Tworzywa do zadań specjalnych

Mianem tworzyw konstrukcyjnych określa się grupę materiałów charakteryzujących się wysokimi parametrami mechanicznymi, stabilnością wymiarową, odpornością na większość substancji chemicznych oraz na zużycie. Nowoczesne tworzywa konstrukcyjne posiadają cechy, które przewyższają właściwości tradycyjnych materiałów polimerowych. Popularne tworzywa konstrukcyjne to termoplasty techniczne, które można z powodzeniem wykorzystać jako alternatywę m.in. dla metalu czy ceramiki.

Na tle takich tworzyw jak PE, PP czy PVC, stosowanych często np. w branży opakowań, konstrukcyjne tworzywa sztuczne wybierane są w przypadku wyższych wymagań w zakresie wytrzymałości mechanicznej lub oporu cieplnego, lecz nie są tak zaawansowane i kosztowne jak tworzywa wysokotemperaturowe.

Do zalet tworzyw konstrukcyjnych zalicza się również trwałość, wytrzymałość oraz doskonałą skrawalność. Mieszanki i odmiany tych materiałów pozwalają na optymalizację charakterystyki produktów w celu dostosowania ich do różnorodnych zastosowań. Jak widać, zapewniają cały szereg korzyści, a ponadto stanowią często jedyną alternatywę w przypadku nietypowych zastosowań technicznych.

Przykłady tworzyw konstrukcyjnych

Do grona najpopularniejszych tworzyw konstrukcyjnych zalicza się przede wszystkim poliamid (PA). Poliamidy to semikrystaliczne tworzywa termoplastyczne o małej gęstości i dużej stabilności cieplnej. Należą one do najważniejszych i najbardziej użytecznych technicznych tworzyw konstrukcyjnych, przede wszystkim z uwagi na wyjątkową odporność na zużycie, dobry współczynnik tarcia oraz znakomite właściwości w zakresie odporności na skrajne temperatury i uderzenia. Poliamidy alifatyczne wykazują ponadto bardzo dobrą odporność chemiczną i są tworzywami wyjątkowo olejoodpornymi. Ta doskonała równowaga właściwości sprawia, że PA jest materiałem, który idealnie zastępuje metale w elementach takich jak części motoryzacyjne, zawory przemysłowe czy izolatory cięgien kolejowych oraz w innych aplikacjach przemysłowych, których wymogi konstrukcyjne obejmują dużą wytrzymałość, odporność na obciążenia dynamiczne i redukcję masy.

Tworzywa nylonowe wykazują skłonność do absorpcji wilgoci, w związku z czym mają gorszą stabilność wymiarową niż inne tworzywa konstrukcyjne. Właściwości poliamidu wahają się od twardego i odpornego na obciążenia dynamiczne PA 66, po miękki i elastyczny PA 12.

Poza poliamidem na uwagę zasługuje także polioksymetylen, znany również w handlu jako poliacetal lub poliformaldehyd. Wyróżnia się on wysoką sztywnością, wytrzymałością i niską absorpcją wilgoci. Do zalet POM zalicza się m.in. optymalna odporność na uderzenia, dynamiczne obciążenia, zużycie czy hydrolizę. Tworzywo to charakteryzuje się też świetnymi właściwościami ślizgowymi oraz wysoką stabilnością wymiarową. POM sprawdzi się przede wszystkim w zastosowaniu ślizgowym. Materiał ten jest zwykle polecany do elektrycznych elementów izolacyjnych czy części, które naraża się na częsty kontakt z wodą. Równie świetnie sprawdzi się tam, gdzie wymaga się użycia tworzyw odpornych na zadrapania. POM to także doskonała opcja dla wałów, tulei łożyskowych czy szyn. Dostępny jest w formie bez wypełniaczy, jak i z różnego rodzaju dodatkami. Celem wspomnianych dodatków jest poprawienie lub uzyskanie konkretnych parametrów.

Politereftalan butylenu (PBT) to półkrystaliczne, termoplastyczne tworzywo o wyjątkowych właściwościach. Do jego zalet zalicza się świetną odporność na kwasy, uderzenia, ścieranie i zużycie. Na tle innych wyróżnia się odpowiednią stabilnością wymiarową, niską tendencją do pełzania i doskonałą charakterystyką elektryczną. Jest to materiał, który wykazuje także doskonałą odporność na chlor i substancje żrące. Sprawdza się przede wszystkim w elementach zaworów, korpusach pomp czy w obudowach izolacyjnych.

