Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Polimerek anyagszerkezettana és
technológiája
2014/2015/2 félév vizsgakérdések
kidolgozása
Készítette: Mr. GMA
2
1. Mi a polimer?
A polimerek a szerves kémia olyan hosszúláncú vegyületei, amelyekben sok ezer elemi
építőegység kötődik egymáshoz elsőrendű kovalens kötéssel.
2. Ismertesse a szerkezeti anyagok csoportosítását!
Fémek
Kerámiák
Polimerek
Fém, kerámia, polimer mátrixú kompozitok
Hibrid rendszerek: Ha a kompozit alkotói, a befoglaló mátrix vagy az erősítőanyag
összetett, több alkotóból áll
Polimereken belül:
1. Természetes polimerek: cellulóz, kaucsuk, természetes szálak
2. Mesterséges polimerek (hétköznapi értelemben vett: „műanyagok”), azon belül:
Hőre lágyuló polimerek-megömleszthetők-
o Részben kristályos polimerek
pl. PET, PP, PE
o Amorf polimerek
pl. PVC, PS
Hőre nem lágyuló-vagy hőre keményedő-polimerek
o Elasztomerek
o Duromerek
3. Sorolja fel a tömegműanyagokat! Ezek közül melyik amorf és melyik
részben kristályos?
Részben kristályos polimerek: PET, PP, PE
Amorf polimerek: PVC, PS
3
4. Mi a monomer; oligomer; homopolimer; kopolimer?
A monomer egy egységet jelöl, ezek ismétlődéséből áll össze a polimer. Például az etilén.
Az oligomer mindössze néhány monomer összekapcsolódása.
A homopolimerben az ismétlődő egységek ugyanazok, ezzel szemben
a kopolimer több ismétlődő egységet tartalmaz (tipikusan kettőt, ABS hármat tartalmaz).
5. Mi a különbség a monomer és az ismétlődő egység között?
Vegyük pl az etilén esetét. Amíg az etilénen belül a két szénatom kétszeres kémiai
kötéssel kapcsolódik egymáshoz (tehát nincs nem kötő elektronpár a molekulán belül)
addig monomerről beszélünk. Ha ez a kétszeres kötés felbomlik, úgy mindkét szénnek lesz
egy-egy plusz elektronja, amivel egy másik monomerhez tud kapcsolódni, ilyenkor már
ismétlődő egységről beszélünk.
6. Mi a polimerizációs fok?
A polimerizációs fok (DP-Degrees of Polymerization) megmutatja, hogy hány ismétlődő
egységből áll egy adott polimer. A műszaki életben ez 10000-1000000 terjed.
7. Mik a polimerek jellemző sajátosságai?
Nem vihetők gáz halmazállapotba, mert az elpárologtatásukhoz szükséges energia
meghaladja a kötések energiáját.
Nem lehet desztillálni, illetve nem szublimálnak.
A polimerekben a különböző hosszúságú molekulák elegyei más kristályosodási
tulajdonságokkal rendelkeznek, ebből következik, hogy nem létezik 100%-ban
kristályos polimer.
Oldódásuk eltér a kismolekulájú anyagokétól, lassan folyó, nagy viszkozitású
oldataik vannak.
Tisztításukra nem használhatók az elterjedt módszerek (pl. desztilláció,
átkristályosítás).
4
8. Mik a mesterséges polimerek előnyei, hátrányai a többi szerkezeti
anyaghoz képest?
Előnyei:
Kicsi a sűrűsége-energiafogyasztás csökken
Kiváló szilárdsági jellemzők
Jó korrózióállók-PE-t semmi nem támadja meg szobahőmérsékleten-
>vegyszerállók
Kiváló csillapítóképesség és ütésállóság
Kiváló hang, hő-és elektromos szigetelő képesség
Anyagában színezhető-kopás esetén is ugyanaz a szín
Kis súrlódási tényező pl. csapágyak, teflon
Átlátszó polimerek
Alacsony az olvadáspontjuk, így alacsony a feldolgozási költség
Nagy tervezési szabadság
Hátrányai:
Kis hőállóság, emiatt főleg szobahőmérsékleten használhatók
Jól éghetőek-műszaki szempontból hátrány
Elöregednek
Időfüggő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek->bonyolult tervezés
9. Mik a műanyagok? Milyen alapvető követelményeknek kell megfelelniük?
A műanyagok szerves polimerek, amelyeket a természetben előforduló polimerek
átalakításával állítjuk elő, vagy kis molekulákból pl. kőolaj származékból mesterségesen
állítjuk elő.
Főbb követelmények:
Károsodás nélkül legyenek feldolgozhatóak.
Felhasználás során tulajdonságukat hosszú távon megőrizzék
5
Mechanikai és termikus tulajdonságaikat igény szerint be lehessen állítani.
10. Ismertesse a polietilén legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés,
főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, típusok, égési tulajdonságok,
felhasználási terület)!
Sűrűség: 0,92-0,95 g/cm3
Húzószilárdság: 10-20 MPa
Rugalmasság modulus: 0,8 GPa
Tulajdonságok:
Kiváló vegyszerállóság-szobahőmérsékleten nincs oldószere
Jól hegeszthető
Jó hidegálló
Gyenge hőállóság (max 80°C)
Rossz időjárás állóság
Jó villamos szigetelőképesség
Nem engedi át a vizet, gázokat idővel átengedi
Részben kristályos polimer
Biokompatibilis anyag
Felhasználás:
Uzsonnás tasak
Bevásárlótáska
Vegyvédelmi felszerelések, flakonok
Gázcső, vízcső, ha vastag
Buszok kapaszkodója
Térdprotézis
6
Típusai:
LDPE (Low Density PE)-kis sűrűségű PE pl. fólia
HDPE (High Density PE)-nagy sűrűségű PE pl. cső
UHMWPE (Ultra High Molekular Weight PE)-ultra nagy molekula tömegű PE-jobb
mechanikai jellemzőkkel rendelkezik
HOPE (High Oriented PE)-rendezett molekulájú PE, a molekulákat kötegekbe
helyezzük, ezzel nagy szilárdságot érünk el pl. köteleknél.
Égése:
Jól ég
Láng elvétele után tovább ég
Lángja van
Gyertyaszagot áraszt
11. Ismertesse a polipropilén legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés,
főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők, felhasználási terület)!
Sűrűsége: ~0,91 g/cm3
Húzószilárdsága: 15-30 Mpa
Rugalmassági modulusa:0,9-1,2 MPa
Tulajdonságok:
Részben kristályos polimer
Orientáltsága jobb mint a PE-nek
Vegyszerálló
Rossz időjárásálló
Jobban társítható más anyagokkal, mint a PE
Erősíthető, tölthető
7
Felhasználás:
Kötöző anyag
Medence anyaga
Rekeszek, kupakok
Kaspók
Csatok
Gépek burkolatai
Konnektorok
Égése:
Gyertya szagot ill. égett papír szagot áraszt
Jobban ég, mint a PE
12. Ismertesse a PVC (Poli-vinil-klorid) legfontosabb jellemzőit (molekuláris
felépítés, főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők,
felhasználási terület)!
Sűrűsége:~1,3 g/cm3
Húzószilárdság: 40-60 MPa
Rugalmassági modulus: 2-4 GPa
Tulajdonságok:
Önállóan nem feldolgozható, lágyítókat kell keverni hozzá 40-50% arányban, ezek adják az
illatot
Nem engedi át a nedvességet
Amorf anyag, így a vastag fóliák is lehetnek átlátszóak
Hegeszthető
Jó ütésálló
Jól tölthető
Jó vegyszerálló
8
Jó időjárásálló (UV)
Felhasználás:
Lefolyócső
Esőkabát
Padló
Ablakkeret
Műbőr termékek pl. gumicsizma
Égése:
Kicsi zöldes lánggal, nem jól ég
Klór szagot áraszt
Minél nagyobb arányban tartalmaz lágyítókat, annál jobban ég.
13. Ismertesse a polisztirol legfontosabb jellemzőit (molekuláris felépítés,
főbb mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők, felhasználási terület)!
Sűrűsége:~1,05 g/cm3
Húzószilárdsága: 35-55 MPa
Rugalmassági modulusa: 1,2-2,5 GPa
Tulajdonságok:
Amorf anyag
Rossz időjárásálló
Kiváló optikai tulajdonságok
Rossz az ütésállósága->könnyen reped
Vákuumformázható
Felhasználás:
CD-tok
Játékok
Csomagolás-habosított csomagoló eszközök (hungarocell)
9
Bon-bon tálca
Égése:
Kormozó lánggal, intenzíven ég
Jellegzetes sztirol szagot áraszt
14. Ismertesse a PET(Poli-etilén-tereftalát) legfontosabb jellemzőit (főbb
mechanikai, fizikai tulajdonságok, égési jellemzők felhasználási terület)!
Sűrűsége: 1,3-1,4 g/cm3
Húzószilárdsága: 50-70 MPa
Rugalmassági modulusa: 3-4 Gpa
Tulajdonságok:
Részben kristályos anyag
Opálos
Gyors hűtés hatására nem lesz idő kialakulni a kristályoknak
Jó hőállósági tulajdonság
Méretstabil ->ellenáll a fárasztási igénybevételeknek
Vegyszerálló
Jó szigetelő
Felhasználás:
Fogaskerekek
Csomagolóanyag
PET palack
Háztartási gépek borításai
Olcsó pulóver
Párnahuzat
10
Égése:
Kormozó lánggal ég
Serceg->nedvességfelvevő anyag
Nincs jellegzetes illata
15. Hasonlítsa össze a tömegpolimereket és a műszaki polimereket! Mik a
legfontosabb különbségek?
A műszaki polimerek műszaki cikkekben kerülnek felhasználásra, így olyan
követelményeknek is meg kell felelniük, amiknek a tömeg polimereknek nem. Ilyen
például, hogy a műszaki polimereknek jóval méretpontosabbnak, hőállónak,
kopásállónak, üzembiztosnak, szívósnak és könnyen karbantarthatónak kell lennie. Ezen
felül a műszaki polimereknek jóval nagyobb a húzószilárdsága, ellenállónak kell lenniük a
feszültségkorrózióval szemben és a vegyszerek ellen is.
16. Mutassa be és értékelje műszaki szempontból a polioxi-metilént!
Sűrűsége: ~1,4 g/cm3
Húzószilárdság: 60-90 MPa
Rugalmassági modulus: 2,5-5 GPa
Tulajdonságok:
„Leggépészetibb” polimer
Részben kristályos
Szívós, kemény, merev, kopásálló
Méretstabil
Jó vegyszerálló
Magas kifáradási határ
Jó csillapítási képesség
Rossz időjárásálló
11
Felhasználás:
Fogaskerekek
Csatok
Szivattyúk
Égése:
Műszaki szempontból rossz
Hevesen ég, csepegve
17. Hasonlítsa össze a polimetil-metakrilátot és a polikarbonátot!
Polimetil-metakrilát-PMMA Polikarbonát-PC
Sűrűség: 1,15-1,2 g/cm3 Sűrűség: 1,1-1,2 g/cm3
Húzószilárdság: 50-80 MPa Húzószilárdság: 60-70 MPa
Rugalmassági modulus: 2,5-4 GPa Rugalmassági modulus: 2-2,5 GPa
Amorf polimer Amorf polimer
Üvegszerű, víztiszta Víztiszta, átlátszó anyag
Jó kopásállóság Jó ütésállóság
Jó időjárásálló Könnyebben karcolható, mint a PMMA
Meleg alakítással jól formázható Kevésbé időjárásálló
Repülőgépipar használja Burkolati elemek
Biokompatibilis CD lemezek anyaga
Protézisek,műfogak,kontaktlencse Üveget pótolják vele
Világító lánggal ég, nem kormoz nem füstöl, gumicukor szagú
Önkioltó, ha elvesszük a lángot, elalszik
18. Jellemezze röviden a poliamidokat, az akrilnitril-butadién sztirol
kopolimert és a poliuretánt!
Polamid (PA):
Sűrűsége: ~1,15 g/cm3
Húzószilárdsága: 90-180 MPa
Rugalmassági modulusa: 2,5-5 GPa
12
Tulajdonságok:
Részben kristályos polimer
Jó mechanikai jellemzők
Jó kopásálló
Hőálló
Szálat lehet belőle húzni
Jól feldolgozható-forgácsolással megmunkálható
Jó nedvesség felvevő-változtatja mechanikai tulajdonságait!
Jól tűri a hősokkot, de tartósan magas hőmérsékleten degradálódik
Üvegszál+poliamid: hőre lágyuló, nagy szilárdságú polimer, fontos a műszaki
életben
Felhasználás:
Fogaskerekek, csigák
Fazekak füle
Teniszütők, kötelek
Égése:
Láng elvétele után nem ég
Éget keratin (haj) „illata” van
Akrinitril-butadién-sztirol (ABS):
Sűrűsége: ~1,01-1,2 g/cm3
Húzószilárdsága: 30-50 MPa
Rugalmassági modulusa: 1,1-1,3 GPa
13
Tulajdonságok:
Kopolimer
Nagy szilárdságú
Jó ütésálló, kopásálló
Amorf, de nem átlátszó
Jól színezhető
Repedésre hajlamos
Más polimerrel jól keverhető
Zaj és rezgéscsillapító képessége kiváló
Mérettartó, kis mértékben zsugorodik
Felhasználás:
Legó
Fedőréteg
Poli-uretán (PUR)
Sűrűsége: 1,1-1,2 g/cm3
Húzószilárdság: 30-60 MPa
Rugalmassági modulus: 1,3-2 GPa
Tulajdonságok:
Típusai:
o Részben kristályos
o Amorf
o Lineáris szerkezetű
o Habosított, nem habosított
o Térhálós
14
Jó szigetelő
Forgácsolással megmunkálható
Felhasználás:
Autóipar: struktúrhab (kellemes a tapintása)
Cipőtalp
Teniszpálya borítása
19. Mutassa be az atomok közötti elsőrendű kémiai kötéseket, és értékelje
azokat a polimerekkel kapcsolatos fontosságuk szempontjából!
Kovalens kötés:
A kovalens kötés olyan elsőrendű kémiai kötés, amelyben az atomok közös vegyértékkel
rendelkeznek. Kémiai jellegükben azonos vagy különböző elemek atomjai között jön létre
vegyértékelektronjaik közössé tételével.
Egyszeres, pl. H-H kapcsolódás:
Kétszeres, pl. O-O kapcsolódás:
Háromszoros, pl. N-N kapcsolódás:
A szénatomok között egyszeres, kétszeres és háromszoros kovalens kötés is kialakulhat.
Ionos kötés:
Az ionos kötés elsőrendű kémiai kötés, mely ellentétes töltésű ionokat tartalmazó
anyagokban fordul elő. Az ionok közötti elektrosztatikus vonzás és taszítás szabályos
szerkezetbe, ionrácsba rendezi az anyagot alkotó ionokat, melynek a rácspontjain
szabályosan váltakozva kationok és anionok találhatók. A nagy kötési energia miatt az
ionrácsos anyagok általában magas olvadáspontúak
Az erős kötés miatt az ionok a rácsban nem tudnak elmozdulni, ezért szilárd
halmazállapotban az ionos vegyületek nem vezetik az elektromos áramot, olvadékban és
oldatban azonban az ionok elmozdulhatnak, így ilyen állapotban vezetők.
Az üveg két fő alkotórésze a szilícium-oxid, valamint a benne található különféle
fémoxidok óriásmolekulává egyesülnek, erős kovalens-és ionos kötést kialakítva. Így az
üveg is egyfajta polimernek tekinthető.
15
Fémes kötés:
A fémes kötés az egész kristályra kiterjedő közös
elektronfelhő által létrehozott kémiai kapcsolat, mely fémek
szerkezetében jelentkezik. A sok ezer lánctagból álló polimer
egyes „láncszemei” közötti kötőerők, – kovalens kötések –
nem kisebbek, hanem azonos nagyságrendű erők, mint a fémek atomjait a fémrácsban
összekötő fémes kötések kötési energiája.
!!!20. Mutassa be az atomok közötti másodrendű kötéseket, és értékelje
azokat a polimerekkel kapcsolatos fontosságuk szempontjából! Mindegyik
típusához hozzon példát, hogy melyik polimer, vagy polimer család esetén
van különös jelentősége.
