ezek segítségével nem töltődik fel az anyag



Habosító anyagok 89



Erősítőanyagok



Gázképző anyagok o Kristályos tulajdonságokat változtatja

105. Mi a polimer kompaund? A polimertechnikában az adott célra összeállított keveréket „kompaund”-nak, (compound) nevezzük. Pl. az épületgépészeti célú PVC-cső gyártásához minden szükséges adalékot tartalmazó keverék ilyen kompaund.

106. Mi a diszperzív és mi a disztributív keverés? Diszperzív keverés: Kohezív, összetartó komponensek méretcsökkentésével összekapcsolt intenzív keverés. Például összetapadt festékpor bekeverése polimer (pl. PVC) porba (a festékszemek aprításával összekötve)

Disztributív keverés: A komponensek méretcsökkentésével nem járó eloszlató, extenzív keverés.

90

107. Mi a lényege a statikus keverésnek? A statikus keverő lényege, hogy nincs benne mozgó alkatrész, folyadék mozog benne. Ilyen statikus keveréssel készül például a két komponensű ragasztó (epoxi ragasztó).

A fenti ábrán egy statikus keverő látható. A benne levő részek nem forognak, nem mozognak, csak a folyadék áramlik a csőben.

108. Soroljon fel száraz polimer keverő típusokat! Száraz keverés azt jelenti, hogy az anyag szilárd halmazállapotban marad a keverés során. Típusai: 

Eltolás elvű keverők



Szabadesés elvű buktatott hordó



Repítés elvű keverők



Vándorcsigával ellátott kúpos siló

109. Mutassa be a hengerszék működését! Mik a hengerszék alkalmazásának előnyei, illetve hátrányai?

91

1-Hengerpalást 2-Kéregöntvény 3-Hűtővíz furatai 4-Forgó szakáll 5-Keverékpalást Lényegében két vízszintes tengelyű összeforgó hengerből áll. A hengerek hossza és átmérője azonos, de a forgási sebességük (ω) különböző. Általában az első henger a lassabb (amely a hengerszékes dolgozóhoz közelebb van). Az egyes keverékkomponensek elkeveredését a hengerrésben fellépő nyírófeszültség és összenyomás szolgálja. A keverő hengerszéken először puhítják (a deformációból származó melegítéssel, közben állandó „kevergetéssel”) képlékennyé teszik a polimert, majd a keverési előírás szerint beadagolják a keverék többi alkotórészét. A polimert ráteszik a hengerekre. Mivel a hengerek összeforognak, ezért a polimer a hengerek közti rés felé halad, és átpréselődik a résen. Ami alul kijön a hengerrésből, az nagyjából lemez alakú (nagyjából téglalap keresztmetszetű). A gépkezelő ezt felteszi az egyik hengerre (ez a munkahenger), és így bezárul a kör: a munkahengeren folyamatos palást képződik a keverékből, a hengerrés fölött pedig a polimer többi része igyekszik keresztül a hengerrésen. A képlékeny polimerbe belekevert többi keverékkomponens „darabkái” a hengerrésben fellépő erős nyírásnak köszönhetően egyre apróbb darabokra esnek szét, de a hengerszék többi részén nincs számottevő nyírás (kisebb, szabályozatlan nyírás van a hengerrés fölötti keverékgombócban, a forgó szakállban). Ezért a keverés minőségét gyakorlatilag az garantálja, ha az egész keverékcsomag (az egyszerre megkevert keverékadag) átmegy a hengerrésen annyiszor (átvágják a csomagot annyiszor), ahányszor elő van írva. A hengerszékes késsel (esetleg egy kezében tartott késsel és egy tengelyre felszerelt késsel vagy késpárral) levágja a keverékpalástot a hengerpalástról: a képlékeny és hajlékony keveréklemezt leengedi a hengerek alatti tálcába. A csomagnak csak 5-10%-át hagyja a hengeren, és visszaengedi a keveréklemezt a munkahengerre; így a csomag más és más részei kerülhetnek egymás mellé és keveredhetnek össze. Előnyei:

92



Könnyen tisztítható



Bármilyen polimert beadagolhatunk, nagy viszkozitásúakat (a kicsi lecsorog)

Hátrányai: 

Szakaszos jellegű



Nyitott rendszer, ebből következően veszélyes



Nehezen automatizálható

110. Mutassa be a Banbury-típusú keverőt! Mik az alkalmazásának előnyei és hátrányai?

Az ún. Banbury típusú belső keverő alapvető keverő gépeleme ugyancsak egymással szembeforgó, fűthető-hűthető, „bütykösre” módosított formájú hengerpár, amely fűthetőhűthető, fekvő 8-as keresztmetszetű házban forog. A lassú fordulatú (pl. 1 ford./sec) keverés tulajdonképpen gyúrás, dagasztás, – hasonlóan a kenyértészta homogenizálásához Előnyei: 

Kisebb viszkozitású polimerek feldolgozásához is jó



Nyomást is ki tudunk fejteni a polimerre

Hátrányai: 

Szakaszos művelet



Nagyon energiaigényes

93

111. Mi az extrúzió, és mi a célja? Az extrúzió a polimerfeldolgozás egyik leghatékonyabb, legjelentősebb technológiája, amelynek során a (tipikusan hőre lágyuló) polimert az extruder 

képlékeny állapotba hozza, majd a viszkózus ömledéket



homogenizálja, s ha kell, gáztalanítja, ezután



nyomás alá helyezi (komprimálja),



adott, változatlan keresztmetszetű, nyitott szerszámon keresztülsajtolja, a továbbiakban a követő berendezésekkel



méretállandóságot biztosítva lehűti, s így



állandó keresztmetszetű polimer terméket gyárt tetszőleges hosszúságban, folytonos üzemben.

A cél olyan termék gyártása, amely 3 dimenziós kiterjedése az egyik dimenzióban végtelen, ilyen lehet pl. cső, síklap, profilos hasáb, fólia, stb

112. Vázoljon fel egy polimer extrudert, mutassa be felépítését, részeit azok funkcióit! Rajzolja fel az extruder nyomásdiagramját!

94

A villanymotor mozgatja a hajtóművet, amelynek feladata lesz az extrúdercsiga forgatása. A csiga feladata a polimer granulátum és adalékanyagok megömlesztése, szállítása (behúzás, komprimálás, homogenizálás, kitolás), az extrúder hengerben, amelyeket az adagológaratból adagolunk a hengerbe a csigához. Annak érdekében, hogy homogén ömledéket kapjunk, a henger falát fűteni kell. A fűtéssel párhuzamosan hűtésről is gondoskodni kell a kis hőingadozás (feldolgozáshoz optimális hőmérséklet) biztosításához. Nyomásdiagram:

113. Milyen szakaszai vannak az extrudercsigának? Mik ezek fő feladatai?

A behúzó szakasz feladata a szilárd anyag szállítása a kompressziós szakasz felé. Egycsigás extruderek esetén ennek alapvető feltétele, hogy a csiga és polimer között kisebb legyen a súrlódás, mint a henger és a polimer között. A nagyobb homogenitás biztosítása érdekében kifejlesztett ún. kétcsigás extruderek esetén – amennyiben a csigák menetszárnyai egymás menetárkába nyúlnak (egymásba hatolóak), forgásirányuk menetenként ellentétes (szemben forgó) – zárt térfogatban továbbítják az anyagot, azaz kényszerszállítást végeznek. Amennyiben a csigák forgásiránya azonos (együtt forgó), nem alakul ki menetenként zárt térfogat, ám a szállítóteljesítmény így is megfelelő. 95

A kompressziós szakasz kettős funkcióval bír. Az egyik az anyagnak a megömlesztése, a másik a megfelelő nyomás biztosítása az anyag extruderszerszámon történő átsajtolásához. A megömlés folyamata a melegebb hengerfallal érintkező anyagrészecskékkel kezdődik, majd a nyomás és a csigaforgás következtében a csiga menetárkában cirkulációs áramlás jön létre, amely gyorsítja a polimer megömlesztését. A kompressziós zóna másik feladatát, a nyomás növelését alapvetően kétféle módon érik el. Az egyik eset, amikor a csiga magját növelik (magprogresszív), a másik eset, amikor a menetemelkedést csökkentik (szögdegresszív). Egy harmadik, ám nem elterjedt megoldás, amikor a menetszárny szélességét növelik meg. Az így létrehozott nyomás nemcsak az anyag szerszámon történő átsajtoláshoz szükséges, de legtöbb esetben ez biztosítja az anyagrészecskék között lévő levegő eltávolítását is. Amennyiben a feldolgozástechnológia szempontjából ez nem elég, akkor külön erre a célra kifejlesztett, úgynevezett gáztalanító extruder alkalmazása javasolt. A harmadik szakasz az ún. homogenizáló, vagy kitoló szakasz. Homogenizálásra nemcsak akkor van szükség, ha valamilyen adalékanyagot, vagy erősítő anyagot keverünk el a polimer anyagban, hanem akkor is, ha „tiszta” polimert extrudálunk. Ennek az oka, hogy a megömlesztés után a hőmérséklet az anyag hengerrel érintkező felületének (ahol a hőátadás történik) közelében nagyobb, attól távolabb kisebb. Ha ezt a problémát nem küszöböljük ki, az a termék minőségét ronthatja. Ilyen keverőelemek nemcsak a csiga végén, hanem más szakaszán is előfordulhatnak

114. Mennyi egy tipikus extrudercsiga L/D aránya? Mi ennek az oka? A csiga méretét a hossz/átmérő, azaz L/D arányban 20 körüli értéknél találták optimálisnak. Ennek oka, hogy hőre lágyuló anyagok esetén kell egy bizonyos tartózkodási idő, hogy a polimer teljes mértékben ömledék állapotba kerüljön, és úgy ítélték meg, hogy a csiga hossza húszszorosa kell, hogy legyen az átmérőnek.

115. Mi a fő különbség egy amorf és egy részben kristályos anyaghoz tartozó extrudercsiga között? Amint tudjuk, az amorf hőre lágyuló polimer széles hőmérséklet-tartományban lágyul és olvad meg, míg a kristályos hőre lágyulóknál ez a hőmérséklettartomány szűkebb,. Ennélfogva az amorf hőre lágyuló polimert extrudáló csiga hosszabb kompressziós zónát tartalmaz, mint a kristályos hőre lágyuló polimerhez használt csigáé.

96

116. Mi a feladata a szűrőszövetnek és a törőtárcsának?

A törőlemez is és a drótszövetből készült szűrő is ömledékszűrést is biztosít, és még egy utolsó homogenizálást is végez azzal, hogy az ömledék-áramlást „megtöri”, megosztja, emellett növeli a nyomást.

117. Milyen módszerekkel lehet fokozni a nyomást az extruderben? Mihez szükséges ez a nyomás? A nyomás növelését alapvetően kétféle módon érik el. Az egyik eset, amikor a csiga magját növelik (magprogresszív), a másik eset, amikor a menetemelkedést csökkentik (szögdegresszív). Egy harmadik, ám nem elterjedt megoldás, amikor a menetszárny szélességét növelik meg. Az így létrehozott nyomás nemcsak az anyag szerszámon történő átsajtoláshoz szükséges, de legtöbb esetben ez biztosítja az anyagrészecskék között lévő levegő eltávolítását is. Emellett lehet még az előbb említett törőtárcsával és szűrővel. A nyomásviszonyok különleges szabályozására van szükség az ún. „kigázosító” extruderben. Gyakran előfordul, hogy polimerömledékből az extruzió végső szakasza előtt gázokat kell eltávolítanunk. Ezek lehetnek 

nedvességnyomok,



beoldott, a granulátum által magával vitt (okkludált) gázok



monomermaradékok. 97

118. Mutassa be az extruder termikus viszonyait! Ezek alapján mutassa be az extruder munkadiagramját! Amint azt a korábbiakban már említettük, az extruder hengerét több zónában szabályozottan temperálják, többnyire fűtik. A fűtés villamos ellenállásfűtés, 5 vagy több zónában. A hűtés rendszerint levegő ráfúvással történik. A folyamatszabályozást a gyakorlatban a henger falába szerelt hőmérők irányítják, tehát nem az ömledék, hanem a hengerfal adott pontjának hőmérsékletét szabályozzák. Kísérletek során viszont azt tapasztalták, hogy az extrudert elhagyó ömledék hőmérséklete – néha jelentősen – magasabb, mint az utolsó zóna hőmérséklete. A jelenség megértéséhez nézzük, hogy egy adott anyag megolvasztásához szükséges ΔT hőmérsékletnövekedés milyen hőáramok eredményeként valósul meg. A hőáram (teljesítmény) :

Tudjuk, hogy a tömegáram a csiga n fordulatszámával arányos, így stacioner üzemmódra azt kapjuk, hogy:

A fenti összefüggés annyit jelent, hogy a csiga n fordulatszámának növekedésével – a frikciós (súrlódásos) hő elhanyagolása esetén– a ΔT hőmérséklet hiperbolikusan csökken. Ez az eredmény logikusan is belátható, hisz az adott hőenergiát egyre többanyag veszi fel („viszi el”), ezáltal kevésbé melegszik fel.

