Cellplaster som dämpar och skyddar

Transcription

Cellplaster som dämpar och skyddar
Bearbetning från A–Ö
Cellplaster som dämpar och skyddar
I detta kapitel ges en allmän bild av
cellulära plaster, tvärbundna cellplaster samt framställningen av eps.
˘ Tidigare har formsprutad integralcellplast tillsammans med gas- och vattenformsprutning behandlats på dessa sidor.
Metoderna är i många avseenden fördelak-
CELLPLASTER
I nästa nummer: Skärande bearbetning
tiga formsprutningsmetoder. Toleranserna är sämre men man kan använda formsprutor med lägre låskraft för att tillverka
en detalj av en viss storlek. Integralcellplast, tillverkad enligt rim-teknik, är en
vanlig tillämpning för pur. Eftersom
formväggen är kall bildas solid eller mikrocellulär plast närmast väggen medan
cellerna i godsets inre växer i värmen.
För att åstadkomma cellplaster tillsätts
drivmedel = jäsmedel (blowing agents),
som bildar gasbubblor. Drivmedlet sönderdelas i värme under gasutveckling.
Bubblorna kan också uppstå då gaser frigörs under en tvärbindningsreaktion. Drivmedlen fungerar kemiskt eller fysikaliskt.
Exempel på ett kemiskt drivmedel är azoföreningar och de fysikaliska drivmedlen
Skummade polyolefiner har en unik kombination av materialegenskaper som passar inom marknader som
medicinteknik, konsument- och byggprodukter. Vanliga cellplasteprodukter är extruderade skivor och profiler.
består av lågkokande kolväten som pentan.
Tidigare användes freoner men eftersom
de bryter ned ozonskiktet har de ersatts.
Cellplaster tillverkas i slutna formar
samt i kontinuerliga anläggningar för tillverkning av folie, ark, band och block. Cellfolier tillverkas också genom extrudering
Allmänt om cellplaster
˘ År 1933 lyckades man expandera polystyren i ett tryckkärl med hjälp av drivmedel. Därmed blev det möjligt att framställa cellplastblock. Polystyren har blivit
störst bland cellplaster tätt följd av polyeten och pvc. Styva cellplaster av pur utvecklades av tysken Otto Bayer 1937 och
användes som distanselement i lätta
sandwichpaneler för flygplan under
andra världskriget.
c e llP l a st Ä r B e te c k n i n g e n
för plast,
som innehåller gasbubblor (uttrycket
cellplast brukar föredras framför skumplast eller cellulär plast). Gasbubblorna i
en cellplast kan uppgå till 95 procent av
volymen. Olikheten mellan en cellplast
och en solid plast är skillnaden i densitet,
vilket framgår av figur 1. En kub på 1 dm3,
av en plastsmälta, i vilken man under tryck
infört ett drivmedel, som bildar porer då
trycket lättar i munstycket. Det stötdämpande materialet eps (expanderad polystyren) framställs i flera steg enligt Styroporprocessen.
lars-erik edshammar
så kallade syntaktiska cellmaterial (syntactic foams) i vilka man blandat in slutna
sfärer av glas eller lera (mikroballonger).
Epoxiplast och omättad esterplaster fylls
med mikrosfärer av plast för att bli lättare.
Figur 1: Densiteter hos strukturcellplaster i jämförelse med cellplast med jämn cellfördelning
samt solid plast.
som består av solid polystyren väger omkring ett kilo. Om kuben består av styrencellplast kan den väga så lite som 20 gram.
Solid polykarbonat har densiteten 1,260
kg/m3 medan en viss typ av cellulär polykarbonat har densiteten 900 kg/m3 och
kan således flyta på vatten. Densiteten
för olika cellplaster kan variera mellan 8
och 1 000 kg/cm3. Hög densitet fås hos
om gasBuBBlorna
står i förbindelse med
varandra består cellplasten av öppna celler. Om cellerna är slutna och omges av
sitt eget skinn är cellerna slutna. Mellan
dessa extrema tillstånd förekommer cellplaster med gradvis öppna och slutna celler. I fenolcellplast är cellväggarna delvis
perforerade och i melamincellplast är de
helt öppna. Material med slutna celler
har hög flytförmåga, men sämre förmåga att dämpa ljud.
