SZILÁRD HABOK Pórusos anyagok
Dr.László Krisztina Fizikai kémia és Anyagtudományi Tanszék Mikola Monika Terezia Vegyészmérnök MSc, Anyagtudomány szakirány 2016.11.07.
Tartalom 1
Bevezetés........................................................................................................................ 2
2
Habosítási technológiák ................................................................................................. 3
3
Komfort és műszaki célú habok ..................................................................................... 4 3.1
Komfort célú habok ................................................................................................ 4
3.2
Műszaki célú habok ................................................................................................ 4
3.2.1
Polietilén (PE) habok előállítása...................................................................... 4
3.2.2
Poliuretán (PUR) habok előállítása ................................................................. 5
3.2.3
Fémhab előállítása ........................................................................................... 8
3.2.4
Gumihab ........................................................................................................ 12
4
Polietilén habok további fejlesztése, tanulmányozása ................................................. 12
5
Poliuretán habok további fejlesztése, tanulmányozása ................................................ 13
6
Konklúzió ..................................................................................................................... 15
7
Irodalomjegyzék ........................................................................................................... 16
1
1 Bevezetés A habokról túlzás nélkül állítható, hogy a változatos tulajdonságuk miatt, a műanyagok között, a legsokoldalúbb anyagok, felhasználhatóságukat is tekintve. Széles sűrűség és lágyságtartomány jellemzi, melyek a kiindulási alapanyagok függvényében lehetnek: kemények, lágyak, merevek és rugalmasak. Haboknak, azokat az anyagokat tekintjük, amelyek pórustartalma eléri legalább az anyag 50%-át, ezek az üregek sok kis buborék formájában vannak jelen, amit celláknak nevezünk és a köztük levő fal lehet folyadékból vagy szilárd anyagból, most az utóbbi eset fennállását vizsgáljuk1. A habok szerkezetének kialakítását a természet inspirálta, a természetben előforduló cellás szerkezetű anyagok tulajdonságait kihasználva alkották meg és fejlesztették tovább. Ilyen a természetben fellelhető: fa, bambusz, csontok, tengeri szivacsok, emberi- és állati csontozat. Szilárdság/tömeg aránnyal nő a porozitás, így a felhasznált anyagmennyiség csökken, vagyis könnyű, de erős anyagot kapunk, így kerültek az anyagtudományi kutatások fókuszává a mesterséges habok, melyek ezen a tulajdonságokon túl, jó hőszigetelő, energia- és hangelnyelő előnyökkel is jár. A műanyag szilárd habok csoportosíthatóak kémiai felépítésük szerint, ahol két nagy csoportot különböztetünk meg: poliészter-poliolbázisú habok (más néven: észter habok) és poliéterpoliolbázisú habok (más néven: éter habok). Egy másik csoportosítási mód, reaktivitásuk szerint: hidegen keményedők és termoreaktívak. Gyártástechnológia alapján, a habokat szakaszos és folytonos technológiával lehet előállítani, illetve a technológia jellege szerint –lehet- formahab, öntött és szórt hab, tömbhab. A habok tulajdonságait meghatározza: kémiai összetevők, cellafalak vastagsága, szilárd anyag/levegő arány, cellamembránok koncentrációja (légáteresztő képesség). A polimer (műanyag) habokat, habosítási technológiákkal állítják elő. A habot lehet készíteni hőre lágyuló vagy térhálós polimerből és a hab szerkezete lehet nyitott- vagy zárt cellás. A habokat kétfázisú rendszerek alkotják: rendezetlen eloszlású és változó méretű légbuborékok a polimer mátrixban. A következő fejezetekben itt csak a címszavakban említett témákat foglaltam össze és igyekeztem egy átfogó képet adni a szilárd habokról és a kutatásuk, fejlesztésük aktuális helyzetéről.