98

kifejezést kapjuk. A súrlódás nélküli stacioner állapotra kapott összefüggés analógiája alapján, miszerint a ΔT hőmérsékletnövekedés a teljesítmény és a fordulatszám hányadosával arányos:

Ez annyit jelent, hogy a belső súrlódásból származó hőmérsékletnövekedés egyenesen arányos az ömledék η viszkozitásával és a csiga n fordulatszámával. Ha a két végeredményt egy koordináta-rendszerben ábrázoljuk, a következő ábrát kapjuk (ez a munkadiagram):

99

A külső fűtés és a belső súrlódás együttes figyelembevételével kapott eredő görbe azt jelenti, hogy egy adott anyagra előírt ΔTömledék hőmérsékletet állandó fűtési teljesítmény esetén két fordulatszámon lehet elérni. Egy alacsonyabb, n1 fordulatszámon (vkerületi ~ 0,5 m/s), ahol a külső fűtés dominál, ill. egy magasabb n2 fordulatszámon (vk ~ 1–7 m/s), ahol viszont a frikciós hő a jelentősebb. Az alacsonyabb fordulatszámon, intenzív külső fűtéssel üzemelő extrudereket politróp, a magas fordulatszámon, külső fűtést szinte csak az indításkor igénylőket pedig adiabatikus extrudereknek nevezik. A gyakorlatban a politróp üzemmód az elterjedtebb. Ennek egyrészt az az oka, hogy a hőmérsékletszabályozás a külső elektromos fűtéssel sokkal egyszerűbb.

119. Mutassa be az ömledékáramlását a homogenizáló zónában! Milyen komponensekből áll? Hogyan alakul az egyes komponensek sebességeloszlása? Miért jön létre keveredés?

100

A fenti ábra az extrudercsiga főbb méreteit tartalmazza. Az extruder szállító-teljesítménye a térfogatárammal kifejezve a következő:

Ahol Ve. az összes (eredő) térfogatáram (m3/s), Vs a sodróáram, amely a szállítást végzi, és a csigaforgásból adódik, Vt a torlóáram, amely a sodróárammal ellentétes irányú és a fojtásból ered, ami a szerszámon való átsajtolásból következik. Vr a résáram, ami az illesztési hézagból ered, és csökkenti a szállítóteljesítményt. Az extrudercsiga és a henger közötti rés, a „játék” eléggé csekély: tipikusan 0,002 D és 0,005 D közötti, amelyet a viszkózus polimer ömledék tömít, illetve ken a forgás közben. Ezért első közelítésben a résáramot el is hanyagolhatjuk. A másik két összetevőt a legegyszerűbb egyirányú áramláson keresztül elemezzük izotermikus körülményeket és newtoni közeget feltételezve. A sodró áramlás modellje a következő: az áramlás két síklemez (a csigamag, illetve a henger belső felülete) között jön létre annak hatására, hogy az egyik lemez (a csigamag) v0 (kerületi) sebességgel mozog. Ellenállás, illetve nyomáskülönbség nincs az áramlás irányában (nyitott csatorna). Ezt szemlélteti a következő ábra:

A sodróáramlás tehát a csigamag és a hengerfal között jön létre úgy, hogy a csigamag v0 kerületi sebességgel forog.

101

Mivel v0 arányos a csiga n fordulatszámával, ezért

Tehát

a

sodróáramlás elsősorban a csigacsatorna méretétől és az extruder fordulatszámától függ, azaz nagyobb csatornaméretnél és nagyobb fordulatszámnál nő a kihozatal. A torlóáramlás elsősorban az extruderen lévő fojtásból ered, amit a szerszám, valamint a többi az áramlás útjában lévő alkatrész okoz. Mivel a sodróárammal ellentétes irányú, így létrejön a keveredés. A sebességeloszlást mutatja a következő ábra:

Számítását az ömledékek résben való áramlására jellemző Hagen-Poiseuille összefüggésből tudjuk származtatni:

ahol a b és h ismert, η anyagjellemző, l a vizsgált szakasz hossza és ∆p a nyomásesés. A résáramlást általában el szoktuk hanyagolni és nem kopott csigánál a polimer film jó tömítése miatt valóságban is elhanyagolható. Kopás esetén azonban a rés δ méretének harmadik hatványával kezd el növekedni. 102

Az eredő sebességeloszlás a két komponens összege lesz

A két sebesség viszonyára a csiga ún. zártsági foka (a) a jellemző, ami a torló és a sodró áramlások hányadosa. Az ömledékáramlás nagymértékben függ az alapanyag viszkozitásától.

120. Mi az extruder zártsági foka? A torló és a sodró áramlások hányadosa:

121. Mik az extrúziós szerszámok közös vonásai? Az extruder végére illesztett szerszámok közös vonása, hogy az anyagáramot a következő szakaszokon átvezetik: 

átmeneti szakasz



alakadó szakasz



simító („vasaló”) szakasz

Az átmeneti szakasz a kör-keresztmetszetű viszkózus anyagáram átvezetését biztosítja. Az alakadó szakasz már a kívánt adott keresztmetszet képét alakítja ki. Ezt a keresztmetszetet a következő szakaszban valamelyest még szűkíteni érdemes: a profilt ebben a szakaszban stabilizálják: a helyi nyomás enyhe növelésével még „kivasalják”. 103

A szerszámból kilépő polimer anyagáram még nem teljesen szilárd. A végső megszilárdulás az extrudert követő kalibráló egységben következik be, amelyben a kívánt méretpontosságot biztosítjuk.

122. Mutassa be a lemezgyártás extruderszerszámát! Mik a fő részei? Mik ezek funkciói? Lemeznek a műanyagiparban a 0,5 mm-nél (sőt: a leggyakrabban 1 mm-nél) vastagabb síklapot nevezik. A vékonyabb termék, a néhány tized mm vastag, vagy annál is vékonyabb fólia ugyanis alkalmazástechnikájában eléggé elkülönül, és jellemzően azokat fóliafúvással állítják elő. A síkfólia/lemez elsősorban rövidtávú célra (csomagolástechnika, agro-fólia stb.) használatos, tekercsben forgalmazott termék. Tipikus gyártószerszám, az úgynevezett szélesrésű szerszám a következő ábrán látható:

Az alapvető feladatot az jelenti, hogy egy kör-keresztmetszetű anyagáramot kell egyenletesen, síkban szétterítenünk, akár 2000 mm-nél is szélesebb 15 mm-nél is vastagabb lemezzé. Az ömledék először egy „vállfa” alakú elosztócsatornába jut, majd az egyenletes anyagáram megvalósításában kulcsszerepet játszó torlóléc útjába kerül, amely az anyag egyenletes elosztásán túl, megtörve az anyagáramot, homogenizálást is végez. A szétterített anyagáram leginkább egy delfin vagy egy cápa farkához hasonlít (következő ábra) Az anyagáram egy állítható ajakon keresztül hagyja el a szerszámot, amely még egyenletesebbé teszi a termék vastagságát.

104

Az ilyen módon előállított lemezt egy hengersoron vezetik keresztül, amely a végső lemezvastagság, a felületi érdesség beállítást, valamint az anyag hűtését végzi.

123. Mutassa be a csőgyártás extruderszerszámát! Mik a fő részei? Mik ezek funkciói? A szintetikus polimerek építőipari, épületgépészeti alkalmazásai között a legfontosabb a műanyag-csőgyártás. A csőszerszám egy példája látható a következő ábrán (lenti ábra). Az ömledékáram egy körszimmetrikus magot (torpedó) kerül meg, majd a végső méretre szűkítve hagyja el a szerszámot.

105

124. Mutassa be az extrúziós fúvás technológiáját! Ismertesse a technológia előnyeit! Mi a vágóél és mik a feladatai? Hol és miért alakulhatnak ki elvékonyodások a terméken, hogyan lehet ezt kiküszöbölni? Az extrúziós fúvásnál extrúzióval csövet készítenek a polimerből. A még meleg, nagyrugalmas állapotban levő csövet (előgyártmány) két félből álló szerszámban, sűrített levegővel (ritkábban, degradációra érzékenyebb polimerek esetén nitrogén gázzal) a szerszám falához préselik, ahol a műanyag felveszi a szerszám alakját. A leggyakrabban készített palackoknál a (többnyire csavaros) nyak kiképzése az ún. tüske segítségével történik. Extrúziós fúvással tipikusan 250 ml és 5000 l közötti üreges testeket lehet előállítani. A folyamatosan dolgozó extruderrel működő technológiákat előszeretettel használják a termikus degradációra érzékeny anyagok, mint a PVC, feldolgozására. Az extrúziós fúvással előállított termékeknél kevesebb kötöttség van, mint a fröccsfúvással előállítottaknál, így pl. itt könnyen kialakítható a palackon üreges fogantyú. Szintén viszonylag szabad keze van a tervezőnek erősen nyújtott, vagy lapos alakok kialakításában. Az extrúziós fúvás szerszámait gyakran készítik alumíniumból, így a szerszám költsége kb. egyharmada a fröccsszerszáménak. Az előgyártmány tömegét, illetve vastagság¬eloszlását viszonylag könnyen lehet változtatni, ezért az extrúziós fúvást gyakran alkalmazzák prototípus kifejlesztésére. A következő ábrán látható az extrúziós fúvás vázlata. Mivel az extrudált cső nincs megtámasztva, a polimer kiválasztásánál a legfontosabb szempont az ömledékszilárdság. A csőnek nem szabad elszakadni saját súlya alatt, ugyanakkor kellően rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy a szerszám alakját felvegye.

106

A legtöbb extrúziós fúvással előállított terméknél célszerű lekerekített formákat, kúpos felületeket kiképezni. A nagyobb lapos felületeket, éles sarkokat kerülni kell. Az ilyen sarkok elvékonyodnak, a lapos felületek pedig általában deformálódnak, eltorzulnak. Hasonló módon a kiemelkedő vonalak sugara is legalább 1,5 mm legyen, különben az előgyártmány nem tudja kitölteni az alakot, és a bezárt levegő beégést okozhat. Az extrúziós fúvásnál a 4:1 felfúvási arányt lehet maximumnak tekinteni. Ezt az arányt az egyes részeknél sem szabad túllépni. Az olyan fogantyú-kialakítások például, amelyek mélyebbek, mint amilyen szélesek a szerszám osztósíkja mentén, gyakran elvékonyodnak és gyengék lesznek. Merevítő bordák kialakításával gyakran ellentétes hatást érünk el. Ezek megnövelik a lefedendő területet, így szintén a falvastagság csökkenését, és ezzel a merevség csökkenését idézik elő. (Csőharang vagy harmonika-hatás.) A vágóél a tüskével ellentétes oldalon található, amely hegeszt, és levágja a felesleget, lezárja a polimert.