Przeglądając portfolio tworzyw konstrukcyjnych, napotkamy z pewnością polieteroketony aromatyczne (PEK, PAEK, PEEKK, PEKK). To wspólne oznaczenie polimerów, w których pierścienie fenylenowe są wzajemnie powiązane mostkami tlenowymi (etery) lub karbonylowymi (ketony). W szerokim zakresie temperatury należą do sztywnych i wytrzymałych tworzyw sztucznych. Jako częściowo krystaliczne termoplasty cechują się dużą stabilnością termiczną, dobrą wytrzymałością na zmęczenie i udarnością, jednak występuje efekt karbu - zwłaszcza dla odmian niewzmacnianych. Ponadto wyróżniają się bardzo dobrą ognioodpornością i małą emisją dymu podczas spalania. Ze względu na małą odporność na UV, niezbędne jest użycie odpowiednich pigmentów lub lakierowanie gotowych wyrobów przy stałej ekspozycji zewnętrznej. W celu zwiększenia sztywności i wytrzymałości, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach, wprowadza się włókna szklane i węglowe. PAEK miesza się z polieteroimidem (PEI), a mieszanki takie mają zwiększoną udarność w porównaniu z ich składnikami. Poliaryloeteroketony są coraz częściej stosowane w wielu gałęziach przemysłu: lotniczym, motoryzacyjnym i elektrotechnicznym, do wyrobu elementów aparatury nuklearnej i kosmicznej, wysokociśnieniowych zaworów pary wodnej, wykładzin aparatury chemicznej, do izolacji kabli elektrycznych, laminatów wzmacnianych włóknem szklanym i węglowym oraz do produkcji chemoodpornych włókien do wyrobu tkanin filtracyjnych (do gorących mediów agresywnych).

Polioksyfenylen, zwany również politlenkiem fenylenu (PPO, PPE), jest tworzywem konkurencyjnym dla poliwęglanu, stosowanym do wytwarzania części maszyn i elementów izolacyjno-konstrukcyjnych dla potrzeb elektroniki. W porównaniu z poliwęglanem wykazuje jednak wyższą odporność termiczną (zwłaszcza krótkotrwałą) i lepsze właściwości dielektryczne, a z właściwości mechanicznych gorszą ma tylko udarność, w szczególności udarność z karbem. Politlenek fenylenu wyróżnia duża stałość wymiarów i mała podatność do pełzania pod obciążeniem, dobre właściwości mechaniczne w niskich i wysokich temperaturach oraz wysoka odporność termiczna. PPO cechuje się małą chłonnością wody (0,06% po 24 h), niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (niewiele ponad dwukrotnie większy niż metali kolorowych), a dodatkowo jest niepalny i nietoksyczny. Tworzywo to pod względem właściwości użytkowych jest konkurencyjne w stosunku do poliwęglanu (PC); ma tylko mniejszą udarność, zwłaszcza z karbem. PPO znalazł zastosowanie do produkcji części w przemyśle motoryzacyjnym i urządzeniach AGD, obwodów drukowanych, przekaźników i przełączników elektrycznych, rur, zaworów i pomp.

Wśród tworzyw konstrukcyjnych znajdziemy również polisulfidy aromatyczne, należące do grupy termostabilnych, chemoodpornych i samogasnących polimerów aromatycznych. Ich najpopularniejszym przedstawicielem jest poli(siarczek fenylenu) (PPS). Poli(siarczek fenylenu), oprócz dobrej stabilności termicznej, charakteryzuje się znaczną odpornością chemiczną (w tym również na silne środki utleniające; rozpuszcza się w kwasie chlorosulfonowym), dość wysoką odpornością UV, ma też bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne i dielektryczne oraz jest niepalny (poddany spalaniu nie kapie). W temperaturze 100°C i wyższej (powyżej temperatury zeszklenia) właściwości mechaniczne PPS gwałtownie się pogarszają, a współczynnik liniowej rozszerzalności znacznie wzrasta. PPS charakteryzuje się wysoką udarnością z karbem, niewielką skłonnością do pełzania. Polimer ten spełnia wytyczne FDA oraz EU dotyczące kontaktu z żywnością.

