Tworzywa sztuczne dzięki swoim bardzo dobrym właściwościom izolacyjnym i niemal nieograniczonym możliwościom kształtowania od dawna są ważnym materiałem podstawowym zarówno w inżynierii mechanicznej, jak i w przemyśle motoryzacyjnym. Jednak stale rosnące wymagania dotyczące odporności termicznej i chemicznej, wytrzymałości mechanicznej, palności oraz zachowania podczas zużycia wymagają wciąż nowych rozwiązań. Wysokowydajne tworzywa sztuczne, takie jak LCP, PEEK, PES i PEI, mogą być stosowane w wielu wymagających zastosowaniach. Są jednak kosztowne, a w niektórych przypadkach bardzo trudne do metalizowania. Jeśli standardowe tworzywa konstrukcyjne lub towarowe zostaną poddane sieciowaniu przy użyciu promieniowania jonizującego, wykazują znacznie ulepszone właściwości pod względem odporności termicznej i chemicznej, pełzania oraz odporności na zużycie. Trwałość modyfikowanych w ten sposób elementów można znacząco wydłużyć. Umożliwia to nie tylko zastępowanie drogich wysokowydajnych tworzyw sztucznych, lecz w wielu komponentach funkcjonalnych, także metalu, i to przy użyciu radiacyjnie usieciowanych, wtryskowych części z tworzyw sztucznych.
Technologia sieciowania radiacyjnego
Do napromieniania tworzyw sztucznych stosuje się zazwyczaj promieniowanie beta z akceleratorów elektronowych o maksymalnej energii 10 megaelektronowoltów (MeV). Podczas napromieniania elektrony w materiale są hamowane, a ich energia jest pochłaniana. W wyniku kaskady elektronów wtórnych w strukturze polimeru zachodzi statystyczne rozszczepienie makrocząsteczek i powstają rodniki, które następnie ponownie łączą się w większe struktury – materiał ulega usieciowaniu. Rezultat: właściwości w ten sposób „uszlachetnionych” materiałów ulegają trwałej poprawie, a wyroby można stosować w bardziej wymagających warunkach. Sieciowanie radiacyjne jest procesem ściśle kontrolowanym. Pożądaną jakość materiału można ustawić i wielokrotnie odtworzyć poprzez odpowiedni dobór dawki promieniowania.
Usieciowane tworzywa sztuczne w praktyce:
Inżynieria mechaniczna i e-mobilność
Zmodyfikowany profil materiałowy oraz dłuższa żywotność radiacyjnie usieciowanych komponentów poszerzają możliwości ich zastosowania również w inżynierii mechanicznej. Wymagania dotyczące materiałów stosowanych w przekładniach i komponentach ślizgowych, takich jak koła zębate, łożyska toczne czy tuleje ślizgowe, nieustannie rosną. Radiacyjnie usieciowane części o lepszych właściwościach trybologicznych, czyli o zmniejszonym zużyciu, niższym tarciu i mniejszej skłonności do pełzania, mogą stanowić ekonomicznie korzystną alternatywę dla metali lub drogich wysokowydajnych polimerów (PEEK, PAI i inne). W wielu zastosowaniach metal można na przykład zastąpić radiacyjnie usieciowanymi, wtryskiwanymi częściami z tworzyw sztucznych z materiałów takich jak PA lub PBT. Elementy złączne, takie jak śruby i nakrętki, różne uchwyty czy klipsy, mogą być wykonywane z poliamidu usieciowanego radiacyjnie zamiast z metalu. Zaletą jest niższa masa oraz niższe koszty produkcji dzięki eliminacji złożonych operacji obróbki metali.