125. Mi a koextrúzió lényege? A koextruzió során több extruder anyagáramát egyesítjük egyetlen szerszámban. Így készíthetünk többrétegű csövet, lemezt, síkfóliát, sőt akár tömítőprofilokat is magukban foglaló, sok üreges ablakprofilt, szegélylécet, autóipari alkatrészeket és sok más terméket. Célja, az egyes polimerek előnyös tulajdonságainak érvényesítése. pl: PE (átengedi a szerves gázokat), PCV (nem engedi át őket, de sok a lágyító) kettőt lehet egyesíteni.

126. Mutassa be (vázlat segítségével) a fóliafúvás extruderszerszámát! Mutasson példát koextrúziós fóliafúvásra. A csomagolástechnika leheletvékony tasakjaitól a mezőgazdasági hajtatóházak 0,2 mm vastag és akár 16 m szélességű agrofóliájáig a vékony PE filmek nagy része tömlő extrúzió technikájával készül. A tömlőfúvás (fóliafúvással) technológiájának elve jól hasznosítja a polimerek viszkoelasztikus állapotban megfigyelhető jelentős nyújthatóságát és az ezzel együtt megjelenő szilárdságnövekedést. A tömlőfúvás technológiáját kifejezetten az LDPE típusokra optimálták, de hasonló módszerrel fel lehet dolgozni HDPE-t, LLDPE-t. Az extrúzió során az anyagáramot egy un. pinolén típusú szerszámra vezetik rá, ahol ezt 90°-ban elforgatják és cső alakú előgyártmányt állítanak elő, majd belső túlnyomás alkalmazásával ballont képeznek és az így gyártott polimer ballont hajtogatják, tekercselik

107

Így készíthetünk többrétegű csövet, lemezt, síkfóliát, sőt akár tömítőprofilokat is magukban foglaló, sok üreges ablakprofilt, szegélylécet, autóipari alkatrészeket és sok más terméket.

127. Hogyan lehet koextrudált lemezt előállítani (vázlat)? 3 rétegű síklap előállítása:

128. Ismertesse (vázlat segítségével) a kábelbevonatolás technológiáját! Villamosvezeték szigetelőanyaggal való borítása volt az extruzió egyik legkorábbi technikája, a gumiipar kezdetén, már a 19. század közepén. A villamos-szigetelőkábelek, zsinórok gyártására az 1930-as évek óta lPVC-t, 1950 óta pedig igen sok LDPE-t is használunk. Az extruderszerszám szempontjából itt a fő feladat: körgyűrű keresztmetszetű bevonat kialakítása adott mag körül de úgy, hogy a kiindulási, osztatlan polimer-anyagáram fő iránya 108

és a késztermék fő iránya nem azonos, hanem jelentős szöget – rendszerint 90 °-ot – zár be.

Az ilyen u.n. pinolén-szerszámmag alapelve az, hogy az oldalirányból érkező anyagáramot úgy teríti rá a keresztirányú hengerpalástra, hogy abban csak egyetlen vonal mentén legyen anyagáram–összecsapás. Az ideális esetben a kilépő, köpeny-bevonat sebessége a körgyűrű minden pontján azonos. A feladat ennyiben a szélesrésű szerszám vállfa terítési elvéhez hasonlít, és a pinolén-fej elosztó csatornája kissé olyan, mintha a „vállfát” hengerpalástra borították volna. Érdemes megjegyeznünk, hogy az extrudálás sebessége igen nagy: híradástechnikai (pl. telefon) kábelek gyártásánál nem kizárt az 1000 m/perc-et is meghaladó – gyorsvonat! – sebesség.

129. Ismertesse a fröccsöntés technológiájának alapelvét! Melyek a fröccsöntő gép fő részei? Ismertesse a plasztikáló- és fröccsegység fő funkcióit, feladatait! fröccsöntés a polimer késztermékek előállítására alkalmas módszerek közül a legsokoldalúbb és a legdinamikusabban fejlődő szakaszos (ciklikus) eljárás. Alapelve, hogy az olvadáspontja fölé melegített, viszkózusan folyós ömledékállapotba hozott hőre lágyuló (termoplasztikus) polimer alapanyagot nagy sebességgel és nyomással, szűk beömlőnyíláson át a temperált (hűtött), zárt alakadó szerszámba juttatjuk. Ebben a zárt szerszámban a nyomás alatt kihűlő polimer ömledékből alakul ki a tetszőlegesen bonyolult, 3D-s, nagy méretpontosságú alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentesen. A technológia sajátossága, hogy az alkalmazott szerszámmal csak egyféle termék állítható elő, tehát ezek a szerszámok – ellentétben a fémmegmunkáló szerszámok egy részével – nem univerzálisak. A fröccsöntés szerszámai ugyan nem olcsóak (leginkább a fémmegmunkálás költségei miatt), de mivel egy szerszámmal akár több millió darab termék is készíthető, valamint a termékek gyártásához szükséges ciklusidő rövid, így összességében egy-egy termék előállítási költsége kicsi és a sorozatgyártás pedig gazdaságos. 109

A fröccsöntő gép fő részei:



Gépállvány és hidraulikus rendszer



Szerszámzáró egység



Plasztifikáló- és fröccsegység



Vezérlőegység



Szerszám

A plasztifikáló- és fröccsegység a fröccsöntőgép legfontosabb egysége, feladata az alapanyag tökéletes megömlesztése és a szerszámüregbe juttatása. Feladatai:     

az alapanyag megömlesztése, az ömledék szállítása, homogenizálása, az ömledék tárolása, az ömledék befröccsöntése a szerszámba, a szükséges utónyomás biztosítása.

A ciklus kezdetén először a szerszám, majd a fröccsegység zárása történik meg. Ezt követően a megelőző ciklusban plasztifikált anyagot a csiga, mint egy előremozgó dugattyú nagy nyomással bejuttatja a szerszámüregbe (befröccsöntés), valamint a bejuttatott anyagot nyomás alatt tartja (utónyomás). Az anyag a szerszámüregben a hűtés hatására elkezd megdermedni, miközben a fröccsegység – ezzel párhuzamosan – a következő ciklus számára előállítja az ömledéket. A fröccshengerben a forgó csiga szállítja előre az anyagot, amely a külső fűtés és a súrlódási hő hatására megolvad (plasztifikálás). Eközben a csiga elé szállított anyag nyomása a csigát hátratolja. Elegendő mennyiségű anyag megömlesztése után a csigaforgás megáll, majd a fröccsegység eltávolodik a szerszámtól, hogy megszűnjön a hőátadás a fűtött csigacsúcs és a hűtött (temperált) szerszám között. Miután a darab megdermedt, a szerszám kinyílik, és a késztermék eltávolítható (kidobás). A fröccsöntés folyamata ezután elölről kezdődik. A plasztifikálási folyamat célja, hogy a szükséges adalékokkal (színezék, égésgátló, antisztatizáló, stb.) együtt betáplált granulátum formájú, szilárd polimer mind anyagában, mind pedig hőmérsékletében megfelelően homogenizált ömledék állapotba kerüljön. A plasztifikálási folyamat a következő: Az adagoló tölcsérből a szilárd alapanyag a gravitáció hatására a csiga behúzó zónájába kerül. Az anyagot a csigacsúcs és a fúvóka irányába a csiga forgómozgása által szállítja, miközben az anyag a szabályozhatóan fűtött hengerfallal való érintkezés és a súrlódás hatására folyamatosan melegszik, végül megolvad. Az ömledék homogenitása (anyagban és hőmérsékletben) a palástfűtéstől, valamint a csiga geometriájától és fordulatszámától függ. 110

130. Írja fel és értékelje a Spencer-Gilmore egyenletet!

ahol: 

p: a hidrosztatikus nyomás



v: a fajtérfogat



R: az egyetemes gázállandó



T: az abszolút hőmérséklet



M: a polimerlánc monomer-egységének móltömege



a: „kohéziós nyomás”, az anyagra jellemző nyomáskorrekciós állandó



b: a makromolekula saját térfogatát figyelembe vevő korrekciós állandó.

A polimerömledék állapothatározóit a termodinamikából ismert gáztörvényhez hasonló egyenletbe foglalhatjuk. Ha a lehűlő polimer ömledék magasabb fokú rendezett állapotban: kristályrácsban szilárdul meg, az zártabb, nagyobb sűrűségű szilárd anyagot eredményez. Azt is megfigyelhetjük, hogy a Tm megömlési hőmérséklettartomány is eltolódik a nyomás hatására, a magasabb hőmérsékletek felé.

131. Ábrázolja az amorf termoplasztikus polimerek fröccsöntésének folyamatát hőmérséklet-fajtérfogat diagramban! Magyarázza a diagram jellegzetes pontjait, illetve az azok között végbemenő folyamatokat!

111

1-2. A polimer ömledék megtölti a szerszámüreget (befröccsöntés), 2–3. Átkapcsolás utónyomásra, 3–4. Utónyomás, ami egészen a lepecsételődésig tart (4-es pont), 4–5. Az ömledék – közel állandó fajtérfogaton – hűlni kezd, miközben a nyomás csökken. 5-6. Izobár hűlés, 6. Kidobás, 6-7. A termék a szabadban tovább hűl és zsugorodik.

132. Ismertesse a fröccsöntő szerszámok általános felépítését és működését egy kétfészkes szerszám példáján! Megjegyzés: ez nem biztos, hogy elég

A fröccsöntés legfontosabb gépszerkezeti eleme maga az alakadó szerszám. A fröccsöntőszerszám képezi ki, fogja körül azt a zárt üreget, amelybe a forró polimer ömledéket fröccsöntjük nagy sebességgel, nagy nyomással. A fröccsöntőszerszám tehát nagyszilárdságú acélból készült, sokféle mozgó elemet is tartalmazó, nyitható és igen pontos illesztéssel zárható üreges berendezés. Egy-egy fröccsgépen szerszámcserével igen sokféle polimer alkatrészt gyárthatunk, egy fröccsöntő géphez tehát több szerszám tartozhat. 112

133. Mutassa be a fröccsfúvás technológiáját! Mik az előnyei, és hátrányai? Miért lesznek ezzel a technológiával előállított termékek nyomástartóak? Fröccsfúvásnál a polimerömledéket egy előgyártmány szerszámban elhelyezett fém betétre (tüske) fröccsöntik. A még meleg előgyártmányt ezután a tüskével együtt áthelyezik a készterméknek megfelelő alakú szerszámba, és a betéten keresztül felfújják, Van arra is eljárás, hogy a teljesen lehűlt előformát (tüske nélkül) egy másik gépen újramelegítve fújják fel.

A technológia előnye, hogy betét segítségével a fröccsfúvásnál a kisebb ömledékszilárdságú polimerek is alkalmazhatók, mint például általános célú PS vagy PET, amelyeket extrúziós fúvással nem lehetne feldolgozni. A technológiának vannak hátrányai is, például fröccsfúvással csak tömör fogantyúval ellátott palackot lehet készíteni, míg az extrúziós fúvással üreges fogantyú is készíthető. A fröccsfúváshoz használt szerszámok ára kb. háromszorosa az extrúziós fúvásnál használtakénak, mert ott alumíniumból készíthetők a szerszámok. Nagy térfogatú és nagy tömegű termékek előállítására is az extrúziós fúvás alkalmasabb, fröccsfúvással leggyakrabban 500 ml-nél kisebb űrtartalmú palackokat állítanak elő. Nagy sorozatú, kis térfogatú termékeknél a fröccsfúvás a leggazdaságosabb technológia. A fröccsfúvási technológiánál sokkal kevesebb sorja keletkezik, mint az extrúziós fúvásnál. A palackok nyak-kialakítása is precízebben oldható meg, mint az 113

extrúziós fúvásnál. A pontosan fröccsöntött előgyártmány miatt a késztermék térfogata is pontosabban tartható, ennélfogva lesznek az elkészített palackok nyomástartók.