2
1
2
Habosítási technológiák
A habot képező gáz előállítása szerint hét fő habosítási eljárást különböztetünk meg2: Kémiai habosítószerek (CBA,Chemical Blowing Agent) - 0,25 – 1 t% koncentrációban keverik a polimerhez, szárazon fröccsöntés, extrudálás vagy egyéb művelet során, ahol hő hatására a kémiai habosítószer elbomlik, miközben CO, CO2, N2 vagy NH3 gázok fejlődnek; ilyenek az azovegyületek pl. azobiszformamid (ABFA), azodikarbonamid (AZ). Általánosan elmondható, hogy a kémiai habosító vegyületek 110 °C-tól akár 400 °C-on bomlók is lehetnek. Gázinjektálás – során nagy nyomású N2-t vagy egyéb gázt használnak az ömledék állapotban levő polimerbe. Amikor a polimer az extruder szerszámból, a fröccsöntő szerszámba kerül, lecsökkentik a nyomást, a polimerben a nagyobb nyomású gáz kitágul és kialakul a habszerkezet, amihez szükséges gócképző vegyület, hogy biztosítsa a buborékok biztos kialakulását. Gázfejlesztés a polimerizáció során is történhet. A tömör poliuretánhoz kismértékű izocianát felesleget és kis vizet adva a poliolhoz, CO2 gáz fejlődik és kialakul a habszerkezet a poliuretánban. Ez az eljárás környezetbarátabb, mint a kémiai habosítók alkalmazása. Gázképződésen alapuló módszer, poliuretánoknál használt technológia, ahol a poliol és izocianáthoz alacsony forráspontú, nagy viszkozitású folyadékot kevertetnek, mint a klórmentes Freon, pentán. A polimerizáció során felszabaduló reakció hőt a folyadék elgőzölögteti, így megalkotva a habszerkezetét a poliuretánnak és ha egyenletesebb póruseloszlásra lenne szükség, még szilikon olajat (felületaktív anyagot) adnak hozzá. „Habverés” – kaucsuk latex előállításánál alkalmazzák ezt a technológiát. A háztartási habverés műveletéhez hasonlóan, mechanikusan levegőt kevertetnek a kolloid polimer latex anyaghoz. A keletkezett habot kivulkanizálják. Adszorpciós módszer – finom eloszlású adalék anyagot, pl.korom, adnak a polimer felületére, ennek következtében jelentős mennyiségű gázt kötnek meg a felületen és melegítés hatására az adszorbeált gáz felszabadul és kialakul a pórusos szerkezet. Habosítható gyöngyök-et a polisztirol habgyártásnál alkalmaznak, alacsony forrpontú folyadékot, pentánt adnak, közvetlenül a sztirol szuszpenzió polimerizációjakor, majd a polimert adják hozzá, az így kapott termék, apró, különálló gyöngyökből áll, ahonnan az eljárás is kapta a nevét. Ha felmelegítik a polimert, a pentán gőzei majd felhabosítják azt.
1 2
http://www.admatis.com/femhab.htm Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimer alapjai
3
3
Komfort és műszaki célú habok
3.1 Komfort célú habok Ezek a legáltalánosabb, ismert habok, melyek felhasználása a háztartásban és a kárpitos iparban a legjelentősebb. A legkönnyebb habokat, háztartási célokra használják, míg a nagyobb sűrűségű habokat ülő és fekvő bútorok párna anyaga, illetve a matracok alapanyaga. A komfort érzet növelése, a használatból származó kényelemmel együtt nő, ilyen kényelmi funkciót töltenek be a lágy habok, mellyel pl a párnák felszínét puhítják. Viszont a támasztó funkciót, a kemény habok töltik be, amit gyakran a kárpitosipar, csomagolóipar és építőipar használ ki. A normál-, lágy- és kemény típusok kombinálásával, pedig számos az ipari felhasználhatósága és sokrétű alkalmazási lehetőséget biztosít. Konkrét alkalmazások: Eurofoam által gyártott komfort habok: - bútoriparnak: normál-, lágy-, kemény-, rugalmas-, égésgátolt-, heterogén habtípusok - egészségügy: normál-, kemény-, rugalmas-, viszkoelasztikus- és speciális habtípusok - csomagolóipar: normál-, kemény- és heterogén habtípusok - sport: heterogén habtípusokat nyújt.3
3.2 Műszaki célú habok 3.2.1
Polietilén (PE) habok előállítása A polietilén hab egy környezet (PE csomagolások, visszaforgathatóak a megfelelő
rendszerrel)- és bőrbarát, egészségre veszélytelen, nagyon rugalmas anyag, ami számtalan formában és felhasználási területen nyújt kényelmet és biztonságot az embereknek. A szivacsként, habszivacsként ismert anyag, ezen a felhasználási területtől jelentősen eltérhet a felhasználása más területeken, figyelembe véve a deformálódás, vízfelszívás és vízáteresztés, valamint a fizikai behatásokkal szembeni kisebb ellenálló képességét.4 Keresztkötéses vagy térhálósított polietilén habként is nevezik, ha térhálósított molekulák alkotják a polimert, amelyek további merevséget kölcsönöznek az anyagnak és erő hatására, gyorsan visszanyerik eredeti formájukat. Emellett a PE habot egységesen zárt cellaszerkezet és szilárdság jellemzi.5 2