Z kolei poliaryloeterosulfony (PES) cechują się bardzo dobrą wytrzymałością mechaniczną w szerokim zakresie temperatur (od -100°C do +200°C), dużą sztywnością i twardością oraz dobrą stabilnością termiczną w długim okresie użytkowania. PES charakteryzuje wysoka odporność chemiczna i radiacyjna, ognioodporność, przezroczystość, poślizg oraz dobra przetwarzalność. Obecność tlenu w cząsteczce polimeru nadaje PES charakter termoplastu i większą elastyczność, natomiast grupy O=S=O zwiększają termostabilność i odporność na degradację utleniającą. Poliaryloeterosulfony wykazują odporność na rozcieńczone kwasy, alkalia, alkohole i inne alifatyczne rozpuszczalniki i oleje. PES nie są odporne na działanie ketonów, estrów, chlorowanych węglowodorów (chloroformu, chlorku metylenu), gorącej wody, związków aromatycznych i rozpuszczalników o dużej polarności. Znalazły zastosowanie do wyrobu powłok ochronnych, panewek, tulejek, artykułów gospodarstwa domowego, folii kondensatorowej, elementów gaźników, reflektorów lamp, urządzeń medycznych i optycznych, elementów silników samolotowych.

I na koniec polifenylenoeter (PPE), często traktowany jako zamiennik dla metali. Wykonuje się z niego elementy samogasnące oraz pracujące w wysokich temperaturach. Dzięki jego stabilności wymiarowej, z PPE wytwarza się precyzyjne elementy, takie jak np. obudowy maszyn cyfrowych, różnego rodzaju liczniki oraz urządzenia sterylizujące; w branży elektrotechnicznej: korpusy cewek, wtyczki, kanały przewodów; w branży chemicznej np. koła pomp obiegowych, uchwyty elektrod w urządzeniach do elektrolitycznego pozyskiwania cynku. Polifenylenoeter PPE GF30 jest modyfikacją PPE dodatkiem włókna szklanego, które znacznie podnosi parametry wytrzymałościowe polimeru.

Co nowego w tworzywach konstrukcyjnych?

Na rynku tworzyw sztucznych pojawiło się kilka nowych materiałów tworzywowych oraz wiele ciekawych zastosowań i innowacji technologicznych. Jednym z takich materiałów jest mieszanka politereftalanu butylenu (PBT) i kopolimeru akrylonitryl-styren-akryloester (ASA), zawierająca 30% dodatek włókien szklanych w masie oraz substancje halogenowe opóźniające zapalenie. Atuty tego tworzywa obejmują wyjątkowo niską podatność na odkształcenia, niewielką kurczliwość oraz niezwykle wysoką odporność na zapalenie. Materiał posiada spory potencjał zastosowań w produkcji precyzyjnych elementów wykorzystywanych w systemach akumulatorowych pojazdów elektrycznych i jest zgodny ze standardem bezpieczeństwa przeciwpożarowego UL 94. Inną jego zaletą jest wysoka odporność na prądy pełzające. Tworzywo to powinno znaleźć zastosowanie w produkcji części wymagających wysokiego i jednolitego poziomu izolacji elektrycznej oraz wysokiej stabilności wymiarowej.

Arkusze wykonane z rozciągliwego polimetakrylanu metylu (PMMA) to nowy, innowacyjny wymiar projektowania szyb w samolotach komercyjnych, wojskowych i śmigłowcach. Arkusze PMMA powstałe w wyniku procesu rozciągania oferują znacznie wyższą odporność na uderzenia i większą odporność chemiczną. To sprawia, że materiał jest szczególnie odpowiedni do wymagających zastosowań przemysłu lotniczego. Tworzywo optymalnie łączy wysoką jakość optyczną, niską wagę i odporność na promieniowanie UV oraz warunki pogodowe. Jest to odpowiedź na pojawiający się w projektowaniu trend zwiększania powierzchni okien samolotów.

Swój udział w zastosowaniach konstrukcyjnych mają coraz częściej biotworzywa. Obecnie stanowią jeszcze niewielką część rynku tworzyw sztucznych, ale już są wykorzystywane nawet w aplikacjach wymagających materiałów o specjalistycznych właściwościach - np. w branży motoryzacyjnej. Tylko czy aby na pewno jest to odkrycie naszych czasów? Znawcy motoryzacji dobrze wiedzą, że zarówno koncepcja aut o napędzie elektrycznym, jak i użycia materiałów biopochodnych do budowy pojazdów nie jest nowa - w pierwszym przypadku wystarczy wspomnieć dziewiętnastowieczne konstrukcje Williama E. Ayrtona, Johna Perry’ego czy Andrew L. Rikera, natomiast sztandarowym przykładem wykorzystania surowców odnawialnych w produkcji aut jest DKW / IFA F8 oraz popularny Trabant - karoseria tego ostatniego wykonana była z kompozytu zawierającego sprasowane odpady bawełniane. Co jednak różni obecne próby od historycznych przykładów? Nie tylko ich wpisanie w koncepcję zrównoważonego rozwoju, lecz także to, że surowce biopochodne są używane zarówno jako wzmocnienie biokompozytów, jak też w roli substratu do produkcji biotworzyw stanowiącego alternatywę dla tworzyw ropopochodnych.