134. Mutassa be a többfészkes fröccsöntőszerszámok lehetséges típusait! Melyek ezek előnyei és hátrányai? Megjegyzés: sajnos erre a kérdésre nem találtam teljes értékű választ! A fröccsöntés termelékenysége nagymértékben a szerszámkonstrukciótól függ. A termelékenységi mutató növelhető és a visszaforgatás (recycling) hányada is javítható, ha a munkadarabhoz vezető elosztócsatornában nem marad szilárd polimeranyag, a késztermékről eltávolítandó csatornamaradék (Anguss). A korszerű (több munkahelyes, „többfészkes”) szerszámszerkesztésben ezt úgy oldják meg, hogy a szerszámnak azt a lapját amely az elosztócsatornát foglalja magában – fűtik, hogy a polimeranyag ne dermedjen be, ezek az ún. fűtött csatornás vagy forrócsatornás szerszámok.

135. Mutassa be a kalanderezés technológiáját! alanderezés alatt azt a polimerfeldolgozási műveletet értjük, amelynek során a hőre lágyuló polimerből két vagy több forgó henger között fóliát vagy lemezt állítunk elő, illetve valamilyen (többnyire textil) hordozóra polimer bevonatot készítünk. Kalanderezésre – amely a fémfeldolgozási technológiák közül a lemezhengerlésre hasonlít, –leginkább az amorf hőre lágyuló polimerek alkalmasak, amelyeknek széles olvadási hőmérséklettartománya van, és így viszonylag széles hőmérséklethatárok között vannak szívós-képlékeny állapotban. A kalanderezéssel folyamatos üzemben vékony filmeket, fóliákat állítanak elő. A gyártható fóliaszélesség többnyire 2 és 4 m között változik, a gyártási sebesség elérheti a 100 m/percet is. Kalanderezéssel elsősorban hőérzékeny polimer anyagokat, például kemény és lágy PVC-t, PVC kopolimereket, ütésálló polisztirolt, ABS-t, és cellulóz-észtereket dolgoznak fel. A kalanderezés ugyanis alacsonyabb hőterhelést jelent az alapanyag számára, mint a hasonló lemeztermékek alternatív gyártástechnológiája, az extrúzió. Elvileg valamennyi hőre lágyuló polimer alkalmas kalanderezésre, különösen az amorf típusok (PVC, PS, ABS). A részlegesen kristályos poliolefinekből (pl. PE) sokáig nem tudtak kalanderen fóliát gyártani. Ma már megfelelő adalékkal ez is lehetséges, de az extrúziós technika gazdaságosabb. A kalanderezéssel előállított fóliák, filmek vastagsága általában 30 és 800 μm között van. Speciális kalanderekkel ennél vastagabb lemezeket is előállítanak, pl. a különböző PVCpadló féleségeket, hang-és hőszigetelő műanyag tapétákat.

114

A modern kalanderek legalább 3, de esetenként 4 vagy 5 hengerből állnak:

136. Ábrázolja a kalander hengerei között kialakuló nyomást és a kialakuló sebességprofilokat!

137. Hogyan lehet a kalander hengerek kihajlását kompenzálni? A hengerek között nagy nyomás lép fel, ezért azok kihajlanak. Ezt a kihajlást kompenzálni kell, hogy a fólia teljes szélességében egyenletes vastagságot lehessen előállítani. A kihajlás kompenzálására három módszer terjedt el: a profilköszörülés (bombírozás), a henger tengelyeinek szögelállítása, illetve a visszahajlítás ellennyomatékkal.

115

A szögelállításnál az utolsó előtti henger tengelyének befogását elfordíthatóan képezik ki. A henger tengelyének elfordításával a rés nagysága a henger két szélén nagyobb lesz, mint középen, ez fogja kompenzálni a hengerek kihajlását. Az ellenhajlításnál az utolsó henger tengelyét hidraulika segítségével oly módon deformálják, hogy az az anyagtól származó erő okozta kihajlást kompenzálja. Ezzel a két módszerrel többnyire nem tudjuk a termék kellő méretpontosságát biztosítani; további korrekció alkalmazása is szükséges. Ez a korrekció a két utolsó henger felületének meleg állapotban történő méretre köszörülése, az ún. bombírozás (hordó– vagy bomba alakot közelítés.) Napjainkban ezzel a módszerrel a termék vastagságának kb. 5 μm-es méretpontossága érhető el.

138. Mutassa be a dublírozást és a nyújtást! Jó minőségű, hólyagmentes, 2 mm-nél vastagabb lemezeket dublírozással, kettőzéssel állítanak elő. Dublírozásnál a korábban előállított és feltekercselt lemezt az újonnan kalanderezett lemezzel összepréselik, „összevasalják” (dublírozás maga a dublírhengernél):

A nyújtást a fólia tulajdonságainak javítása végett csinálják. A molekulák orientálódnak a nyújtás irányába. Csak az egyik irányba lesz erős az anyag. Ez látható a fenti ábra 45 szakaszán.

139. Mutassa be a prégelés és a kasírozás technológiáit! Egyes alkalmazásoknál a fólia felületét mintázattal látják el. Ez az eljárás az un. prégelés v. barkázás. A prégelést a kalandert elhagyó fólia kismértékű lehűlése után, annak termoplasztikus állapotában végzik egy hűtött, mintás nyomóhenger és gumibevonatú ellen henger között. Az előző kérdésben levő ábrán ez a kalander után található két kis henger. 116

Kasírozás: A kalandersor utolsó henger párja végzi. A ragasztó anyagon átvezetett textil/szövet belenyomódik a polimerbe. (előző kérdés ábra 5-6-os hengerek).

140. Mutassa be a rotációs öntés technológiáját! Nagyméretű (1–10 m3), zárt és nyitott üreges testek előállítására használt eljárás. Elsősorban hőre lágyuló műanyagokat dolgoznak fel ezzel a módszerrel is, de lehetséges a reaktív (vagyis az alakadással egyidejűleg kémiai reakció is lejátszódik) feldolgozástechnika is. Előnye: 

az olcsó szerszám és berendezés,



a termékek nagyon kis belső feszültsége,



a szinte tetszőleges (és könnyen változtatható) falvastagság,



hegedési varratmentes termékek készíthetők,



a szerszám – vagy anyagcsere gyorsan megvalósítható.

A módszernek van néhány hátránya is: 

kis falvastagságú termékek (0,75 mm alatt) készítésére nem alkalmas



a fúvásos technológiákhoz képest lassú, kis méretű termékeknél nem versenyképes



nem minden polimer alkalmas rotációs formázásra

A rotációs öntés a következő lépésekből áll: 

a fűthető szerszámba meghatározott tömegű műanyagot helyeznek el granulátum, vagy por formájában,



a szerszámot összezárják, felmelegítik (a szerszám típusától függően légcirkulációs kemencében, vagy duplafalú szerszám esetén fűtőközeget cirkuláltatva a szerszám falai között), és két egymásra merőleges tengely körül forgatják (a fordulatszám nem szokta túllépni a 30 fordulat/perc értéket, általában 3–10 ford/perc),



a polimer megolvad, a keletkező ömledék a centrifugális erő hatására egyenletesen eloszlik és felveszi a szerszám alakját. A folyamat időtartama változik a polimer minőségétől és a falvastagságtól függően; általában 5–25 perc közötti érték,



a szerszámot ezután tovább forgatás mellett lehűtik, szintén típustól függően hűtőkamrában levegővel, illetve vízpermettel, vagy duplafalú szerszámnál 117

megfelelő hűtőközeget cirkuláltatva a szerszám falai között. A hűtés időtartama is kb. 10–20 perc, 

a készterméket eltávolítják.

141. Mit nevezünk kompozitnak? Magyarázza meg a definíciót! A kompozit: 

többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott)



összetett: több alkotóból álló szerkezeti anyag, amely



erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és



befoglaló (beágyazó) anyagból: mátrixból áll,

és az jellemzi, hogy

118



a nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú (szálas) erősítőanyag és a



rendszerint kisebb szilárdságú mátrix között



kitűnő, első vagy másodrendű kötések általi adhéziós kapcsolat van, amely



a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad.

142. Milyen hőre keményedő mátrixanyagokat ismer? Mi ezek előnye? Napjainkban elsősorban hőre nem lágyuló (hőre keményedő) gyantákat használnak a nagy teljesítményű kompozitok előállításához. A hőre keményedő anyagok (pl. epoxigyanta, poliészter, vinilészter, poliimid,) folyadék halmazállapotból, egy irreverzibilis folyamat végén, térhálós szerkezetű szilárd halmazállapotba mennek át. Ha ez megtörtént, többé már nem hozhatóak folyadék halmazállapotba, habár a hőmérséklet változtatása jelentősen befolyásolja mechanikai tulajdonságaikat. Nagy előnyük, hogy szobahőmérsékleten feldolgozásuk során folyékonyak és feldolgozásukhoz - ellentétben pl. a fröccsöntéssel - nem szükséges nagy nyomás. Előnyük még az alacsony árfekvésük, azonban nagy hátrányuk, hogy újrahasznosításuk ipari méretekben még nem megoldott. Az iparban jelenleg a két leggyakrabban használt hőre keményedő gyanta az epoxigyanta és a telítetlen poliészter gyanta. A szálerősített kompozitok szilárdságát döntő mértékben az erősítőszál tulajdonsága határozza meg, mivel a beágyazó polimer mátrix szilárdsága és modulusa általában ennél kb. két nagyságrenddel kisebb.

143. Miért alkalmazunk szálerősítést kompozitokban? Mutassa be, hogy milyen szálakat használnak erősítésre! A szálerősítéssel több pozitív hatást érhetünk el a polimernél, ezt három paradoxon írja le: Egyik közülük a szálátmérő paradoxonja, ugyanis az erősítőszálak átmérőjének csökkenése hatására csökken az elemi szál szakításához szükséges szakítóerő, de ugyanakkor növekszik a szál szakítószilárdsága. A jelenség oka, hogy a szál keresztmetszetében annak átmérőjével csökken a lehetséges hibahelyek (inhomogenitások szennyeződések, légzárványok) száma. A második a szál befogási hosszának paradoxonja, amely hasonló jelenséghez vezet, mint a szálátmérő esetében. A rövidebb befogási szálhossz mentén kevesebb hibahely található az adott szálban, így a kisebb befogási hosszakhoz nagyobb szakítószilárdság értékek tartoznak A harmadik jelenség maga a kompozit anyag paradoxonja, amelynek értelmében a kompozit olyan terhelés elviselésére képes, amely a gyengébbik komponens (a mátrix) tönkremenetelét okozná önmagában.

119

Erősítő szálak: 

Üvegszál o Az üvegszál erősítés alkalmazásának előnyei: 

– viszonylag olcsó (szén és aramid szálakhoz mérten),



– gyártásához szükséges rendelkezésre állnak,



– UV stabil, vegyszerálló, elektromosan szigetel.

alapanyagok

nagy

mennyiségben

o Hátránya:





– bizonyos technológiáknál erős koptató hatása van (ahol közvetlenül súrlódik a szerszámon),



– viszonylag nagy sűrűség (szén, aramid, és PE szálhoz mérten),



– törékeny,



– alacsony rugalmassági modulus (szénszálhoz mérten).

Szénszál o Az szénszál erősítés alkalmazásának előnyei: 

– alacsony sűrűség,



– magas rugalmassági modulus,



– magas szilárdsági értékek (mindhárom az üvegszálhoz mérten),



– alacsony hőtágulási együttható.

o Hátránya:

120



– viszonylag rideg (aramid és PE szálhoz képest),



– magas ár (függ tiszta széntartalomtól).



Aramidszál, PE szál o Az aramidszál erősítés alkalmazásának előnyei: 

– alacsony sűrűség,



– magas szilárdsági értékek,



– jó dinamikai tulajdonságok,



– hajlékony,



– lángállóság.

o Hátránya: 

– környezeti hatásokkal szembeni gyenge ellenálló képesség (UV- és nedvességérzékenység)



– alacsony nyomószilárdsági értékek.