3
http://www.eurofoam.hu/habtipusok/komfort-celu-habok/ http://polifoam.hu/wp-content/uploads/2014/05/polifoam_wiki.pdf 5 https://www.matsmatsmats.com/gymnastics/polyethylene-vs-polyurethane.html 4
4
A térhálós molekula annyit jelent, hogy a molekula egyes pontjain sokkal inkább rögzített, erős kötésekkel, melyek szerves oldószerben nem oldódnak és hőre keményednek. A molekula térhálósítása történhet fizikai vagy kémiai úton. Kémiai térhálósítás során az egyenes szénláncú molekulákból elválaszthatatlan, erős kötésekkel jellemezhető elágazó láncú molekulát kapunk. Így kapnak kiváló minőségű PE és EVA kopolimereket.6 A habosítás gázinjektálással történik, ami hatására buborékos szerkezet alakul ki. A habosítás lehet kémiai (pl. a már említett szerves azovegyületek, karbonátok) vagy fizikai (illékony szerves vegyületekkel, pl.propán) habosítás.7 A PE habból, polimerizációval, adalékanyag hozzáadás és extrudálással, főleg lágy és kemény hablemezeket, habcsíkokat, csőhéjakat, alátéttapétákat készítenek, ezen kívül tág a felhasználási területe: háztartási eszközök, építőipar, elektronika, csomagolóipar, sport,- és szabadidőipar, autóipar, akusztika, repülőgépipar.6 PE hab előnyös tulajdonságai: - anyagában színezhető, - jó párazáró képesség, - rugalmas, - kiváló hőszigetelő, - kis sugár mentén is hajlítható, - vízfelvevő tulajdonsága zérus, - könnyen vágható, alakítható, - jó vegyi ellenálló képesség, rovarok, rágcsálók nem támadják meg, baktériumokkal szemben is ellenálló.8
3.2.2
Poliuretán (PUR) habok előállítása Poliuretán habok puhábbak, nyílt cellás szerkezetűek és különböző keménységgel
állíthatóak elő. Nyílt celláinak köszönhetően sokkal lágyabbak és az üreges szerkezetében a levegő és fluidumok áramolhatnak, így jobb hatékonyságú az energia elnyelésük, viszont nem nyeri vissza hamar az alakját, mint a PE.9 Poliuretán habok előállítása poliaddícióval valósul meg és szükséges a már említett izocianát, poliol és habosítószer, amiből lágytól kemény habig minden gyártható. A primer anyagokat erősen kevertetik, majd szakaszos eljárás esetén, formaadó szerszámba adagolják, míg folytonos eljárásnál szállítószalagot alkalmaznak, mint 1. ábrán látható: 3
6
http://polifoam.hu/wp-content/uploads/2014/05/polifoam_wiki.pdf http://www.polifoam.hu 8 Miskolczi N.: Műanyagok feldolgozása 9 https://www.matsmatsmats.com/gymnastics/polyethylene-vs-polyurethane.html 7
5
1. ábra: Folyamatos poliuretán hab gyártása ((1) monomerek és habosítószer, 2) részleges habosodás, 3) szállítószalag, 4) teljes habosodás, 5) alsó formaleválasztó fólia, 6) oldalsó formaleválasztó fólia, 7) keverőfej, 8) gázáteresztő felső fedőlap, 9) térfogatkiegyenlítő készülék (habvastagság szabályozás))10 4 Az 1. ábrán ábrázolt folyamatos PUR hab gyártásánál a monomereket és a habosítószert egy keverőfejjel adagolják a szállítószalagra, ami felett egy gázáteresztő fedőlap van egy térfogatkiegyenlítő készülékkel, aminek a célja, hogy a hab vastagságát meghatározza. PUR habosításánál, izocianát és a víz között lejátszódó reakció eredményeképp CO2 képződik, ami hatására kifejlődik a habos szerkezet. Más habosítóanyagot vagy adalékanyagot, csak akkor adnak hozzá, ha adott tulajdonsággal rendelkező habot szeretnének kapni.11 A poliuretán habok két fő összetevője, az izocianát (főleg a toluilén-diizocianát (TDI) és difenil-metán-diizocianát (MDI) használatos) és a poliol (pontosabban a poliészter és poliéter típusa), a petrokémiai ipar kőolaj finomításából származó maradékot alkotja, amit a 2. ábra is jól szemléltet. A poliol, min a neve is jelzi, egy többfunkciós alkohol, amit propilén oxidból nyernek és a hab merevségét/lágyságát adja. A poliol, hidrogénes vegyület lévén, könnyen fog reagálni az izocianáttal, de persze a reakció beindítására egyéb katalizátorokat, stabilizátorokat is használhatnak adott tulajdonság kedvező hatását növelve, mint az égésgátló hatás növelése érdekében, szín, antibakteriális védelem, antisztatikus hatás növelése. 12 A nyers kőolaj 95%-át üzemanyag előállításra használják és a maradék 5%-ot képező izocianát és poliol segítségével állítják elő a PUR habot, amelyből ha kemény habot gyártanak, tömböket és lemezeket állítanak elő hőszigetelés céljából. A lágy habok felhasználása elterjedtebb, mivel a tömbök feldolgozásával és formahabosítással a matracipar, bútoripar és autóipar igényeinek is megfelel. Szórt PUR hab előállítása, főleg az autóipar számára fontos.
