GRÕB PÉTER* egyetemi tanársegéd
1. Bevezetés A világ mûanyag-felhasználása 2006-ban közel 245 millió tonna volt, és ebbõl a poliuretánok 11,7 millió tonnát képviseltek [1], ami a teljes termelés közel 5%-a. Ezzel a tömegmûanyagok mögött a hatodik leggyakrabban alkalmazott mûanyag. A székek, ülõgarnitúrák, fekhelyeink betétje lágy poliuretánhab; háztartási gépeink szigetelése kemény poliuretánhab; autóink sok belsõ és külsõ eleme, továbbá a cipõtalpak integrálhabból készülnek. Nagyrugalmasságú ruháink poliuretán elasztomer selymet tartalmaznak. A poliuretán lakkokat és ragasztókat speciális célokra alkalmazzák. A poliuretánok felhasználásának közel 80%-a különféle hab, melyek fele ún. formahab, amikor a termék egy formaadó szerszámban kapja meg végleges alakját. A reaktív fröccsöntés (Reaction Injection Moulding – RIM) a habosított termékek elõállítására alkalmas módszerek közül a legsokoldalúbb és legdinamikusabban fejlõdõ eljárás annak ellenére, hogy a poliuretán habosítás a mai napig legtöbbször tapasztalatokon alapuló, empirikus technológia. Kevés információnk van a termékek valós habosodási folyamatáról, a kialakuló reakciónyomásról és a reakcióhõrõl, valamint azok irányfüggésérõl, ezért a habosító szerszámok tervezése, különféle szempontok szerinti optimalizálása – alakváltozásra, nyomásbírásra, költségre stb. – elsõsorban tapasztalatokon, becsléseken nyugszik. Ugyanez vonatkozik a terméktulajdonságok – pl. felületi keménység, zsugorodás, moduluszok – és a különbözõ technológiai paraméterek kapcsolatára is. Ennek oka legfõképpen a habosítás technológiájában keresendõ. A poliuretán habosítás során két folyékony komponenst (az izocianát és a poliol) a keverõfejben nagy nyomáson (150–160 bar) összekevernek, majd az elegyet azonnal a szerszámba juttatják, ahol megindul a kémiai reakció. Az expandáló hab elõször kitölti a szerszámüreget, majd elindul a térhálósodás, amely során a termék megszilárdul és elnyeri a kívánt alakot [2, 3]. A végtermék fizikai-mechanikai tulajdonságai nemcsak a kiindulási anyagoktól, hanem a reakció körülményeitõl is erõsen függenek. A poliuretán termék zsugorodási paraméterei kulcs*Budapesti
64
fontosságúak a szerszámtervezéskor, továbbá a mûszaki haladás és a hétköznapi élet azt kívánja, hogy a habosítással kialakított termékek méretpontossága egyre jobb legyen, és a termék tulajdonságait az idõ elõrehaladtával is képes legyen megtartani. A termék felületi keménysége jellemzõ mechanikai, a sûrûsége – mind az átlagsûrûség, mind a sûrûség-eloszlás – pedig jellemzõ fizikai tulajdonsága, amelyek értéke meghatározó a funkció szempontjából. A habosított termékek megbízható gyártásának elengedhetetlen feltétele a feldolgozás-technológia és a fizikai-mechanikai tulajdonságok közötti kapcsolatok pontosabb ismerete. Mindez azért is fontos, mert napjainkban a polimerek feldolgozási technológiái dinamikusan fejlõdnek, folyamatos fejlesztéssel egyre jobb és gazdaságosabb mûszaki megoldások születnek. A reaktív feldolgozási technológiák ezen a téren lemaradtak társaiktól, mert a reaktív fröccsöntés alapvetõen különbözik a hagyományos mûanyag-feldolgozástól. 2. Integrálhabok tulajdonságai és alkalmazásai A teljes poliuretán felhasználás közel 15%-a integrálhab, az ezekbõl készített gyártmányok felületén pórusmentes, tömör héj képzõdik, és a sûrûség a gyártmány magja felé fokozatosan csökken (1. ábra). A sûrûség-eloszlás annál egyenletesebb, minél nagyobb az átlagos sûrûség [2]. Poliuretán lágy- vagy kemény haboknál a hab felületi védelme egy külön mûveletben készített film felvitelével, vagyis szendvicsszerkezet kialakításával érhetõ el. Az integrálhaboknál a zárófilm, a hab héja, a gyártás során képzõdik, vagyis a termékben integrált. Innen ered az elnevezés.
