Ćwiczenie 7.

Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki
Instytut Mechaniki Stosowanej
Laboratorium z przedmiotów:
„MATERIAŁY NIEMETALOWE”,
„TWORZYWA I KOMPOZYTY POLIMEROWE”
ĆWICZENIE nr 7
Metody spieniania tworzyw sztucznych
SYNTETYCZNE TWORZYWA POROWATE
Syntetycznymi tworzywami porowatymi nazywa się otrzymane sztucznie, bardzo lekkie tworzywa o strukturze komórkowej.
Wspólną cechą charakterystyczną tych materiałów jest budowa komórkowa i wynikająca stąd mała gęstość pozorna. Właściwości
tworzyw porowatych umożliwiają stosowanie ich w charakterze materiałów izolacyjnych, dźwiękochłonnych, tapicerskich, opakowaniowych, konfekcyjnych, filtracyjnych, konstrukcyjnych materiałów rdzeniowych itp. Największe znaczenie praktyczne zyskały
tworzywa porowate wytwarzane z poliuretanów, polistyrenu, polichlorku winylu). Produkowane są również tworzywa porowate
z polietylenu, polipropylenu, kopolimerów styrenu, politetrafluoroetylenu, silikonów oraz z żywic fenolowych, epoksydowych
i poliestrowych. Zależnie od struktury komórek rozróżnia się dwa podstawowe typy syntetycznych tworzyw porowatych:
1 - tworzywa piankowe o porach zamkniętych, odizolowanych od siebie, bardzo często o strukturze sztywnej;
2 - tworzywa gąbczaste o porach otwartych, łączących się między sobą, nasiąkliwe i często elastyczne.
Tworzywa porowate mogą mieć zatem strukturę pośrednią (mieszaną), tj. zawierać jednocześnie pory otwarte i zamknięte.
W zależności od zachowania się podczas ściskania w temperaturze pokojowej, rozróżnia się dwa rodzaje syntetycznych tworzyw
porowatych: sztywne i elastyczne. Podział ten nie jest całkowicie ścisły, gdyż istnieją tworzywa o właściwościach pośrednich, tj.
półelastyczne czy półsztywne, o różnym stopniu elastyczności.
Właściwości poszczególnych tworzyw porowatych są ściśle owiązane z rodzajem polimeru i zastosowaną metodą spieniania.
Tworzywa te odznaczają się najmniejszą gęstością spośród ogólnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych, jak również
najmniejszym przewodnictwem cieplnym spośród znanych materiałów termoizolacyjnych. Poważną wadą wielu tworzyw
porowatych jest niewielka wytrzymałość mechaniczna, co uniemożliwia stosowanie tych materiałów w przypadku działania
większych obciążeń. Znane są jednak i takie tworzywa porowate, które przy niskiej gęstości wykazują stosunkowo wysoką
wytrzymałość mechaniczną.
Spienianie tworzyw sztucznych jest procesem polegającym na rozprężeniu gazu wewnątrz uplastycznionego lub ciekłego
tworzywa, które zostaje następnie zestalone. Proces spieniania może przebiegać w wyniku:
• mechanicznego lub pneumatycznego mieszania tworzywa z gazem;
• wprowadzenia gazu spieniającego do tworzywa przed jego ostatecznym uformowaniem;
• wydzielania się gazów w tworzywie, stanowiących produkt reakcji komponentów użytych do jego wytwarzania lub będących
produktem termicznego rozkładu poroforów chemicznych wprowadzonych uprzednio do tworzywa.
Metoda mieszania polega na bezpośrednim wprowadzeniu gazu
do lepkiej, uplastycznionej żywicy przez pneumatyczne mieszanie lub mechaniczne ubijanie, na przykład przy użyciu mieszadła
szybkoobrotowego. Ubita piana jest poddawana następnie utwardzaniu. Metodę tę stosuje się głównie do spieniania żywic
mocznikowych.
POROWATY POLISTYREN
To tworzywo można otrzymać kilkoma metodami, z których najważniejszą technicznie jest metoda oparta na polimeryzacji
monomeru w obecności poroforów chemicznych lub niskowrzących cieczy. W charakterze tych ostatnich stosuje się głównie eter naftowy i niskowrzące węglowodory jak pentan, heptan itp. W wyniku polimeryzacji otrzymuje się nieporowaty polistyren w postaci
granulek. Tą metodą otrzymany (nasycony poroforem lub niskowrzącą cieczą) polistyren jest produktem handlowym, który można
przechowywać przez kilka miesięcy.