10
Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimer alapjai Miskolczi N.: Műanyagok feldolgozása 12 http://www.eurofoam.hu/habtipusok/ 11
6
2.ábra Különböző keménységű PUR habok előállítása135 Konkrét poliuretán hab előállításának kivitele: - az alap- és segédanyagokat keverőfejbe juttatják, homogén reakcióelegyet kapva, amit egy folyamatosan előre haladó konvejorra öntik, ahol elkezdődik a habosodás, CO2 és hő keletkezése mellett. Ez a habképződés általában egy percig tart és további egy percet kell várni arra,, hogy a hab elérje azt a szilárdságot, hogy kezelhető legyen. A habtömb ez idő alatt megnő, akár 1 m magasra is. Majd a konvejorról származó hosszú (50m) tömbhabot még 12-24 óráig érlelik, amíg a térhálósodási reakciók befejeződnek és a polimer anyaguk eléri a végső kívánt tulajdonságokat.14 Poliuretán hab egyéb előnyös tulajdonságai:- sav ellenálló, - lúg ellenálló, - szerves oldószer ellenálló, - építészeti ipar is gyakran használja, palackozott kivitelben van, ahol levegő hatására kezdődik el a habosodás, majd a szilárdulás és hézagok, üregek betömítésére használják.15
13,14 15
http://www.eurofoam.hu/habtipusok/habszivacs-bemutatasa/ Miskolczi N.: Műanyagok feldolgozása
7
3.2.3
Fémhab előállítása A kerámia és polimer habok mellett, nagy teret kezdett el meghódítani magának a fém,
cellás szerkezetű anyagok, innovatív és kezdetleges technológiával rendelkezik, de az is biztos, hogy gyors lesz az ipari fejlődése, ezt támasztják alá a piaci trendek előrejelzése, a 1. diagramon és a tudományos kutatások elterjedése ezen a területen, amit a 2. diagram ábrázol16:
1. diagram: Innovációs és piaci trend alakulása fémhab esetén17 Az 1. diagram a fémhab innovációs piacát mutatja az évek függvényében. A trend egyértelműen azt mutatja, hogy érdemes a gyártásával, fejlesztésével foglalkozni és a téma nagyon is aktuális, bár a jelentősebb, ugrásszerű piacnövekedés 2020 után várható.
2. diagram: Fémhab alapú témák tudományos és publikációs cikkek száma18 6
A 2. diagram az évre lebontott publikációk számát mutatja. Az összes publikációhoz viszonyítva, 2000-es évektől ugrásszerűen megnőtt a fémhab témájú cikkek száma, az összeshez viszonyítva, ez egy 25%-os növekedést jelent a 2009-es évig.