Diszperziós (van der Waals-féle) kötés:
Apoláris molekulák közt kialakuló gyenge másodrendű intermolekuláris kötés, mely az
elektronfelhő pillanatnyi átmeneti torzulásának köszönhetően létrejött gyenge dipólusok
között megjelenő elektrosztatikus vonzás. Általában a leggyengébb másodrendű kötésnek
mondják, ám a polimerek esetében meghaladja az elsőrendű kötés energiáját, mivel a
hosszú polimerláncok mentén végig megjelenik ez a fajta kötéstípus.
Dipol-dipol kölcsönhatás:
Orientációs hatásnak is nevezzük, mert a dipólusmolekulák a kedvező állapot irányába
forgatják egymást.
Hidrogénkötés:
A másodrendű kötéseknek azt a fajtáját, ahol egy hidrogénatom létesít kötést két másik
atom között hidrogénkötésnek nevezzük.
21. Mit jelent az allotrópia?
Allotrópia: Ugyanazon kémiai elem azonos halmazállapotú, de eltérő szerkezetű
változata. Pl. O2 –>O3
16
22. Ismertesse a szén különleges szerepét! A szénnek milyen allotróp
módosulatai vannak? Mik ezek legfontosabb jellemzői?
A szintetikus polimerek-hétköznapi értelemben vett műanyagok- szénlánc-alapú
óriásmolekulák. Így a tömegműanyagok szén nélkül nem is létezhetnének. A
műanyagokon kívül rengeteg más polimer (pl. műszaki polimerek ) is tartalmaznak
szénatomot. A modern technológiában is fontos szerepe van (pl. szén nanocsövek).
Allotróp módosulatai:
Gyémánt:
o Egy szénatomhoz négy másik szénatom kapcsolódik
o 0,154 mm a kötéstávolság
o Tömör anyag: a legnagyobb keménységű ismert anyag
o Nagy szilárdsági modulus, de törékeny
o Izotróp tulajdonságú: az atomok elrendeződése a térben mindenhol
azonos
o Jól vezeti a hőt, az elektromosságot nem
Grafit:
o Az egyik legpuhább ma ismert anyag
o 6 szénatom kapcsolódik egymáshoz, gyűrűs formában, ezek pedig
rétegződnek
o Delokalizált elektronfelhővel rendelkezik->jó elektromos és hő vezető
o Csillogó színe van
o Réteges szerkezet hátránya, hogy elcsúszhat
o A kovalens kötések síkban helyezkednek el
Fullerének:
o Szén új allotróp módosulatai
o Gömbszerű, zárt szerkezetben kapcsolódik egymáshoz 60 szénatom
o Szén nanocső készítése: a hatszög alakokat „cső” formába kapcsolják
o Jó vezetők lehetnek
17
Grafén:
o Legújabb felfedezés, még kutatják
23. Sematikus vázlatok segítségével mutassa be a mesterséges polimerek fő
előállítási módjait!
Polimerek 3 fő előállítási módja:
1) Polimerizációs láncreakció
2) Poliaddíció
3) Polikondenzáció
1) Polimerizációs láncreakció: (bővebb leírás következő kérdés)
18
2) Poliaddíció: pl. PUR
Olyan, viszonylag lassú láncreakció, amely nem jár melléktermék képződéssel vagy
kilépéssel, csak atomátrendeződéssel.
3) Polikondenzáció: pl. PA
Melléktermék kiválással járó kondenzációs reakció lépésenként megvalósított folyamata.
Lassabb, mint a polimerizációs láncreakció. A kiváló anyagot kondenzátumnak hívjuk, ami
főleg víz.
24. Mi a polimerizációs láncreakció? Mik a jellemzői? A folyamatnak mik a fő
lépései? Soroljon fel polimer típusokat, amelyeket így állítanak elő!
Polimerizációs láncreakció:
Olyan polimer lánc felépítési eljárás, melyben tipikusan C=C molekulákat alakítunk át több
ezer ismétlődő egységet tartalmazó molekulákká.
19
Tulajdonságai:
Melléktermék nincs
Lényegében segédanyag hozzáadása nélkül végbemegy
Egyszeres kovalens kötések alakulnak ki
Láncreakcióban játszódik le ->gyors, egymás után ismétlődő sorozat
A folyamat főbb lépései:
1) Iniciálni kell a folyamatot- kezdőlépés
2) Láncnövekedés-propagációs szakasz
a. Nem kell hozzá külső energiát befektetni
b. A folyamat önfenntartó sorozatban, hő felszabadulása mellett megy végbe.
A folyamat addig tart amíg,
a. El nem fogy az alapanyag (teljes konverzió, azaz átalakulás végbement)
b. Külső adalék anyagot adagolunk hozzá, amivel megállítjuk a folyamatot
A PET-en kívül minden tömeg polimert ezzel az eljárással állítanak elő (PE,PP,PVC,PS).
Ezzel állítják elő a plexit is.
25. Milyen tipikus gépészeti berendezéseket használhatnak a polimerek
előállításához?
Tartályreaktorok:
o Keverőelem van benne
o Duplafalúak ->duplikátorok, a falak között hűtőfolyadék található
o Egy keverés nem elegendő a teljes átalakuláshoz, a jó minőséghez
Kaszkád reaktorok:
o Több lépésben végzik a konverziót:
o tartály: 25%-os konverzió
o tartály: 50 %-os konverzió
o tartály 75%-os konverzió
20
Csőreaktor:
A csőreaktor a polimerizációs reakciók folytonos üzemű megvalósításának
legmodernebb gépészeti megoldása. A több száz méter hosszúságú, 40–50 mm
átmérőjű acélcsőben nemcsak a programozott hőmérsékleti kontroll, hanem a cső
a csőben hőcserélő elvével a leggazdaságosabb hő-visszanyerés is megvalósítható.
Így készül hazánkban is többféle PE típus
Formaadó, szerszám reaktorok
o A reakció a szerszámban zajlik le
o Térhálós polimereket gyártják így, pl. gumiabroncs, PE kábelbevonat
Csigareaktorok
o Egy vagy több csigás extrúdert tartalmaz
26. Ismertesse a polimerizáció kivitelezésének ipari módszereit
(tömbpolimerizáció, oldószeres polimerizáció, emulziós, illetve szuszpenziós
polimerizáció)!
Tömbpolimerizáció:
o A polimerizáció a monomerben játszódik le
o Megkülönböztetünk homogén ill. heterogén tömbpolimerizációt
1. Homogén tömbpolimerizáció:
o Az elkészült polimer oldódik a monomerben, egy fázist alkotnak
o Pl. PS oldódik sztirolban
2. Heterogén tömbpolimerizáció:
o A monomer nem oldja a polimert, hanem kicsapja azt
o Pl. PVC
Oldószeres polimerizáció:
o Oldatot hoznak létre, melyben elkeverik a monomert
o Az oldószer a hőeffektus csökkentésére szolgál
o Megkülönböztetünk homogén és heterogén oldószeres polimerizációt
21
1. Homogén oldószeres polimerizáció:
o Az oldószer a polimert is oldja
o Pl. PS+benzol
2. Heterogén oldószeres polimerizáció:
o Az oldószer nem oldja a polimert
o Pl. PET+benzin
Emulziós polimerizáció:
Eredetileg a közegben nem oldódik a monomer, de cseppekben oszlatjuk el folyékony
halmazállapotban a folyadékban, így már oldódik, és végbemegy a polimerizáció. A
folyadékot a folyadékban nevezzük emulziónak. Pl. PVC
Szuszpenziós polimerizáció:
Hasonló, mint az emulziós polimerizáció, de itt a monomer szilárd fázisú, finom szemcsék
formájában juttatjuk be a folyékony halmazállapotú közegbe (gyakran víz). Pl. PS.
27. Írja fel a Charothers egyenletet! Mit mutat meg?
DP: polimerizációs fok:
Az a szám, amely megmutatja, hogy hány monomerből lehet felépíteni az adott
makromolekulát.
N0: folyamat elején a molekulák száma
N: polimerizációs folyamat során keletkezett molekulák száma
ξ:konverzió, megmutatja, hogy a molekulák milyen arányban alakultak át
makromolekulává
22
Carothers egyenlet azt fejezi ki, hogy igen magas konverziót, a 100 %-os átalakulást 0,1%-
nál is pontosabban megközelítő „beépítést” kell elérnünk ahhoz, hogy valóban polimer
jellegű,103- lánctagból álló szerkezeti anyagot hozzunk létre.
28. Mit jelent a polimerek molekulatömegének szám szerinti, illetve tömeg
szerinti átlaga? (Számítási példa előfordulhat!)
Molekula tömege:
ahol DP a polimerizációs fok, M0 a moláris tömeg.
A polimer molekulatömegének szám szerinti átlaga:
ahol Mi az i.-ik molekula tömege, ni a darabszám
Pl: 10 db 10000g/mol-os és 90 db 1000 g/mol-os molekula esetén:
A polimer molekulatömegének tömeg szerint vett átlaga:
ahol mi adott tömegarány
Pl. az előbbi példa adatai alapján:
(m1 és m2 összege természetesen egyet ad, mivel arányokról beszélünk)
23
29. Mi a polidiszperzitás? Mit mutat meg?
A polidiszperzitás a polimer molekulatömegének tömeg szerinti átlagának és a szám
szerint vett átlagának a hányadosa:
Megmutatja mennyire széles a molekulatömeg-eloszlás, azaz megmutatja, mekkora a
molekulatömegek szóródása.
30. Hogyan hat a molekulatömeg változása a polimerek mechanikai
tulajdonságaira, kristályos jellemzőire, ömledék viszkozitására?
31. Mutassa be a polimer anyagok kötőcsoport szerinti osztályozását!
M -A- -Γ1-X-Γ2-Γ1-X-Γ2
M: monomer
A: ismétlődő egység
X: magrész, általában szén vagy szilícium
-Γ2-Γ1-: hídcsoport/kötőcsoport
Homogén szénvázú szerves polimerek
o Γ=0
o A fővázban csak szén van
o Típusai:
Etilén bázisúak pl. PE, PP, PS, PVC, PMMA, teflon
24
Nem etilén bázisúak, pl. természetes gumi
Heterogén szénvázú szerves polimerek
o Típusai:
Éterek: Γ=-O-, pl. cellulóz
Észterek: Γ=-C-O-, pl. PET
Karbonátok: Γ=-O-C-O-, pl. PC
Amidok: Γ=-N-C-, pl. PA (DNS)
Uretánok: Γ=-N-C-O-, pl. PUR
Heterogén szilíciumvázú szervetlen polimerek:
o Szilikonok: Γ=-O-
32. Mi a konformáció és mi a konfiguráció?
A konfiguráció a molekulában a kovalens kötéssel kapcsolódó atomok térbeli
elrendeződése egy központi atom körül, pl. polietilénben a hidrogénatomok
elrendeződése.
A konformáció a molekulában különböző, egymással nem kapcsolódó atomok egymáshoz
viszonyított térbeli elrendeződése.
33. Ismertesse a polimer láncok szabályosságát jellemző tulajdonságokat (fej-
láb kapcsolódás, taktikusság) és azok jelentőségét a kristályosság
szempontjából!
Fej-láb kapcsolódás:
Elengedhetetlen feltétele a kristályosodásnak
-FL-FL-FL-FL-FL-
=O
-H
=O
-H
=O
25
Izotaktikus elrendeződésű, ami azt jelenti, hogy a molekulák kapcsolódása rendezett
(intermolekuláris kapcsolat).
26
-B-B
-B-B
-B-B
-B-B
-B-B
- -B
-B-B
-B-B
-B-B
-B-B
-B-
-B-B
-B-B
-B-B
-B-B
-B-B
-
Fej-fej-láb-láb kapcsolódás:
Szündiotaktikus elrendezés, ami azt jelenti, hogy a molekulák között bizonyos
rendezettség figyelhető meg.
-FF-LL-FF-LL-FF-LL-FF-LL-
Ataktikus
anyagról van szó, ha nincs semmiféle rendezettség a molekulák kapcsolódásában. Ezek az
amorf anyagok.
34. Mi a kopolimerizáció célja? A kopolimereknek milyen típusait ismeri?
A kopolimerizáció célja olyan műanyagok előállítása, amelyek fiziko-mechanikai és egyéb
tulajdonságai jobbak, mint a megfelelő homopolimereké. Példaképp a polietilén kitűnő
fagyállóságú kaucsuk lenne, de nagy kristályosodási hajlama miatt amorf állapotban nem
stabil. Propilén egységek beépítése a polimerláncba megbontja a polimerlánc
szabályosságát és a kristályosodási hajlam megszűnik. Az így nyert etilén-propilén
kopolimerek kitűnő kaucsukok.[
Kopolimerek típusai:
a) Monomer egységenként szabályosan váltakozó kopolimerek:
-A-B-A-B-A-B
b) Monomer egységenként szabálytalanul váltakozó kopolimerek:
-A-A-B-B-A-A-B-B-A-A-B-B-
c) Szakaszos vagy blokkpolimerek (pl. ABS):
-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-B-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-
d) Ojtott kopolimerek:
Amikor az egyik monomerből felépült makromolekulán, oldalláncként, egy másik
monomerből felépíthető polimerláncot ültetnek rá. Az ojtott oldallánc összetétele,
gyakorisága és hosszas együttese szabja meg az ojtott kopolimer tulajdonságait.
-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-
…………………………………………………………
…………………………………………………………
…………………………………………………………
27
35. Mutassa be a polimerek csoportosítását a makromolekula alakja szerint!
Lineáris polimerek
a) Fonalmolekulák (pl. HDPE)
b) Fonalmolekula sűrű, rövid elágazásokkal (pl. LLDPE)
c) Fonalmolekula ritkább, hosszabb elágazásokkal (pl. LDPE)
Ez a három csoport alkotja a hőre lágyuló polimerek csoportját, reverzibilisen ömledék
állapotba hozhatók.
Térhálós polimerek (pl. műgyanta)
Ezek a hőre nem lágyuló (hőre keményedő) polimerek, nem vihetők ömledék állapotba
d) Polimerlánc gyűrűkkel
e) Létra polimerek
f) Elágazott polimer
g) Ritka térhálós polimer
h) Sűrű térhálós polimer
28
36. Mit jelent az, hogy egy polimer lineáris, illetve hogy térhálós? Mondjon
példákat ezekre!
Lineáris polimerek
Olyan polimerek, amelyek reverzibilisen ömledék állapotba vihetők (hőre lágyuló
polimerek). Pl. HDPE, LDPE, PE, PP, PS, PET.
Térhálós polimerek
Olyan polimerek, amelyek nem vihetők ömledék állapotba, hőre „keményednek”, vagyis
hőre nem lágyulnak.
Pl. PUR, műgyanta, bakelit
37. Mik a különbségek a kis- és nagymolekulájú anyagok között?
Kismolekulájú anyagok:
Molekulái könnyebben tudnak rendeződni
Nagy rugalmassági modulusú anyagok
Erősebb kölcsönhatás
Kismolekulájú anyagoknál: olvadáspont van
Nagy molekulájú anyagok:
Lazább szerkezetűek
Molekulái el tudnak mozdulni
Kis rugalmassági modulusú anyagok
Nincs 100% kristályos polimer
Nagy molekulájú anyagoknál olvadási intervallumról beszélünk
Mechanikai tulajdonságaik időfüggőek
29
38. Hasonlítsa össze a kis- és nagy molekulájú anyagok fajtérfogat változását
a hőmérséklet függvényében!
Kismolekulájú anyagok fajtérfogat-változása a hőmérséklet függvényében:
Kismolekulájú anyagok esetében megkülönböztetünk első-és másodrendű átalakulást. A
hőmérséklet növekedésével mindkét esetben folyadékká válik az anyag, a különbség,
hogy az üveges anyagoknál üvegesedési hőmérsékletről, kristályos anyagoknál
kristályolvadási hőmérsékletről beszélünk. Fontos megemlíteni, hogy kismolekulájú
anyagoknál ezek a kitüntetett értékek pontok, polimereknél intervallumokról beszélünk.
