Recyklaty polipropylenowe zyskują na znaczeniu w zastosowaniach o długiej żywotności, co rodzi potrzebę wiarygodnej oceny ich jakości i niezawodności eksploatacyjnej. Instytut Tworzyw Sztucznych SKZ w Würzburgu rozpoczął prace nad nową metodą badawczą opartą na teście strain hardening (SHT), która ma wspierać bezpieczne i przewidywalne wykorzystanie tego typu materiałów. Kluczowe jest tu ilościowe podejście do oceny właściwości recyklatów, ze szczególnym uwzględnieniem mechanizmów zniszczenia istotnych dla poliolefin, w tym odporności na powolny wzrost pęknięć. Zaplanowany projekt ma potrwać dwa lata i jest ukierunkowany na opracowanie metody porównywalnej z już stosowanymi procedurami dla materiałów pierwotnych, a jednocześnie prostej we wdrożeniu w praktyce przemysłowej.
Znaczenie odporności na powolny wzrost pęknięć
W przypadku poliolefin, do których należy polipropylen, odporność na powolny wzrost pęknięć stanowi jeden z kluczowych parametrów projektowych w zastosowaniach długoterminowych. Od właściwego dobrania tego parametru zależy m.in. bezpieczeństwo użytkowania elementów narażonych na długotrwałe obciążenia mechaniczne i środowiskowe. Odnosi się to zarówno do wyrobów konstrukcyjnych, jak i komponentów stosowanych w technice instalacyjnej czy w elementach użytkowych poddawanych stałym naprężeniom. Wprowadzenie recyklatów do takich zastosowań wymaga więc narzędzi pozwalających precyzyjnie ocenić ich zachowanie w warunkach eksploatacyjnych, w szczególności podatność na inicjację i propagację pęknięć w długim okresie.
Instytut SKZ wskazuje, że ilościowa ocena jakości materiału staje się warunkiem koniecznym dla upowszechnienia recyklatów polipropylenowych w wymagających aplikacjach. Badacze koncentrują się na tym, aby opracowana procedura badawcza umożliwiała wnioskowanie o odporności na powolny wzrost pęknięć na podstawie wyników testu strain hardening. Podejście to ma wypełnić lukę pomiędzy klasycznymi metodami badania materiałów pierwotnych a potrzebami wynikającymi z rosnącego udziału surowców wtórnych w strumieniu tworzyw stosowanych przemysłowo.
Test strain hardening jako podstawa metody
Punktem wyjścia dla prac SKZ jest test strain hardening opisany w normie ISO 18488. Metoda ta jest już ugruntowana w odniesieniu do polietylenu pierwotnego stosowanego w aplikacjach rurowych, gdzie służy do oceny właściwości materiału w kontekście długoterminowej niezawodności. Badacze z Würzburga zamierzają wykorzystać doświadczenia z tego obszaru do opracowania porównywalnej, lecz dostosowanej do specyfiki polipropylenu recyklowanego procedury.
W nowym projekcie badawczym test strain hardening ma zostać zaadaptowany tak, aby umożliwiał ilościową ocenę jakości recyklatów polipropylenowych. Obejmuje to zarówno dobór parametrów badania, jak i sposób interpretacji wyników w odniesieniu do mechanizmów zniszczenia typowych dla poliolefin. Projekt zakłada opracowanie metody, która będzie łatwa w zastosowaniu, a przy tym wystarczająco czuła na zmiany właściwości wynikające z różnic w składzie oraz historii przetwórczej materiału.
Badanie wpływu składu mieszanin
Na pierwszym etapie projektu recyklaty polipropylenowe będą symulowane za pomocą mieszanin materiałów o znanych właściwościach. Takie podejście pozwala systematycznie analizować zależności pomiędzy składem a wynikami testu SHT. Jak podkreśla Britta Gerets, starszy inżynier w SKZ, zasadnicze znaczenie ma w tym kontekście wpływ udziałów poszczególnych komponentów mieszaniny na uzyskiwane charakterystyki.
– Nasza główna uwaga koncentruje się na zależności wyników badania od składu i proporcji mieszanin – wyjaśnia Britta Gerets. Ukierunkowana analiza tych zależności powinna umożliwić powiązanie parametrów opisujących przebieg strain hardening z konkretnymi właściwościami materiałowymi. Na tej podstawie planowane jest opracowanie zaleceń dotyczących interpretacji wyników testu w odniesieniu do jakości recyklatów.
Walidacja na recyklatach PIR i PCR
W kolejnym kroku opracowywana metoda zostanie zweryfikowana na recyklatach pochodzenia przemysłowego (PIR) oraz pokonsumenckiego (PCR). Pozwoli to sprawdzić jej przydatność w warunkach zbliżonych do praktyki rynkowej, gdzie materiał charakteryzuje się większą zmiennością składu i historii obróbki niż w przypadku mieszanin modelowych. Walidacja ma obejmować ocenę powtarzalności i czułości metody na różnice jakościowe pomiędzy partiami recyklatu.
Dodatkowo badany będzie wpływ celowego dodatku materiału pierwotnego na odporność na powolny wzrost pęknięć recyklatów polipropylenowych. Celem jest określenie, w jakim stopniu i przy jakich udziałach polipropylenu pierwotnego możliwe jest podniesienie właściwości eksploatacyjnych materiału wtórnego, mierzone za pomocą testu strain hardening. Wyniki tych badań mogą w przyszłości stanowić podstawę do bardziej świadomego projektowania receptur mieszanek zawierających recyklaty.
Opracowanie prostej, ilościowej metody oceny jakości recyklatów polipropylenowych może wspierać szersze wykorzystanie surowców wtórnych w zastosowaniach długotrwałych, przy zachowaniu wymaganych parametrów bezpieczeństwa. Projekt realizowany w SKZ ma na celu zbliżenie praktyki badawczej dla recyklatów do standardów już funkcjonujących w obszarze materiałów pierwotnych, co może ułatwić włączanie tworzyw z recyklingu do bardziej wymagających łańcuchów wartości.
Materiał zmielony, recyklat, folia i próbki do testu strain hardening. (Fot. Luca Hoffmannbeck, SKZ)