16
http://www.admatis.com/femhab.htm Aluminiumschaum, Aluminium – Merkblätter, Aluminium-Zentrale e. V. ISBN3-87017-259-2 18 L.P.Lefebvre: Status and recent developments on porous metals and metallic foams in North America 17
8
A fémhab alapanyagai lehetnek: cink, acél, magnézium, titán, alumínium, nikkel. A fémhabokat típusuk szerint: nyitott és zárt cellás szerkezetük alapján osztják fel. A nyílt cellás hab nagy üregei révén könnyen átjárható, így főként szűrőként használják és katalitikus hordozóként, a fajlagos belső felülete miatt. Nyílt cellás szerkezetű fémhab képe látható a 3. ábrán:
4. ábra: Zárt cellaszerkezetű fémhab19
3. ábra: Nyílt cellaszerkezetű fémhab18
Mint a 4. ábrán is látható, a zárt cellás fémhabok pórusai válaszfallal el vannak választva, nem átjárhatóak, így szigetelőként és energia elnyelésre alkalmas, illetve szerkezeti tartóelem funkciót is betölthet.20 Így a zárt cellás fémhabok alkalmazásuk miatt elterjedtebbek, így példaként a zárt cellás fémhabok előállítási módjait mutatnám be, amit az 5. ábra is vázlal:
5. ábra: Zárt cellás fémhab gyártási eljárások szemléltetése217
18,19
Alexander Sviridov: Leichtbau mit Aluminiumschaumsandwich Prozessketten zur Herstellung von Bauteilen 20 http://www.admatis.com/femhab.htm 21 J. Banhart, D. Wearie, On the road again: metal foams find favor
9
Az 5. ábra alapján a zárt cellás fémhab gyártást a habképzés módszere alapján, két nagy csoportba osztják: olvadék közvetlen habosítása és indirekt habképzés prekurzor segítségével. Olvadék közvetlen habosítása esetén, 3 eljárás ismert. Az első eljárás neve: Hydro/Alcan/LKR-HKB, ahol kerámiaszemcséket adnak az olvadékhoz- stabilizálás céljából, majd külső gázforrást alkalmazva alakul ki a cellás, zárt szerkezete az anyagnak. A Gasar eljárás lényege, hogy oldott gázt alkalmaznak. A következő eljárás neve: Alporas, oxid képződik az olvadékban, így lesz stabilis, ezután habképző adalékot adnak hozzá a végső forma kialakulása érdekében. Az Alporas habosítás lényege, a 6. ábra alapján, a habnövekedés, 680°C-on kezdődik, 1.5 m/m% Ca-al, amihez 1.6 m/m%-os TiH2 adnak, a habosodási reakció végéhez érve, lehűtik azt és felaprítják.
6. ábra Alporas habosítási technológia22 Indirekt habképzés prekurzor segítségével, történhet Foaminal/Alulight eljárással, amikor is oxidok képződnek a kompaktált porban és habképző adalékot adnak hozzá. A másik módszernél, Formgrip, a habképző adalékon kívül, kerámiaszemcsék hozzáadása is szükséges, hogy az olvadékhoz adják, a stabilizáció kialakulásáért felelősek.
6. ábra: Fémolvadék habosítása stabilizáló részecskékkel238
22,23
http://www.admatis.com/femhab.htm
10
A 6. ábrán a fémolvadékot közvetlen, gázbefúvással habosítják. A fémolvadék már tartalmazza a stabilizáló részecskéket. A gázbefúvó térből a hab, a konvejtor szalagára kerül, ahol megszilárdul és vágásra kerül. Az 5. ábrán bemutatott zárt cellás fémhab gyártási eljárások közül, az indirekt habképzés prekurzorral, elterjedtebb, ahol a szilárd porhoz habképző adalékot adnak, majd formákba öntik. Az eljárás hátránya, hogy egyenetlen felszín keletkezik és előállításuk költséges. A 6. ábrán bemutatott közvetlen fémolvadék habosításnál, a hab külső alakja nem tagolt, mivel előzőleg nem volt formába öntve, csak a szalagra került a habtermék, így az ebből származó felületminőség nem feltétlen lesz megfelelő és ezek utókezelés költséges. Így egy kedvező eljárás olyan paraméterekkel kell rendelkezzen, mint hogy a hab formázható legyen, cella eloszlása egyenletes legyen és jó minőségű felületet lehessen előállítani vele, pl. az Admatis magyar kutatócsoport ennek a fejlesztésével is foglalkozik.249 Konkrét példa fémhab innovatív gyártására: Aluinvent Zrt., akik innovatív, környezetbarát és energia hatékony alumíniumhab termék gyártását célozták meg. Az általuk gyártott ALUHAB termék, homogén cellamérettel rendelkezik, 3 μm méret alatti részecskéket tartalmazó ömledékből készül,
ahol
„hangos
fúvóka”
technológiával
történik
a
buborékoltatás,
0,5-10
mm
mérettartományú buborékok képződésével. Az ötvözet végső összetételét és cellaszerkezetét, röntgentomográfiával (CT) és egyéb mechanikai, analitikai vizsgálatoknak teszik ki. ALUHAB paraméterei: - 1g/cm3 sűrűségű ALUHAB esetén, a szakító-, nyomószilárdsága 40-80 MPa, hajlítószilárdsága 170 MPa-t is elérheti. -
Maximális tömbméret: 50x180x1200 mm3,
-
2-50 μm közötti Al2O3 részecskék,
-
hab sűrűsége: 0,2-0,5 g/cm3.
