Problem zawartości wilgoci w tworzywach

Zawartość wilgoci w granulkach polimerowych musi być kontrolowana, ponieważ jest to ważny aspekt produkcji wysokiej jakości wyrobów. Absorpcja wilgoci może wpływać na stabilność wymiarową tworzywa sztucznego podczas procesu formowania, co prowadzi do zmian w rozmiarze i kształcie formowanych części.

Właściwa zawartość wilgoci w żywicach polimerowych zapewnia bezproblemowe mieszanie i formowanie wtryskowe, gładkie powierzchnie i idealne właściwości mechaniczne formowanych wtryskowo części. Podnoszenie temperatury nie rozwiązuje problemu wilgoci w tworzywach sztucznych. Wręcz przeciwnie, może spowodować więcej szkód niż korzyści. Skuteczne zarządzanie wilgocią wymaga odpowiednich metod suszenia i narzędzi, które zapewniają precyzyjną kontrolę poziomów wilgoci w surowcach.

Absorpcja wilgoci może powodować niedokładności wymiarowe i odkształcenia części, co prowadzi do odchyleń od określonych specyfikacji i czyni je niezdatnymi do zamierzonego zastosowania. Obecność wilgoci może powodować zmiany w lepkości stopu, zachowaniu przepływu i szybkości chłodzenia, co prowadzi do niespójności w procesie formowania i skutkuje wahaniami wymiarów i właściwości części.

Główne problemy

Nadmierna wilgoć w tworzywach sztucznych może prowadzić do różnych problemów, które bezpośrednio wpływają na produkcję.

• Wady w produktach gotowych - pęcherzyki powietrza pojawiają się, gdy wilgoć paruje podczas przetwarzania, osłabiając strukturę produktu i potencjalnie powodując uszkodzenia. Aby ustalić przyczynę porów, wystarczy zaobserwować, czy pęcherzyki w produkcie z tworzywa sztucznego pojawiają się natychmiast po otwarciu formy lub po schłodzeniu. Jeśli pojawiają się natychmiast po otwarciu formy, jest to głównie problem z materiałem. Jeśli pojawiają się po schłodzeniu, jest to problem z formą lub warunkami formowania wtryskowego.
• Zmiany koloru są wynikiem reakcji chemicznych wywołanych wilgocią, co powoduje, że przezroczyste lub kolorowe produkty tracą swój pożądany wygląd.
• Kruche zachowanie jest powszechnym skutkiem niewłaściwego suszenia, co zmniejsza wytrzymałość mechaniczną gotowych produktów.
• Wzrost kosztów produkcji - wilgoć w surowcach generuje dodatkowe odpady. Niektóre materiały mogą stać się nieużyteczne, co zwiększa koszt jednostkowy produkcji. W skrajnych przypadkach wady są wykrywane dopiero po zakończeniu produkcji, co prowadzi do odrzucenia całych partii wyrobów.
• Zaburzenia w procesie produkcji - nadmierna wilgoć wpływa również na wydajność maszyn do formowania wtryskowego i wytłaczarek. Para wodna może gromadzić się w maszynach, powodując awarie. Przestoje w produkcji spowodowane tymi problemami generują dodatkowe koszty operacyjne.

Jeśli materiał nie zostanie dobrze wysuszony przed wtryskiem, podczas uplastyczniania tworzywa dochodzi do jego reakcji z wodą. Reakcja hydrolizy prowadzi do zmian w strukturze cząsteczkowej tworzywa. Wyroby, które zostaną wykonane w takich warunkach, mają znacznie gorsze własności fizyczne. Dotyczy to głównie spadku wytrzymałości na udarność i rozciąganie.

Tworzywa mogą gromadzić wodę na kilka sposobów. Nie wdając się w zbyt głębokie rozważania o charakterze naukowym, dla potrzeb technologii przetwórczych istotne są 3 rodzaje wilgotności: wilgotność powierzchniowa, wilgotność kapilarna, wilgotność cząsteczkowa.