Przetwórstwo granulek na wyroby gotowe prowadzi się najczęściej w dwóch etapach:
1 - ekspandowanie wstępne,
2 - ekspandowanie końcowe połączone z formowaniem gotowych wyrobów.
Ekspandowanie wstępne polega na ogrzaniu granulek do temperatury 95-100°C za pomocą gorącej wody lub pary. Podczas
ogrzewania granulki polistyrenu miękną, zaś zawarta w nich substancja poruszająca rozprężając się nadaje im strukturę porowatą.
Następuje przy tym maksymalnie czterdziestokrotny wzrost objętości tworzywa z jednoczesnym wytworzeniem równomiernych
komórek o średnicy 0,5-0,3 mm. W wyniku ekspandowania wstępnego otrzymuje się białe, regularne kuleczki o średnicy nawet do
kilkunastu milimetrów. Ostateczne formowanie wstępnie spienionego materiału prowadzi się w metalowych formach o
perforowanych ściankach, ogrzewanych parą. W podwyższonej temperaturze powierzchnie kuleczek ulegają zlepieniu i powstaje
tworzywo piankowe o zamkniętych porach. Porowaty polistyren można kleić i ciąć piłą lub rozgrzanym drutem oporowym.
Właściwości mechaniczne porowatego polistyrenu są dość dobre, pomimo że ponad 95% objętości geometrycznej tworzywa
stanowi przestrzeń wypełniona gazem. Wytrzymałość na ściskanie i udarność są lepsze od analogicznych właściwości innych tworzyw
porowatych o tej samej gęstości pozornej. Polistyren porowaty jest odporny na działanie wilgoci. Odznacza się również dobrymi
właściwościami elektrycznymi, małym przewodnictwem cieplnym i małą gęstością pozorną. Wadą tego tworzywa jest palność i nie
najlepsza odporność cieplna. Przez dodatek związków zawierających chlorowiec (chlor, brom) można otrzymać polistyren porowaty
samogasnący.
Ze względu na małe przewodnictwo cieplne i małą gęstość pozorną polistyren porowaty ma szerokie zastosowanie jako materiał
izolacyjny w budownictwie i przemyśle chłodniczym. Samogasnące odmiany porowatego polistyrenu ,są stosowane w okrętownictwie.
Odporność na działanie wody omawianego tworzywa umożliwiła stosowanie go do produkcji lekkich elementów pływających, jak:
boje, pasy i koła ratunkowe, pływaki itp. Tworzywo to jest również stosowane jako materiał opakowaniowy i izolacyjny różnych
wyrobów powszechnego użytku
Substancją porotwórczą w krajowym polistyrenie do spieniania jest niskowrzący węglowodór (pentan lub heptan). Postacią
handlową Styropianu (np. o handlowej nazwie Owipian – produkcji ZCH Oświecim)
są twarde, białe granulki o średnicy 0,3-5 mm,
które po ekspandowaniu tworzą produkt o gęstości pozornej co najmniej 15-25 kg/m3
POROWATY POLICHLOREK WINYLU
Zależnie od zastosowanej metody. spieniania porowaty PVC można, otrzymywać w postaci piankowej lub gąbczastej, tj. z porami
zamkniętymi lub otwartymi. Przez dodatek odpowiednich zmiękczaczy można poza tym regulować twardość tego tworzywa,
otrzymując w ten sposób zarówno materiały sztywne, jak i elastyczne.
Znanych jest kilka metod otrzymywania porowatego PVC, z których najważniejsze są dwie: 1 - ciśnieniowa,
2 - bezciśnieniowa. Surowcem wyjściowym w każdej z nich jest ujednorodniona kompozycja: PVC, zmiękczacza, stabilizatora, porofora i innych dodatków.