Distributionen av cellernas storlek är
olika för olika typer av cellplast. I tvärsnit-
plastforum 8 2006
55
Bearbetning från A–Ö
Forts: Allmänt om …
tet av integralcellplast (integral
foam eller structural foam) är cellerna
stora i mitten för att bli mindre mot sidorna där materialet övergår i ett mer
eller mindre tätt ytskikt enligt figur 2.
Integralcellplast tillverkas dels av
termoplast enligt en teknik (beskrevs
i ett tidigare kapitel) och dels av härdplast. I båda fallen bildas ett tätt ytskikt
genom snabb avkylning mot den kalla
formväggen medan det inre av smältan håller sig varm under längre tid,
vilket bidrar till cellernas tillväxt. Integralcellplaster av härdplaster domineras av pur. De tillverkas med så kallad
rim-teknik (Reaction Injection Molding) där komponenterna först blandas och sedan sprutas in i ett formrum
där de reagerar med varandra. Trycket
i formrummet är betydligt lägre än vid
formsprutning av integralcellplaster.
d e F le sta P l a ste r
kan expanderas till
cellplaster och de vanligaste är ps, pvc,
pe, pur och ep. Materialen pvc och pe
expanderas med hjälp av kemiska
drivmedel. Cellulär pur, som tillverkas av två eller flera komponenter och
kan ha både öppna och slutna celler.
Cellerna bildas av de restprodukter,
som fås då komponenterna reagerar
men ofta används också ett drivmedel.
Vid tillverkning av epoxicellplast
används också drivmedel, som bildar
gaser under den exoterma polymerisationen. Epoxicellplast har slutna celler.
Expanderad polystyren (eps eller
ps-e) tillverkas på ett speciellt sätt i flera steg och resultatet blir slutna celler.
I ett första steg framställs ett förexpanderade polystyrenpartiklar. I följande steg får partiklarna svälla i en
form där de svetsas ihop till ett isolermaterial eller ett stötdämpande förpackningsmaterial. Liknande material
tillverkas också av polyeten och polypropen (pe-e, pp-e).
Figur 2: Integralcellplastens densitetsvariation.
56
plastforum 8 2006
Cellplasters egenskaper
˘ Oavsett vilken plast eller process som
används vid framställningen visar cellplasten följande positiva egenskaper:
> Låg densitet
> Låg termisk och elektrisk ledningsförmåga
> Mekanisk dämpning (stötdämpning)
> Ljuddämpning
> God mekaniska egenskaper med hänsyn
till densitet
c e llP l a ste r n a Ä r d e ss uto m
lätta att framställa, materialåtgången är liten och de är
lätta att maskinbearbeta. Till nackdelarna
hör att en cellplast har sämre styrka, modul, hårdhet och seghet än motsvarande
solida plast av samma tjocklek. pvc-baserade cellplaster är självslocknade utan tillsatta flamskyddsmedel och tryck, färg och
lack fäster på materialet.
Den låga elektriska ledningsförmågan
gör materialet lämpligt som elektrisk isolator vid mantling av tråd och kabel.
d i e le k tr i c ite t s ko n sta nte n
är ett mått på
den elektriska ledningsförmågan. Solid
pe-ld har en dielektricitetskonstant av cirka 2,3 vid 1 mhz och 23°c. Som cellplast
har pe-ld en dielektricitetskonstant av cirka 1,1. Isoleringsförmågan ökar med
minskad dielektricitetskonstant och därför kan cellulär pe-ld användas i tjockare
isoleringar, vilket innebär hög flexibilitet,
skydd mot stötar och mindre böjningsradier, vilket hindrar kabeln att kinka sig.
pe-ld har dessutom hög resistens mot
fukt och cellplastens slutna celler förstärker ytterligare användningen i vatten.
Cellplastens styvhet varierar
˘ Styvheten varierar hos olika cellplaster.
Ett elastiskt skumgummi deformeras lätt
och materialet återgår det till sin ursprungliga form vid avlastning. Cellplast
baserad på melaminformaldehyd (mf) är
ett sådant mjukelastiskt material.
Melaminskumplast med öppna celler
har börjat användas i flygplanssäten och
vikten minskar med 50 till 70 procent vid
jämförelse med hittills använda material.