Duża część tworzyw, jak np. PS, PVC, PE, PP, nie ma własności higroskopowych i woda może się znaleźć niemal wyłącznie na ich powierzchni. Większość ma jednak własności higroskopowe (ABS, PA, PC, PET) i woda może penetrować do ich wnętrza, zarówno granulatu jak i płyt lub kształtek, ale o tym była mowa w artykule z poprzedniego roku.

Rodzaje wilgotności

Wilgotność cząsteczkowa, to woda powiązana z substancją tworzywa na poziomie subkapilarnym, cząsteczkowym. Mówiąc o wilgotności, musimy rozróżniać wilgotność bezwzględną i względną, zarówno tworzywa jak i powietrza, na etapie przechowywania i suszenia, a więc:

• wilgotność bezwzględną tworzywa N_b określamy wg wzoru: N_b = [(m_s-m_d) : m_d] × 100%, gdzie: m_s - tworzywo mokre, a m_d - tworzywo suche
• wilgotność względną N_w tworzywa określamy z wzoru: N_w = [(m_s-m_d) : m_s] × 100%, gdzie: m_s - tworzywo mokre, a m_d - tworzywo suche
• dla powietrza wilgotność bezwzględna "f" wyniesie: F_b = m_w : V, gdzie: m_w - masa wody zawartej w 1 dm³ powietrza
• wilgotność względna F_w wyniesie: F_w= (e : E) × 100%, gdzie: e - aktualne ciśnienie pary wodnej w powietrzu, E - maksymalne ciśnienie pary wodnej w powietrzu w danej temperaturze.

W procesie, któremu towarzyszy podwyższona temperatura, jak np. w technologii wtrysku, termoformowania, rozdmuchiwania itp., zawarta w tworzywie woda gwałtownie paruje i wydobywa się na zewnątrz. Ponieważ czas operacji technologicznych jest zwykle krótki - część wody zostaje uwięziona w tworzywie w stadium pęcherzykowania, co powoduje powstawanie "bąbli" na powierzchni i częściowo wewnątrz tworzywa, co oczywiście dyskwalifikuje produkt.

Podczas przetwarzania tworzyw technicznych zawarta w nich wilgoć nie może więc przekraczać wartości dopuszczalnych (odsyłam do artykułu o suszeniu tworzyw). Ilość wilgoci zależy od różnych czynników np.: rodzaju opakowania, magazynowania, itp. Przykładowo granulat poliamidu w dużej części pakowany jest w worki ze specjalną warstwą z aluminium, dzięki której możliwe jest ograniczenie przenikania wilgoci do tworzywa, a tym samym prawidłowe przetwarzanie surowca. Tak więc zachowując odpowiednie warunki techniczne (czas składowania, odpowiednie zabezpieczenie napoczętych i uszkodzonych opakowań) możemy wpływać na wielkość zawilgocenia. Niektóre tworzywa, takie jak PET czy PBT, są bardzo wrażliwe na wilgoć, której obecność w dużym stopniu pogarsza własności mechaniczne wyrobów. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na to, iż po procesie suszenia tworzywo szybciej wchłania wilgoć i dlatego należy odpowiednio obchodzić się z już otwartymi opakowaniami. W niekorzystnych warunkach klimatycznych, w przypadku PET-u już w ciągu 10 minut kontaktu tworzywa z powietrzem może zostać przekroczona dopuszczalna wartość wilgoci (0,02%). Szczególną uwagę należy zwrócić na suszenie materiału występującego w postaci proszku. Tutaj nie wystarczają już zalecane czasy suszenia. Przykładowo, całkowicie nasycony poliamid potrzebuje czasu suszenia dłuższego nawet niż 12 godzin.