W metodzie ciśnieniowej ujednorodnioną kompozycję umieszcza się w zamkniętej formie w prasie. Formę wypełnia się w około
80% objętości, a następnie ogrzewa do temperatury rozkładu poroforu. Po rozkładzie poroforu forma jest nadal ogrzewana aż do
zżelowania PVC. Po zżelowaniu formę oziębia się do temperatury otoczenia i tworzywo zawierające gaz wewnątrz mikrokomórek
poddaje się właściwemu ekspandowaniu przez ponowne ogrzanie do temperatury 75-95°C. W temperaturze tej zwiększa się
objętość wyprasowanych kształtek tworzywa z zachowaniem struktury komórkowej. Metoda ciśnieniowa umożliwia otrzymywanie pororowatego PVC zarówno sztywnego, jak i elastycznego,. w zależności od ilości użytych zmiękczaczy.
Metoda bezciśnieniowa otrzymywania porowatego PVC polega na ekspandowaniu tworzywa pod normalnym ciśnieniem z przebiegającym jednocześnie żelowaniem. Ujednorodnioną kompozycję umieszcza się w otwartej formie i ogrzewa w temperaturze
160-170°C przez około 30 minut. W tych warunkach zachodzi jednoczesne żelowanie i ekspandowanie PVC. Metoda
bezciśnieniowa jest stosowana głównie do otrzymywania miękkiego PVC porowatego i może być prowadzona jako proces ciągły.
Umożliwia ona między innymi wytwarzanie w jednym etapie trójwarstwowej sztucznej skóry typu skay.
Właściwości porowatego PVC zależą od jego struktury, gęstości i zawartości plastyfikatora. Gęstość pozorna tego tworzywa
jest na
ogół większa od gęstości pozornej innych tworzyw porowatych. Wynosi ona przeważnie nie mniej niż 50-60 kg/m3, a więc jest co
najmniej dwukrotnie większa od gęstości pozornej porowatego polistyrenu. Właściwości mechaniczne tego tworzywa zależą także od
rodzaju użytego poroforu i od sposobu produkcji. W otwartym płomieniu porowaty PVC mięknie w temperaturze 90°C, a następnie
ulega zwęgleniu z wydzieleniem gazów. Wyjęty z płomienia natychmiast gaśnie. Z powodu takiego zachowania porowaty PVC zalicza
się do tworzyw samogasnących.
Twardy PVC porowaty, zbudowany z zamkniętych porów, wykazuje niewielką wodochłonność - znacznie mniejszą od wodochłonności korka. W związku z tym jest on stosowany do produkcji łodzi ratunkowych i sportowych, pływaków do sieci rybackich
i ubrań ratunkowych. Stosuje się go również jako materiał izolacyjny w budownictwie.
Miękki porowaty PVC jest używany głównie jako materiał tapicerski. W postaci sztucznej skóry stosuje się go do wyrobu tapicerki
meblowej i samochodowej (siedzenia, obicia) oraz jako materiał zastępujący skórę naturalną w przemyśle galanteryjnym,
konfekcyjnym i obuwniczym.
POROWATE TWORZYWA POLIURETANOWE
Podstawowymi surowcami do otrzymywania porowatych poliuretanów są izocyjaniany, poliole (poliestry lub polietery) oraz woda,
jako główny komponent dostarczający gazu (dwutlenku węgla) do spieniania mieszaniny reakcyjnej. W procesie otrzymywania pianek
poliuretanowych bierze również udział wiele substancji pomocniczych regulujących właściwości wytwarzanego wyrobu. Substancjami
tymi są:
1 - katalizatory - regulujące szybkość reakcji spieniania,
2 - środki powierzchniowoczynne - do regulacji wielkości komórek i ich stabilizacji podczas spieniania,
3 - porofory - stosowane jako dodatkowe czynniki spieniające, zwłaszcza przy otrzymywaniu szczególnie lekkich i elastycznych
pianek,
4 - środki zmniejszające palność, napełniacze, środki barwiące.
Zależnie od wzajemnego stosunku i rodzaju komponentów użytych do wytwarzania porowatych poliuretanów otrzymuje się pianki
miękkie (elastyczne), półsztywne (półelastyczne) lub twarde (sztywne). Do produkcji pianek elastycznych stosowane są poliole
o budowie liniowej lub słabo rozgałęzionej, zaś do pianek sztywnych poliole o budowie silnie rozgałęzionej. Reakcje zachodzące
między izocyjanianami i poliestrami lub polieterami przebiegają niezwykle gwałtownie. Dlatego też podstawową trudnością przy
wytwarzaniu pianek poliuretanowych jest ścisłe dozowanie poszczególnych składników oraz bardzo szybkie i dokładne ich wymieszanie.