ALUHAB előnyös tulajdonságai: - egységes, apró cellaméret, ultrakönnyű, - nagy fajlagos szilárdság, - hegeszthető, nem gyúlékony, megmunkálható, - energiaelnyelő, korrózióálló, - újrahasznosítható. Igény szerint kerámia részecskeerősítő kompozitot is készítenek alumínium ötvözetből.25
24 25
http://www.admatis.com/kompetenciak_anyagtudomany.html http://www.aluinvent.com/hu/
11
3.2.4
Gumihab
Gumihab, főleg az autóiparban használatos, ami szintetikus gumi jellegű habot jelent. Szintetikus gumi jellegű habokat a következő alapanyagok és keverékei alkothatják: etilén propilén dién monomer (EPDM), butadién sztirol kaucsuk (SBR), butadién nitril kaucsuk (NBR), poli-vinil-klorid (PVC), kloroprénkaucsuk (CR). A gumi habok további alkalmazása: rezgéscsillapításra,
tömítésként,
járófelületek,
csúszásmentes
padlózat
kialakításához,
26
zajcsökkentésre.
A gumihabok fő tulajdonságai közé sorolható: kifejtett erő hatására, bár gyors az alakváltozás, kevésbé maradandó, így a környezete hatásait jól bírja, magas hőmérsékleteket is kibír, kitűnő ózon és UV ellenálló képessége van, jó elasztikus tulajdonságú a kaucsuk miatt és kopásálló.26 Leggyakrabban a félig zárt és zárt cellás EPDM elterjedt, de más gumihabok gyártása is gyakori; példák az 1. táblázatban, az Eurofoam cég gyártási sorából: Megnevezés
Testsűrűség (kg/m3) 75-175 95-130
Tulajdonságok
EPDM zárt cellás mikro cellás EPDM félig zárt közepesen zárt cellás cellás PVC/NBR/CR 90-130 zárt cellás (elegyek) Neoprén (NR, 100-400 zárt cellás, nem természetes UV és ózon gumihab) ellenálló 1. táblázat: Eurofoam által gyártott gumihabok és fizikai jellemzői2710
4
Polietilén habok további fejlesztése, tanulmányozása A „New foams from Zotefoams” (2003) publikáció alapján, Zotefoams létrehozott két új,
sűrűbb térhálósított polimert,a Neolene LH, polietilén alapú habot, ami 100-140 kg/m3 sűrűségű és Neolene EH-t, amit EVA-ból állítottak elő, és 140-170 kg/m3 sűrűséggel rendelkeznek. A tesztek azt mutatták ki, hogy alakíthatóak a habok, mivel hőformázással és vákuumformázással tömöríthetőek és így nő a szakító erő is. C. S. Pereira és társai szerint, az ilyen jellegű habok, orvosi célokra is szolgálhatnak majd, például: szilárd szövetek-, csont pótlására.27 Marcello G. és társai (2007) az alacsony sűrűségű PE-t (LPDE) vizsgálták használt PE (post –use PE) felhasználásával. A p-PE-t tartalmazó hab öntvényeket pásztázó elektron
25,26 27
http://www.eurofoam.hu/habtipusok/ C.S.Pereira et al.: „ New foams from Zotefoams”
12
mikroszkóppal vizsgálták, amivel meg tudták határozni a cella és üregek méretét. A különböző 15, 30, 40, 50 m/m%-ú p-PE használata esetén, nem volt morfológiai elváltozás látható a nem használt PE habhoz képest, csak 70 m/m% p-PE-t tartalmazó habminta esetén, mivel itt nem jött létre elegendő kis, cella habosodás során. A jellemző, növekedett cellák átmérője <850 μm2 és az üregek mérete <60 μm alatti volt. Marcello G. és társai szerint, egy 70 m/m% alatti p-PE és 5% azodikarbonamidból már előállítható olyan PE hab, amit a csomagolóipar fel tudna használni.28 11
X.M.Hu et al. polietilén glikolt (PEG) addicionáltak a fenol-urea-formaldehid habokhoz és vizsgálták a mechanikai-, termikus tulajdonságuk, szerkezetük és égésgátló hatásuk megváltozását. A 2 m/m% PEG hatására, a fenol-urea-formaldehid habok merevsége elérte az optimálisat. A hab porlasztási hatásfoka 2 m/m% volt és a tömörítés erőssége elérte az 1.9 kJ/m2. A PEG-et tartalmazó hab mikroszerkezete jelentősen megváltozott, a PEG-et nem tartalmazó fenol-urea-formaldehig habhoz képest; a cellák átmérője és fal vastagsága egyre kisebb lett, ahogy a PEG dózist növelték. A PEG tartalmú hab hőmérsékleti stabilitása enyhén csökkeni fog, a nem módosított habhoz képest, addig égés esetén, PEG habra kapott magas THR, HRR és TSR értékek, azt mutatták, hogy égésre hajlamosabbak lettek, az égésgátló tulajdonságuk csökkent.29