Problemy z pomiarem zawartości wilgoci

W tworzywach wilgotność jest uważana za istotny parametr, dlatego dokładne pomiary są ważne dla produkcji tych materiałów i zapewnienia jakości ich procesu. Jednakże, gdy te tworzywa sztuczne są formowane lub przetwarzane z zawartością wilgoci wykraczającą poza dopuszczalny zakres, mogą wystąpić wady strukturalne lub wizualne, które są uważane za poważny problem. Innym równie ważnym czynnikiem jest dogłębne zrozumienie zawartości wilgoci, ponieważ niektóre polimery mają tendencję do degradacji, gdy są formowane na mokro, co prowadzi do pogorszenia właściwości materiału. Chociaż dostępnych jest kilka akceptowanych metod określania zawartości wilgoci w materiałach z tworzyw, większość konwencjonalnych technik ma swoje wady, a głównymi problemami są dokładność i szybkość.

Tradycyjnie zawartość wilgoci w tworzywach sztucznych ustalano za pomocą miareczkowania Karla Fischera (ASTM D 6869) lub metod wykorzystujących próżnię i ciepło w celu usunięcia wilgoci aż do osiągnięcia stałej masy. Z drugiej strony, techniki te nie tylko są czasochłonne, ale również w dużym stopniu zależą od stabilności termicznej i równowagowej zawartości wody w polimerze. Oznacza to, że ważne jest upewnienie się, że cała wilgoć obecna w surowcu została wykryta i skutecznie wyekstrahowana, a wszelkie inne produkty, które mogą wydostać się z tworzywa sztucznego, nie zostały pomylone z wodą podczas podgrzewania polimeru.

Najczęściej zawartość wody około 1%-2% wagowo można bezpiecznie określić za pomocą pieca próżniowego w temperaturach, w których szybkość parowania jest odpowiednio wysoka, ale niższa niż temperatura rozkładu polimeru. Proces ten jest najczęściej przeprowadzany podczas testowania warunków suszenia przed formowaniem wtryskowym. Czasami można użyć szeroko liniowego NMR do ustalenia frakcji wodnej, ale tę metodę należy skalibrować. To samo dotyczy wyników NIR lub IR uzyskanych z folii plastikowych.

Problemy z wilgocią w nylonie

Jako przykład problemów związanych z formowaniem polimerów, zdolność i tendencja nylonu do pochłaniania wilgoci stanowią stałe wyzwanie. W przypadku nylonu wilgoć może wpływać na szereg właściwości polimeru, które kolejno wpływają na stabilność wymiarową, przetwarzalność, właściwości akustyczne, mechaniczne, chemiczne, elektryczne i optyczne, a ostatecznie na wydajność produktu. W nylonie wilgoć zachowuje się jak plastyfikator, aby zmniejszyć wiązanie i splątanie między cząsteczkami, a tym samym zwiększyć ich ruchliwość i objętość.

Nylon zanieczyszczony wilgocią ma niższą temperaturę zeszklenia (T_g), co ułatwia zachodzenie dodatkowej krystalizacji. W ten sposób zwiększona zawartość wilgoci może powodować ekstremalne zmiany w zachowaniu materiału pod obciążeniem; na przykład może zwiększyć ciągliwość i zmniejszyć sztywność i wytrzymałość. W odpowiednim czasie wprowadza to zmiany we właściwościach materiału i potencjalnie skutkuje produktami poniżej normy.

Produkcja tworzyw sztucznych - z czym należy się zmierzyć

Przed każdym cyklem produkcyjnym producenci tworzyw sztucznych ostrożnie suszą granulki, co oznacza, że muszą okresowo sprawdzać zawartość wilgoci, aż do osiągnięcia akceptowalnych poziomów. Dlatego długie czasy testów wilgotności są poważnym problemem, ponieważ prowadzą do kosztownego i wydłużonego czasu całego procesu.

Bilanse wilgotności na podczerwień to szybkie techniki, których można używać do określania wilgotności, chociaż ukończenie procesu może zająć 20 minut lub więcej. Możliwe jest również zamontowanie dedykowanych czujników optycznych w suszarkach peletowych, ale są one kosztowne, wysoce wyspecjalizowane i wymagają ciągłej kalibracji.