Pianki poliuretanowe można wytwarzać tzw. metodą prepolimerową lub jednoetapową. Produkcja pianek metodą prepolimerową
przebiega w dwóch etapach. W pierwszym etapie następuje tworzenie prepolimeru, tj. produktu reakcji poliolu z nadmiarem
izocyjanianiu, a w drugim jego spienianie przez zmieszanie z wodą. Metoda jednoetapowa otrzymywania pianek polega na
jednoczesnym zmieszaniu wszystkich komponentów. Przez wzgląd na dużą szybkość reakcji rozpoczynającej się z chwilą zetknięcia
reagentów, mieszanie składników powinno być przeprowadzone bardzo szybko. Operację tę wykonuje się w specjalnych głowicach
mieszających. Formowanie pianek poliuretanowych można przeprowadzać metodą periodyczną (w formach) lub ciągłą oraz metodą
spieniania miejscowego.
Metoda periodyczna polega na spienianiu komponentów w specjalnych formach. Formuje się w ten sposób elementy dla przemysłu
motoryzacyjnego, opakowania ochronne i mniejsze elementy konstrukcyjne.
Ciągłe formowanie pianek poliuretanowych polega na wylewaniu komponentów na przenośnik w kształcie koryta. Uformowane
długie bloki pianki mogą. być cięte zależnie od przeznaczenia na różne kształty. Istotą metody spieniania miejscowego jest
wytwarzanie pianki w miejscu zastosowania, w którym zostaje ona na stałe. Metodą tą wytwarza się głównie izolację termiczną
i akustyczną oraz wypełnienia elementów konstrukcyjnych podczas montażu.
Spienianie miejscowe wykonuje się przez wylewanie komponentów lub ich nakładanie za pomocą specjalnego pistoletu
natryskowego. System natryskowy nakładania pianki jest stosowany przy izolowaniu dużych zbiorników lub pomieszczeń.
Wspólną cechą porowatych poliuretanów są bardzo dobre właściwości izolacyjne, odporność na działanie czynników
atmosferycznych i chemicznych oraz wysoka odporność cieplna wynosząca co najmniej
100°C. Gęstość pozorna pianek poliuretanowych zależy od ich rodzaju i waha się w bardzo szerokich granicach: 10-1100 kg/m3.
• Miękkie pianki poliuretanowe stosuje się w przemyśle meblarskim do wyściełania siedzeń i oparć oraz materaców, do laminowania tekstyliów dla potrzeb przemysłu odzieżowego, do wyrobu miękkich pokryć siedzeniowych w przemyśle motoryzacyjnym
i lotniczym oraz w innych środkach transportu, do wytwarzania izolacji termicznej i akustycznej w budownictwie oraz do produkcji opakowań
• Sztywne pianki poliuretanowe odznaczają się wybitnie niskim przewodnictwem cieplnym (nieosiągalnym przy innych materiałach
termoizolacyjnych), znaczną wytrzymałością na ściskanie, wysoką zdolnością pochłaniania dźwięków, odpornością na długotrwałe
działanie temperatury w zakresie: od -50 do +120°C, bardzo dobrą przyczepnością do innych materiałów. Zależnie od warunków
wytwarzania mogą one zawierać 50-90°/o komórek zamkniętych. Pianki tego typu stosuje się głównie w charakterze izolacji
termicznej urządzeń 2 instalacji chłodniczych w transporcie i budownictwie.
• Półsztywne pianki poliuretanowe charakteryzują się właściwościami tłumienia wstrząsów, wysoką odbojnością, dźwiękochłonnością, właściwościami termoizolacyjnymi oraz wyższą wytrzymałością na rozciąganie niż pianki miękkie. Z materiałów
tych wytwarza się izolację cieplną i akustyczną ścian, stropu i podłogi, dolne warstwy wyściółek tapicerskich, a przede wszystkim
tzw. "bezpieczne elementy formowe" do pojazdów samochodowych, jak np.: wyścielenia desek rozdzielczych, podłokietników,
podpórek, przysłon słonecznych.