144. Hogyan alakul a poliészter gyanta hőeffektusa a feldolgozás során?

A poliészter gyanták csak korlátozott ideig tárolhatók, mivel egy bizonyos idő elteltével maguktól gélesedni kezdenek. Azonban ez az idő a feldolgozásuk során nem várható ki, ezért a gyantához iniciátort adnak, amelynek hatására a hozzáadása után a térhálósodás rövid időn belül megindul. Maga az iniciátor nem vesz részt a kémiai reakcióban, csak katalizálja azt. Miután a gyantához keverjük az iniciátort, abban rövid idő után (G: gélesedési idő) megindul a térhálósodáshoz vezető viszonylag heves (iniciátor mennyiségétől függően akár pár perc alatt lejátszódó) polimerizációs láncreakció. A reakció 121

közben egy exoterm, hő fejlődéssel járó folyamat játszódik le, amelynek köszönhetően a gyanta hőmérséklete akár 100-120°C-ot is emelkedhet. A térhálósodási folyamat során tapasztalható egy exoterm csúcs, amelyhez tartozó időpillanat (H: kikeményedési idő) után a térhálósodási folyamat, azaz a keresztkötések kialakulásának sebessége nagymértékben, folyamatosan csökken, a poliészter hőmérséklete eztán lassan eléri a környezeti hőmérsékletet

145. Milyen 1, 2 és 3 dimenziós erősítőstruktúrákat ismer? Polárdiagram segítségével mutassa be néhány jellemző kiszerelési forma húzási tulajdonságainak irányfüggését! Az erősítőanyagok kereskedelmi forgalomban 1D, 2D, és 3D-s formában lelhetőek fel. 1Dsnek hívjuk a roving (köteg) vagy szalag formában megjelenő szálhalmazokat. Szőtt vagy nem szőtt és kötött textíliák tartoznak a 2D-s csoportba. A tér mindhárom irányában erősítőanyagot tartalmaznak a tűzött kelmék és a rétegvastagság irányában is erősítőanyagot tartalmazó 3D-s kelme rendszerek. A szálak irányultságának rendezésével bizonyos fokú orientáció érhető el. Az ún. paplan típusú erősítőanyagok a sík minden irányban tartalmaznak szálakat, nincs mechanikailag kitüntetett irány. Az unidirekcionális rétegekben a szálak egy irányba állnak, a mechanikai tulajdonságok ebben az irányban kimagaslóak. A szövéssel készített erősítő rendszerek általában két egymásra merőleges kitüntetett iránnyal rendelkeznek, de léteznek multidirekcionális kelmék is (pl. a síkban három vagy esetleg több kitüntetett irány is van). Az egyes erősítőanyag formák mechanikai tulajdonságait ún. polárdiagramban szokás megjelentetni. A fenti anyagok húzószilárdságának jellegét a terhelési szög függvényében, a polárdiagramban szemlélteti:

122

146. Mutassa be és magyarázza meg a Kelly-Tyson összefüggést! Mit nevezünk kritikus szálhossznak? A szál befogási hosszával kapcsolatos. A befogási szálhossznak rövidszálas (elsősorban fröccsöntéssel és extrúzióval előállított, hőre lágyuló mátrixú) kompozit alkatrészek esetére meghatározható egy kritikus minimum értéke, ami megadja, hogy mi az a minimális szálhossz, amit érdemes kompozit erősítőanyagként alkalmazni. Amennyiben az adott szálhossz nem éri el ez a kritikus minimum (Lc) értéket, úgy terhelés hatására nem lesz képes maximális terhelést felvenni, azaz a szál szakítószilárdságának elérése előtt ki fog csúszni a befoglaló anyagból. A kritikus szálhossz meghatározható az adhéziós kapcsolat következtében a szál felületén ható nyírófeszültségének (τ), az elemi szál szakítószilárdságának (σB, Szál), valamint a szálátmérő (D) ismeretében az ún. Kelly-Tyson összefüggés segítségével:

Az egyenlethez szükséges tagok közül a D, a σB, Szál és a határfelületi nyírófeszültség (τ) elemi szálak vizsgálatával határozható meg.

147. Milyen módszerekkel lehet hőre lágyuló mátrixú kompozitokat előállítani? Mutassa be részletesebben a film-stacking eljárást! A kompozit alapanyag gyártása többnyire ömledékkeveréssel valósul meg. A rövid (vágott) erősítőszálak bekeverése kétcsigás extruderben, ömledék állapotban történik. A szálak homogén elkeveredését az ömledék polimerben az extrudercsigákkal kifejtett nagy nyíró/keverőhatás biztosítja. A kompozit előtermék granulátum. A kompozit granulátumot újabb extrúzióval lemezzé, illetve profiltermékké lehet alakítani, vagy fröccsöntéssel, illetve a lemez félkészterméket hőformázással (vákuumformázás) feldolgozva lehet készterméket előállítani. Film-stacking eljárás: ahol az erősítőstruktúrát és a mátrix lapokat rétegesen egymásra helyezik, majd préseléssel egyesítik. E módszer nagy előnye az anyag kombinációk (ezáltal elérhető nagy feldolgozási ablak) és azok arányainak választási szabadsága, különböző erősítőstruktúrák alkalmazásának lehetőségei.

123

148. Hogyan csoportosíthatjuk a hőre keményedő kompozitok gyártási eljárásait? Adjon példákat! 

Szórás: A laminálás technológia némileg „gépesített” változata, egy speciális szórófejen keresztül vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra egy szerszám felületére. Nagyméretű termékek készíthetők gazdaságosan így (pl.: hajótestek, lemezszerű panelek).



Sajtolás: Nagy sorozatoknál alkalmazott gyártástechnológia; hidraulikus présgépeket fűthető fém szerszámokat, illeszkedő precíz szerszámfeleket alkalmazva. A mátrix- és erősítőanyag már előre összekeverve kerül a szerszámfelek közé. Viszonylag rövid ciklusidővel, hosszú sorozatban gyártott termékek előállítására alkalmas technológia, pl. autóiparban, ajtó kárpit, belső burkoló elemek, stb.



Tekercselés: Forgó, tengelyszimmetrikus (általában hengeres, kúpos) magra gyantával impregnált folytonos szálakat tekercselnek fel. A rovingok fektetési szöge (tekercselési szög) az igénybevételnek megfelelően előre számítható. A készterméket a magról lehúzzák, ezért szükséges, hogy a szerszám enyhén kúpos legyen. Főleg tartályok, csövek előállításához alkalmazható.



Pultrúzió: A hosszirányban folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás a hőre lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel, hogy itt az impregnált erősítőanyagot áthúzzák a fűtött szerszámon. Ez az egyetlen folytonos hőre keményedő mátrixú kompozit gyártástechnológia, amely profilok, 1D-s termékek gyártására alkalmas (pl. gerendák, tartószerkezetek merevítései, lapátnyél, kábelek).



Injektálás: A szerszámba „szárazon” kerül befektetésre az erősítőanyag. A zárt szerszámba túlnyomás vagy vákuum segítségével juttatjuk be a mátrixanyagot. A mátrixanyag áramlása során impregnálja az erősítőanyagot. A viszonylag csekély számú hibahely (szennyeződés, légzárvány) miatt nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal, kiváló minőségű termékek készíthetők injektálással (pl.: repülőgép-, vagy nagy teljesítményű gépalkatrészek)

149. Mutassa be részletesen a kézi laminálás módszerét! Hasonlítsa össze a szórás technológiájával! Ez a technológia alacsony költségei és széleskörű alkalmazhatósága miatt a legelterjedtebb. Prototípus, illetve kis sorozatgyártás esetén a leggazdaságosabb. A pozitív vagy negatív szerszám felületét formaleválasztóval kell kezelni, hogy a termék a szerszámból eltávolítható legyen. A termék külső rétege általában egy úgynevezett gél 124

réteg (gelcoat), ez a gyantában dús töltött réteg áll ellen a környezeti hatásoknak (időjárás, mechanikai behatások). Ezt követően kerülnek felhordásra a termék teherviselő rétegei, erősítőanyag rétegek kerülnek átitatásra görgők, hengerek, illetve ecsetek segítségével. A legfontosabb, hogy tömör, légzárvány nélküli falvastagságot készítsünk, ehhez nyújt segítséget a levegő kigörgőzése a már átimpregnált rétegekből. A kész kompozit lemez akár több tíz rétegből is állhat, ehhez legfőképpen a megfelelő gyanta kiválasztására kell ügyelni (gélidő, exoterm hőcsúcs). A laminát tartalmazhat jelentős erősítéseket, megvastagításokat, bordákat, fém-betétet, valamint felépülhet szendvicsszerkezetként is. A térhálósítás az alkalmazott gyantarendszernek megfelelően általában szobahőmérsékleten, de egyes esetekben emelt hőfokon is történhet. Utólagos emelt hőfokú térhálósítás a teljes konverzió szempontjából minden esetben ajánlatos. Ezt követően a termék méretre vágása, szélezése ill., utólagos szerelése történik. A szórás a laminálás technológia némileg „gépesített” változata, egy speciális szórófejen keresztül vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra egy szerszám felületére. Nagyméretű termékek készíthetők gazdaságosan így (pl.: hajótestek, lemezszerű panelek).

150. Mutassa be a pultrúzió technológiáját! Milyen módszerekkel lehet még hőre keményedő mátrixú kompozit csöveket előállítani? 

Pultrúzió: A hosszirányban folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás a hőre lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel, hogy itt az impregnált erősítőanyagot áthúzzák a fűtött szerszámon. Ez az egyetlen folytonos hőre keményedő mátrixú kompozit gyártástechnológia, amely profilok, 1D-s termékek gyártására alkalmas (pl. gerendák, tartószerkezetek merevítései, lapátnyél, kábelek).



Injektálás



Tekercselés



Sajtolás



Szórás 125

151. Mit nevezünk SMC, illetve BMC-nek? Milyen technológiával dolgozzák fel ezeket? BMC: Bulk Molding Compound: „alaktalan” kompozit előimpregnátum („premix”) szálerősítésből és matrix oligomerből, SMC: Sheet Molding Compound: lemezformájú kompozit előgyártmány („prepreg”) tekercs alakban tárolva Az SMC gyártás lényegében folytonos üzemű lemezgyártást jelent: sajtolás. A BMC hőtágulási együtthatója pl. hasonló körülfröccsöntéséhez kiválóan alkalmas.

az

acéléhoz, ezért fémbetétek

152. Hogyan néz ki az EU-s direktívákat szemléltető hulladékgazdálkodási piramis?

126



Megelőzés: pl: Nem veszünk új telefont évente.



Minimalizálás: tervezés során törekszünk olyan terméket képezni, ami a lehető legkevesebb – legkedvezőbb hulladékká fog válni, ha hulladék lesz belőle.



Újrahasználat: igyekszünk ugyanarra a célra használni, mint eddig, max. kicsit javítunk rajta.



Újrahasznosítás: más célt keresünk a hulladék felhasználhatósága érdekében.



Egyéb: energetikai hasznosítás, pl égetés.



Ártalmatlanítás: lerakás; már nem tudjuk használni, de legalább ne károsítsa a környezetet.

153. Mit értünk pirolízis alatt? A pirolízis kémiai újrahasznosítás; a polimer molekulák közti kovalens kötéseket igyekszünk felbontani, értsük úgy, mint a polimerizáció ellentétes folyamata. A polimer szerkezetétől fog függni, hogy milyen oligomerekre, monomerekre bomlik le. Így anyagot nyerünk vissza – az üzem lehet szakaszos és folyamatos is; a folyamatos üzemben egy extrudercsigához hasonló csigával végezzük a tömegáram transzportot. Jóval olvadáspont fölötti hőmérsékletről beszélhetünk, a végterméket a kőolaj iparban használjuk fel. Oda kerül, ahonnan jött.

154. Mi a különbség az energetikai hasznosítás és a pirolízis között? Energetikai hasznosításnál (pl. égetés) a polimerből keletkezett hőenergiát tudjuk hasznosítani, míg a pirolízisnél anyagot nyerünk vissza, melyet újra tudunk használni.