1. ábra. Az integrálhabok sûrûség-eloszlása [2]
Mûszaki Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépszerkezettani Intézet
2009. 46. évfolyam, 2. szám
Mûanyagok vizsgálata
Poliuretán integrálhab termékek autóipari alkalmazása és vizsgálata
Az integrálhabokat keménység szerint három típusra osztjuk [3, 4]: – lágy integrálhabok: cellái nyitottak, héjuk szívós, elasztikus, amely kitûnõ védelmet nyújt a magnak; – félkemény integrálhabok; – kemény integrálhabok, amelyek zártcellás szerkezetûek, ezért hõszigetelõ képességük és akusztikus, továbbá, mechanikai és dielektromos tulajdonságaik kitûnõek, ezért elektronikai felhasználásuk is lehetséges.
2. ábra. Integrálhabok a személygépkocsiban [2]
3. Integrálhabok a jármûiparban Az integrálhabok jármûipari alkalmazása 1973-ban kezdõdött, amikor az amerikai NEMZETI KÖZLEKEDÉSBIZTONSÁGI HATÓSÁG (National Highway Traffic Safety Administration) kötelezõvé tette, hogy az autók elsõ lökhárítójának egy 5 mérföld/órás ütközés esetén nem szabad károsodnia [5]. A korábban alkalmazott fém lökhárítók nem feleltek meg ennek a kritériumnak, így fordult a figyelem a nemfémes anyagok felé. Mivel abban az idõben még nem tudtak lökhárítókat fröccsönteni, így fordultak a reaktív fröccsöntés felé. Azóta az integrálhabok a szárazföldi, a légi és a vízi közlekedésben mind beltéri, mind kültéri elemként használatosak. A személygépkocsikban elõforduló integrálhab termékekre mutat néhány példát a 2. ábra. A külsõ elemek lehetnek különféle díszítõ, „öltöztetõ” elemek, pl. szélvédõ és tetõablak szegély, spoiler (3. ábra), kerékdob bélés, valamint az autó védelme, pl. oldalcsík, elsõ és hátsó lökhárítócsík (5. ábra). Lehetnek továbbá funkcionális elemek is, ilyen pl. a hûtõrács, motortér borítás (5. ábra), csomagtér tálca (6. ábra). Az utastérben használatos elemeknél a funkción kívül a passzív biztonság is megkövetelt, vagyis hirtelen lökésnél (fékezés, ütközés) a keletkezõ energiát flexibilis deformációval fel kell fogni. Ilyen pl. a kormánykerék, amelynek fém vázát 5–10 mm vastag lágy vagy kemény integrálhab réteg borítja, illetve a különféle passzív biztonsági eszköznek számító energiaelnyelõ elemek (7. ábra), amelyek lágy integrálhabból készülnek. Ezen kívül belsõ elem még az integrálhab mûszerfal (8. ábra) és sebességváltó gomb (9. ábra) is. Az ajtóborítások gyárthatók kemény integrálhabból. 4. Poliuretán integrálhabok vizsgálata 4.1. Vizsgálati módszer A poliuretán integrálhabok habosodása során keletkezõ nyomás vizsgálatához kétfészkes, lépcsõs formaüregû kísérleti szerszámot használtam, a nyomásértékeket
2009. 46. évfolyam, 2. szám
3. ábra. Elsõ lökésgátló poliuretán integrálhabból
4. ábra. Színrefújt poliuretán spoiler
5. ábra. Motortér borítás
6. ábra. Csomagtér tálca
65
7. ábra. Energialenyelõ elem
8. ábra. Mûszerfal
18 helyen regisztráltam KISTLER 4079A típusú piezorezisztív elven mûködõ, RIM technológiára kifejlesztett hõ- és nyomásérzékelõ szenzorral. A késõbbiekben meghatároztam a minták felületi keménységét, illetve zsugo9. ábra. Lágy integrálhab rodását. Kísérleteimhez az sebváltógomb ELASTOGRAN KEMIPUR POLIURETÁN SYSTEM KFT. Elastofoam I 4703/100/sch jelû habanyagát használtam, mely rugalmas, 400–800 kg/m3 térfogatsúlyú, 50–90 ShA keménységû integrálhab termékek gyártására alkalmas.