Nagy molekulájú anyagok fajtérfogat-változása a hőmérséklet függvényében:
30
Nagy molekulájú anyagok esetén is beszélhetünk üveges és kristályos anyagokról (előbbi
az amorf, utóbbi a részben kristályos). Üveges polimer esetében az üvegesedési
intervallumot követően folyadékot (ömledéket) kapunk, melynek annak ellenére, hogy
folyadék, vannak szilárd anyagokra utaló tulajdonságaik. Részben kristályos polimerek
esetében a szilárd halmazállapotot az üvegesedési intervallum után egy újabb szilárd
halmazállapot követ, mivel a polimeren belüli kristályok továbbra is megmaradnak, ekkor
csak lágyul a polimer. Ha tovább melegítjük, a kristályokat is sikerül megolvasztani, majd a
kristályolvadási intervallum után megkapjuk a polimer ömledéket. A nagy molekulájú
anyagok érdekes jellemzője a hiszterézis. Ez azt mutatja, hogy ha a polimert ömledékké
alakítjuk, majd lehűtjük, a hűtés nem ugyanazon az úton megy végbe, mint a melegítés, a
két görbe közötti „rés” lesz a hiszterézis.
39. Mik a polimer blendek? Miért állítunk elő blendeket? Ismertesse a
blendek csoportosítását!
Polimer keverék (blend): két különböző polimerből álló rendszer, tekintet nélkül arra,
hogy az alkotórészek között létrejött-e kapcsolat. Előállításuk célja egész egyszerűen az,
hogy ötvözzük különböző polimerek számunkra előnyös tulajdonságait. Pl. PVC-be
nitrilkaucsukot keverhetünk (NBR), amitől ütésállósága javul.
Csoportosításuk:
Elegyedő blendek:
o Homológ polimer komponenesek:
Pl. PA, PA keverék
o Különböző összeférhető polimerek keveréke:
Pl. PC/ABS keveréke (mobiltelefon hátulja)
Nem elegyedő blendek:
Pl. PET-PE: szivacsos anyag jön létre (ideiglenes útjelző táblák talpa)
Polimer ötvözetek:
o Kompatibilizáció útján létrehozott, célszerűen módosított határfelületekkel
összeépített (egyébként inkompatibilis) polimer keverék. Kompatibilizálás
pl. különdöző adalékanyagokkal történik.
o Pl. PA/PE keverék: benzintartály, benzintank (többrétegűek)
Nem elegyedő, nem kompatibilizált blendek
31
32
40. Mit jelent az, hogy egy polimer részben kristályos, illetve amorf? Soroljon
fel részben kristályos, illetve amorf polimereket (legalább 4 darabot
típusonként)!
Részben kristályos polimerek:
Kisebb térfogatot foglalnak el, így jó a gázzáró képességük
A polimernek a tulajdonságai nagyban függenek attól, hogy mennyi kristályos rész
található bennük. Pl. minél kevesebb kristály található benne, annál inkább ütésállók,
kevésbé hajlamosak vetemedésre, és annál inkább átlátszók, viszont annál kevésbé
szilárdak, hőállóak. Amikor a polimerben nem található már kristály, akkor amorf
polimerről beszélünk.
Részben kristályos polimerek:
PE, PP, PET, POM, PA, PUR
Amorf polimerek:
PVC, PS, PMMA, PC, ABS
41. Részben kristályos polimerek esetén hogyan változnak a polimerek fizikai
tulajdonságai a kristályos részarány növekedésével?
A kristályos részarány növelésével nő a szilárdság, a gázzáró képesség, hőállóság, de nő a
vetemedésre való hajlam is. Csökken az áttetszőség és az ütésállóság.
42. Ismertesse a következő fogalmakat: krisztallit, fibrilla, lamella, szferolit!
Krisztallit: Az a legkisebb kristályos egység, amely jól jellemzi a részben kristályos polimer
kristályos részét.
Fibrilla: Hosszú, kristályos képződmény, amely megmutatja a kristályos rész alakját. A
fibrilla sok egymás mellé rendeződött lamella, amely több 10 nm vastag. A fibrilla is lehet
krisztallit, de nem muszáj hogy az legyen.
Lamella: lapos, széles képződmények, általában ez a szerkezet jellemző a polimerekre,
minthogy egymás mellé rendeződnek a láncok. A polimer molekulák „behajtogatódnak”
egymás mögé, így lamellákat alkotnak. Ahol a visszahajtogatás történik, ott amorf a
polimer. Egy lamella az adott polimer egy rétege.
33
Szferolit: gömbszerű képződmény a polimerben. Ömledéket hűtve gócokat alakítanak ki.
Kettős töréssel rendelkeznek, tartalmaznak amorf részeket, ahol a gömbök összeérnek,
ott is amorf a polimer. Méretüket a hűtési sebesség befolyásolja. Kettõs törés: egyes
anyagokban a felületre beesõ természetes fénysugár felbomlása két sugárra. A rendes
sugár követi a fénytörés törvényeit, a rendellenes nem: terjedési sebessége az iránytól
függ. Polimereknél bizonyítja, hogy orientált részek vannak jelen, amelyek elég nagyok
ahhoz, hogy depolarizált fényszóródás legyen
43. Mik a polimerek szerkezettípusai?
Lineáris amorf szerkezetű polimerek:
o termoplasztikus (megolvasztható) polimerek
o nincsenek benne kristályok
o Pl. PVC, PS, PMMA, PC
Térhálós szerkezetű polimerek:
o Ritkán térhálós: (elasztomerek)
Tg<0, például gumik
o Közepesen térhálósak: (termoelasztomerek)
Szobahőmérsékleten változtatják a tulajdonságaikat
Tg= kb. 20 °C
o Sűrűn térhálosak: (duromerek):
Tg>60 °C pl. UP (telítetlen poliészter) EP (telített poliészter)
Részben kristályos polimerek:
a. Rojtos micellás szerkezet
b. Parakristályos szerkezet
c. Szferolitos szerkezet
d. Fibrillás szerkezet
34
44. Mutassa be az ún. rojtos-micella elméletet (rajz)!
A tömény polimer oldatban illetve olvadékban hosszabb lánc-kötegekből alakulnak ki a
rendezett kristály-tartományok. Ezeket a kristályos részeket kusza láncszakaszokat
tartalmazó, rendezetlen amorf tartományok választják el egymástól. A sajátos szerkezeti
formációt rojtos micellának nevezik. A kristályos kötegek kiterjedése jóval kisebb a
polimer lánc hosszánál, ezért a láncok itt is hajtogatódnak illetve több molekulának is
összeilleszkedhet hosszabb-rövidebb láncszakasza egyetlen kötegben. Természetesen egy
makromolekula egyidejűleg több amorf és kristályos tartományhoz tartozhat. A kristályos
szerkezetű rendezett lánckötegek és az amorf rész aránya a kristályosodás körülményeitől
függ.
35
45. Mutassa be az ún. parakristályos szerkezetet! Mit jelent az első-, illetve
másodfajú rácshiba?
A parakristályos szerkezet lényege, hogy növeljük a részben kristályos polimerben levő
kristályok számát, amíg a kristályos részarány nagyobb lesz az amorf részaránynál. Ezzel
azonban a molekularácsban első és másodfajú hibák keletkeznek. Viszont a parakristályos
szerkezet előnye, hogy rendezettebb szerkezetű, hőállóbb és nagy szilárdságú polimert
kapunk. Például: HOPE (Highly Oriented Polyethylene) kötél.
Elsőfajú hiba:
A molekularácsban a molekulák nem a pontos geometriai helyükön vannak, egy ideális
rácspont körül elfordulnak, de nagyobb térrészt tekintve a hibák kiegyenlítik egymást. Az
elsőfajú rácshiba főleg hőmozgásból adódik.
Másodfajú rácshiba:
Halmozódó hibák, a hiba sokszorozódik, torzult rácsszerkezet jön létre, így nem lesz
tökéletes
36
46. Mutassa be a hedrites, dendrites szerkezetet, a nyújtott láncú lamella
szerkezetet, a transzkristályos szerkezetet és a „saslikos” szerkezetet!
Hedritek:
o Sokszögû szerkezetek, amelyek (mivel határozott felületük van) az
egykristályhoz némiképp hasonlók.
o Néhány lamellás rétegbõl állnak, melyek együttes vastagsága elérheti az
egy mikrométert.
o Oldatból való kristályosításkor vagy olvadékból is kialakulhatnak.
Dendritek:
o Átmeneti alakzatok.
o Rosszúl fejlett egykristályokból állank és nem tökéletes kristályosításkor
keletkeznek.
o Alakjuk fenyõfaághoz hasonlít.
Nyújtott láncú lamellák:
o A láncok teljesen nyujtottak, a láncvégzõdések ugyanabban a síkban
fekszenek.
o Polietilénnél, kis molekulatömegû paraffinoknál.
o Lassú kristályosodás esetén 10 000-nél nagyobb molekulatömegü
polietilénnél.
o Nagynyomáson végzett kristályosításkor is keletkezik.
Transzkristályos szerkezet:
o A felületen szferolitok nőnek, amelyek gátolják egymás növekedését. Jó
terhelés átadási tulajdonságú.
Saslikos szerkezet:
o Egy fibrillára nőnek rá a lamellák
37
47. Mutassa be a polimerek szerkezeti gráfját!
48. Mi a DSC mérés lényege? Mire használható?
A DSC (Diferrenciálos pásztázó kaloriméter) a polimerek termikus tulajdonságainak
meghatározására használható, a hőáram-különbség mérésének segítségével. . A mintát és
a referenciát elkezdik fűteni egyenletesen. Cél: T-t lineáris diagram megmaradjon
38
Az 1. folyamat a hűtés, a 2. a melegítés. ∆Hkr a kristályosodás, ∆Hm a megolvadás, ennyivel
kevesebb vagy több hő kell a linearitáshoz. Azt mondjuk, hogy a kristályolvadási
hőmérséklet az alsó „pukli” csúcsában van, annak ellenére, hogy ez egy intervallum, ezen
túl kell melegíteni, hogy a kristály megolvadjon.
A kristályos részarány kiszámítása:
49. Írja fel a Hooke-törvényt szilárd testekre vonatkozóan!
A lineárisan rugalmas anyag Hooke-modelljében a húzó vagy nyomó mechanikai
feszültség (σ) a fajlagos nyúlással (ε) arányos.
39
50. Milyen eltéréseket ismer a polimerek és a fémek viselkedése között?
Mivel a polimerek hosszú molekula láncokból állnak, így a fémekkel ellentétben a nemlineáris viselkedés lesz rájuk jellemző, a megnyúlás, és így a feszültség is időtől függő tulajdonság lesz, így a Hooke-törvény is ennek megfelelően módosul:
Polimereknél a nagy alakváltozások és a mechanikai tulajdonságok időfüggőek.
A fémekkel ellentétben a polimerekre az inhomogén szerkezet a jellemző, mivel
amorf és kristályos részek váltják egymást a polimeren belül.
A tulajdonságok erősen hőmérsékletfüggőek, ez a fémeknél nem annyira jelentős. (pl.
a 90°C-os forró víz összehúzza a PET palackot, ám a fémeknél több száz vagy több
ezer fokot is el kell érni ahhoz, hogy jelentős legyen a hőmérséklet befolyása).
51. Miért nevezzük a polimereket anizotrop anyagoknak?
Az izotróp anyagoknál (pl. fémek) az alakváltozás minden irányban azonos, de mivel a
polimerek nem homogén anyagok (amorf és kristályos részek váltják), így az alakváltozás
sem lehet minden irányban azonos. Ezért nevezzük őket anizotrop anyagoknak.
52. Mit jelent polimerek húzóvizsgálatánál az érintő, illetve a húr modulus?
(számítási példa előfordulhat!)
Húr modulus (Eh): a görbe tetszés szerinti (de jellemzően a kezdeti szakaszon
megválasztott) két pontját összekötő egyenes meredeksége. A vonatkozó szabvány
szerint a 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez tartozó görbepontokon átmenő
egyenesnek a meredekségét kell meghatároznunk, vagyis az általános érvényű
összefüggésbe a és mért értékeket helyettesítjük, míg epszilonok
helyére a kapott diagramról leolvasott értékeket.
Érintő modulus (Ee): a görbe tetszőleges pontjához húzott érintő meredeksége. Mivel
a szakítógörbe általában már a kezdeti szakaszban sem lineáris (ellentétben a fémekével),
így érintőjének meredeksége is pontról pontra változik.
40
53. Rajzoljon fel egy tipikus szakítógörbét polimerek esetén és definiálja a
következő fogalmakat: mérnöki feszültség; nyúlás; folyási feszültség,
húzószilárdság; szakítószilárdság; húzószilárdsági nyúlás; szakadási nyúlás,
érintő modulus, húr modulus! (Számítási példa előfordulhat!)
Mérnöki feszültség: σ
Az erő tengely helyén a mérnöki húzófeszültséget (σ [MPa]) megkapjuk, ha az erőt (F [N]
osztjuk a próbatest (középső részének) kiindulási keresztmetszetével (A0 [mm2]):
A mérnöki húzófeszültség [MPa] azt fejezi ki, hogy a próbatest 1 mm2 – húzási iránnyal
megegyező normálvektorú – keresztmetszetében mekkora erő [N] ébred. (Kétszer akkora
keresztmetszetű, de azonos anyagú próbatestnél kétszer akkora erőt mérnénk a vizsgálat
során, az ébredő feszültség viszont ugyanakkora lenne mindkét esetben, mert az magát az
anyagot jellemzi).
Polimerek szakítógörbéi. a) rideg (üvegszerű) viselkedés, b) és c) nyakképződést mutató
viselkedés d) lágy, gumiszerű viselkedés nagy (>50%) szakadási nyúlással
41
Relatív nyúlás: ε
A relatív nyúlás (ε) a próbatest megnyúlásának (∆l [mm]; ∆l= l-L0, ahol l a próbatest
aktuális hossza) és a kezdeti mérési hossznak (L0 [mm]) a hányadosa:
A relatív nyúlást általában százalékban (pl. 5%), vagy mértékegység nélkül (pl. 0,05)
fejezzük ki (azt mutatja meg, hogy a próbatest a mérés adott pillanatában éppen hány
százalékkal hosszabb, mint terheletlen állapotban volt).
Folyási feszültség: σY
Az az első feszültség, amelynél a nyúlás a feszültség növekedése nélkül növekszik
(szakítógörbe nyúlás szerinti deriváltja itt nulla). Fémes szerkezeti anyagoknál a folyási
feszültség egy éles határ (folyáshatár): alatta rugalmas, míg felette képlékeny alakváltozás
jelentkezik. A viszkoelasztikus viselkedésű polimereknél már rendszerint kis
feszültségeknél is maradó alakváltozások alakulnak ki, vagyis egyfajta folyási jelenség már
hamarabb is fellép, tehát folyáshatár nincsen. A gyakorlatban bizonyos polimereknél fel
sem lép a folyási jelenség, másoknál több száz %-os folyási alakváltozás következhet be,
amelyet a próbatesten nyakképződés és szerkezeti átalakulás kísérhet. A folyást bizonyos
polimerek esetén az ún. feszültség fehéredés jelezheti.
Húzószilárdság: σM
A szakítógörbe első lokális maximumánál ébredő (mérnöki) feszültség. Ez a feszültség
egybeeshet a folyási feszültséggel (σY, „b” és „c” görbe), vagy a szakítószilárdsággal (σB,
„a” görbe).
Szakítószilárdság: σB
Közvetlenül a szakadás (próbatest kettéválása) előtt mért erő és a kezdeti keresztmetszet
hányadosa.
Húzószilárdsági nyúlás: εM
A húzó nyúlás a próbatest húzószilárdságának megfelelő pontban:
ahol L0 a próbatest vizsgált szakaszának eredeti terheletlen hossza, LM a próbatest vizsgált
szakaszának az első lokális erőmaximumnál mért megnyúlt hossza.
42
Szakadási nyúlás: εB
A húzó nyúlás a próbatest szakítószilárdságának megfelelő pontban:
ahol LB: a próbatest vizsgált szakaszának a szakadáskor mért megnyúlt hossza.