Wśród biotworzyw o wysokim potencjale zastosowania w funkcjach konstrukcyjnych wymienić można np. polilaktyd (PLA). Materiał ten, w porównaniu do tworzyw konwencjonalnych, wyróżnia się nie tylko biopochodnością i niższym śladem węglowym, lecz także korzystnymi właściwościami funkcjonalnymi, takimi jak np. odporność termiczna, wysoka udarność, odporność na promieniowanie UV, wysoki połysk i doskonała zdolność do barwienia czy stabilność wymiarowa. Ale oferta biotworzyw konstrukcyjnych jest dużo bogatsza i wciąż opracowywane są nowe materiały; warto tu wspomnieć chociażby niedawno stworzony celulozowy materiał o właściwościach zbliżonych w zakresie płynięcia do ABS, lecz lepszych aniżeli w przypadku PC, PC/ABS czy niektórych poliestrów, odznaczający się wysokimi właściwościami mechanicznymi oraz odpornością na wilgoć i promieniowanie UV.

Spotkać możemy też szczególne rodzaje/gatunki POM, które emitują niewielkie ilości lotnych związków organicznych (LZO). Gatunki poliacetalu o niskiej zawartości LZO zostały zaprojektowane specjalnie w celu spełnienia najnowszych wymagań dotyczących koncentracji lotnych związków organicznych we wnętrzach samochodów. Nowy gatunek POM to tworzywo o podwyższonej odporności na warunki atmosferyczne. Jest to materiał o doskonałych właściwościach tarcia i ścierania oraz niskim poziomie hałasu. Może być wzmacniany włóknem szklanym o niskim połysku, albo stanowić odmianę odporną na uderzenia.

Mieszanka PPO+PS w stosunku 1:1 ma lepszą odporność na utlenianie niż czysty politlenek fenylenu, który może ulegać przyspieszonemu rozkładowi utleniającemu w temperaturze powyżej 100°C. Poprawia się również przetwórstwo, jednak następuje znaczne obniżenie maksymalnej temperatury użytkowania krótkotrwałego (120-130°C) i długotrwałego (100-110°C). Wprowadzenie polistyrenu zwiększa skłonność do powstawania pęknięć naprężeniowych. Mieszanka PPO+PS stosowana jest do produkcji tablic przyrządów do pojazdów mechanicznych i wykładzin wnętrz, kołpaków kół, kratownic chłodnic, obudów i dużych kształtek, a także w postaci pianek strukturalnych do maszyn biurowych oraz urządzeń elektrycznych. Kompozycje PPO+PA mają dobrą wytrzymałość cieplną i znakomitą udarność w niskich temperaturach. Znalazły zastosowanie w wytwarzaniu części karoserii lakierowanych taśmowo oraz części pod maską silnika odpornych na oleje i paliwa.

Zastąpienie tradycyjnych materiałów polimerami z tworzyw sztucznych stało się normą w wielu sektorach. Polimery, które odniosły największy sukces w zakresie zastępowania metalu to poliamidy, głównie ze względu na ich podwyższone właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne. Ponieważ jednak zmieniają się i rozwijają ich zastosowania do różnych aplikacji, szczególnie na rynku motoryzacyjnym i elektronicznym, wymaga się od nich coraz więcej.

Producenci tworzyw polimerowych wciąż dostosowują się do nowych wymagań, opracowując tworzywa i dodatki dopasowane do nowych produktów o lepszych właściwościach, a przedstawiciele branży biotworzyw przekonują, że materiałów tych z powodzeniem można używać w wielu zastosowaniach konstrukcyjnych, gdzie wartością dodaną jest nie tylko biopochodność, lecz także wysokie właściwości tych tworzyw, często posiadających lepsze parametry niż analogiczne materiały konwencjonalne. Wiele do życzenia pozostawia jedynie cena takich biotworzyw konstrukcyjnych - niemniej postęp technologiczny, jak również efekt skali, mogą doprowadzić z czasem do większej równowagi pomiędzy biotworzywami a materiałami ze źródeł nieodnawialnych. Wówczas być może będziemy mogli zaobserwować na rynku znaczący wzrost liczby produktów zawierających biotworzywa oraz ciekawą rywalizację między wyrobami konwencjonalnymi a biopochodnymi, gdzie dużą rolę będzie odgrywać skuteczny marketing, a ostatecznego wyboru dokonywać będzie konsument.