5
Poliuretán habok további fejlesztése, tanulmányozása Mark Briffa és társai a PUR hab anyagok gombás fertőzéssel szembeni hatásait
tanulmányozták. Tanulmányuk során arra jutottak, hogy a térhálósított PUR habok használhatóak levegő szűrőként. De fontos paraméter az egy inchre eső pórusok mennyisége (optimális esetben, legyen: 50-90 PPI) és a hab vastagsága (kedvező esetben: 15-20 mm). A poliuretán hab anyagú szűrő előnyei közé sorolták, hogy a hőmérsékletnek és a relatív nedvességnek itt nincs hatása a szűrés hatékonyságára.30 Maria Kuranska és Aleksander Prociak (2016) a repceolaj alapú poliolok hatását vizsgálták, a kemény PUR hab habosítása során. A repceolajjal helyettesíthető, a petrokémiai iparból származó kőolaj származékú poliolok, így egy zöldebb, környezetbarátabb módszert kapunk a biopoliolok alkalmazásával. A kutatás során megállapították, hogy a repceolaj alapú poliol szintén hatással van a habosítási folyamatra, kemény PUR hab esetén, pontosabban, ha növeljük a biopoliol mennyiségét, a hab sűrűsége csökkeni fog.31
28
Marcello G., et al: Morphological Analysis of Polyethylene Foams with Post-use Material Incorporated X.M.Hu et al: Effect of polyethylene glycol on the mechanical property, microstructure, thermal stability, and flame resistance of phenol–urea–formaldehyde foams 30 Mark Briffa et al.: Evaluation of polyurethane foam materials as air filters against fungal contamination 31 Maria K. and Aleksander P.: The influence of rapeseed oil-based polyols on the foaming process ofrigid polyurethane foams 29
13
Lukasz Piszczyk et al. 2014-ben a kemény poliuretán habok, poliglicerol alapú poliolból való előállítását vizsgálta. Azzal, hogy a kemény PUR habok gyártása során, poliglicerolt használtak, sikerült növelni vele a polimer fizikai és termikus tulajdonságait. Továbbá arra a konklúzióra jutottak, hogy ha 70 m/m%-os poliglicerolt használtak, az már befolyásolta a cellaszerkezetét a habnak, mivel csökkentették a zárt cellák számát. Emellett azt is megállapították, hogy ha a poliglicerol m/m%-a meghaladja a 35-öt, akkor már jelentősen nőtt a habanyag hőmérsékleti tulajdonságai.3212 Meng Zhang et al. (2014) tanulmányban, módosított repceolaj alapú poliolt (MCOs) használtak a poliuretán hab előállításánál és minta fizikai, termikus és égésgátló tulajdonságait vizsgálták. Az eredmény egyértelműen arra mutatott rá, hogy a módosított repceolaj alapú poliolnak jobb termikus stabilitása lett a poliéter poliol 4110 és a ciklopentánnál, mint a PS-3152 esetén. Így ha PUR hab előállításánál megfelelő MCOs puha és kemény részecskék eloszlásával készült, jobb fizikai és hővezetési tulajdonságai lettek, mint a PS-3152 alapú hab esetén. MCOs tartalmú habok, magasabb hőmérsékleti stabilitással rendelkeztek a pirolízis során, így sikerült hőállóbb PUR habot megalkotni.33
32
Lukasz Piszczyk et al.: Rigid polyurethane foams from a polyglycerol-based polyol Meng Z. et al: Study of the mechanical, thermal properties and flame retardancy ofrigid polyurethane foams prepared from modified castor-oil-basedpolyols 33
14
6
Konklúzió