Húr modulus (Eh):
A görbe tetszés szerinti (de jellemzően a kezdeti szakaszon megválasztott) két pontját
összekötő egyenes meredeksége (a fenti ábrán a „d” görbén felvett két pont). A
vonatkozó szabvány szerint a 0,05% és 0,25% relatív nyúlásértékhez tartozó
görbepontokon átmenő egyenesnek a meredekségét kell meghatároznunk, vagyis az
általános érvényű
összefüggésbe a és mért értékeket helyettesítjük, míg epszilonok
helyére a kapott diagramról leolvasott értékeket.
Érintő modulus (Ee):
A görbe tetszőleges pontjához húzott érintő meredeksége. Mivel a szakítógörbe általában
már a kezdeti szakaszban sem lineáris (ellentétben a fémekével), így érintőjének
meredeksége is pontról pontra változik.
54. Polimerek esetén mi a hajlítószilárdság, határlehajlás, illetve határhajlító
feszültség?
Hajlítószilárdság:
A töréskor elérhető maximális hajlító feszültség
ahol σBh a keresett hajlítószilárdság, M a próbatestben ébredő maximális hajlító
nyomaték, K a keresztmetszeti tényező.
Az EN ISO 178:2001-es szabványban is szereplő összefüggés:
43
ahol F a töréshez tartozó erő [N], L az alátámasztási távolság [mm], b a próbatest szélessége
[mm], h a próbatest vastagsága [mm].
Ez a következőképpen jön ki:
A fenti ábra az ún. hárompontos hajlító vizsgálat, melynek lényege, hogy a vizsgált
próbatestet két végén alátámasztják, majd középen terhelni kezdik, hajlítják. Az ábra
szerinti maximális hajlító nyomaték: M
valamint a keresztmetszeti tényező:
Ezeket behelyettesítve a képletbe, majd az egyszerűsítéseket elvégezve megkapjuk a
szabványban szereplő képletet.
Határlehajlás: f*
Az a lehajlási érték, ameddig feltételezhetjük a klasszikus számítási összefüggések
érvényességét. Értéke a mindenkori L alátámasztási távolság 10%-a (f* =0,1.L). Ha tehát
ezen f*határlehajlás érték elérése előtt eltörik az anyag, akkor a törési ponthoz tartozó Ft
törőerőből számolt nyomatékkal a σBh hajlítószilárdságot határozzuk meg, és ezzel
jellemezzük a vizsgált anyag teherbírását.
44
Határhajlító feszültség: σh
Abban az esetben, ha az f* határlehajlás érték eléréséig nem törik el az anyag, hanem
csak f* -nál nagyobb f értéknél törik, vagy egyáltalán nem törik el, akkor az f*-hoz tartozó
F* határhajlító erőből számított nyomatékkal a σh ún. határhajlító feszültséget
határozzuk meg, és alkalmazzuk a vizsgált anyag szilárdsági jellemzésére,
összehasonlítására. Számítása tehát az előbbivel azonos, kivéve, hogy törőerő helyett a
határlehajláshoz tartozó erőt használjuk.
55. Hogyan hat kompozitok esetén az erősítőszálak orientációja a
hajlítószilárdsági jellemzőkre?
A polimer mátrixú kompozitok jellemzői jelentős mértékben eltérnek az erősítetlen
rendszerek viselkedésétől. A hajlított tengelybe eső szálak adják a legnagyobb
merevséget, míg ettől egyre nagyobb mértékben eltérve a próbatestek modulusa egyre
kisebb
Külön kell említeni a szendvicsszerkezeteket. Ezek jellemzője a kis anyagmennyiség
növekedéssel elérhető nagy hajlítómerevség növekedés (D=IE, ahol I a másodrendű
nyomaték, E a modulus).
45
56. Mi a kúszás (definíció + gerjesztés és válasz fgv.-ek, a gerjesztés
megszűnte után is!)?
A kúszás során a (polimer) anyag deformációja, állandó mechanikai feszültség-terhelés
mellett, az időben folyamatosan nő. A kúszásvizsgálat során többnyire ugrásszerűen
terhelik az anyagot, majd a terhelést állandó értéken tartják. Az anyag válasza erre az ún.
kúszás-gerjesztésre a kezdeti ugrásszerű deformációt követő, az időben folyamatosan
növekvő deformáció. A deformációnak három komponense van, melyeket különböző
elemekkel modellezünk:
A fenti modellek sorba kapcsolásával kapjuk a Burgers-féle négyparaméteres modellt,
amely a legkisebb elemszámú modell az amorf termoplasztikus polimerek kúszási
viselkedésének minőségi leírásához:
46
A gerjesztés és válaszfüggvényei:
57. Mi a feszültségrelaxáció (definíció + gerjesztés és válasz fgv.-ek a
gerjesztés megszűnte után is!)?
A lineáris polimerek esetében, ha az anyagot ugrásszerűen, állandó ε0 deformációnak
tesszük ki, akkor a mért feszültség a kezdeti maximális értékéhez képest az időben
csökken és tart 0-hoz. Eközben a terhelés kezdeti pillanatában még teljes egészében
rugalmas ε0 alakváltozás fokozatosan elkezd késleltetett rugalmas és maradó
alakváltozássá átalakulni. Elegendően hosszú T idő alatt az ε0 alakváltozás teljes
egészében maradóvá alakulhat, miközben a feszültség teljesen 0-ra csökken. A jelenség
47
egyszerű modellezésére az úgynevezett Maxwell-modell alkalmas, amelyet egy rugó és
egy viszkózus elem sorba kapcsolásával kaphatunk:
A relaxációgerjesztés és válaszfüggvénye:
48
58. Mutassa be a polimerek mechanikai viselkedését leíró mikro-, illetve
makro deformáció komponenseket! Milyen molekuláris szintű változásokhoz
köthetőek az egyes mikro deformáció komponensek? Értékelje a
makrodeformáció komponenseket mechanikai, és termodinamikai
reverzibilitás szempontjából!
Mikrodeformációs komponensek:
Energiarugalmas: εU
Ha megnyújtjuk a molekulát megnyúlik, majd a feszültség megszűnése után
visszaalakul, így mechanikailag és termodinamikailag is reverzibilis.
Entrópiarugalmas: εS
Az összegombolyodott szerkezet kiegyenesedhet. Mechanikailag reverzibilis,
de termodinamikailag irreverzibilis.
Enregiadisszipáló: εirrev
A molekula nem tud visszaalakulni. Mechanikailag és termodinamikailag is
irreverzibilis.
49
Makrodeformációs komponensek:
Pillanatnyi rugalmas deformáció komponens:
Mikro szerkezetileg az atomtávolságok és vegyértékszögek megváltozásához
kapcsolódik - pillanatszerűen, késleltetés nélkül alakul ki a terhelés pillanatában,
és ugyancsak késleltetés nélkül alakul vissza a terhelés megszűntével, azaz az
időtől független, és a fel- és leterhelés görbéje egybeesik. A terhelés során
kialakult deformáció és a befektetett deformációs munka is teljes mértékben
visszaalakul, ezért e komponens mechanikailag és termodinamikailag is
reverzibilis.
A deformáció komponens legegyszerűbb mechanikai modellje a Hooke-törvényt
követő rugó.
Késleltetett rugalmas komponens
Mikro szerkezetileg a feszültség hatására a molekulaláncok kigöngyölődéséhez,
illetve visszagöngyölődéséhez kapcsolódik, a terhelés folyamán késleltetve alakul
ki, és a terhelés megszűnte után késleltetve alakul vissza, azaz időfüggő, és a fel-
illetve leterhelés görbéi nem esnek egybe (ún. hiszterézis jelentkezik). A
hiszterézis-hurok területe a hővé alakult, veszteségi deformációs
munkahányaddal arányos. E komponens ezért mechanikailag reverzibilis, de
termodinamikailag irreverzibilis.
E deformáció komponens legegyszerűbb modellje egy rugó és egy - szintén
további idealizálási lépést jelentő – Newton-törvényt követő viszkózus elem
párhuzamos kapcsolásával kapható ún. Kelvin-Voigt elem.
Maradó deformáció komponens
Mikro szerkezetileg a molekula-láncok egymáshoz képesti elcsúszásához, maradó
elmozdulásához kapcsolódik, a terhelés folyamán folyamatosan alakul ki, időben
halmozódik és a terhelés megszüntetése után a kialakult deformáció érték
megmarad. A fel- és leterhelés görbéi nem esnek egybe, sőt az utóbbi elfajul, és
a befektetett deformációs munka teljes egészében hővé alakul.
Következésképpen, e komponens mind mechanikailag, mind termodinamikailag
irreverzibilis.
E deformáció komponens legegyszerűbb modellje a Newton-törvényt követő
viszkózus elem.
50
59. Mutassa be az egyes deformáció komponensek modelljét és azok
mechanikai gerjesztés és válaszfüggvényeit, valamint a modell
alapegyenletét!
51
60. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek kúszását leíró Burgers-
modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!
Állandó terhelés esetén érvényes a nyúláskomponensek szuperpozíciójának elve, ezért a
Burgers-féle összetett modell nyúlás-válaszfüggvénye az azt alkotó modellelemek
válaszfüggvényeinek szuperpozíciójával összegezve szerkeszthető meg. Ebből adódóan -
indirekt módon - a mért kúszásgörbéből meghatározhatóak az arra illesztett Burgers-
modell (Burgers-függvény) paraméterei (együtthatói). A modell gerjesztési függvénye és
válaszfüggvényei megtalálható az előző kérdésben. (a. illetve e. ábra).
52
61. Mutassa be a gyengén térhálós elasztomerek kúszását leíró Stewart-
modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!
A gyengén térhálós elasztomerek terhelés megszűnése után visszanyerik eredeti
alakjukat. Ezt a viselkedést a Stewart-modellel jellemezhetjük, amely nagyon hasonlít a
Burgers-féle modellre, azzal a különbséggel, hogy itt nincs sorba kötve viszkózus elem:
Gerjesztési függvény és válaszfüggvényei:
53
Normális esetben elasztomereknél nincs maradandó alakváltozás. Amennyiben mégis
maradandó alakváltozást szenved, annak oka valószínűleg, hogy a polimer elöregedett, az
idő múlásával változtak mechanikai tulajdonságai.
62. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek feszültségrelaxációját
leíró Maxwell-modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!
A lineáris polimerek esetében, ha az anyagot ugrásszerűen, állandó ε0 deformációnak
tesszük ki, akkor a mért feszültség a kezdeti maximális értékéhez képest az időben
csökken és tart 0-hoz. Eközben a terhelés kezdeti pillanatában még teljes egészében
rugalmas ε0 alakváltozás fokozatosan elkezd késleltetett rugalmas és maradó
alakváltozássá átalakulni. Elegendően hosszú T idő alatt az ε0 alakváltozás teljes
egészében maradóvá alakulhat, miközben a feszültség teljesen 0-ra csökken. A jelenség
egyszerű modellezésére az úgynevezett Maxwell-modell alkalmas, amelyet egy rugó és
egy viszkózus elem sorba kapcsolásával kaphatunk:
Az állandó megnyúlás gerjesztés és válaszfüggvénye:
54
63. Mutassa be a gyengén térhálós elasztomerek feszültségrelaxációját leíró
Standard-Solid-modellt (rajz + gerjesztés és válasz fgv.)!
A modellt egy E tulajdonságú rugó és egy viszkózus elem sorba kapcsolásából, valamint
ennek a kettőnek és egy E∞ tulajdonságú rugó párhuzamos kötésével kapjuk.
A nyúlás-gerjesztés és a feszültség-válaszfüggvénye:
Látható, hogy a feszültség t=∞ esetén nem 0-hoz, hanem egy adott értékhez tart.
55
64. Értelmezze az alábbi fogalmakat: időtartam szilárdság, tartós szilárdság,
időtartam feszültség!
Időtartam szilárdság: σB/t
Az a legnagyobb feszültség terhelés, mely mellett az anyag legfeljebb t0 idő után szakad
el.
Például: σB/1000=200MPa azt jelenti, hogy a 200 MPa terhelést 1000 óráig bírja az anyag.
Időtartam feszültség: σε/t
Az a maximális feszültség érték, mely esetén a deformációt t0 idő után érjük el.
Például: σε/1000=20 MPa azt jelenti, hogy 20 MPa terhelés mellett 1000 óra után éri el az
adott ε deformációt.
Tartós szilárdság: σB/∞
Az a feszültség, amely végtelenül hosszú idő alatt sem okoz az előírtnál nagyobb
alakváltozást.
65. Mit jelent az, hogy egy polimer hidrofil, vagy hidrofób? Mi ezek
kapcsolata a polimerek molekuláris felépítésével? Soroljon fel tipikusan
hidrofil, illetve hidrofób polimereket!
Hidrofil polimer:
A hidrofil polimerek nagymértékben vesznek fel nedvességet, mivel a fő vagy
oldalláncban található egy poláros jellegű csoport, amelyhez vízmolekula tud csatlakozni.
Ilyen polimerek például a PA, PC, Poliészter, PET. A hidrofil polimerek tartalmaznak
valamilyen alkohol csoportot.
Hidrofób polimer:
Nincs poláros jellegű csoportja (alkoholcsoportja), így nem képesek nagymértékű
nedvesség felvételre. Ilyenek például a PE,PS,PP.
56
66. Milyen nedvesség-felvételi mechanizmusokat ismer a polimereknél?
Mutassa be diagram segítségével ezek függését a relatív légnedvességtől.
Mutasson be polimerek esetén egy adott relatív légnedvességre vonatkozó
száradási, illetve nedvesedési görbét (idő függvényében)!
Közvetlen vízfelvétel
A polimerben található hidrofil molekulákhoz közvetlen kapcsolódik a vízmolekula.
Közvetett vízfelvétel
Nem közvetlen kapcsolódik a polimerekhez, hanem a polimerhez korábban
kacsolódott vízmolekulákhoz kapcsolódnak a vízmolekulák. Ennélfogva ha nincs
közvetlen vízfelvétel, akkor közvetett sincs. A közvetett jóval lassabb, mint a
közvetlen.
Kapilláris vízfelvétel
Magas páratartalom mellett megy végbe. A polimeren kis pórusok találhatók, és
mivel a poláros molekulák vonzzák a vizet, így a pórusokban víz jelenik meg.
57
67. Hogyan függ a polimerek szakítógörbéjének jellege, a szakítási
sebességtől, a hőmérséklettől és a polimer nedvesség tartalmától?
Szemléltesse ábrával a jelenségeket! Mivel magyarázhatóak a jelenségek
molekuláris szinten?
Sebesség
Nagyobb szakítási sebességek esetén a viszkoelasztikus tulajdonságokkal
rendelkező anyagok (polimerek) merevebben és ridegebben viselkednek,
általában a szilárdságuk is nagyobb értékre adódik (azt mutatja a fönti, bal oldali
ábra). Ez a jelenség azért lép fel polimereknél, mert a nagy vizsgálat sebesség
mellett a hosszú molekuláknak nincsen elég idejük, hogy a húzás irányába
rendeződjenek.
Hőmérséklet
A polimerek esetén már kis hőmérsékletváltozás is jelentősen befolyásolja a
merevséget, a szilárdságot, illetve a tönkremeneteli folyamat jellegét. A
polimerek az ún. üvegesedési átmenetük hőmérséklete (Tg) alatt üvegszerű
fizikai állapotban ridegen, míg e felett az ún. nagyrugalmas fizikai állapotban,
szívósabban viselkednek és nagyobb a szakadási nyúlásuk is (fenti jobb oldali
ábra).
Nedvesség
Nedvességnek lágyító hatása van, azaz csökkenti a rugalmassági modulust,
szilárdságot és növeli a szakadási nyúlást (ezt mutatja a következő ábra). Ennek oka,
hogy a nyíró feszültség hatására a molekulák könnyebben tudnak egymáson
elmozdulni az abszolvált víz miatt.
58
68. Mi a különbség a halmazállapot és a fázisállapot között? A polimereknek
milyen fázisállapotai lehetnek?
Polimereknél a halmazállapot lehet: szilárd, folyadék, míg a fázisállapot kristályos illetve
amorf lehet.
