Piankowy świat tworzyw

Każdy z nas zapewne nie raz otwierał butelkę napoju gazowanego, takiego jak cola, którą wcześniej wstrząsał. I jak pewnie każdy się przekonał, wystrzeliwała z niej wówczas obfita piana. W zasadzie formowanie wtryskowe pianki działa dokładnie w ten sam sposób. Do surowca dodaje się propelent, który pod wpływem wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury równomiernie rozpuszcza się w materiale. Jeśli do wnęki formy zostanie wtryśnięty roztwór gazowego polimeru pod ciśnieniem, spowoduje to nagły spadek ciśnienia w materiale, mieszanina stanie się przesycona, a rozpuszczony gaz ulotni się, tworząc pianę. Formowanie wtryskowe pianki, w przeciwieństwie do eksperymentu z butelką coli, odbywa się jednak w kontrolowanych warunkach - w końcu chcemy uzyskać działający komponent, a nie bałagan.

Wstępnie o spienianiu

Światowa produkcja tworzyw sztucznych rośnie nieprzerwanie od lat 80. XX w., uzupełniając lub wypierając materiały tradycyjne (w tym stal) w wielu sektorach przemysłu. Jednym z rodzajów tworzyw, które opracowano w celu zaspokojenia potrzeb przemysłu dotyczących zmniejszenia kosztów materiałowych bez utraty właściwości mechanicznych, są tworzywa porowate (pianki i gąbki).

Ogólnie rzecz biorąc, spienianie polimerów termoplastycznych jest procesem topienia tworzywa sztucznego, a następnie dodawania środka spieniającego w celu utworzenia struktury komórkowej w stopionym materiale. Spienione tworzywo sztuczne powstaje w procesie wytłaczania lub formowania wtryskowego. Technologię spieniania wykorzystuje się do produkcji takich części z tworzyw sztucznych, w których wnętrzu znajduje się spieniona struktura komórkowa.

Spienione polimery mogą być wytwarzane za pomocą poroforów chemicznych lub fizycznych. Przeznaczony do spieniania chemicznego (w temperaturze topnienia do ok. 250°C) granulat zawiera najczęściej dodatki porotwórcze zmieszane fabrycznie, które są włączane w procesie produkcyjnym lub dodawane jako przedmieszka, powodując powstawanie dwutlenku węgla lub azotu podczas topienia, w efekcie czego tworzą się pęcherzyki. Takie granulaty można przetwarzać na maszynach bez skomplikowanych dodatkowych systemów.

W przypadku spieniania fizycznego, które jest również odpowiednie dla wyższych temperatur, do stopu podczas wytłaczania lub formowania wtryskowego wtryskiwane są odpowiednie porofory gazowe. Dzięki temu można otrzymać materiały porowate o szerokim zakresie gęstości pozornych, najczęściej od 15 do 1000 kg/m3. Najbardziej popularnymi tworzywami, które można spieniać są: poliuretany, polistyreny, poli(chlorek winylu), polietyleny, polipropylen, kauczuki naturalne, kauczuk butadienowo-styrenowy. Także tworzywa konstrukcyjne poddaje się spienianiu: polimetakryloimidy, silikony, polietery sulfonowe i kompozyty. Kluczowe zastosowania obejmują przemysł obuwniczy, zabawkowy, motoryzacyjny, logistyczny, lotniczy, opakowaniowy i budowlany.

Tworzywa porowate można podzielić na elastyczne (gdy matryca polimerowa jest elastomerem lub kauczukiem), giętkie (gdy matryca polimerowa jest elastomerem, np. plastyfikowanym PVC, LDPE, PU) i sztywne (matrycą jest PS, nienasycone estry, żywice fenolowe, poliuretany).

Spienianie tworzyw termoplastycznych jest często stosowane ze względu na interesujące właściwości fizyczne i technologiczne przetworzonego w ten sposób materiału. Do zalet tego typu tworzyw należą m.in.: zmniejszenie masy wyrobu, mała gęstość, oszczędność kosztów i materiałów, bardzo dobre właściwości termoizolacyjne i tłumiące, zmniejszenie skurczu materiałowego, zwiększenie sztywności czy możliwość nowych zastosowań otrzymanego produktu. Nie są one jednak pozbawione wad. Należy tu chociażby wspomnieć o takich kwestiach, jak mniejsza wytrzymałość mechaniczna, skomplikowane przetwórstwo czy często negatywny wpływ na środowisko.