Zostały opracowane specjalne analizatory oparte na podczerwieni, wykorzystujące kombinację zastrzeżonych i opatentowanych technologii, aby zapewnić powtarzalne wyniki i kontrolowane ogrzewanie w ciągu około 5 minut bez konieczności wstępnego nagrzewania komory, umożliwiające precyzyjny pomiar niskiego poziomu wilgoci w granulkach z tworzyw. Alternatywna metoda zajmie od 5 do 8 godzin, wykorzystując techniki bezpośredniego pieca. Taki analizator umożliwia bezpośrednią analizę wilgoci, a zatem nie wymaga kalibracji, w przeciwieństwie do innych technik spektroskopowych, do tego jest szybszy i oferuje lepszą dokładność i precyzję. Może szybko zbadać wiele tworzyw sztucznych pod kątem wilgoci ze średnią różnicą poniżej 0,003% w porównaniu z techniką pieca powietrznego. Ostatnie badanie na tym analizatorze objęło 5 całkowicie różnych rodzajów tworzyw sztucznych, takich jak nylon, guma, ABS, polipropylen i poliwęglan. Wyniki wykazały ścisłą korelację z wynikami zawartości wilgoci uzyskanymi w piecu, ale w ułamku czasu, tj. 5 minut zamiast zwykłych 5 do 8 godzin.

Norma

Obecnie najdokładniejszą metodą testowania zawartości wody na świecie jest metoda Karla Fischera. Została ona przyjęta przez wiele międzynarodowych norm, takich jak ISO, ASTM, DIN, BS i JIS. Powszechne normy testowe ISO 15512, ISO 15512, SH/T 1770.

Zasada testu Karla Fischera jest bardzo prosta, tzn. zmiana masy jest mierzona poprzez reakcję SO₂, jodu i wody w odczynniku chemicznym. Może ona obiektywnie odzwierciedlać całkowitą zawartość wody w próbce.

Norma ISO 15512 podaje znormalizowaną strategię określania zawartości wilgoci w tworzywach sztucznych, umożliwiając producentom i inżynierom artykułów zagwarantowanie jakości materiału i spójności wykonania. Norma ISO 15512 nie ma zastosowania do wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych, zwłaszcza tych wyjątkowo przepuszczalnych lub zawierających znaczne ilości niestabilnych składników innych niż woda. Norma ta może oceniać zawartość wilgoci w cienkich foliach i arkuszach z tworzyw sztucznych stosowanych do pakowania i innych zastosowań. Strategia testowa oferuje 2 podstawowe wybory pozwalające na usunięcie wilgoci z próbek plastiku:

• Technika A - Suszenie w eksykatorze: Próbki umieszczane są w eksykatorze, stałej komorze zawierającej materiał pochłaniający wilgoć, który zatrzymuje wilgoć z ogólnego klimatu. Eksykator jest utrzymywany w określonej temperaturze i czasie.
• Technika B - Suszenie w piecu: Próbki umieszcza się w wentylowanym piecu utrzymywanym w kontrolowanej temperaturze przez określony czas. Ta technika jest w dużej mierze szybsza niż suszenie środkiem pochłaniającym wilgoć, jednak może być mniej odpowiednia dla tworzyw sztucznych wrażliwych na ciepło.

Oszacowanie zawartości wilgoci: Zawartość wilgoci w próbce/próbkach jest sprawdzana poprzez pomiar jej ostatniej masy w stosunku do masy podłoża i podzielenie różnicy przez masę podłoża.

W każdym razie sama zawartość wilgoci nie da pełnego obrazu. Dodatkowe czynniki mogą mieć wpływ na wyniki eksperymentów i należy je wziąć pod uwagę dla dokładnego zrozumienia.