A polimerek lehetnek részben kristályosak és amorf polimerek, részben kristályoson belüli
fázisok: kristályos+üvegszerű amorf, kristályos+nagyrugalmas, viszkózusan folyós,
amorfon belüli fázisok: üvegszerű, nagyrugalmas, viszkózusan folyós.
69. Mit jelent az, hogy egy részecske mozgása mikro-, illetve makro-Brown
típusú?
Először is tisztáznunk kell a szegmens fogalmát. A szegmens a polimerben lévő
molekulalánc egy kis szakaszát jelenti. A szegmensek mozgása alapján különböztetünk
meg mikro-és makro-Brown mozgásokat.
Mikro Brown mozgás:
A szegmensek saját tömegközéppontjukhoz képest körbe mozognak.
Makro Brown mozgás:
Ekkor már a szegmensek tömegközéppontjai egymáshoz képest elmozdulnak,
vagyis az egész molekula mozog.
59
70. Mit jelent az üveges átmeneti hőmérséklettartomány?
Az a tartomány, amikor az amorf polimer ömledék állapotból üvegessé alakul, vagyis a
szegmens mozgások befagynak, megszűnnek a mikro- és makro Brown mozgások. Mivel
nem tud egyszerre az összes szegmens mozgása befagyni, ezért tartományról beszélünk.
A folyamat természetesen fordítva is igaz.
71. Mutassa be a polimerek amorf fázisának fizikai állapotait! Ismertesse a
jellemző átmeneti hőmérsékleteket, és értékelje az egyes állapotokat Brown
mozgás szempontjából!
1. 0K (kelvin)
2. 0K<T<Tg
a. Fizikai állapot: üvegszerű amorf.
b. Nincs se mikro se makro Brown mozgás (mikro nélkül makro sincs).
c. Pillanatnyi rugalmas deformáció komponens a domináns a kúszásnál.
3. Tg: üveges átmeneti hőmérséklet
4. Tg<T<Tf
d. Fizikai állapot: nagyrugalmas amorf
e. Mikro Brown mozgás van, makro nincs
f. Erre példa: egy műanyag golyó, amit ha leejtünk, nem pattan vissza (nagy
csillapítóképesség)
5. Tf: folyási hőmérséklet
6. Tf<T<Tb
g. Fizikai állapot: viszkózusan folyós(ömledék)
h. Van mikro és makro Brown mozgás is
7. Tb: bomlási hőmérséklet
60
71. Mutassa be a polimerek kristályos fázisának fizikai állapotait! Ismertesse a
jellemző átmeneti hőmérsékleteket, és értékelje az egyes állapotokat Brown
mozgás szempontjából!
1. 0K
2. 0K<T<Tm
a. Fizikai állapot: kristályos
b. Nincs se mikro, se makro Brown mozgás
3. Tm: kristályolvadási hőmérséklet
4. Tm<T<Tb
a. Fizikai állapot: viszkózusan folyós (ömledék)
b. Mikro és makro Brown mozgás is van
5. Tb: bomlási hőmérséklet
Összefoglalva tehát egy részben kristályos polimer fázisait:
Halmazállapot szilárd szilárd szilárd ömledék
Fázisok
Kristályos rész
kristályos kristályos kristályos viszkózusan
folyós Amorf rész üvegszerű nagyrugalmas
viszkózusan folyós
Hőmérséklet 0K<T<Tg Tg<T<Tf Tf<T<Tm Tm<T<Tb
72. Mit jelent az, hogy egy mechanikai vizsgálat statikus, kvázi-statikus,
illetve, hogy dinamikus?
Statikus, tartós igénybevételről akkor beszélünk, ha egy időpillanatban az addig nem
terhelt anyagra terhelést adunk (például egy készülék esetében a be- és kikapcsolás).
Kvázi statikus terhelésről beszélünk, amikor az igénybevételeket a vizsgált folyamat
szempontjából elhanyagolható mértékű változások jellemzik
Dinamikus terhelés: A terhelés időben véletlenszerűen vagy harmonikusan változik. A
változás érintheti mind a terhelésváltozás mértékét (pl.: rezgés amplitúdó), mind annak
gyakoriságát (pl.: rezgés frekvencia).
61
73. Mi lesz polimerek esetén az 𝜀(𝑡)=𝜀1+𝜀0∙sin(𝜔𝑡) dinamikus
kúszásgerjesztésre adott válasz? Hogyan származtatható ebből a komplex
rugalmassági modulus?
A fenti képlet a dinamikus mechanikai analízis (DMA) ciklikus gerjesztés görbéjét leíró
egyenlet. Mivel a polimer lineáris rendszerként viselkedik, szinuszos nyúlás gerjesztésre a
válasz egy feszültség, amely szintén szinuszos:
ahol
δ a fáziseltolás, vagy fáziskésés (tisztán elasztikus anyagoknál, fémeknél δ=0).
a feszültség relaxáció-időtől függ.
Ha 𝜀1-t nullának választjuk, akkor a válasz:
A szinusz függvény tulajdonságai miatt δ értéke 0 és π/2 lehet. Ezeket és trigonometriai
ismereteket felhasználva a következőképp írhatjuk fel a fenti választ két részre bontva:
majd
A fenti válaszfüggvényben az első tag a gerjesztéssel fázisban van, míg a második π/2-vel van
eltolva. Osszuk le az egyenletet 𝜀0-val:
Az egyenletben szereplő hányados az állandó tárolási modulus (E’), míg a lesz a
veszteségi modulus (E”)- például a hő veszteség. Úgy is fel lehet fogni, hogy van egy komplex rugalmassági modulus, amely e két modulusnak a vektori összege.
Így: E*=
62
74. Mi a veszteségi tényező? Mit mutat meg?
A veszteségi tényező a veszteségi modulus (E”) és az állandó tárolási modulus hányadosa:
Ez pedig nem más mint a komplex rugalmassági modulus és az állandó tárolási modulus
által bezárt szög tangense:
A veszteségi tényező megmutatja, hogy a tárolt energia mekkora része alakult hővé.
75. Mutassa be a termomechanikai görbék meghatározási módszereit!
1. DMA segítségével
Szilárdsági vizsgálatokat végzünk különféle hőmérsékleteken, és a sok
szakítóvizsgálat pontjait ábrázoljuk egy E, T diagramon és a kapott pontokat
összekötjük.
2. TMA (termo mechanikai analízis) segítségével
Itt állandó statikus feszültségnek tesszük ki a mintát, mindig más hőmérsékleten.
Ez pontosabb, mint a DMA mivel itt már a kész görbét kapjuk, az előző esetben
pedig pontokat kellett összekötni.
3. DMTA (dinamikai termikus analízis) segítségével
Dinamikai mechanikus analízist folyamatosan növekvő hőmérsékleten végezzük
el. Ezzel a vizsgálattal jól tudjuk közelíteni mikor, hol és mi történik az anyagban.
Az üvegesedési hőmérsékletet is jól lehet vele közelíteni (ez a legmagasabb
pontja a görbének).
63
76. Mutassa be az amorf termoplasztikus polimerek jellemző DMTA görbéit!
Jelölje be rajta az amorf fázis fizikai állapotait!
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint
a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást
jelölik.
77. Mutassa be a részben kristályos polimerek jellemző DMTA görbéit (Tm>Tf)!
Jelölje be rajta fázisok fizikai állapotait!
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint
a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást
jelölik.
64
78. Mutassa be a részben kristályos polimerek jellemző DMTA görbéit (Tm<Tf)!
Jelölje be rajta fázisok fizikai állapotait!
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint
a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB és MB a mikro-és makro Brown mozgást
jelölik.
79. Mutassa be a sűrűn térhálós polimerek (duromerek) jellemző DMTA
görbéit!
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint
a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB a mikro Brown mozgást jelöli.
65
A TKS a térháló kötés sűrűség rövidítése. Minél nagyobb, annál nagyobb marad a
rugalmassági modulus, vagyis minél több kapcsolatot hozunk létre, annál kevésbé
érezhető az üvegesedési hőmérséklet hatása.
80. Mutassa be a gyengén térhálós polimerek (elasztomerek) jellemző DMTA
görbéit!
A diagram két tengelyén található a rugalmassági modulus, a veszteségi tényező, valamint
a vízszintes tengelyen a hőmérséklet. Az mB a mikro Brown mozgást jelöli.
81. Mi a hőmérséklet-idő ekvivalencia elvének alapja polimerek esetén?
A hőmérséklet-idő ekvivalencia elve, hogy ha különböző hőmérsékleteken vizsgáljuk az
anyagot, akkor választ kapunk hosszútávú tulajdinságaikra.
Például szeretnénk tudni, hogy egy szerkezeti polimer mikor törik el. 1 óra alatt különféle
hőmérsékleteken végzett vizsgálatokat végzünk. Eltolási tényező segítségével eltolják
ezeket a görbéket. Így mestergörbéket lehet készíteni, melyeket évtizedekre
előremenőleg tudunk következtetni.
66
82. Mi történik a polimerek feldolgozása során? Mik a polimer feldolgozás-
technológiák közös fázisai? Ismertesse ezeket!
Polimerek feldolgozás technológiája:
A polimer feldolgozása során az alapanyagból 1 lépésben, méretpontosan (100-ad mikron
pontossággal), reprodukálható módon gyártunk nagy mennyiségben terméket (akár több
millió termék). Alapanyag lehet hőre lágyuló és hőre nem lágyuló polimer.
Hőre lágyuló polimerek feldolgozása esetén a kiinduló anyag tulajdonságai megegyeznek
a késztermék tulajdonságaival. Például: PE kuka.
Hőre keményedő polimerek feldolgozásánál az alapanyag szerkezetében eltér a
terméktől. Például PUR-ból készült autó műszerfal.
Polimer feldolgozás technológiák közös fázisai:
1. Alakítható állapotba hozás
Hőre lágyuló polimerek esetében a polimert hő segítségével ömledék
állapotba hozzuk, úgy dolgozzuk fel (erőhatással alakítjuk). Másik módszer a
termoelasztikus állapotba hozás, melynek során annyira felmelegítjük a
polimert, hogy a molekulák könnyen elmozdulnak, így kis erővel is alakítható
amellett, hogy szilárd marad.
Hőre keményedők esetében az alapanyag már alapból folyékony
halmazállapotú, majd gyanták segítségével dolgozzuk fel azokat.
2. Alakadás
Az ömledéket szerszámra kényszerítjük rá- belepréseljük. k9
3. Alakrögzítés
Hőre lágyulók polimereket a szerszámban hűtjük, hőre keményedő
polimereket szárítószekrénybe tesszük, ahol a hozzákevert gyanták révén létre
jön a térhálós szerkezet.
83. Mit jelent a reológia?
Reológia: anyagok deformációit leíró tudomány. Szilárd test reológia: Hooke-törvény.
Ömledékeket leíró tudomány az ömledékreológia.
67
Szurokcsepp kísérlet:
Tölcsérben van egy szurokdarab, melyre kalapáccsal ráütünk. Ha magára hagyjuk, a
gravitációs térben csepeg. Ebből arra lehet következtetni, hogy az anyagoknak van szilárd
és folyadékokra jellemző tulajdonsága is.
84. Mik az ömledékreológia alapjellemzői?
1. Erők
Komprimáló erők: térfogatot csökkentik. Kis molekulájú anyagoknál nem
tudják csökkenteni, de a polimerek összenyomhatók.
Nyomóerők: ömledék áramlást biztosító erők.
Nyíróerők: áramláskor mindig fellép. A falhatás okozza: a falnál az ömledék
sebessége 0, beljebb folyamatosan nő, ebből származik a nyíróerő.
2. Deformáció
Polimer ömledékekben létezik viszkózus és rugalmas deformáció is.
3. Időtartam
Nyírási viszonyok különbözők lesznek az ömledéken belül az idő
előrehaladtával.
4. Hőmérséklet
Gyorsabb gyártás és magasabb hőmérséklet lehetőé teszi az anyag könnyebb
deformációját. Az extrúzió ezen alapszik.
85. Mi a viszkozitás?
A viszkozitás a folyadék belső súrlódását jellemző állandó.
Elmélete a következő:
68
A kép bal oldalán két síklap közé helyezett lapos szilárd testet látunk, amelyet alul és felül a
lapokhoz ragasztottunk. Jobb oldalon a két párhuzamos lap között folyadékréteg van. A
szilárd test és a folyadékréteg lappal párhuzamos keresztmetszete A [m2] nagyságú.
Az alsó lap rögzített, a felső önmagával párhuzamosan elmozdítható. Ha a lappal
párhuzamos irányú F [N] erővel hatunk a felső lapra, akkor a szilárd testben keletkező
τ=F/A [Pa] csúsztatófeszültség (a felülettel párhuzamos, egységnyi felületre ható erő)
hatására a szilárd test deformálódik. A deformációra jellemző γ szög egy határig arányos a
τ [Pa] csúsztatófeszültséggel,tehát a deformáció nagysága arányos a szilárd testben
ébredő csúsztatófeszültséggel, ez az arányossági tényező a G nyíró rugalmassági modulus.
Ha folyadék van a lapok között, az F erő hatására a felső lap u sebességű mozgásba jön, a
folyadék időben folyamatosan deformálódik. Ezért a τ csúsztatófeszültség függvényében a
deformáció helyett a deformációsebességről (dγ/dt) beszélünk.
Az alábbiakban a Newton-modell alapján mutatjuk be a folyadékok viselkedésének
alapjait. A reális folyadékok viselkedésének leírására is használatos Newton-modell az
ömledékreológia alapmodellje. Newtoni folyadékok esetében a két síklap között lévő
folyadékréteg sebességmegoszlása lineáris:
69
Az álló laphoz legközelebb lévő folyadékrészek sebessége vx=0, míg a felső lap közvetlen
közelében a sebesség egyenlő a felső lap u sebességével. Vizsgáljuk meg, hogy dt idő alatt
milyen dγ szöggel fordul el az M szakasz! Az M szakasz felső pontja vx+(dvx/dy)dy, alsó része
pedig vx sebességgel mozog. A dt időtartamra jutó elfordulást, dγ -t a megtett út
különbségének dy-nal való osztásával kapjuk meg. Az egységnyi időre jutó szögelfordulás,
azaz a deformációsebesség pedig dt-vel való osztás után a következőképpen adódik:
Felírható a deformációsebesség (vagy alakváltozási sebesség, mértékegysége 1/s!!!) és a
csúsztatófeszültség közötti egyenes arányosságot kifejező összefüggés, azaz a Newton-
egyenlet, amelyben η [Pa·s] egy, a folyadék tulajdonságaitól függő értékű arányossági
tényező, amelyet dinamikai viszkozitásnak nevezünk:
Ebből
Fontos megjegyezni, hogy a fenti viszkozitás a dinamikai viszkozitás. Létezik még
kinematikai viszkozitás, amely a folyadékban (gázban) keltett örvényszerű zavarok
öncsillapodásának gyorsaságát jellemzi, jele: ν (nű), mértékegysége: [m2/s]. A kapcsolat a
két viszkozitás között :
ahol ró a sűrűség.
86. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Hooke-féle
modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾 )!
A jól ismert modell az ideálisan rugalmas viselkedést írja le, miszerint az anyagban ébredt
τ feszültség annak γ deformációjával arányos, arányossági tényező a G nyíró rugalmassági
modulus, ezt mutatja a következő ábra:
70
ahol G nyírórugalmassági modulus.
(Tau mértékegysége Pa, gammának értelem szerűen nincs)
Ez a fajta viselkedés a polimer ömledékekre csak kis mértékben jellemző, de bizonyos
esetekben nem hagyható figyelmen kívül. Az igénybevétel – deformáció – időtartam
kapcsolat elemzésében válasszuk az alábbi modellt: τ = τ1 = állandó igénybevétel Δt ideig
(II. tartomány), τ = 0 igénybevétel (tehermentes állapot) Δt ideig (I és III. tartomány), τ = 2
τ1 = τ2 igénybevétel Δt ideig (IV. tartomány), és vizsgáljuk az anyag γ deformációját :
71
A összefüggés alapján a deformációk értékei:
87. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Newton-féle
modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾 )! Hogyan függ a
viszkozitás az igénybevétel nagyságától?