155. Mi a jelent a fizikai újrahasznosítás és miben tér el a kémiai újrahasznosítástól? A kémiai újrahasznosítás lényege: a polimer makromolekulát olyan kisebb molekula töredékekre bontják, amelyek vegyipari alapanyagként hasznosíthatók. Ehhez mindenek előtt a hulladékból lehetőség szerint el kell vonni a halogéneket (klorid, fluorid), mert ezek a magas hőmérsékleten (tipikusan 300 °C felett) igen korrozivak az adott vegyipari berendezésekben. A polimerhulladékok kémiai alapanyagként való hasznosítása tehát lényegében a hőbontás (pirolizis). A fizikai újrahasznosítás tiszta, szennyezetlen állapotban levő hőre lágyuló polimerek újrafeldolgozása a megömlesztés és képlékeny alakítás ismert módszereivel. Itt tehát nem történik hőbontás, csak újrafeldolgozás.

156. Mi az anyagában történő újrahasznosítás lényege? A fizikai újrahasznosítás speciális típusa. Ezen tevékenységnek köszönhetően a hulladékból újra termék készül, mégpedig egyetlen anyag felhasználásával ugyanazon anyag előállítása történik Így a másodnyersanyag (hulladék) nem vész el, csak átalakul. Például PET palackok újrahasznosítása (recycling).

157. Mennyi hulladék keletkezik Magyarországon évente? Magyarországon a lakosság évente megközelítőleg 300 ezer tonna műanyag hulladékot termel.

127

158. Mi a különbség az upcycling és a downcycling között? Mondjon példákat a technológiákra! Upcycling: Minőségnövelés. Például PET palackok begyűjtése és újrahasznosítása: az új anyag mechanikai tulajdonságai majdnem egyezőek az eredetivel, max a ridegség és a szakítási nyúlás romlik valamennyit. Termelnek így hatalmas mennyiségű tojástartót, gyors és egyszerű üzemben, de akár beszélhetünk szálerősített kompozitokról (üvegszál, bazaltszál), továbbá a PET elektromos vezetőképességének növelése adalékolással, és a PET égésgátlása műszaki cikkgyárthatóság érdekében is két nagyban fejlődő üzletág. Downcylcling: Minőségcsökkentés. Itt intrúzióval (bármilyen polimer hulladék belerakható) készülhetnek termékek, vagy sajtolással, ahol megolvad az alapanyag és nagy erővel sajtolják. Így készülnek pl. a zajvédő falak az autópálya mellett, raklapok, medencék alja, vagy virágtartó cuccok.

159. Milyen megelőző műveleteket kell végezni a műanyaghulladék újrahasznosítása érdekében? A fólia típusú hulladékok újrahasznosításának első fázisa az ún. agglomerálás, melynek során gyakorlatilag ledarálódik a hulladék anyag, viszont a folyamatba bevitt vízzel történő hűtés hatására az összedarabolt anyag ún. agglomerátummá válik – jellemzően gubacsszerű és nem lemezszerű alakká. Közvetlen előtöréssel indul a nagyobb darabokból álló szilárd hulladékok / nagyobbkeményebb típusú hulladékok újrahasznosításának első lépése (pl. hordók, kannák, kukaedények vagy raklapok), melyet követően kerül sor a darálásra. Ennek során a hulladék 15-20 mm felületű darálékként kerül állványra helyezett nagyméretű zsákokba. A műanyag hasznosítás második fázisa az előkészítő üzemben létrehozott félkész anyagok granulálásra való előkészítése, mely a mindenkori másodnyersanyag megrendelői igényekhez illeszkedik. A megfelelő minőségű, újrahasznosított műanyag re-granulátum előállításához, az üzemben használatos receptúrák szerint, mesterkeverék illetve egyéb adalékanyagok felhasználásával történik a megkeverés, vagyis a homogenizálás. Ennek elsődleges célja, hogy a legyártandó regranulátum azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkezzen, amely a későbbi késztermék gyártás szempontjából elsődleges fontosságú.

128

KIEGÉSZÍTŐ KÉRDÉSEK 160. Mi a határlehajlás? Miért volt szükség a bevezetésére? Határlehajlás: f* Az a lehajlási érték, ameddig feltételezhetjük a klasszikus számítási összefüggések érvényességét. Értéke a mindenkori L alátámasztási távolság 10%-a (f* =0,1.L). Ha tehát ezen f*határlehajlás érték elérése előtt eltörik az anyag, akkor a törési ponthoz tartozó Ft törőerőből számolt nyomatékkal a σBh hajlítószilárdságot határozzuk meg, és ezzel jellemezzük a vizsgált anyag teherbírását.

161. Mutassa be és értékelje nyomóerő – lehajlás diagram segítségével a kompozit anyagok szálorientációjának hatását!

A hajlítás során igen lényeges a próbatestekben lévő szálak orientációja. A hajlított tengelybe eső szálak adják a legnagyobb merevséget, míg ettől egyre nagyobb mértékben eltérve a próbatestek modulusa egyre kisebb

129

162. Mi a melegalakítás? Milyen előnyei, illetve hátrányai vannak a többi polimer feldolgozás technológiához képest? Melegalakítás alatt a termoelasztikus állapotban lévő hőre lágyuló műanyag félkész termékek (előgyártmányok, többnyire lemezek, fóliák) kis erőkkel történő alakítását értjük. A folyamat lényege a következő: A műanyag lemezt – általában sugárzó hővel – a kívánt hőmérsékletre előmelegítjük, „kilágyítjuk” (alakítható állapotba hozás), majd ezt a lágy anyagot viszonylag kis erővel a hideg (temperált) szerszámba (szerszámra) préseljük, vagy szívjuk (alakadás). A szerszámban (szerszámon) az anyag lehűl (alakrögzítés), és a termék eltávolítható. A módszer legnagyobb előnye abban rejlik, hogy a termoelasztikus állapotban lévő, lágy műanyag kis erőkkel, nagymértékben alakítható. Ebből következik, hogy a szerszám anyagköltsége alacsony (kis szilárdságú – merevségű anyagból is előállítható, pl. fa, gipsz, alumínium), ami még kis sorozatok esetén is gazdaságos gyártást biztosít. Hátrányként meg kell említeni a magasabb alapanyagköltséget, hisz a granulátumból valamilyen más technológiával elő kell állítani az alakítandó lemezt, ill. azt, hogy többnyire csak olyan vékonyfalú, nem túl bonyolult, alámetszés nélküli 3D-s termékek gyárthatók vele, amelyek esetenként jelentős anizotrópiával rendelkeznek.

163. Értékelje az amorf és a részben kristályos polimerek termomechanikai görbéit a melegalakítás szempontjából!

A részben kristályos szerkezetű termoplasztok csak a meglehetősen szűk kristályolvadási hőmérséklettartományban alakíthatóak. Ezen hőmérséklet felett az anyag megömlik, alatta pedig a kristályos fázis gátolja az alakíthatóságot. Melegalakításra a termoplasztikus műanyagok közül az amorf szerkezetűek az alkalmasabbak, mivel ezeknél az anyagoknál szélesebb a melegalakíthatósági hőmérséklettartomány. 130

Amorf anyagoknál a legnagyobb alakíthatóságot a termomechanikai görbe nyúlásmaximumánál lehet létrehozni, de ilyenkor a gyártmányban nagy belső feszültségek maradnak, és a relaxációs hajlam is számottevő. Magasabb hőmérsékleten, a nyúlásgörbe leszálló ágán kisebb ugyan az alakíthatóság, de jobb az alaktartósság és kisebb a relaxációs hajlam.

164. Mi a vákuumformázás? Milyen problémák léphetnek fel a feldolgozás során? Hogyan lehet ezeket kompenzálni? Vákuumformázással általában nagyméretű, vékonyfalú termékeket állítanak elő. Alapelve szerint a formázandó meleg lemez és a szerszám között vákuumot létesítenek, és ez a max. 1 bar (0,1 MPa) nyomáskülönbség alakítja a lágy polimert. A szerszámkialakítástól függően negatív és pozitív vákuumformázást különböztetünk meg.

Tekintettel arra, hogy a műanyagok rossz hővezetők, a felmelegítést csak viszonylag lassan lehet elvégezni. A túlzottan gyors melegítés a felületen károsodást (elszíneződést, hólyagképződést) okozhat, míg a lemez belseje még „hideg”. Vastagabb lemezek, igen jó hőszigetelő képességű habfóliák alakítására ajánlatos a kétoldali (alsó-felső) fűtés alkalmazása. Ezzel elkerülhető a jelentős hőmérsékletkülönbség a lemez két oldalán. Az alakítandó lemez hőmérsékletének a felület minden pontján azonosnak kell lennie, ellenkező esetben egyenlőtlen lesz a hűléskor fellépő zsugorodás, aminek következtében jelentős vetemedések, elhúzódások jönnek létre. A lemez homogén hőmérséklet-eloszlását az infravörös hősugárzók különböző (középen kisebb, a szélső zónában nagyobb) teljesítményre állításával lehet biztosítani. A melegalakítási technológia lényegéből következik, hogy a vákuum bekapcsolása után a lágy lemez folyamatosan tölti ki a szerszámüreget, vagy feszül rá a pozitív szerszámra. Tekintettel arra, hogy a hideg (temperált) szerszámrésszel érintkező anyag a továbbiak során már nem nyúlik, az ilyen egyszerű esetekben jelentős falvastagság különbségek lépnek fel. Ennek csökkentésére, esetleg elkerülésére különböző előnyújtási módszereket 131

dolgoztak ki. Előnyújtás esetén nagyon fontos, hogy az alakítandó lemezeknek egyenletes vastagságúak legyenek. Az előfúvás fázisában ugyanis belső túlnyomással nyújtjuk a lemezt. Ha ennek falvastagsága nem egyenletes, a nyomás egyenletes terjedéséből következően a vékonyabb részben jobban nyúlik, extrém esetben kilyukad.

165. Mutassa be és hasonlítsa össze (előnyök. hátrányok) a pozitív, illetve a negatív vákuumformázást! Egy-egy termék elvileg mindkét szerszámmal előállítható, hogy mégis mikor melyiket alkalmazzák, annak eldöntésére ismertetünk néhány szempontot: 

A terméknek mindig a szerszámmal érintkező felülete a pontosabb, így a pozitív szerszámmal gyártottnak a belső, a negatívval előállítottnak pedig a külső mérete.



Pozitív szerszámra a termék rázsugorodik, eltávolítása problémás, míg negatív szerszámból kizsugorodik, tehát könnyen eltávolítható.



A pozitív szerszám előállítása egyszerűbb, mivel a külső felületeket kell megmunkálni, így a szerszám olcsóbb.

166. Mi a préslég formázás lényege? Milyen előnyei, illetve hátrányai vannak a vákuumformázáshoz képest?

132

A túlnyomásos (vagy préslég-) formázás elvét az előző ábra szemlélteti. Elve megegyezik a vákuumformázással, azaz az alakítandó lemez egyik oldalán túlnyomást alakítunk ki, és ezzel kényszerítjük azt pl. a negatív szerszámba. A különbség az, hogy a túlnyomás nagyobb lehet 1 bar (0,1 MPa)-nál, ezáltal nagyobb alakító erőket lehet megvalósítani. Az eljárás során az anyag felmelegítése és a légtömör zárás megvalósítása jelent nehézséget, hisz a lemezt melegítő infravörös hősugárzó és a légtömör zárást is biztosító alakadó szerszám is az alakítandó lemez felett kell, hogy elhelyezkedjék. Mivel mindkettő nem lehet egyszerre ott, ezért a melegítő testet (kocsit) a felmelegítés után el kell onnan távolítani, ezután a szerszámot a lágy lemez fölé (lemezre) vezetni, létrehozni a légtömör zárást, és csak ezután hozható létre az alakadáshoz szükséges túlnyomás. Természetesen lehet a lemezt is mozgatni, a problémát azonban ez sem oldja meg.