För ett flygplan av typen Airbus a380 betyder detta en total viktsbesparing av 600
kilo.
e n st Y v c e llP l a st
kan karaktäriseras som
duktil-styv eller spröd-styv. Exempel är
cellplast baserad på pvc respektive fenolformaldehyd (pf). Ett duktilt-styvt material
deformeras vid belastning före brott medan ett sprött-styvt material inte visar någon
deformation före brott. pur varierar i
egenskaper mellan duktil-styv och flexibelelastisk. Cellulära konstruktionsplaster är
i allmänhet av typen duktil-styv.
Vid framställning av cellplaster används en rad tillsatser. Förutom drivmedlen och gängse tillsatser förekommer
kärnbildar och ytaktiva medel för att optimera cellstrukturen. Termoplastblandningar och härdplastkomponenter måste
emellertid blandas noggrant för att undvika defekter och oregelbunden fördelning
av celler.
Figur 3: Cellbildningen sker i ett snävare temperaturintervall för delkristallina material än amorfa.
Då cellerna börjar växa måste blandningen vara flytande och när cellerna fått
den rätta storleken skall blandningen stelna eller härda.
v i d F r a m stÄ lln i n g
av härdplastskum
skall således komponentblandningen inledningsvis ha en låg viskositet även om
den är svagt tvärbunden. Bubblorna stabiliseras då plastblandningen härdar och
tvärbinds. Viskositeten hos blandningen
kan öka mycket snabbt under den reaktion, som leder till tvärbindning och stabilisering av bubblorna.
Termoplaster expanderas då materialet
är mer eller mindre i smälta och bubblorna stabiliseras då plasten kyls och stelnar.
Delkristallina plaster är svårare att expandera än amorfa plaster eftersom smältintervallet är snävare, vilket framgår av
figur 3.
Bearbetning från A–Ö
pur-cellplaster
˘ Polyuretan är ett material som förekommer i de mest skiljda former som härdplast, termoplast och gummi.
Volymmässigt är cellplast tillverkad av
pur störst och utgör 3/4 av den totala purkonsumtionen. Nästan 50 procent av cellplasten utgörs av mjukt skumgummi,
drygt 25 procent är styv cellplast medan integralcellplasten intar en volym av tio procent.
Mjuka cellplaster (skumgummi) används som komfortskum i bilsäten, möb-
ler och madrasser. Två tredjedelar av den
pur som finns i personbilar hamnar i säten och motsvarar omkring tio kilo mjuk
cellplast per fordon. Hårda cellplaster ingår som termisk isolering i byggelement,
kylskåp och kylhus samt kring rör och tankar.
sa n dWi c H e le m e nt
med hårda cellplaster
tillverkas kontinuerligt med täckskikt av
stålplåt och har hög isoleringsförmåga.
Fördelen med uretancellplast är att plasten
häftar automatiskt till täckskikt av metall.
Pentan har ersatt tidigare använda fluorerade kolväten som drivmedel för att framställa de styva isolerskummen.
Pentan ger högre värmeisolering än
luft i cellerna. Om fukt tränger in i cellerna
minskar värmeisoleringen betydligt.
För att förhindra diffusion bör distansmaterialet därför innehålla slutna celler.
Styv pur med slutna celler har en mycket
termisk konduktivitet.
Tillverkning av pur-cellplast
˘ pur-tillverkningen sker genom att vätskeformade komponenter innehållande
isocyanater och polyoler förs samman och
reagerar med varandra. Komponenterna
pumpas i bestämda mängder in i en
blandningskammare där de omedelbart
reagerar med varandra för att injiceras i en
öppen form eller i slutet formrum. Framställningen sker i lågtrycksmaskiner eller
högtrycksmaskiner.
I lågtrycksmaskiner förs komponenterna från förrådstankar till arbetsbehållare
och vidare via doseringspumpar till en cylindrisk blandningskammare (blandningshuvud). Utrustningen för lågtrycksprocessen beskrivs i figur 4.
Det behövs minst två arbetsbehållare.
Då fler ingredienser hanteras behövs fler.
Arbetstrycket är lägre än 4 mpa. Blandningshuvudet består av en cylinder med
mekanisk omrörare.