Ez a reális folyadékok viselkedésének leírására is használatos modell az ömledékreológia
alapmodellje. Az ideálisan képlékeny anyagban ébredt τ feszültség a deformáció
sebességgel arányos, arányossági tényező az η newtoni viszkozitási tényező:
Ennek alapján a newtoni közeg viszkozitása független az igénybevételtől (τ, ), csak a hőmérséklettől
függ:
72
A Hooke-modellnél látható különböző szintű, időben állandó τ igénybevétel esetén a
newtoni közeg γ deformációja az alább látható módon alakul:
A newtoni alapegyenlet alapján a deformációk értéke a fenti igénybevétel esetén:
88. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Ostwald de
Waele-féle (hatványtörvény) modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡;
𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾 )! Mit jelent az, hogy egy folyadék dilatáns, illetve hogy
pszeudoplasztikus?
A polimer ömledékek viselkedését már jobban közelítő ún. hatványtörvényt követő
anyagok esetén az ömledékben ébredt τ feszültség a deformációsebesség valamilyen
n>0 hatványával arányos:
73
A legtöbb polimer ömledék esetén n<1, azaz az ömledék viszkozitása – állandó
hőmérsékleten -az igénybevétel (τ, ) növekedésével csökken. Ezt a fajta viselkedést
pszeudoplasztikusnak nevezik (az anyag nyírásra „vékonyodik”). Bizonyos, ritkábban
előforduló esetekben (pl. erősen töltött polimer rendszerek esetén) ezzel ellentétes
viselkedést tapasztalhatunk: Az igénybevétel (τ, ) növekedésével a viszkozitás is
növekszik. Az ilyen, nyírásra „vastagodó” viselkedést dilatánsnak nevezik.
74
A pszeudoplasztikus anyagokra jellemző deformáció növekmények a fenti igénybevétel
estén:
ahol ηII és ηIV a II. és IV. tartományban érvényes, a τ1, ill τ2 nyírófeszültségekhez tartozó
látszólagos viszkozitási tényezők (lásd következő kérdés). Mivel ηII> ηIV, ezért a négyes
szakaszra jellemző deformáció is nagyobb lesz.
89. Mit jelent a látszólagos viszkozitási tényező? Vezesse le a látszólagos
viszkozitási tényező és a dinamikai viszkozitási tényező közötti összefüggést,
hatványtörvénnyel leírható ömledékek esetére!
A látszólagos viszkozitási tényező a viszkozitási görbe egy adott „a” pontjához tartozó
viszkozitás.
Egy tetszőleges „a” pontra a dinamikai viszkozitási tényező:
míg a látszólagos viszkozitási tényező:
75
A kettő közötti összefüggés:
90. Mutassa be a folyadékok viselkedésének leírására használt Bingham-féle
modellt (alapegyenlet + magyarázó ábrák: 𝜏−𝑡; 𝛾−𝑡, 𝜏−𝛾 )!
A polimer ömledékek képlékeny alakításában nem elhanyagolható a Bingham féle viselkedés,
mely szerint áramlás csak egy τh határfeszültség felett jön létre, afelett viszont a newtoni
viselkedés a jellemző
76
Alapegyenlet:
A Bingham féle közeg deformáció növekményei a fenti igénybevétel esetén:
91. Mit jelent az, hogy egy polimer ömledék viselkedése struktúrviszkózus?
(folyásgörbe, viszkozitásgörbe)
Mai ismereteink szerint azt mondjuk, hogy a valós polimer ömledék struktúrviszkózusan
viselkedik. Ennek az a sajátossága, hogy az ömledék az extrém kis és az extrém nagy
igénybevételek tartományában (I. és III. tartomány) newtoni jelleget mutat, a kettő
között, a polimerfeldolgozási technológiák jellemző tartományában (II. tartomány) pedig
pszeudoplasztikusan viselkedik. Folyásgörbéje:
77
A struktúrviszkózus ömledék viszkozitásgörbéje:
92. Mi a lényege a fluktuációs háló elméletnek polimer ömledékek esetén?
Az ún. fluktuációs háló elmélet szerint az amorf fázisú polimer ömledékekben nyugalmi
állapotban a szekunder erők laza „halmazokat”, keresztkötéseket hoznak létre Ezek az
időben fluktuáló „háló” csomópontok a kis igénybevétel (τ< τ1) tartományában még nem
szakadnak fel, az ömledék newtoni jellegű. Az igénybevétel növekedésével (τ1< τ< τ2)
egyre nő az ömledék nyírása, a háló tömegközéppontja elmozdul, csomópontjai
fokozatosan megszűnnek (elnyíródnak), így csökken a viszkozitás („vékonyodik” az
ömledék). Egy bizonyos, (τ>τ2)igénybevétel felett már minden csomópont felszakad, nem
tud a viszkozitás tovább csökkenni, az ömledék ismét newtoni jellegű lesz.
93. Mit jelent az, hogy egy anyag tixotróp, illetve reopektikus?
Bizonyos esetekben azt tapasztaljuk, hogy állandó nyíró igénybevétel esetén az anyag
viszkozitása az idő függvényében változik, majd az igénybevétel megszünte után visszaáll
az eredeti értékre. Azt a fajta viselkedést, amikor az idő függvényében csökken a
viszkozitás, tixotrópiának nevezzük. Ez lehet jellemző bizonyos polimer ömledékekre, de
ilyen pl. a vaj, a tejföl vagy a legtöbb festék. Amikor pl. festünk, a keverés, ill. az
„ecsetelés” által létrehozott nyíró igénybevétel hatására csökken (leesik) a festék (polimer
oldat) viszkozitása, a festék szétterül, elfolyik a festendő felületen. Amikor az „ecsetelést”
abbahagyom, megszűnik a nyíró igénybevétel, a festék viszkozitása megnő, nem folyik le a
függőleges felületről. Ez a viselkedés a többkomponensű kolloid diszperz rendszerekre
jellemző, ahol a részecskék és az őket körülvevő folyékony közeg (szolvátburok) között
működő adhéziós erők hatására szol-gél-szol átmenetek jönnek létre.
78
A tixotróppal ellentétes viselkedést, amikor is az idő függvényében nő a viszkozitás,
reopektikusnak nevezzük. Ez nem jellemző a polimer ömledékekre.
94. Mi van nagyobb hatással a polimer ömledék viszkozitására, a nyomás,
vagy az átlagos molekulatömeg?
A nyomás viszkozitást növelő hatását leíró összefüggés:
ahol:ηp: a viszkozitás p nyomáson, állandó τ0 esetén
η0: a nullviszkozitás állandó τ0 esetén
αp: nyomási kitevő
Az ömledék anyagi minőségétől függő αp értéke pl. PS esetén kb. 1/1000; LDPE esetén
1/3000…1/4000, míg HDPE esetén 1/7000…1/8000. Ez annyit jelent, hogy ha a légköri
nyomást pl. 2000 bar-ra növeljük, a viszkozitás növekedése PS esetén 22 %, polietilénnél
pedig csak 3…5 %.
A tapasztalat azt mutatja, hogy egy adott anyag esetén annak móltömegének
növekedésével csökken az ömledék folyóképessége, nő a viszkozitása. Ezt a hatást leíró
összefüggés:
ahol
a tömeg szerinti átlagos molekulatömeg
K' : anyagi minőségtől függő állandó.
Ezen összefüggés alapján, ha az adott anyag átlagos moltömege pl. a duplájára nő, akkor a
többi paraméter (τ, ,T, p) állandósága esetén:
79
azaz az ömledék viszkozitása kb. a tízszeresére nő! Ez annyit is jelent, hogy amíg a
moltömeg növekedésével (egyre hosszabbak a láncmolekulák) javulnak a termék bizonyos
használati tulajdonságai, a feldolgozhatósága egyre nehezebb (energiaigényesebb) lesz.
Ezek alapján elmondhatjuk, hogy a viszkozitás nagyobb mértékben függ a
molekulatömegtől, mint a nyomástól.
95. Hasonlítsa össze az amorf és a részben kristályos polimerek
viszkozitásának hőmérséklet-függését!
Az ún. lágyulási karakterisztikából az következik, hogy az amorf hőre lágyuló műanyagok
széles hőmérséklettartományban lágyulnak, lassan olvadnak meg, a kristályos
termoplasztoknál ez a folyamat gyors, néhány °C hőmérséklettartományban lezajlik.
96. Mutassa be és értékelje a polimer ömledékekre vonatkozó Arrhenius-
egyenletet!
Az Arrhenius egyenlet ide vonatkozó alakja:
ahol
A: anyagállandó [Pa·s]
E: aktiválási energia [J/mol]
R: egyetemes gázállandó (8,314 [J/mol·K]
T: abszolút hőmérséklet [K]
80
Ez az egyenletet a részben kristályos polimer ömledékek esetén előnyös alkalmazni.
Látható, hogy a hőmérséklet növekedésével a viszkozitás exponenciálisan csökken, ez
látható az előző kérdésben található diagramban.
97. Mutassa be és értékelje a polimer ömledékekre vonatkozó Williams-
Landel-Ferry egyenletet!
Az amorf anyagok viszkozitási tényezőjének hőmérsékletfüggését leíró WLF (Williams-
Landel-Ferry) egyenlet használatos alakja:
Egy izotermának a logaritmikus időtengely menti eltolása egyet jelent azzal, hogy minden
abszcissza-értéket egy konstanssal osztunk. Ez a konstans az at hőmérséklet-eltolási
faktor. Egy bizonyos polimerre a mechanikai viselkedéstől függetlenül ugyanazok a
hőmérséklet-eltolási faktorok vonatkoznak.
T: hőmérséklet
T0: referencia hőmérséklet
η0:látszólagos viszkozitási tényező
C1 és C2: a hőmérséklet-eltolási faktortól függő empirikus konstansok
Ha a referencia-hőmérséklet a polimer üveges átmeneti hőmérséklete (T0=Tg), akkor a
konstans értéke C1=17,44 és C2=51,6.
98. Vezesse le a Newton törvénnyel modellezhető folyadék sebességét leíró
függvényt kapillárisban történő áramlás esetén!
Induljunk ki a Newton-egyenletből. Az alakváltozási sebesség kifejezhető az áramlási
sebesség helyszerinti deriváltjával:
ahol v(r) [m/s] az ömledék áramlási sebessége a hely függvényében, és r [m] a kapilláris
sugárirányú koordinátája (0 < r < R). A negatív előjelet későbbi egyszerűsítés miatt
vezetjük be.
81
Ebből:
A nyomás változása a kapilláris hossza mentén:
A levezetés folytatásához meg kell határozni a τ feszültség eloszlását a kapilláris
keresztmetszete mentén. A folyadékelem erőegyensúlyára a kapilláris r sugarának
függvényében a következő összefüggés írható fel:
ahol ∆p [Pa] a nyomáskülönbség a kapilláris beömlési (Abe) és kiömlési (Aki)
keresztmetszete között, l (m), a kapilláris hossza. Azaz az r sugarú henger palástján
ébredő erő tart egyensúlyt az r sugarú henger alapjára ható nyomóerővel (0 ≤ r ≤ R).
Feltételezzük továbbá, hogy a fenti ábrának megfelelően a nyomáscsökkenés a kapilláris
hossza mentén lineáris, így τ, v és függvényei a kapilláris sugarának, de a kapilláris
hossza mentén nem változnak.
A fenti egyenlet rendezésével megkapjuk a τ feszültség keresztmetszet menti eloszlását
leíró függvényt, amely az áramló anyagtól független, és csak a terheléstől, valamint a
kapilláris méreteitől függ:
82
Az előző egyenletekből:
melyből integrálással:
A c integrálási állandó meghatározásához azt használjuk fel, hogy r=R helyen, tehát a
falnál a sebesség nulla [v(R)=0].A nyírófeszültség és sebesség eloszlások a következő
ábrán láthatók:
Ebből
Az integrálási állandót visszahelyettesítve kapjuk a végeredményt:
83
99. Vezesse le a Newton törvénnyel modellezhető folyadék térfogatáramát
leíró összefüggést kapillárisban történő áramlás esetén (Hagen-Poiseuille
összefüggés)! Értékelje a kapott eredményt!
A kapillárisban áramló newtoni folyadék sebességfüggvényének ismeretében a
térfogatáram már könnyen meghatározható:
Ebbe behelyettesítve a sebességfüggvényt:
84
Ez az ún. Hagen-Poiseuille összefüggés, amely minden reológiai mérés alapjának
tekinthető, mivel a térfogatáram mérése nagyon egyszerű, és ennek ismeretében a fenti
összefüggéssel az η viszkozitás kiszámítható.
Ezt a newtoni egyenletbe helyettesítve kiszámolhatjuk a fal mentén fellépő maximális
nyírófeszültséget.
A képletből leszűrhető, hogy már nagyon szűk keresztmetszetű csőben is viszonylag nagy
térfogatáramot érhetünk el, hiszen a térfogatáram a cső belső átmérőjének negyedik
hatványával arányos.
100. Mit mutat meg az MFI és az MVR? Hogyan lehet ezeket meghatározni?
Milyen tartományban mozognak a leggyakoribb gyártástechnológiák során
alkalmazott polimerek MFI értékei?
Az MFI (Melt Flow Index, [g/10 perc]) szabványos folyási mutatószám az a grammokban
kifejezett anyagmennyiség, amely a vizsgálati és anyagszabványban előírt hőmérséklet és
nyomás mellett a szabványos mérőkészülék kifolyónyílásán 10 perc alatt kifolyik.
ahol
MFI [g/10 perc]: tömegre vonatkoztatott folyási mutatószám,
T [°C]: vizsgálati hőmérséklet,
mnom [kg]: terhelő tömeg,
s [s/10 perc]: a szabványos időnek (10 perc = 600 s) megfelelő
váltószám, s = 600 s/10perc
85
t [s]: két vágás közt eltelt idő,
m [g]: két vágás közt kisajtolt polimerömledék tömege.
Az MFI mellett gyakran használatos a térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám, az
MVR (Melt Volume Rate [cm3/10 perc]), amely esetében nem a kifolyt polimerömledék
tömegét, hanem térfogatát adjuk meg. A folyási mutatószám meghatározására szolgáló
készülék, a kapilláris plasztométer.
MVR [cm3/10 perc]: térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám,
V [cm3]: két vágás közt kisajtolt polimerömledék térfogata,
Különböző feldogozási eljárásokra jellemző MFI értékek
101. Hasonlítsa össze a Newton-típusú, a hatványtörvénnyel leírható,
valamint a Bingham által alkotott modellel közelíthető folyadékok sebesség
eloszlását kapillárisban történő áramlás esetén!
86
Newton-típusú közeg sebesség eloszlása kapillárisban
87
τ>τh tartományban az áramlás newtoni, míg az alatt (τ<τh) nincs réteges (lamináris)
áramlás, az ömledék rm sugárral jellemezhető hányada vm sebességgel csúszik! Ez a mag
(vagy belső dugó) erősen töltött rendszereknél akár a teljes keresztmetszet 60…80 %-a is
lehet! Elmondható, hogy ez a dugószerű mozgás a polimer ömledék nagy részénél
előfordul, és egyfajta rugalmas viselkedést okoz. Ez látható a fenti ábrán.
88
102. Milyen véghatások lehetnek polimerek kapillárisban történő
áramlásakor, mik ezek okai, és hogyan lehet ezeket kiküszöbölni?
1. Lágytörés
A polimer ömledéket nagy keresztmetszetről kis keresztmetszetre hirtelen akarjuk
összenyomni (az ömledékben ébredő nyomófeszültség meghaladja az anyag
nyomószilárdságát). A polimer ömledék nehezen viseli el a hirtelen és jelentős
keresztmetszet csökkenést. A lágytörés után a szűk keresztmetszetből kijövő anyag
spirális alakú lesz. Általában akkor jelentkezik, ha a kapilláris falánál ébredő csúsztató
feszültség 0,2 -0,4 MPa
Megoldás: kapillárisba beömlést könnyítjük:
89
2. Kifolyási duzzadás:
Extrudálásnál
- korlátozza a profilkialakítás szabadságát,
- a kész termékek lehűtéskor, az extrudált profilokba befagyott feszültségek később, a
tartós igénybevételek során helyileg eltérő relaxációs jelenségeket, méretváltozást,
torzulást, feszültségi repedezést, korai tönkremenetelt okozhatnak.