Spienione tworzywa termoplastyczne zawierają pęcherzyki, które albo pozostały nienaruszone podczas przetwarzania (pianka o zamkniętych komórkach), albo zostały połączone ze sobą (pianka o otwartych komórkach). Specjalnym rodzajem pianek zamknięto komórkowych są pianki integralne - produkowane najczęściej metodą wtrysku. Mają one gęstą, stabilizującą powłokę zewnętrzną, którą można również pomalować, np. zwiększając liczbę i wielkość bąbelków. Wszystkie typy są lekkie, izolują termicznie oraz tłumią dźwięk i wibracje mechaniczne. Pianki o otwartych komórkach mogą także absorbować ciecze i gazy.

Procesy spieniania tworzyw sztucznych często opierają się na konwencjonalnych środkach spieniających, takich jak fluorowęglowodory (HFC) lub węglowodory. Coraz bardziej rygorystyczne kontrole regulacyjne ograniczają lub zakazują stosowania takich związków ze względu na ich wysoki potencjał globalnego ocieplenia (GWP) i potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ODP). Dlatego wielu producentów pragnie zastąpić lub wycofać te środki. Gazy przemysłowe mogą być bezpiecznym dla środowiska sposobem wspierania strategii wycofywania. Dwutlenek węgla jest doskonałą, ugruntowaną alternatywą dla tych szkodliwych czynników. Stanowi idealny fizyczny środek porotwórczy do spienionych polimerów przeznaczonych do zastosowań takich jak izolacja budynków (np. płyty izolacyjne XPS) oraz opakowania (np. te wykonane z pianki PE o dużej gęstości). Dwutlenek węgla łączy niski GWP i zerowy ODP z dobrą kompatybilnością z tworzywami sztucznymi. Ponadto jego użycie zapewnia znaczne korzyści finansowe.

Metody spieniania w procesie wytłaczania tworzywa

Przykład spieniania lotnymi cieczami

Jako środki spieniające stosowane są węglowodory, które są łatwopalne i dlatego podczas procesu należy stosować regulacje ogniowe. Następuje tu rozpuszczenie lotnego węglowodoru w polistyrenie i wytworzenie oraz formowanie perełek EPS, które obejmuje wstępną ekspansję, stabilizację perełek oraz właściwe formowanie - perełki po umieszczeniu w formie są podgrzewane, po czym następuje ekspansja do finalnego kształtu.

Zaletą tej metody jest m.in. możliwość otrzymania produktu o bardzo małej gęstości i niskich kosztach, ponadto istnieje opcja wykonania małych i dużych profili, a koszty formy plus innych narzędzi z aluminium są umiarkowane. Do wad zaliczyć można np. trudności w otrzymywaniu detali o cienkich ściankach i dobrej powierzchni; dodatkowo wybór żywic jest ograniczony i występuje konieczność wprowadzenia w formy pary.

Przykład spieniania przy pomocy wysokociśnieniowych gazów

Polistyren oraz inne termoplasty można spieniać metodą wtrysku gazu bezpośrednio do stopionego polimeru. Proces polega na umieszczeniu polimeru niezawierającego środków spieniających w wytłaczarce, do której pod ciśnieniem wprowadzany jest gaz. Ekspansja następuje, gdy materiał jest pod ciśnieniem atmosferycznym, ale przed chłodzeniem - na końcu wytłaczania. Zaletą jest możliwość uzyskania produktów o bardzo niskich gęstościach, np. 0,03 g/cm3 lub mniejszych i własnościach mechanicznych lepszych od EPS. Dodatkowo proces można prowadzić w sposób ciągły, a koszty końcowe nie są wysokie. Wadą natomiast jest to, że proces jest trudny do kontroli i wymaga nakładów na specjalistyczne maszyny, w których spotyka się trudność w optymalizacji parametrów procesu wytłaczania.

Płyny nadkrytyczne (SCF) - proces MuCell

Proces MuCell został opracowany w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w latach 90. ubiegłego wieku, a następnie rozwinięty przez Trexel. Powstawanie pianki MuCell bazuje na termodynamicznej niestabilności płynów nadkrytycznych, wtryskiwanych do stopionego polimeru pod odpowiednim ciśnieniem. Wybór środków spieniających zależy od rozpuszczalności i zdolności do dyfuzji w polimerze, a ich ilość musi zapewnić homogeniczne zarodkowanie dużej liczby komórek. Najlepsze wyniki osiągane są przy komórkach o rozmiarze mniejszym niż 50-100 mikronów i gęstości zarodkowania 108 komórek/cm3.