Med hjälp av ventiler återförs komponenterna till sina behållare under det att
blandaren rengörs med tryckluft eller lösningsmedel och vatten, som levereras av
en särskild behållare.
F ö r d e le n m e d m e to d e n
är att komponenterna flyter genom ledningarna genom
självtryck. En nackdel är emellertid att endast en liten kvantitet kan blandas och
transporteras per tidsenhet och att blandningen strömmar ut ur blandningshuvudet under mycket lågt tryck. Det låga trycket medför att formarna till och med kan
tillverkas av papper.
Blandningshuvudet kan inte anslutas
till en sluten form, som kräver ett högre
tryck och en kontinuerlig rengöring av
blandningshuvudet. Därför används me-
Figur 4: Flytschemat hos en lågtrycksmasikn.
Figur 6: Schematisk beskrivning av anläggning för
framställning av cellplastplattor belagda med täckskikt.
toden för att tillverka halvfabrikat. Vid
kontinuerlig tillverkning av möbelstoppning eller isoleringsmaterial sker tillverkningen i en ränna omgiven av papper enligt
figur 5.
Sprutningen sker på papper som vilar
på ett löpande band. Det rullas också upp
papper i sidorna av det löpande bandet.
Det skummade blocket har ett rektangulärt tvärsnitt av två meter bredd och en meter i höjd. Densiteten är 15–60 kg/m3. Det
skummade materialet lämnar bandet och
får efterhärda innan det tillskärs.
Då skummning sker mellan dubbla
Figur 5: Schematisk beskrivning av anläggning för
kontinuerlig framställning av cellplastblock.
Figur 7: Flytschemat hos en högtrycksmaskin.
band enligt figur 6 får cellplasten en högre
densitet. Hårda cellplastblock tillverkas
med denna metod i bredder upp till 1,3
meter. Sandwichpaneler tillverkas genom
kontinuerlig laminering i en liknande maskin.
i H ö g trYc k sm a s k i n e r
sprutas komponenterna under högt tryck mot varandra enligt
motströmsprincipen in i liten kammare
där de blandas under kraftig turbulens.
Komponenter reagerar snabbt med varandra och genomströmningen per tidsenhet
är hög. Med hjälp av kolvpumpar drivs
arbetstrycket upp till 30 mpa.
plastforum 8 2006
57
Bearbetning från A–Ö
Expanderad polystyren – eps eller ps-e
˘Expanderad polystyren, som tillverkas
enligt Styroporprocessen har slutna celler.
Materialet används som termisk isoleringsmaterial inom byggnadsindustrin
och i stötupptagande förpackningar som
skyddar konsumentprodukter.
eps används också som poröst fyllnadsmaterial, som skyddar produkter eller
gör betong lättare samt i produkter, som
skall flyta på vattnet (bojar och flytkroppar).
Inledningsvis expanderas homopolymeren med ett kolväte, som vanligen är
pentan med kokpunkten 36°c. Pentanet
fungerar som drivmedel och polystyrenet
bildar cellulära pärlor (partiklar).
Partiklarna framställs i olika storlekar.
De minsta utgörs av pärlor med en diameter av 0,2 millimeter till 0,3 milllimeter
och de största av har måttet 0,6 mm x 2,5
mm. Vid den efterföljande tillverkningen
används de stora granulaten för tjockväggig cellplast. De finare kornen ger produkter med större precision och likformiga
celler.
Pa r ti k l a r n a p ro c e ssa s
därefter i följande
steg. Först behandlas partiklarna med
Fortsättning:
Tillverkning av pur-cellplast
Blandningen sprutas in i en sluten
form med exakt dosering och bestämda
skottvikter. Blandningen hinner inte reagera förrän den införts i formen. Efter varje blandnings- och fyllningsmoment recirkuleras strömmarna under rengöring av
blandningshuvudet, som är självrensande.
Högtrycksmaskinen är dyrare än lågtrycksmaskinen och principen för dess
konstruktion framgår av figur 7.
ånga och sväller. Vid denna förexpansion,
som sker i en kammare sväller materialet
80 gånger: Vattenångan, som har ett högt
värmevärde diffunderar in i styrenplasten
och förgasar drivmedlet. De svällda kornen flyter på toppen av kammaren och
överförs pneumatiskt till ett förvaringskärl
där de mellanlagras under avsvalning. Förexpansionen sker vid 90 till 110°c.