tok szerinti optimalizálása – alakváltozásra, nyomásbírásra, költségre stb. – jelenleg elsõsorban tapasztalatokon, becsléseken nyugszik. Ezért adott technológiai beállításoknál mértem a nyomást az 1–18. mérõhelyeken. Az eredmények felvilágosítást adnak a szerszámban kialakuló nyomás-eloszlásról, ami pontosabbá teheti a szerszám és a szerszámtartó berendezések tervezését. A nyomás idõbeli lefutását a 18 ponton mérve a 10. ábra mutatja. A kék görbe a mérések átlagát, a piros görbe pedig a mérési pontok szórását jelképezi. A 11. ábrán a nyomásfelületek láthatók, a vízszintes tengelyeken a formaüreg x, illetve y irányú mérete (x = 450 mm, y = 150 mm), a függõlegesen pedig a nyomás szerepel bar-ban. A 10. és 11. ábrát elemezve megállapítható, hogy a
4.2. A nyomás vizsgálata A habosítószerszámok tervezése, különféle szempon-
10. ábra. A nyomás változása az idõ függvényében
11. ábra. A nyomás értéke a hely függvényében
66
2009. 46. évfolyam, 2. szám
18 mérési hely között a kialakuló nyomás maximuma és lefutása szempontjából nincsen jelentõs különbség. Ez egyben azt is jelenti, hogy a termék felületén – függetlenül a formaüreg geometriájától – a nyomás és annak idõbeli változása állandó. Ez a megállapítás a termék felületének szélén és közepén is igaz [6]. A technológus számára a nyomás és az átlagsûrûség fontos, ezért a kapcsolatuk sem elhanyagolható. A nyomás alapvetõ a szerszámtervezéshez, a sûrûséget pedig a megrendelõ írja elõ. Az üzemi gyakorlatban a formaüregben kialakuló nyomást a szerszámban habosodó hab és a szabadon habosodó hab sûrûségének a hányadosából számítjuk. A szerszámban habosodó hab sûrûsége a szerszámba befecskendezett anyag mennyiségének és a szerszám térfogatának a hányadosa, a szabadon habosodó hab sûrûsége pedig a habra jellemzõ technológiai paraméter. E kettõ hányadosa adja a szerszámra ható belsõ nyomást. A 12. ábra a becsült és a mért nyomást az átlagsûrûség függvényében mutatja, amibõl egyértelmûen megállapítható, hogy a becsült nyomás mindig nagyobb mint a valós (mért). Ha a poliuretán habosító szerszámokat e becslési formula alapján méretezik, akkor azok nyomás szempontjából túlméretezettek, ami nagyobb méretet és tömeget, továbbá nagyobb anyag- és költségráfordítást jelent [6].
13. ábra. A felületi keménység és az átlagsûrûség kapcsolata. ρ
ShA = 89,99 −178,06·e 116 , 52
4.4. A felületi keménység idõfüggése A poliuretánhab termékek tulajdonságai – hasonlóan a többi polimer termékhez – idõfüggõk. Ezek nagyrészt a gyártástechnológiából következnek: a teljes térhálósodás több idõt vesz igénybe, mint amennyit a termék a szerszámban tartózkodik, így a felületi keménysége és a termék mérete csak bizonyos idõ elteltével tekinthetõ állandónak. A szakirodalomban csak utalások találhatók erre vonatkozóan, a habosítással foglalkozó cégek sem adnak általánosan érvényes összefüggéseket. Következésképpen minden esetben kísérleti úton kell meghatározni a felületi keménység és a zsugorodás változását az idõ függvényében. Ez azért is fontos, mert sem a keménység (ISO 7619), sem a zsugorodás (ISO 2577) mérésére vonatkozó szabvány nem ad erre egyértelmû iránymutatást.
12. ábra. A becsült és a mért nyomás az átlagsûrûség függvényében. p = 0,004ρ – 0,373
4.3. A felületi keménység Félkemény poliuretán integrálhabok esetén a felületi keménység az átlagsûrûségbõl számítható (13. ábra). A keresztek a mért értékeket, a folytonos görbe a regressziós közelítést, a szaggatott görbe a 99%-os konfidenciaintervallumot jelöli [7].