90
3. Rugalmas turbulencia („cápabőr”):
103. Miért nem jellemző a polimer termékek forgácsolással történő
előállítása? Milyen esetekben alkalmazzák mégis?
Polimereket általában nem gyártanak forgácsolással, mivel az eljárás során az üvegesedési
hőmérséklet fölé kerülünk, ebből kifolyólag nagyon nagy energia kell a forgács
leválasztásához.
91
Kivételek:
Kis darabszám (pl. prototípus gyártás)
Poliamid, mert jól forgácsolható
Utólagos méretezés
Sorja eltávolítása
Polimer szemlencsék gyártása: forgácsolás+mélyhűtés (így nem érik el az
üvegesedési hőmérsékletet)
104. Miért kell adalékolni a polimereket? Soroljon fel tipikus
adalékanyagokat!
Az adalékanyagok alkalmazására azért van szükség, mert a polimerek önmagukban nem
képesek megfelelni a velük szemben támasztott követelményeknek. Az adalékanyagok a
makromolekulák meglévő előnyös tulajdonságait emelik ki, vagy annak teljesen új
tulajdonságot adnak.
Típusai:
Stabilizátorok
o Polimerek élettartamát állítják be
o Két típusa: termikus stabilizátor (polimerizáció során adagoljuk) és UV
stabilizátorok
Csúsztatók
o Megakadályozzák a „cápabőr” kialakulását
Lágyítók
o Főleg PVC-nél használatos
Töltőanyagok
o PVC-be Ca2CO
Égésgátlók
Anti sztatizáló szerek
o Ezek segítségével nem töltődik fel az anyag
Habosító anyagok
92
Erősítőanyagok
Gázképző anyagok
o Kristályos tulajdonságokat változtatja
105. Mi a polimer kompaund?
A polimertechnikában az adott célra összeállított keveréket „kompaund”-nak,
(compound) nevezzük. Pl. az épületgépészeti célú PVC-cső gyártásához minden szükséges
adalékot tartalmazó keverék ilyen kompaund.
106. Mi a diszperzív és mi a disztributív keverés?
Diszperzív keverés:
Kohezív, összetartó komponensek méretcsökkentésével összekapcsolt intenzív keverés.
Például összetapadt festékpor bekeverése polimer (pl. PVC) porba (a festékszemek
aprításával összekötve)
Disztributív keverés:
A komponensek méretcsökkentésével nem járó eloszlató, extenzív keverés.
93
107. Mi a lényege a statikus keverésnek?
A statikus keverő lényege, hogy nincs benne mozgó alkatrész, folyadék mozog benne.
Ilyen statikus keveréssel készül például a két komponensű ragasztó (epoxi ragasztó).
A fenti ábrán egy statikus keverő látható. A benne levő részek nem forognak, nem
mozognak, csak a folyadék áramlik a csőben.
108. Soroljon fel száraz polimer keverő típusokat!
Száraz keverés azt jelenti, hogy az anyag szilárd halmazállapotban marad a keverés során.
Típusai:
Eltolás elvű keverők
Szabadesés elvű buktatott hordó
Repítés elvű keverők
Vándorcsigával ellátott kúpos siló
109. Mutassa be a hengerszék működését! Mik a hengerszék alkalmazásának
előnyei, illetve hátrányai?
94
1-Hengerpalást
2-Kéregöntvény
3-Hűtővíz furatai
4-Forgó szakáll
5-Keverékpalást
Lényegében két vízszintes tengelyű összeforgó hengerből áll. A hengerek hossza és
átmérője azonos, de a forgási sebességük (ω) különböző. Általában az első henger a
lassabb (amely a hengerszékes dolgozóhoz közelebb van).
Az egyes keverékkomponensek elkeveredését a hengerrésben fellépő nyírófeszültség és
összenyomás szolgálja.
A keverő hengerszéken először puhítják (a deformációból származó melegítéssel, közben
állandó „kevergetéssel”) képlékennyé teszik a polimert, majd a keverési előírás szerint
beadagolják a keverék többi alkotórészét.
A polimert ráteszik a hengerekre. Mivel a hengerek összeforognak, ezért a polimer a
hengerek közti rés felé halad, és átpréselődik a résen. Ami alul kijön a hengerrésből, az
nagyjából lemez alakú (nagyjából téglalap keresztmetszetű). A gépkezelő ezt felteszi az
egyik hengerre (ez a munkahenger), és így bezárul a kör: a munkahengeren folyamatos
palást képződik a keverékből, a hengerrés fölött pedig a polimer többi része igyekszik
keresztül a hengerrésen. A képlékeny polimerbe belekevert többi keverékkomponens
„darabkái” a hengerrésben fellépő erős nyírásnak köszönhetően egyre apróbb darabokra
esnek szét, de a hengerszék többi részén nincs számottevő nyírás (kisebb, szabályozatlan
nyírás van a hengerrés fölötti keverékgombócban, a forgó szakállban). Ezért a keverés
minőségét gyakorlatilag az garantálja, ha az egész keverékcsomag (az egyszerre
megkevert keverékadag) átmegy a hengerrésen annyiszor (átvágják a csomagot
annyiszor), ahányszor elő van írva. A hengerszékes késsel (esetleg egy kezében tartott
késsel és egy tengelyre felszerelt késsel vagy késpárral) levágja a keverékpalástot a
hengerpalástról: a képlékeny és hajlékony keveréklemezt leengedi a hengerek alatti
tálcába. A csomagnak csak 5-10%-át hagyja a hengeren, és visszaengedi a keveréklemezt a
munkahengerre; így a csomag más és más részei kerülhetnek egymás mellé és
keveredhetnek össze.
Előnyei:
Könnyen tisztítható
Bármilyen polimert beadagolhatunk, nagy viszkozitásúakat (a kicsi lecsorog)
95
Hátrányai:
Szakaszos jellegű
Nyitott rendszer, ebből következően veszélyes
Nehezen automatizálható
110. Mutassa be a Banbury-típusú keverőt! Mik az alkalmazásának előnyei és
hátrányai?
Az ún. Banbury típusú belső keverő alapvető keverő gépeleme ugyancsak egymással
szembeforgó, fűthető-hűthető, „bütykösre” módosított formájú hengerpár, amely
fűthető-hűthető, fekvő 8-as keresztmetszetű házban forog. A lassú fordulatú (pl. 1
ford./sec) keverés tulajdonképpen gyúrás, dagasztás, – hasonlóan a kenyértészta
homogenizálásához
Előnyei:
Kisebb viszkozitású polimerek feldolgozásához is jó
Nyomást is ki tudunk fejteni a polimerre
Hátrányai:
Szakaszos művelet
Nagyon energiaigényes
96
111. Mi az extrúzió, és mi a célja?
Az extrúzió a polimerfeldolgozás egyik leghatékonyabb, legjelentősebb technológiája,
amelynek során a (tipikusan hőre lágyuló) polimert az extruder
képlékeny állapotba hozza, majd a viszkózus ömledéket
homogenizálja, s ha kell, gáztalanítja, ezután
nyomás alá helyezi (komprimálja),
adott, változatlan keresztmetszetű, nyitott szerszámon keresztülsajtolja, a
továbbiakban a követő berendezésekkel
méretállandóságot biztosítva lehűti, s így
állandó keresztmetszetű polimer terméket gyárt tetszőleges hosszúságban,
folytonos üzemben.
A cél olyan termék gyártása, amely 3 dimenziós kiterjedése az egyik dimenzióban
végtelen, ilyen lehet pl. cső, síklap, profilos hasáb, fólia, stb
112. Vázoljon fel egy polimer extrudert, mutassa be felépítését, részeit azok
funkcióit! Rajzolja fel az extruder nyomásdiagramját!
97
A villanymotor mozgatja a hajtóművet, amelynek feladata lesz az extrúdercsiga forgatása.
A csiga feladata a polimer granulátum és adalékanyagok megömlesztése, szállítása
(behúzás, komprimálás, homogenizálás, kitolás), az extrúder hengerben, amelyeket az
adagológaratból adagolunk a hengerbe a csigához. Annak érdekében, hogy homogén
ömledéket kapjunk, a henger falát fűteni kell. A fűtéssel párhuzamosan hűtésről is
gondoskodni kell a kis hőingadozás (feldolgozáshoz optimális hőmérséklet) biztosításához.
Nyomásdiagram:
113. Milyen szakaszai vannak az extrudercsigának? Mik ezek fő feladatai?
A behúzó szakasz feladata a szilárd anyag szállítása a kompressziós szakasz felé. Egycsigás
extruderek esetén ennek alapvető feltétele, hogy a csiga és polimer között kisebb legyen
a súrlódás, mint a henger és a polimer között. A nagyobb homogenitás biztosítása
érdekében kifejlesztett ún. kétcsigás extruderek esetén – amennyiben a csigák
menetszárnyai egymás menetárkába nyúlnak (egymásba hatolóak), forgásirányuk
menetenként ellentétes (szemben forgó) – zárt térfogatban továbbítják az anyagot, azaz
kényszerszállítást végeznek. Amennyiben a csigák forgásiránya azonos (együtt forgó), nem
alakul ki menetenként zárt térfogat, ám a szállítóteljesítmény így is megfelelő.
98
A kompressziós szakasz kettős funkcióval bír. Az egyik az anyagnak a megömlesztése, a
másik a megfelelő nyomás biztosítása az anyag extruderszerszámon történő
átsajtolásához. A megömlés folyamata a melegebb hengerfallal érintkező
anyagrészecskékkel kezdődik, majd a nyomás és a csigaforgás következtében a csiga
menetárkában cirkulációs áramlás jön létre, amely gyorsítja a polimer megömlesztését. A
kompressziós zóna másik feladatát, a nyomás növelését alapvetően kétféle módon érik el.
Az egyik eset, amikor a csiga magját növelik (magprogresszív), a másik eset, amikor a
menetemelkedést csökkentik (szögdegresszív). Egy harmadik, ám nem elterjedt megoldás,
amikor a menetszárny szélességét növelik meg. Az így létrehozott nyomás nemcsak az
anyag szerszámon történő átsajtoláshoz szükséges, de legtöbb esetben ez biztosítja az
anyagrészecskék között lévő levegő eltávolítását is. Amennyiben a feldolgozástechnológia
szempontjából ez nem elég, akkor külön erre a célra kifejlesztett, úgynevezett gáztalanító
extruder alkalmazása javasolt.
A harmadik szakasz az ún. homogenizáló, vagy kitoló szakasz. Homogenizálásra nemcsak
akkor van szükség, ha valamilyen adalékanyagot, vagy erősítő anyagot keverünk el a
polimer anyagban, hanem akkor is, ha „tiszta” polimert extrudálunk. Ennek az oka, hogy a
megömlesztés után a hőmérséklet az anyag hengerrel érintkező felületének (ahol a
hőátadás történik) közelében nagyobb, attól távolabb kisebb. Ha ezt a problémát nem
küszöböljük ki, az a termék minőségét ronthatja. Ilyen keverőelemek nemcsak a csiga
végén, hanem más szakaszán is előfordulhatnak
114. Mennyi egy tipikus extrudercsiga L/D aránya? Mi ennek az oka?
A csiga méretét a hossz/átmérő, azaz L/D arányban 20 körüli értéknél találták
optimálisnak. Ennek oka, hogy hőre lágyuló anyagok esetén kell egy bizonyos tartózkodási
idő, hogy a polimer teljes mértékben ömledék állapotba kerüljön, és úgy ítélték meg, hogy
a csiga hossza húszszorosa kell, hogy legyen az átmérőnek.
115. Mi a fő különbség egy amorf és egy részben kristályos anyaghoz tartozó
extrudercsiga között?
Amint tudjuk, az amorf hőre lágyuló polimer széles hőmérséklet-tartományban lágyul és
olvad meg, míg a kristályos hőre lágyulóknál ez a hőmérséklettartomány szűkebb,.
Ennélfogva az amorf hőre lágyuló polimert extrudáló csiga hosszabb kompressziós zónát
tartalmaz, mint a kristályos hőre lágyuló polimerhez használt csigáé.
99
116. Mi a feladata a szűrőszövetnek és a törőtárcsának?
A törőlemez is és a drótszövetből készült szűrő is ömledékszűrést is biztosít, és még egy
utolsó homogenizálást is végez azzal, hogy az ömledék-áramlást „megtöri”, megosztja,
emellett növeli a nyomást.
117. Milyen módszerekkel lehet fokozni a nyomást az extruderben? Mihez
szükséges ez a nyomás?
A nyomás növelését alapvetően kétféle módon érik el. Az egyik eset, amikor a csiga
magját növelik (magprogresszív), a másik eset, amikor a menetemelkedést csökkentik
(szögdegresszív). Egy harmadik, ám nem elterjedt megoldás, amikor a menetszárny
szélességét növelik meg. Az így létrehozott nyomás nemcsak az anyag szerszámon történő
átsajtoláshoz szükséges, de legtöbb esetben ez biztosítja az anyagrészecskék között lévő
levegő eltávolítását is. Emellett lehet még az előbb említett törőtárcsával és szűrővel. A
nyomásviszonyok különleges szabályozására van szükség az ún. „kigázosító” extruderben.
Gyakran előfordul, hogy polimerömledékből az extruzió végső szakasza előtt gázokat kell
eltávolítanunk. Ezek lehetnek
nedvességnyomok,
beoldott, a granulátum által magával vitt (okkludált) gázok
monomermaradékok.
100
118. Mutassa be az extruder termikus viszonyait! Ezek alapján mutassa be az
extruder munkadiagramját!
Amint azt a korábbiakban már említettük, az extruder hengerét több zónában
szabályozottan temperálják, többnyire fűtik. A fűtés villamos ellenállásfűtés, 5 vagy több
zónában. A hűtés rendszerint levegő ráfúvással történik. A folyamatszabályozást a
gyakorlatban a henger falába szerelt hőmérők irányítják, tehát nem az ömledék, hanem a
hengerfal adott pontjának hőmérsékletét szabályozzák. Kísérletek során viszont azt
tapasztalták, hogy az extrudert elhagyó ömledék hőmérséklete – néha jelentősen –
magasabb, mint az utolsó zóna hőmérséklete. A jelenség megértéséhez nézzük, hogy egy
adott anyag megolvasztásához szükséges ΔT hőmérsékletnövekedés milyen hőáramok
eredményeként valósul meg.
A hőáram (teljesítmény) :
Tudjuk, hogy a tömegáram a csiga n fordulatszámával arányos, így stacioner üzemmódra
azt kapjuk, hogy:
A fenti összefüggés annyit jelent, hogy a csiga n fordulatszámának növekedésével – a
frikciós (súrlódásos) hő elhanyagolása esetén– a ΔT hőmérséklet hiperbolikusan csökken.
Ez az eredmény logikusan is belátható, hisz az adott hőenergiát egyre többanyag veszi fel
(„viszi el”), ezáltal kevésbé melegszik fel.
101
kifejezést kapjuk. A súrlódás nélküli stacioner állapotra kapott összefüggés analógiája
alapján, miszerint a ΔT hőmérsékletnövekedés a teljesítmény és a fordulatszám
hányadosával arányos:
Ez annyit jelent, hogy a belső súrlódásból származó hőmérsékletnövekedés egyenesen
arányos az ömledék η viszkozitásával és a csiga n fordulatszámával.
Ha a két végeredményt egy koordináta-rendszerben ábrázoljuk, a következő ábrát kapjuk
(ez a munkadiagram):
102
A külső fűtés és a belső súrlódás együttes figyelembevételével kapott eredő görbe azt
jelenti, hogy egy adott anyagra előírt ΔTömledék hőmérsékletet állandó fűtési
teljesítmény esetén két fordulatszámon lehet elérni. Egy alacsonyabb, n1 fordulatszámon
(vkerületi ~ 0,5 m/s), ahol a külső fűtés dominál, ill. egy magasabb n2 fordulatszámon
(vk ~ 1–7 m/s), ahol viszont a frikciós hő a jelentősebb. Az alacsonyabb fordulatszámon,
intenzív külső fűtéssel üzemelő extrudereket politróp, a magas fordulatszámon, külső
fűtést szinte csak az indításkor igénylőket pedig adiabatikus extrudereknek nevezik. A
gyakorlatban a politróp üzemmód az elterjedtebb. Ennek egyrészt az az oka, hogy a
hőmérsékletszabályozás a külső elektromos fűtéssel sokkal egyszerűbb.