167. Mutassa be a mélyhúzás technológiáját polimerek esetén. A húzóformázások során a felmelegített lemez leszorítására rugózó keretet (ráncfogót) használnak, aminek következtében alakításkor a lemez szélei el tudnak csúszni, ezáltal egyenletesebb falvastagságú termékeket lehet előállítani. A mélyhúzást sűrített levegővel vagy nyújtóbélyeggel végezhetik. A sűrített levegős mélyhúzásnál a körben leszorított, kilágyított lemez alakítását sűrített levegő aláfúvásával oldják meg. Látható, hogy ezzel az eljárással csak egyszerű geometriájú termékek (pl nagyméretű világítókupolák) gyárthatók. 133

Hátránya a módszernek a gyártmányok rossz reprodukálhatósága, ezért viszonylag ritkán használják. Ezt a hátrányt azzal lehet kiküszöbölni, hogy a lemez fölé egy alakadó szerszámot helyeznek, de ez már a korábban megismert préslégformázáshoz veze Bélyeggel történő mélyhúzáskor a kilágyított lemezt a bélyeg alakítja a kívánt mértékig. A termék geometriája ebben az esetben is korlátozott.

Az eddig ismertetett valamennyi eljárásnál fennállt annak a veszélye, hogy a késztermék falvastagságában nemkívánatos különbségek jöjjenek létre. Ennek az az oka, hogy az alakítás során a lemeznek csak az egyik oldala érintkezett merev alakadó szerszámféllel, míg a másik oldalon levegő volt. Ezt a hátrányt azzal lehet kiküszöbölni, ha az alakításra kétoldali merev szerszámot használunk. Ebben az esetben, amelyet akár sajtolásnak is nevezhetünk, a szerszámköltség igen magas.

134

168. Mit jelent a vizualizációs modell, illetve a funkcionális modell a prototípusgyártásban? A prototípusok készítésének három fő oka lehet. Az első, amikor a termék megjelenését, külsejét szeretnénk megnézni (vizualizációs modell), valós 3D-s formában szeretnénk kézbe venni. Erre a forma (design) kialakítása közben van nagy szükség, amikor még nem a funkció teljesítését vizsgáljuk. Ebben az esetben tehát nem az a cél, hogy a mintánk egy az egyben funkcionálisan megegyezzen a jövőbeli termékünkkel, hanem csak az, hogy geometriailag pontosan utánozza azt. A második eset, amikor a modell éppen a funkció vizsgálatának céljából készül (funkcionális modell). Ebben az esetben jóval nagyobbak a modellel szemben támasztott követelmények, hiszen itt nem csak a „látszat” számít, hanem a szilárdság, merevség és egyéb fizikai jellemzők, valamint a geometriai méretpontosságoknak is nagyobb a jelentősége. Számos esetben követelmény lehet az is, hogy a prototípusunk még anyagában is megegyezzen a tervezett termék jövőbeli anyagával

169. Mi a 3D nyomtatás polimertechnikában?

lényege,

hogyan

valósítható

meg

a

135

A 3D Printing eljárást az MIT (Massachusetts Institute of Technology) kutatói fejlesztették ki főleg prototípusok előállítására, valamint valós termékek rugalmas gyártására, az utóbbi időben azonban direkt szerszámkészítésre és precíziós öntőformák előállítására is alkalmazzák. Ezzel a technológiával előállítható bármilyen alakú modell, szinte bármilyen anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár kompozit anyagok. A legtöbb technológiához hasonlóan itt is rétegenként kerül kialakításra a modell, a számítógépen elkészített 3D-s modell szeletekre bontásával. A rétegek építése az előzőleg elkészült modellrétegekre történő porfelvitellel kezdődik Az ink-jet nyomtatókhoz hasonlóan működő berendezés az adott rétegben, ahol a modell elhelyezkedik, kötőanyagot helyez el, így kialakítva az adott réteg geometriáját. Ezután a munkaasztalt mozgató henger lesüllyed egy rétegnyit, ezzel helyet adva a következő réteg számára felviendő por számára. Ezeket a lépéseket addig ismétli a berendezés, amíg a darab teljes kialakítása meg nem történik. A darab a végleges formáját a felesleges por eltávolítása valamint utókezelés (gyantával történő átitatás, hőkezelés) után nyeri el. Az eljárás gyors, egyszerű, olcsó és megbízható. Mivel a terméket por veszi körül, így alátámasztást nem igényel. Hatalmas előnye, hogy igen gyorsan lehet vele előállítani kerámia öntőformákat precíziós öntéshez. Hátrány viszont, hogy utólagos kezelés szükséges, pontossága korlátozott és a belső felületekhez nem lehet hozzáférni

170. Mutassa be az Objet – PolyJet technológia lényegét! PolyJet eljárást az Objet Geometries cég fejlesztette ki. Ez a merőben új eljárás magába foglalja a legtöbb RP technológia előnyét. A tintasugaras nyomtatófejből kinyomtatott fényérzékeny műgyantát nem lézerrel, hanem UV fényforrással szilárdítják meg. Mivel a 136

nyomtatás térben történik, és a 3D printig eljárással ellentétben itt a modellt nem veszi körbe por, ami megtámassza, ezért külön támaszanyag alkalmazására van szükség. Nagy előny viszont, hogy a támaszanyag vízzel oldható, így könnyebb és egyszerűbb eltávolítani, mint a többi technológia esetén. További előny, hogy az UV fényforrásnak köszönhetően olcsóbb és gyorsabb, mint a hagyományos RPT technológiák. A berendezés pontosságát jól jellemzi a 16 -30 μm-es építési rétegvastagság, a legvékonyabb függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, a teljes modell pontossága pedig ± 0,05 mm. A további fejlesztések eredményeként született berendezés segítségével (Connex), ma már akár két különböző mechanikai és fizikai tulajdonságú anyag is nyomtatható egy munkadarabon (munkacikluson) belül a felhasznált alapanyagok keverésével (lineáris kombinációjával).

137

171. Mit jelent a gyors szerszámozás? Mikor, milyen célból lehet alkalmazni? A gyors prototípusgyártásból (Rapid Prototyping – RP) fejlődött ki a gyors szerszámozás (Rapid Tooling – RT), amely egyre nagyobb teret hódít a műanyag feldolgozástechnológiákban is. A gyors szerszámozással előállított szerszám többnyire csak kis sorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk elő egy pontosabb vizsgálathoz. Ez nagy előrelépés, hiszen a hagyományos értelemben vett prototípusokkal (lásd előző fejezet) szemben az így előállított darab tökéletes mása az eredetileg tervezettnek, hiszen tulajdonságában, anyagában, sőt gyártástechnológiájában is megegyezik a sorozatgyártott termékkel. Manapság egyre inkább arra irányulnak a törekvések, hogy ezt a gyors szerszámkészítési módszert ne csak a prototípuskészítéshez, hanem a sorozatgyártáshoz is fel lehessen használni. A gyors szerszámkészítésnek számos lehetséges változata megtalálható a piacon akár a prototípusgyártásból kiinduló indirekt módszert, akár a közvetlen (direkt) szerszám előállítási technikákat tekintjük

172. Mit jelent a direkt, és mit az indirekt szerszámozás? A gyors szerszámkészítés indirekt módjának az alapja az, hogy valamelyik prototípusgyártási módszerrel elkészített munkadarabot használjuk fel úgy, mint alakadó mestermintát. Ez sokkal gyorsabb, mintha forgácsolással készítenék el azt, és adott esetben a geometriai pontosság messzemenően kielégítő. Ezt követően a mesterminta felületét körül öntve egy másik anyaggal elkészíthető a szerszám, ami ellenáll a sorozatgyártáskor kialakuló nyomásnak, hőmérsékletnek, mechanikai koptató hatásnak. Példa erre a szilikon szerszámozás. Direkt szerszámozás során nem alkalmazunk mestermintát, hanem magát a szerszámot készítjük valamilyen gyors prototípusgyártási módszerrel. Így a folyamat gyorsabb, egyszerűbb és jobban automatizálhatóvá válik. Ezek az eljárások jellemzően a hagyományos SLA és SLS alapra épülnek, azok valamilyen továbbfejlesztett, illetve módosított változatai.

173. Mi a jelentősége az erővel záró kötéseknek a polimertechnikában? Az erővel záró kötések családjába a csavarkötés tartozik. Polimer termékek esetében a csavarkötésnek többféle típusa alkalmazható. Amennyiben a termékek alkatrészeinek csatlakozása kis igénybevételnek van kitéve, úgy a kötések kialakítása önmetsző fémcsavarok segítségével valósítható meg. A csavarkötések alkalmazásakor nemcsak önmetsző csavarokat alkalmazhatunk, hanem speciális betétek (insertek) alkalmazásával lehetőség nyílik metrikus csavarmenetes kötések kialakítására. Ezeknek előnye, hogy oldhatóak és nagyobb kötésszilárdságot biztosítnak, mint 138

az önmetsző csavarok. Ezt a tulajdonságukat azzal érik el, hogy az insertek nagy felületen illeszkednek a műanyag termékek falába és érdesített felületükön keresztül nagy erőhatásoknak is ellenállnak. Az insertek utólagos megmunkálással: sajtolással, pneumatikus vagy elektromos berendezések, illetve ultrahanghegesztő készülék alkalmazásával illeszthetők be a műanyag termékbe, de készülhetnek úgy is, hogy a fröccsöntő szerszámba előre belehelyezett insertre ráfröccsöntik a műanyagot.

174. Mi a jelentősége az alakkal záró kötéseknek a polimertechnikában? Mutasson be tipikus példákat! Az alakkal záró kötések alapvető tulajdonsága, hogy a kötést a két (vagy több) elem geometriai kialakítása biztosítja, amely meggátolja az elmozdulást. A csavarkötéseknél leírtakhoz hasonlóan, az alakkal záró kötéseknél is lehetséges különböző anyagokat összekötni. Szegecskötés A szegecskötések alkalmazásával nemcsak a polimer termékek saját anyagai között tudunk kapcsolatot létesíteni, hanem más típusú műanyagok, illetve fémek is összekapcsolhatók ezzel az eljárással. A módszer előnye, hogy gyors, és olcsó. A legnagyobb hátránya, hogy a kialakult kötésszilárdság jóval kisebb a gyakorlatban alkalmazott más kötéstípusoknál, illetve a kötés nem oldható (csak roncsolással). További negatívumként említhető meg a technológia esztétikai hátránya, ami a termék versenyképességét nagyban befolyásolja. A saját anyaggal való kötéskialakítás során az egyik darabon kialakított ellapítandó csapra illesztjük a furattal ellátott ellendarabot, majd a felmelegített szerszám által kifejtett nyomás hatására a gyengén megolvadt anyag felveszi a szerszám alakját és létrejön a kötés

Bepattanó kötés A műanyagoknál igen gyakori a bepattanó kötés. A kötés kialakításakor a két alkatrész túlfedéssel csatlakozik, miközben mindkettő, de legalább az egyik rugalmasan deformálódik, amíg az alakváltozás egyenlő lesz a túlfedés mértékével. A kötés létrejöttével az alkatrészek újra terheletlen állapotba kerülnek vissza. A bepattanó kötések az oldhatóság szempontjából oldható- és nem oldható kötésekre csoportosíthatók. Az oldható kötéseknél az összeszereléshez és a bontáshoz szükséges erőnek a hatásvonala 139

megegyezik. A nem oldható (90°-os hátszögű) kötésnél szükség van viszont egy olyan erőre, ami a szerelési hatásvonalra merőleges irányú és a bepattanó részt a helyzetéből kitéríti. A bepattanó kötés alkalmazása csak nagysorozatú gyártás esetén gazdaságos, a bonyolult szerszámkialakítás magas költségvonzata miatt. A kötés előnye viszont az, hogy az alkatrészek közötti kapcsolat a szerelés során gyorsan és egyszerűen létrejön.