• Wielkość próbki i matematyka: wielkość i stan próbek testowych mogą wpływać na szybkość i stopień odprowadzania wilgoci podczas suszenia. Norma wskazuje określone aspekty ograniczające te odmiany.
• Temperatura i czas suszenia: wybrana temperatura i czas suszenia mogą mieć wpływ na ilość usuniętej wilgoci.
• Właściwości materiału: właściwości wewnętrzne tworzywa sztucznego, takie jak hydrofilowość, mogą mieć wpływ na zdolność tworzywa do zatrzymywania wilgoci.

Ocena zawartości wilgoci: Podczas gdy test ISO 15512 podaje ilościowy udział zawartości wilgoci, dodatkowe procedury mogą dostarczyć trochę wiedzy na temat składników wilgoci z tworzywami sztucznymi. Strategie te mogą obejmować:

• Miareczkowanie Karla Fischera: Ta naukowa metoda daje niezwykle precyzyjną ocenę zawartości wilgoci w szerszym zakresie materiałów, w tym tworzyw sztucznych. Jest ona szczególnie cenna w przypadku materiałów o niskim poziomie wilgoci.
• Różnicowa kalorymetria kontrolna (DSC): Strategia ta pozwala na identyfikację obecności wilgoci poprzez oszacowanie strumienia intensywności związanego z jego zanikaniem podczas kontrolowanego cyklu ocieplenia.
• Grawimetryczna sorpcja oparów (GVS): Ta metoda mierzy różnicę mas w materiale, gdy pochłania lub desorbuje wilgoć w kontrolowanych warunkach wilgotności. Zapewnia ona istotne informacje na temat izotermy sorpcji wilgoci w plastiku, która opisuje, w jaki sposób zawartość wilgoci zmienia się wraz z wilgotnością względną.

Konsolidując informacje testowe ISO 15512 z danymi z tych integralnych metod, badacze i specjaliści ds. materiałów uzyskują pełne zrozumienie tego, jak wilgoć łączy się z różnymi tworzywami sztucznymi. Norma ISO 15512 jest powszechnie stosowanym i znormalizowanym podejściem do określania zawartości wilgoci w tworzywach sztucznych. W każdym razie, nie jest to jedyna dostępna technika.

Odwilżanie

Tworzywa można osuszyć albo odwilżyć. Odwilżacze do tworzyw działają przy użyciu specjalnego granulatu, który w sposób odpowiedni wchłania powstałą wilgoć, a także zapobiega powstawaniu nieestetycznych smug, które mogłyby wpłynąć na wygląd końcowego produktu. Suszenie materiału przy użyciu odwilżaczy jest najskuteczniejszą formą pozbycia się nadmiaru wody. Ideą zastosowania odwilżacza do tworzyw, podobnie jak suszarki, jest dostarczenie do układu plastyfikującego granulatu w postaci gwarantującej uzyskanie wyrobu o bardzo wysokiej jakości i nieposiadającego żadnych wad. Stosowanie materiałów o własnościach higroskopijnych, pochłaniających wilgoć na wskroś (nie tylko powierzchniowo), wymaga zastosowania urządzenia umożliwiającego skuteczny jej odbiór.

Podsumowanie

Wady związane z wilgocią stanowią poważne wyzwanie w formowaniu wtryskowym, wpływając na jakość, spójność i wydajność produktu. Wdrażając proaktywne środki, takie jak właściwe przechowywanie żywicy, wstępne suszenie, monitorowanie wilgotności i zoptymalizowane warunki przetwarzania, można skutecznie ograniczyć ryzyko związane z wilgocią i zapewnić produkcję wysokiej jakości części formowanych wtryskowo. Ostatecznie opanowanie zarządzania wilgocią jest niezbędne do osiągnięcia spójnych wyników i spełnienia rygorystycznych standardów jakości w operacjach formowania wtryskowego.

Dzięki skutecznej kontroli wilgoci w całym procesie formowania producenci mogą minimalizować wady i optymalizować wydajność produkcji.