De förexpanderade kornen, som är fririnnande krymper långsamt under avsvalning vid mellanlagringen under tolv timmar och cellväggarna blir sega. Under avsvalningen kondenseras pentan och ånga i
de slutna cellerna och det bildas ett undertryck och under mognadstiden fylls cellerna med luft.
Fo r m n i n g av p ro d u k te r
sker slutligen i
en press av metall med väggar upphettade
med ånga och formningen sker vid 100° c
till 120° c. Ångan förs in i formrummet via
små dysor i formväggarna. Dysorna avtecknas med sina små hål på formgodsets
väggar. Partiklarna sväller ytterligare och
klibbar till varandra under det att produkterna formas. Ångtillförseln stängs av automatiskt.
Formen avkyls med vatten för att inte
cellerna skall kollapsa och produkten avformas. Produkten kan bland annat formas till block, som är upp till 1m x 1m x 2m
stora. Blocken har vanligen en densitet av
13 till 15 kg/m3 och kan kapas till skivor
med bandsåg eller het tråd.
Tillverkning av formgods till förpackningar sker på liknande sätt i avsedda formar. Processen sker under lågt tryck och
formarna kan tillverkas i aluminium.
Formgodset har en densitet mellan 10 och
25 kg/m3 och innehåller cirka 350 000
slutna celler per kvadratcentimeter. Cellväggarna är endast mellan 1 och 2 mm
tjocka.
V i d ti llv e r k n i n g av
integralcellplast högtryckssprutas den högreaktiva blandningen tills en tredjedel av formen är fylld. Därefter jäser blandningen tills formen är fullständigt fylld. Processen är känd under
förkortningen rim (reaction injection
moulding) och används huvudsakligen vid
bearbetning av pur. Av beteckningen fram­
går att den gjutna produkten framställs genom en kombination insprutning och reaktion. Produkter som tillverkas på detta
sätt är exempelvis stötfångare till fordon.
58
plastforum 8 2006
e p s - fö r pac k n i n g a r
intar stora volymer
som avfall och man har utvecklat system
för insamling, återvinning och återanvändning. Materialet mals ned och kan
åter expanderas till ett enklare isolationsmaterial.
Det nedmalda materialet kan också användas som jordförbättringsmedel och
blandas i lättbetong för att ge betongen
lägre densitet. eps kan skiljas från cellulär
ps, som tillverkas med andra metoder
Figur 8: Schematisk beskrivning av framställning av
cellplastfolie i enkelskruvextruder.
eftersom de svällda kornen avtecknas på
ytan.
E n li k n a n d e m e to d
används också vid
framställning av expanderade polyolefiner.
När det gäller polypropen utgår man från
en statistisk sampolymer med en viss partikelstorlek.
Partiklarna impregneras satsvis med ett
lösningsmedel som drivmedel med hjälp
av värme och tryck. Partiklarna sväller till
önskvärd densitet beroende på mängden
lösningsmedel och temperatur. Då lösningsmedlet indunstar kyls polypropenet
ned till en temperatur där det kristalliserar
i cellväggarna.
Gjutningen sker under ett ångtryck av
0,2 mpa då partiklarna sväller ytterligare.
Den formade produkten hålls kvar i formen vid hög temperatur för att bli formstabil. Produkten har en utomordentligt
god slagseghet och används till bilstötfångare, samt som skydd för datorer.
D e f le sta c e ll fo li e r
tillverkas av ps. Cellfolier av ps som är tre till fem millimeter
tjocka tillverkas i stora kvantiteter för
varmformning tråg och behållare för matvaror. En liknande produkt tillverkas i
mindre omfattning av pp och används för
att skydda möbler och elektronikutrustning.
Man utgår från en sampolymer och
med hjälp av ett drivmedel expanderar materialet vid relativt låg temperatur i ett
skum av låg densitet av cirka 15 kg/m3.
Processen är mycket känslig och fungerare i ett snävt temperaturintervall. Man använder polypropen med hög smältstyrka.
Materialet extruderas genom ett ringformat munstycke och expanderar vid trycksänkningen, kyls och kalibreras samt
skärs i två delar och rullas upp som expanderade ark med densiteten upp till 150 kg/
m3 enligt figur 8.