W kontekście rozwoju e-mobilności sieciowanie radiacyjne czyni tworzywa sztuczne stosowane w komponentach elektronicznych, złączach i kablach materiałami konkurencyjnymi, które są w stanie sprostać nowym, bardziej rygorystycznym wymaganiom. Technologia umożliwia dużą elastyczność zarówno w wyborze surowców, jak i w projektowaniu oraz konstrukcji kabli. Usieciowaniu mogą być poddawane nie tylko pojedynczo izolowane żyły, ale także przewody wielożyłowe czy kompletne wiązki kablowe, i to w jednym etapie. Jeżeli na przewodach konieczne jest zastosowanie wrażliwych na promieniowanie izolacji lub folii dzielących i izolujących, możliwe jest usieciowanie wyłącznie zewnętrznego płaszcza. Lekka konstrukcja w samochodach elektrycznych odgrywa ponadto coraz większą rolę, ponieważ pomaga zrekompensować dodatkową masę baterii i komponentów powiązanych. Tworzywa sztuczne są więc już dziś, i pozostaną również w przyszłości, kluczowym materiałem konstrukcyjnym. Sieciowanie radiacyjne umożliwia im spełnienie znacznie bardziej złożonych wymagań w tym środowisku w ekonomicznie efektywny sposób.
Sieciowanie radiacyjne w łańcuchu logistycznym
W ramach łańcucha produkcyjnego sieciowanie radiacyjne stanowi końcowy etap po wytworzeniu części metodą wtryskiwania, wytłaczania lub rozdmuchu – zazwyczaj w formie krótkiego etapu realizowanego u wyspecjalizowanego dostawcy usług napromieniania. Jest to z reguły proces zlecany na zewnątrz, realizowany przed kolejnymi operacjami lub przed ostateczną wysyłką do klienta końcowego. Wiele produktów poddawanych napromienianiu jest elementem produkcji seryjnej, objętej ścisłym harmonogramem w łańcuchu dostaw. Dla producenta i dostawcy oznacza to, że etap obróbki radiacyjnej musi następować płynnie i szybko po samej produkcji. Dużą zaletą modyfikacji promieniowaniem jonizującym jest fakt, że wyroby można po prostym zwolnieniu natychmiast stosować lub dalej przetwarzać – bez konieczności dodatkowych badań, magazynowania czy okresów oczekiwania.
Części sieciowane radiacyjnie a recykling
W trosce o ochronę środowiska wymagania regulacyjne dotyczące tworzyw sztucznych stają się coraz bardziej rygorystyczne. Obecnie na pierwszy plan wysuwa się przede wszystkim ich możliwość recyklingu. Radiacyjnie usieciowane komponenty są wyjątkowo wytrzymałe, dzięki czemu mogą być używane przez bardzo długi czas. Pod koniec ich cyklu życia wchodzą w grę trzy podstawowe sposoby postępowania: recykling materiałowy (fizyczny), recykling surowcowy (chemiczny) oraz recycling energetyczny (termiczny). W recyklingu materiałowym surowce wtórne wykorzystuje się do produkcji nowych elementów z tworzyw sztucznych. Jeżeli odpady produkcyjne zostaną posegregowane według rodzaju i jakości przed procesem sieciowania, można je ponownie wykorzystać w tym samym zastosowaniu. Recykling materiałowy jest możliwy również w obecności dodatków sieciujących (w formie regranulatu). Usieciowane tworzywa można w czystej postaci rozdrobnić i w określonych granicach ponownie domieszać do surowców pierwotnych jako regranulat. Zakres tych dopuszczalnych wartości zależy od konkretnego materiału oraz stopnia usieciowania i musi być każdorazowo indywidualnie zweryfikowany. Jeśli recykling materiałowy nie jest możliwy lub odpowiedni, komponenty usieciowane radiacyjnie można bez problemu przetworzyć metodą surowcową lub poddać recyklingowi energetycznemu (spalić w celu pozyskania energii).
Wnioski
Napromienianie wiązką elektronów poprawia właściwości materiałowe technicznych tworzyw sztucznych i umożliwia ich zastosowanie w produktach, które dotychczas były konstruowane z wysokowydajnych polimerów, a nawet z metali. Niezależnie od tego, czy chodzi o optymalizację istniejących zastosowań, czy o świadome uwzględnienie sieciowania radiacyjnego już na etapie projektowania, możliwości są bardzo szerokie. To otwiera inżynierom konstruktorom przestrzeń do opracowywania innowacyjnych i wysokowydajnych rozwiązań, które jednocześnie spełniają wymagania produktu i rynku.