14. ábra. A felületi keménység és az idõ kapcsolata. Felületi −
keménység: 80 ,9 – 24 ,1·e
2009. 46. évfolyam, 2. szám
t 0,2
−
– 28 ,8·e
t 8, 5
67
Így, ha a termékek minõsítése e vonatkozó és hatályos szabványok alapján történik, akkor azok nem szolgáltatnak megfelelõ eredményt, ha nem vesszük figyelembe, hogy ezek az értékek mennyi idõ múlva tekinthetõk állandónak. A felületi keménység változását az idõ függvényében a 14. ábra mutatja. 5 minta mérésének átlagát reprezentáló pontokra a legkisebb négyzetek módszerével illesztettem közelítõ görbét. A t paraméter helyére a gyártás után eltelt idõt órában beírva kapjuk a ShA felületi keménységet, mely 39 óra után már nem változik 0,05%-nál nagyobb mértékben [8]. 4.5. A térfogati zsugorodás idõfüggése A térfogati zsugorodás változását az idõ függvényében a 15. ábrán láthatjuk. Ebben az esetben szintén 5 párhuzamos mérés átlagát jelentõ pontokra fektettem közelítõgörbét.
valamint költség- és idõhatékony szerszámgyártást tesz lehetõvé. Amennyiben ismert az elérni kívánt keménység értéke, akkor az ahhoz tartozó átlagsûrûség meghatározható. Az átlagsûrûség értéke a szerszámba injektált anyagmennyiség és a szerszámüreg hányadosa, ezáltal adott felületi keménységhez a beinjektált anyag mennyisége meghatározható. Az idõfüggõ tulajdonságok kísérleti meghatározása a termékek minõségellenõrzésének idõpontjára ad felvilágosítást, illetve az összefüggésekkel – adott idõpontban mérve – a termék tulajdonságainak várható értéke becsülhetõ. 5. Összefoglalás A poliuretán habok elõállítását nehezíti, hogy gyártástechnológiájuk mind a mai napig döntõen tapasztalatokra alapul, ez igaz mind a habosító szerszámok méretezésére, mind a technológiai paraméterek beállítására, sõt a minõségellenõrzésre is. Összefüggéseket kerestem a poliuretán integrálhabok fizikai-mechanikai tulajdonságai és a gyártástechnológiai paraméterek között, melyekkel a szerszám pontosabban méretezhetõ, a gyártástechnológiai paraméterek helyes megválasztásával a kívánt terméket kaphatjuk, valamint a végsõ minõsítés idõpontját is megadtam, amirõl a szabvány nem rendelkezik egyértelmûen. Ezek segítségével a poliuretán integrálhab termékek elõállítása, valamint minõsítése a jelenleginél sokkal pontosabban és gazdaságosabban történhet. Köszönetemet fejezem ki a komlói Ratipur Kft.-nek, különösen Sipos Tibor tervezõmérnöknek, a mérések során nyújtott segítségért és a cikkben felhasznált fényképekért.
15. ábra. A térfogati zsugorodás és az idõ kapcsolata: 0,046 − 0,024·e
−
t 5, 399
− 0,022·e
−
t 49 , 231
At paraméter helyére a gyártás óta eltelt idõt órában beírva kapjuk a térfogati zsugorodás százalékos értékét. Az illesztés pontosságát jelzõ determinációs együttható: R2 = 0,990. A térfogati zsugorodás 148 óra után nem változik 0,05%-nál nagyobb mértékben az elõzõ értékhez képest [8]. 4.6. Az eredmények hasznosítása A szerszámban ébredõ legnagyobb nyomásra felírt összefüggéssel az átlagsûrûségbõl jól becsülhetõ a habosodáskor keletkezõ nyomás, ezáltal a szerszám teherbírásra való tervezése és optimálása megbízhatóbb alapokon végezhetõ, ami összehasonlítva a jelenlegi méretezési eljárással kisebb befoglaló méretet, kisebb tömeget,
68
Irodalomjegyzék [1] Venacker, P.: Polyurethane, Kunststoffe International, 97, 142–148 (2007). [2] Farkas, F.: Poliuretánok, Kémszám Bt., Budapest, 2004. [3] Randall, D.; Lee, S.: (ed.): The polyurethanes book, John Wiley&Sons, New York, 2002. [4] Oertel, G.: Polyurethane Handbook, Hanser Publishers, Munich, 1994. [5] http://www.nhtsa.dot.gov/cars/problems/studies/Bumper/ Index.html, 2009. január 11. [6] Grõb, P.; Marosfalvi, J.: Investigation of the pressure generated in the mould cavity during polyurethane integral skin foam moulding, eXPRESS Polymer Letters, 2, 511–519 (2008). [7] Grõb, P.: The effects of technological parameters on the properties of PUR integral skin foams, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering (megjelenés alatt). [8] Grõb, P.; Marosfalvi, J.: Integrál poliuretán hab termékek idõfüggõ tulajdonságainak vizsgálata, Mûszaki Szemle, OGÉT különszám, 151–154 (2008).
2009. 46. évfolyam, 2. szám