Otrzymywanie pianek strukturalnych w procesie wtrysku tworzywa

Pianki strukturalne otrzymuje się w procesie wtrysku. Stosowane są specyficzne maszyny do wtrysku, pozwalające na wprowadzenie gazu do stopionego polimeru. Pod wpływem obniżającego się ciśnienia, w formie następuje indukcja ekspansji gazu. Można również stosować chemiczne środki spieniające; w tym przypadku wykorzystywane są standardowe maszyny do wtrysku. Użycie środków spieniających pozwala na otrzymywanie pianek o mniejszej masie i redukcję kosztów surowców, jednak projektanci muszą weryfikować koszty procesowe, aby uzyskać produkty o wystarczająco dobrych własnościach.

Otrzymywanie pianek metodą wtrysku ma wiele zalet. Metoda ta nadaje się dla większości polimerów termoplastycznych, m.in. ze względu na całkowitą automatyzację. Umożliwia wytwarzanie dużych profili (większych niż 40 kilogramów), ponadto zazwyczaj uzyskuje się wyroby o dobrze wykończonej powierzchni. Wadą metody są trudności w optymalizacji parametrów formowania - skurcz czy wypaczenia są często trudne do przewidzenia w otrzymywaniu profili o małej grubości. Przykładowymi problemami związanymi ze stosowaniem środków spieniających są:

• następcze spienianie - część usuwana z formy może kontynuować pęcznienie. Rozwiązaniem może być niższa temperatura procesu, która jednocześnie nie skróci czasu chłodzenia
• słoniowa skóra - szorstka, chropowata powierzchnia pojawia się często pod koniec spieniania, co świadczy o zbyt niskiej temperaturze formowania
• wypaczenie (wygięcie części ścian na zewnątrz lub do środka) - jest spowodowane zbyt wysoką temperaturą i ciśnieniem wtrysku (powstaje również przy niedostatecznym schłodzeniu)
• puste przestrzenie - rozwiązaniem w tym przypadku jest podniesienie temperatury topnienia i obniżenie prędkości wtrysku
• zwiększona kruchość - rozwiązaniem może być zmniejszenie ilości środka spieniającego lub zmiana typu stosowanego środka spieniającego.

Ciekawostka

Naukowcy z Northwestern University i BASF pracują nad napisaniem na nowo historii jednej z najpowszechniejszych na świecie form tworzyw sztucznych - pianki poliuretanowej. Trwały materiał, znajdujący się w produktach codziennego użytku od materaców po buty, po zużyciu często trafiał na wysypiska śmieci z powodu braku lepszej opcji.

Teraz, dzięki odkryciu przełomowego procesu recyklingu pianki w piankę, w którym stosuje się bardziej ekologiczne katalizatory, piankę poliuretanową można ponownie wykorzystywać w przyszłości.

W przypadku tradycyjnego recyklingu tworzyw polimerowych proces polega na stopieniu tworzywa sztucznego, a następnie odlaniu go w celu uzyskania nowego zastosowania. Jednakże procesu tego nie można wykorzystać do bardziej złożonych i trwałych usieciowanych polimerów, obejmujących piankę poliuretanową, którą można również znaleźć w izolacji z pianki natryskowej, wnętrzach samochodów i wielu rodzajach odzieży. Dichtel i jego zespół opracowali metodę recyklingu i zmiany kształtu istniejących produktów z pianki poliuretanowej poprzez osadzenie w materiale nowego, nietoksycznego katalizatora na bazie cyrkonu, w celu nadania mu kształtu w wysokiej temperaturze, co ostatecznie umożliwi przekształcenie go w nowe tworzywo sztuczne. Naukowcy dodali także porofor, który wytwarza nowe pęcherzyki gazu zamykane w plastiku w miarę zmiany jego kształtu. W wyniku tego procesu starą piankę poliuretanową, która zwykle byłaby używana tylko raz, poddaje się recyklingowi i przekształca w nową część piankową.

Podsumowanie

Spienione materiały znalazły szerokie zastosowanie w budownictwie, chłodnictwie i produkcji opakowań, dzięki swojej budowie komórkowej oraz bardzo dobrym właściwościom izolacyjnym. Innym ważnym aspektem jest możliwość wykorzystania tworzyw spienianych jako alternatywy dla popularnych materiałów, takich jak aluminium czy drewno, które są droższe i trudniej obrabialne. Spienianie pozwala także modyfikować własności fizyczne i mechaniczne materiału. Dzięki temu można m.in. uzyskać lepszą izolacyjność termiczną oraz akustyczną w stosunku do materiału niespienionego. Obniżona gęstość materiału wpływa na zmniejszenie masy wyrobu, co poprawia na ogół jego walory użytkowe i redukuje koszt produkcji. Czynnikami ograniczającymi rozwój materiałów porowatych są natomiast mniejsza wytrzymałość mechaniczna, skomplikowane przetwórstwo oraz względy ekologiczne (niektóre środki spieniające wywierają szkodliwy wpływ na warstwę ozonową w ziemskiej atmosferze).