175. Mi a ragasztás, milyen típusú ragasztókat ismer? A ragasztás két szilárd test összeerősítését jelenti ragasztó segítségével. A ragasztott kötések szilárdságát döntően két erőtípus adja: a ragasztandó anyagok, valamint a ragasztó belső szilárdsága, kohéziója, és a ragasztandó anyag és ragasztó határfelületén fellépő erőhatások, az adhézió. Jó ragasztott kötésben az adhéziós erők legalább olyan nagyok, mint a kohéziós erők, azaz a ragasztott kötés szétszakadása a ragasztott darabok anyagában vagy a ragasztóban magában bekövetkezett szakadás (kohéziós szakadás) miatt következik be, de nem a ragasztó és valamely felület elválása miatt (adhéziós szakadás). Két típusa létezik: térhálósodó és nem térhálósodó ragasztók. A nem térhálósodó ragasztók csoportjába tartoznak az alábbi ragasztók: 

140

Oldószeres: Az oldószeres ragasztók kétfélé típusban fordulnak elő. A kötőanyag nélküli oldószeres ragasztásnál interdiffúzió jön létre az összeragasztandó polimerek felületei között és csak saját anyag ragasztható az összeférhetőség miatt. Az oldószeres ragasztók másik csoportját a kötőanyagot tartalmazó (általában polimer alapú) ragasztóanyagok alkotják. Jellemzően a felhordott ragasztó oldószerének kipárolgását követően, még a ragasztó aktív idején belül kell a ragasztást végre hajtani, azaz a két felet zárni, kötésbe hozni.



Ömledékragasztó (hot-melt): Az ömledékragasztók esetében a kötés a ragasztóanyagnak megfelelő hőmérsékletre való melegítése után hozható létre. Az ömledékragasztók előnye a gyors, termelékeny, oldószermentes ragasztás.

A térhálósodó ragasztók csoportjába tartoznak az alábbi ragasztók: 

Kétkomponensű ragasztók: A ragasztó két komponensét (ragasztó + edző) felhasználás előtt megfelelő arányba kell összekeverni, mely során elindul a térhálósodás. Ilyenkor a ragasztást egy térhálósodó műanyag polimerizációja hozza létre. Ilyen típusú ragasztók pl.: epoxi, poliuretán, akril 2K ragasztók stb.



Ciano-akrilátok („pillanatragasztók”): A ragasztó kikötéséhez, nedvesség szükséges, mely a polimerizáció beindulását blokkoló anyagok „semlegesítéséhez” kell.

176. Mutassa be a hegesztés technológiáját polimerek esetén! Mik a hegesztés feltételei? Csoportosítsa a hegesztés technológiáját a hőátadás módja szerint! Csak a hőre lágyuló polimerek hegeszthetők (lineáris, illetve elágazott óriásmolekulákból állnak). Ezeknél az anyagoknál van arra lehetőség, hogy a molekulák az őket összekötő másodlagos kötések felszakadásával egymás közé diffundáljanak. Polimerek hegesztésénél minél nagyobb szilárdságú, kohéziós kapcsolat létrehozása a cél. A polimerek és fémek jól ismert anyagszerkezeti eltérése azonban számos problémát vet fel. A polimerek hegesztésén kizárólag a hőre lágyuló polimerek olyan kötését értjük, amely hő és nyomás együttes hatására jön létre hegesztőanyag alkalmazásával vagy anélkül. A hegedés létrejöttéhez szabad részecskemozgás, vagyis folyékony halmazállapot szükséges. Ilyenkor a láncmolekulák hőmozgása oly mértékben fokozódik, hogy képes felszakítani az óriásmolekulák közötti szekunder kapcsolatokat (létrejön a Brown-féle makrohőmozgás), ami az anyag folyékony halmazállapotához vezet. A hegesztés feltételei: •

Összeférhető anyagok (közel azonos molekulaszerkezet),

•

Optimális időtartamú, a kellő viszkózus, ugyanakkor rugalmas fizikai állapotokat biztosító hőmérséklet,

•

A hegesztendő felületek molekuláris közelségét és a folyamat optimális lefutását biztosító nyomás megfelelő időintervallumon keresztül,

•

A hegesztett kötés lehűlése a kezelhetőségi állapot bekövetkeztéig.

141

A legfontosabb hegesztési technológiákat három csoportba sorolhatjuk a hőátadás módja szerint: •

hővezetéses,

•

mechanikai súrlódásos,

•

sugárzásos.

177. Mutasa be röviden a hővezetésen alapuló illetve a sugárzásos hegesztés típusokat! Hővezetéssel történő hegesztés esetén fölhevítenek egy testet, és hőjét átvezetik az összeerősítendő alkatrészek kötési helyeire. Mind a hőforrás, mind a hőátadó anyag lehet légnemű, folyékony vagy szilárd halmazállapotú.

142



FORRÓGÁZOS HEGESZTÉS: Az eljárás lényege, hogy a felhevített gázzal a plasztikus állapotig melegítik a hegesztendő felületeket és a hegesztő anyagot úgy, hogy azok molekulaláncai képesek legyenek egymásba diffundálni. A hőátadó közeg általában levegő, azonban ún. inert gázokkal (pl. nitrogénnel, szén-dioxiddal) is lehetséges a hegesztés. A hegesztésre használt gázt elektromosan vagy gázzal fűtött kézi hegesztőkészülékben hevítik fel, és fúvókán keresztül vezetik a hegesztési helyhez



FORRÓGÁZOS EXTRÚZIÓS HEGESZTÉS: A technológia célja nagytérfogatú varratok készítése. Az elv azon alapul, hogy a hegesztő hozaganyagot ömledék formájában juttatják a kialakított varratprofilba. A hozaganyag extrudált pálca formájában kerül a hegesztőgépbe, ahol forró gázáram segítségével előmelegítik, megömlesztik, majd forgó extrúdercsiga segítségével bepréselik a varrattérbe. A plasztikus anyag és a két hegesztendő felületek közötti nyomást csúszó saruval biztosítják, amivel a varratfelület minősége is megbízhatóbb



TÜKÖRHEGESZTÉS: A fűtőelemes tompahegesztés – ami tükörhegesztésként is ismert –, az egyik legfontosabb eljárás műanyagok sorozatgyártásában, illetve nagy tömegben történő hegesztésekor, mert nagy kötések kialakítására alkalmas. Az eljárás alkalmazási területe két fő részre osztható: csőhegesztés (pl.: polietilén, polipropilén) és egyéb termékek hegesztése (pl.: autóiparban üzemanyagtartályok, akkumulátorok, hátsó lámpák stb.).

Sugárzásos hegesztésről van szó azokban az esetekben, amikor a hőenergiát nem valamely szilárd, folyékony vagy gáznemű anyag viszi át hővezetés vagy hőáramlás segítségével, hanem az energiaforrásból kibocsátott sugárzás a hegesztendő testre jutva ott bizonyos mértékben elnyelődik és az ott lévő anyagot megolvasztja. Ebbe a hegesztési csoportba tartoznak az infrasugaras, a nagyfrekvenciás (főként lágy PVC-nél) és a mikrohullámú hegesztések is. 

LÉZERHEGESZTÉS: A fényforrások egy speciális típusa a lézer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = fénykibocsátás indukált emisszióval). Megkülönböztetünk folyadék-, szilárdtest- (pl.: rubin, ND:YAG) és gázlézereket (pl.:CO2). A lézerek fénye monokromatikus (azonos hullámhosszú). A létrejött fényre jellemző a nagyfokú koherencia (szinkronban rezgő hullámokból áll), időbeli és térbeli rendezettség. A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb. Csaknem vonalszerűen, gyakorlatilag párhuzamosan terjed (kis divergenciájú). A lézersugár, mivel energiasűrűsége igen nagy, kiválóan alkalmas különböző anyagok megmunkálására. Az adott felületre jutó energia megválasztásával meghatározhatjuk, hogy vágást, hegesztést, felületmódosítást (pl.: acél felületi edzése), vagy jelölést végzünk. Előnyei a nagy pontosság, a kis hatásterület, nagyfokú rugalmasság, valamint, hogy utólagos megmunkálást nem igényel. A lézersugaras hegesztés szabályozott hőbevitellel, kis deformációval és nagy hegesztési sebességgel történik. Lézerhegesztéskor a hő keltés folyamatában nagy szerepe van az anyag abszorpciós képességének, vagyis annak, hogy a lézersugár teljesítményének mekkora hányadát nyeli el a hegesztendő anyag. Ez az elnyelt energia fordítható a megmunkálás során a darabok megolvasztására. Az abszorbciós képességet használjuk ki polimerek átlapolt, ún. transzmissziós hegesztésénél is. Ez esetben a felső lemez a lézer hullámhosszán áteresztő, az alsó nem, így az energia a kettő érintkezési síkjában fog elnyelődni

178. Mutassa be a mechanikai súrlódáson alapuló hegesztés típusait! Az ebbe a csoportba sorolt eljárások a hegesztéshez szükséges hőt mechanikai vagy villamos energia felhasználásával magában a hegesztett anyagban hozzák létre, tehát semmilyen külső hőforrást nem igényelnek. A szükséges hegesztési hőmérsékletet az összekötendő felületek egymás közti súrlódása kelti. ROTÁCIÓS DÖRZSHEGESZTÉS: A módszer lényege, hogy az összehegesztendő alkatrészek egyike gyors fordulatú forgó mozgást végez, miközben megfelelő nyomással a másik, rögzített (álló) alkatrészhez nyomják. A felületeken keletkező súrlódási hő hatására a felületek ömledékállapotba kerülnek. Ekkor a forgást megszűntetve, a hegesztendő darabokat állandó nyomás mellett lehűtik.

143

VIBRÁCIÓS HEGESZTÉS: Hasonló eljárás a rotációs hegesztéshez, ahol a szükséges hő a súrlódásból származik. Az alkatrészek egymáshoz szorítva apró relatív, transzlációs elmozdulásokkal hőt gerjesztenek. A rezgést elektromágnesek hozzák létre, egy rugókra felfüggesztett eszközön. A mozgást hirtelen leállítva a megolvadt felületek összehegednek. A módszer a nem forgásszimmetrikus darabok hegesztésére alkalmazható, amennyiben az egyes részek néhány fokkal elfordíthatók egymáshoz képest. Az elfordítás helyett a súrlódást excentrikus mozgással, továbbá tengely vagy keresztirányú egyenes vonalú mozgással is létre lehet hozni, ezért ezeknek a kis mozgásokhoz a varratkialakítás során teret kell biztosítani. ULTRAHANGHEGESZTÉS: Ennél az eljárásnál a hegeszthetőség kritériuma a polimer mechanikai rezgéseket csillapító képessége. A csillapítás a rezgési energiát csökkenti, miközben az anyagban hő fejlődik. A mechanikai csillapítás minden hőre lágyuló polimernél olyan nagy, hogy az ultrahang-hegeszthetőség fennáll. Egy ultrahanghegesztő berendezés lényegében két részre osztható: a hegesztő asztal (üllő), és a szonotróda. Az ultrahang frekvenciájú rezgés a következő módon jön létre: egy generátor a hálózati áramot nagyfrekvenciás váltakozó árammá alakítja át, amit a rezgésátalakító (konverter) piezoelektromos anyagok felhasználásával mechanikai rezgéssé alakít át, azaz a váltakozó feszültség hatására periodikusan kitágul és összehúzódik. A rezgés amplitúdója általában túl kicsi a használhatósághoz, így további elem beiktatására van szükség (erősítő:booster). A szonotróda feladata, hogy a rezgéseket továbbítsa a hegesztendő munkadarabba. A lágy termoplasztoknak, mint amilyen a lágy PE és PVC, olyan nagy a csillapítóképességük, hogy ezek a rezgési energiát csak igen rövid távolságra továbbítják, az ultrahanghegesztés ez esetben fóliákra és max. 3-6 mm anyagvastagságra korlátozódik. Az ultrahangot jól vezető polimerek (pl. HDPE, PP, ABS, PA) 6 mm-nél nagyobb lemez, illetve falvastagságok esetén is kitűnően hegeszthetőek.

144