A habokról nem túlzás azt állítani, hogy az élet szinte minden területén előfordulnak és kapcsolatba kerülünk velük, ez köszönhető mind a változatos tulajdonságainak: a hőtűrés, UV és ózon védőképességüknek, ütés – és kopásállóak, tartó elemként szolgálhatnak, hőszigetelő, rezgéscsillapító, zajcsökkentő és energiaelnyelő tulajdonságokkal is rendelkezhetnek; mind annak, hogy különböző sűrűségű, szilárdságú habok állíthatóak elő, főként polimerizációval és poliaddícióval. A szilárd habok szerkezetét a természet inspirálta, a természetben előforduló cellás szerkezetű anyagok tulajdonságait kihasználva alkották meg és fejlesztették tovább. Az esszében bemutatott összes hab (polietilén hab, poliuretán hab, gumihab, fémhab) közül elmondható, hogy a legnagyobb fejlődés a poliuretán- és fémhabok terén történt és valószínűleg a jövő évekre nézve is a publikálás fő témái lesznek, innovatívabb és zöldebb technológiát megvalósítva általuk, a környezetszennyezést is csökkenteni fogják egyéb pozitív hatások mellett.
Ezt támasztja alá az általam irodalmazott utóbbi évek forrásai, mint a poliuretán hab előállítása repceolaj alapú poliolból vagy a módosított repceolaj alapú poliolból vagy a polietilén hab gyártásánál már a használt, hulladék PE felhasználása.
15
7 Irodalomjegyzék Alexander Sviridov, 2011: Leichtbau mit Aluminiumschaumsandwich Prozessketten zur Herstellung von Bauteilen Aluminiumschaum, Aluminium – Merkblätter, Aluminium-Zentrale e. V. ISBN3-87017259-2 C. S. Pereira, M. E. Gomes, R. L. Reis, A. M. Cunha 2003: "New foams from Zotefoams", Pigment & Resin Technology, Vol. 32 Iss: 5 , Emerald Group Publishing Limited Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J. 2007: A polimertechnika alapjai, Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ Kiadó, 13.4 fejezet http://polifoam.hu/wp-content/uploads/2014/05/polifoam_wiki.pdf http://www.admatis.com/femhab.htm http://www.admatis.com/kompetenciak_anyagtudomany.html http://www.aluinvent.com/hu/ http://www.eurofoam.hu https://www.matsmatsmats.com/gymnastics/polyethylene-vs-polyurethane.html
J. Banhart, D. Wearie 2002: On the road again: metal foams find favor, Physics Today L.P.Lefebvre, John B., David C.D. 2008: Status and recent developments on porous metals and metallic foams in North America, Advanced Engineering Materials 10(9), 77-787 Łukasz P., Michał S., Magdalena D., Aleksander H.,Jozef T. H. 2014: Rigid polyurethane foams from a polyglycerol-based polyol, European Polymer Journal 57 143–150 Marcelo G. A., Renan D., Ademir J. Z., Mara Z. 2007:Morphological Analysis of Polyethylene Foams with Post-use Material Incorporated, Polymer Bulletin 59, 83–90
Maria Kuranska, Aleksander Prociak 2016: The influence of rapeseed oil-based polyols on the foaming process ofrigid polyurethane foams, Industrial Crops and Products 89 182–187
Mark B., Stephen D., Jean-Pierre B., Joseph N. G., Ruben G., Vasilis V. 2017: Evaluation of polyurethane foam materials as air filters against fungal contamination, Food Control 73 91-100
16
Meng Z., Hui P., Liqiang Z., Lihong H., Yonghong Z. 2014: Study of the mechanical, thermal properties and flame retardancy ofrigid polyurethane foams prepared from modified castoroil-basedpolyols, Industrial Crops and Products 59 135–143 Miskolczi N. 2012: Műanyagok feldolgozása, Pannon Egyetem Kiadó, Hőre lágyuló anyagok című fej. X. M. Hu, D. M. Wang W. M. Cheng , G. Zhou 2014: Effect of polyethylene glycol on the mechanical property,microstructure, thermal stability, and flame resistance of phenol–urea– formaldehyde foams, J Mater Sci 49:1556–1565
17