119. Mutassa be az ömledékáramlását a homogenizáló zónában! Milyen
komponensekből áll? Hogyan alakul az egyes komponensek
sebességeloszlása? Miért jön létre keveredés?
103
A fenti ábra az extrudercsiga főbb méreteit tartalmazza. Az extruder szállító-teljesítménye
a térfogatárammal kifejezve a következő:
Ahol Ve. az összes (eredő) térfogatáram (m3/s), Vs a sodróáram, amely a szállítást végzi, és
a csigaforgásból adódik, Vt a torlóáram, amely a sodróárammal ellentétes irányú és a
fojtásból ered, ami a szerszámon való átsajtolásból következik. Vr a résáram, ami az
illesztési hézagból ered, és csökkenti a szállítóteljesítményt.
Az extrudercsiga és a henger közötti rés, a „játék” eléggé csekély: tipikusan 0,002 D és
0,005 D közötti, amelyet a viszkózus polimer ömledék tömít, illetve ken a forgás közben.
Ezért első közelítésben a résáramot el is hanyagolhatjuk. A másik két összetevőt a
legegyszerűbb egyirányú áramláson keresztül elemezzük izotermikus körülményeket és
newtoni közeget feltételezve.
A sodró áramlás modellje a következő: az áramlás két síklemez (a csigamag, illetve a
henger belső felülete) között jön létre annak hatására, hogy az egyik lemez (a csigamag)
v0 (kerületi) sebességgel mozog. Ellenállás, illetve nyomáskülönbség nincs az áramlás
irányában (nyitott csatorna). Ezt szemlélteti a következő ábra:
104
A sodróáramlás tehát a csigamag és a hengerfal között jön létre úgy, hogy a csigamag v0
kerületi sebességgel forog.
Mivel v0 arányos a csiga n fordulatszámával, ezért Tehát a
sodróáramlás elsősorban a csigacsatorna méretétől és az extruder fordulatszámától függ,
azaz nagyobb csatornaméretnél és nagyobb fordulatszámnál nő a kihozatal.
A torlóáramlás elsősorban az extruderen lévő fojtásból ered, amit a szerszám, valamint a
többi az áramlás útjában lévő alkatrész okoz. Mivel a sodróárammal ellentétes irányú, így
létrejön a keveredés. A sebességeloszlást mutatja a következő ábra:
105
Számítását az ömledékek résben való áramlására jellemző Hagen-Poiseuille összefüggésből
tudjuk származtatni:
ahol a b és h ismert, η anyagjellemző, l a vizsgált szakasz hossza és ∆p a nyomásesés. A
résáramlást általában el szoktuk hanyagolni és nem kopott csigánál a polimer film jó
tömítése miatt valóságban is elhanyagolható. Kopás esetén azonban a rés δ méretének
harmadik hatványával kezd el növekedni.
Az eredő sebességeloszlás a két komponens összege lesz
A két sebesség viszonyára a csiga ún. zártsági foka (a) a jellemző, ami a torló és a sodró
áramlások hányadosa. Az ömledékáramlás nagymértékben függ az alapanyag
viszkozitásától.
106
120. Mi az extruder zártsági foka?
A torló és a sodró áramlások hányadosa:
121. Mik az extrúziós szerszámok közös vonásai?
Az extruder végére illesztett szerszámok közös vonása, hogy az anyagáramot a következő
szakaszokon átvezetik:
átmeneti szakasz
alakadó szakasz
simító („vasaló”) szakasz
Az átmeneti szakasz a kör-keresztmetszetű viszkózus anyagáram átvezetését biztosítja. Az
alakadó szakasz már a kívánt adott keresztmetszet képét alakítja ki. Ezt a
keresztmetszetet a következő szakaszban valamelyest még szűkíteni érdemes: a profilt
ebben a szakaszban stabilizálják: a helyi nyomás enyhe növelésével még „kivasalják”.
A szerszámból kilépő polimer anyagáram még nem teljesen szilárd. A végső
megszilárdulás az extrudert követő kalibráló egységben következik be, amelyben a kívánt
méretpontosságot biztosítjuk.
122. Mutassa be a lemezgyártás extruderszerszámát! Mik a fő részei? Mik
ezek funkciói?
Lemeznek a műanyagiparban a 0,5 mm-nél (sőt: a leggyakrabban 1 mm-nél) vastagabb
síklapot nevezik. A vékonyabb termék, a néhány tized mm vastag, vagy annál is
vékonyabb fólia ugyanis alkalmazástechnikájában eléggé elkülönül, és jellemzően azokat
fóliafúvással állítják elő. A síkfólia/lemez elsősorban rövidtávú célra (csomagolástechnika,
agro-fólia stb.) használatos, tekercsben forgalmazott termék. Tipikus gyártószerszám, az
úgynevezett szélesrésű szerszám a következő ábrán látható:
107
Az alapvető feladatot az jelenti, hogy egy kör-keresztmetszetű anyagáramot kell
egyenletesen, síkban szétterítenünk, akár 2000 mm-nél is szélesebb 15 mm-nél is
vastagabb lemezzé. Az ömledék először egy „vállfa” alakú elosztócsatornába jut, majd az
egyenletes anyagáram megvalósításában kulcsszerepet játszó torlóléc útjába kerül, amely
az anyag egyenletes elosztásán túl, megtörve az anyagáramot, homogenizálást is végez. A
szétterített anyagáram leginkább egy delfin vagy egy cápa farkához hasonlít (következő
ábra) Az anyagáram egy állítható ajakon keresztül hagyja el a szerszámot, amely még
egyenletesebbé teszi a termék vastagságát.
Az ilyen módon előállított lemezt egy hengersoron vezetik keresztül, amely a végső
lemezvastagság, a felületi érdesség beállítást, valamint az anyag hűtését végzi.
108
123. Mutassa be a csőgyártás extruderszerszámát! Mik a fő részei? Mik ezek
funkciói?
A szintetikus polimerek építőipari, épületgépészeti alkalmazásai között a legfontosabb a
műanyag-csőgyártás. A csőszerszám egy példája látható a következő ábrán (lenti ábra). Az
ömledékáram egy körszimmetrikus magot (torpedó) kerül meg, majd a végső méretre
szűkítve hagyja el a szerszámot.
124. Mutassa be az extrúziós fúvás technológiáját! Ismertesse a technológia
előnyeit! Mi a vágóél és mik a feladatai? Hol és miért alakulhatnak ki
elvékonyodások a terméken, hogyan lehet ezt kiküszöbölni?
Az extrúziós fúvásnál extrúzióval csövet készítenek a polimerből. A még meleg,
nagyrugalmas állapotban levő csövet (előgyártmány) két félből álló szerszámban, sűrített
levegővel (ritkábban, degradációra érzékenyebb polimerek esetén nitrogén gázzal) a
szerszám falához préselik, ahol a műanyag felveszi a szerszám alakját. A leggyakrabban
készített palackoknál a (többnyire csavaros) nyak kiképzése az ún. tüske segítségével
történik. Extrúziós fúvással tipikusan 250 ml és 5000 l közötti üreges testeket lehet
előállítani. A folyamatosan dolgozó extruderrel működő technológiákat előszeretettel
használják a termikus degradációra érzékeny anyagok, mint a PVC, feldolgozására. Az
extrúziós fúvással előállított termékeknél kevesebb kötöttség van, mint a fröccsfúvással
előállítottaknál, így pl. itt könnyen kialakítható a palackon üreges fogantyú. Szintén
viszonylag szabad keze van a tervezőnek erősen nyújtott, vagy lapos alakok
kialakításában. Az extrúziós fúvás szerszámait gyakran készítik alumíniumból, így a
szerszám költsége kb. egyharmada a fröccsszerszáménak. Az előgyártmány tömegét,
109
illetve vastagság¬eloszlását viszonylag könnyen lehet változtatni, ezért az extrúziós fúvást
gyakran alkalmazzák prototípus kifejlesztésére.
A következő ábrán látható az extrúziós fúvás vázlata. Mivel az extrudált cső nincs
megtámasztva, a polimer kiválasztásánál a legfontosabb szempont az ömledékszilárdság.
A csőnek nem szabad elszakadni saját súlya alatt, ugyanakkor kellően rugalmasnak kell
lennie ahhoz, hogy a szerszám alakját felvegye.
A legtöbb extrúziós fúvással előállított terméknél célszerű lekerekített formákat, kúpos
felületeket kiképezni. A nagyobb lapos felületeket, éles sarkokat kerülni kell. Az ilyen
sarkok elvékonyodnak, a lapos felületek pedig általában deformálódnak, eltorzulnak.
Hasonló módon a kiemelkedő vonalak sugara is legalább 1,5 mm legyen, különben az
előgyártmány nem tudja kitölteni az alakot, és a bezárt levegő beégést okozhat.
Az extrúziós fúvásnál a 4:1 felfúvási arányt lehet maximumnak tekinteni. Ezt az arányt az
egyes részeknél sem szabad túllépni. Az olyan fogantyú-kialakítások például, amelyek
mélyebbek, mint amilyen szélesek a szerszám osztósíkja mentén, gyakran elvékonyodnak
és gyengék lesznek.
Merevítő bordák kialakításával gyakran ellentétes hatást érünk el. Ezek megnövelik a
lefedendő területet, így szintén a falvastagság csökkenését, és ezzel a merevség
csökkenését idézik elő. (Csőharang vagy harmonika-hatás.)
A vágóél a tüskével ellentétes oldalon található, amely hegeszt, és levágja a felesleget,
lezárja a polimert.
110
125. Mi a koextrúzió lényege?
A koextruzió során több extruder anyagáramát egyesítjük egyetlen szerszámban. Így
készíthetünk többrétegű csövet, lemezt, síkfóliát, sőt akár tömítőprofilokat is magukban
foglaló, sok üreges ablakprofilt, szegélylécet, autóipari alkatrészeket és sok más terméket.
Célja, az egyes polimerek előnyös tulajdonságainak érvényesítése. pl: PE (átengedi a
szerves gázokat), PCV (nem engedi át őket, de sok a lágyító) kettőt lehet egyesíteni.
126. Mutassa be (vázlat segítségével) a fóliafúvás extruderszerszámát!
Mutasson példát koextrúziós fóliafúvásra.
A csomagolástechnika leheletvékony tasakjaitól a mezőgazdasági hajtatóházak 0,2 mm
vastag és akár 16 m szélességű agrofóliájáig a vékony PE filmek nagy része tömlő extrúzió
technikájával készül. A tömlőfúvás (fóliafúvással) technológiájának elve jól hasznosítja a
polimerek viszkoelasztikus állapotban megfigyelhető jelentős nyújthatóságát és az ezzel
együtt megjelenő szilárdságnövekedést. A tömlőfúvás technológiáját kifejezetten az LDPE
típusokra optimálták, de hasonló módszerrel fel lehet dolgozni HDPE-t, LLDPE-t. Az
extrúzió során az anyagáramot egy un. pinolén típusú szerszámra vezetik rá, ahol ezt 90°-
ban elforgatják és cső alakú előgyártmányt állítanak elő, majd belső túlnyomás
alkalmazásával ballont képeznek és az így gyártott polimer ballont hajtogatják, tekercselik
Így készíthetünk többrétegű csövet, lemezt, síkfóliát, sőt akár tömítőprofilokat is
magukban foglaló, sok üreges ablakprofilt, szegélylécet, autóipari alkatrészeket és sok
más terméket.
111
127. Hogyan lehet koextrudált lemezt előállítani (vázlat)?
3 rétegű síklap előállítása:
128. Ismertesse (vázlat segítségével) a kábelbevonatolás technológiáját!
Villamosvezeték szigetelőanyaggal való borítása volt az extruzió egyik legkorábbi
technikája, a gumiipar kezdetén, már a 19. század közepén. A villamos-szigetelőkábelek,
zsinórok gyártására az 1930-as évek óta lPVC-t, 1950 óta pedig igen sok LDPE-t is
használunk.
Az extruderszerszám szempontjából itt a fő feladat: körgyűrű keresztmetszetű bevonat
kialakítása adott mag körül de úgy, hogy a kiindulási, osztatlan polimer-anyagáram fő
iránya és a késztermék fő iránya nem azonos, hanem jelentős szöget – rendszerint 90 °-ot
– zár be.
112
Az ilyen u.n. pinolén-szerszámmag alapelve az, hogy az oldalirányból érkező anyagáramot
úgy teríti rá a keresztirányú hengerpalástra, hogy abban csak egyetlen vonal mentén
legyen anyagáram–összecsapás. Az ideális esetben a kilépő, köpeny-bevonat sebessége a
körgyűrű minden pontján azonos. A feladat ennyiben a szélesrésű szerszám vállfa terítési
elvéhez hasonlít, és a pinolén-fej elosztó csatornája kissé olyan, mintha a „vállfát”
hengerpalástra borították volna. Érdemes megjegyeznünk, hogy az extrudálás sebessége
igen nagy: híradástechnikai (pl. telefon) kábelek gyártásánál nem kizárt az 1000 m/perc-et
is meghaladó – gyorsvonat! – sebesség.
129. Ismertesse a fröccsöntés technológiájának alapelvét! Melyek a
fröccsöntő gép fő részei? Ismertesse a plasztikáló- és fröccsegység fő
funkcióit, feladatait!
fröccsöntés a polimer késztermékek előállítására alkalmas módszerek közül a
legsokoldalúbb és a legdinamikusabban fejlődő szakaszos (ciklikus) eljárás. Alapelve, hogy
az olvadáspontja fölé melegített, viszkózusan folyós ömledékállapotba hozott hőre
lágyuló (termoplasztikus) polimer alapanyagot nagy sebességgel és nyomással, szűk
beömlőnyíláson át a temperált (hűtött), zárt alakadó szerszámba juttatjuk. Ebben a zárt
szerszámban a nyomás alatt kihűlő polimer ömledékből alakul ki a tetszőlegesen
bonyolult, 3D-s, nagy méretpontosságú alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentesen. A
technológia sajátossága, hogy az alkalmazott szerszámmal csak egyféle termék állítható
elő, tehát ezek a szerszámok – ellentétben a fémmegmunkáló szerszámok egy részével –
nem univerzálisak. A fröccsöntés szerszámai ugyan nem olcsóak (leginkább a
fémmegmunkálás költségei miatt), de mivel egy szerszámmal akár több millió darab
termék is készíthető, valamint a termékek gyártásához szükséges ciklusidő rövid, így
összességében egy-egy termék előállítási költsége kicsi és a sorozatgyártás pedig
gazdaságos.
113
A fröccsöntő gép fő részei:
Gépállvány és hidraulikus rendszer
Szerszámzáró egység
Plasztifikáló- és fröccsegység
Vezérlőegység
Szerszám
A plasztifikáló- és fröccsegység a fröccsöntőgép legfontosabb egysége, feladata az
alapanyag tökéletes megömlesztése és a szerszámüregbe juttatása.
114
Feladatai:
az alapanyag megömlesztése,
az ömledék szállítása, homogenizálása,
az ömledék tárolása,
az ömledék befröccsöntése a szerszámba,
a szükséges utónyomás biztosítása.
A ciklus kezdetén először a szerszám, majd a fröccsegység zárása történik meg. Ezt követően
a megelőző ciklusban plasztifikált anyagot a csiga, mint egy előremozgó dugattyú nagy
nyomással bejuttatja a szerszámüregbe (befröccsöntés), valamint a bejuttatott anyagot
nyomás alatt tartja (utónyomás). Az anyag a szerszámüregben a hűtés hatására elkezd
megdermedni, miközben a fröccsegység – ezzel párhuzamosan – a következő ciklus számára
előállítja az ömledéket. A fröccshengerben a forgó csiga szállítja előre az anyagot, amely a
külső fűtés és a súrlódási hő hatására megolvad (plasztifikálás). Eközben a csiga elé szállított
anyag nyomása a csigát hátratolja. Elegendő mennyiségű anyag megömlesztése után a
csigaforgás megáll, majd a fröccsegység eltávolodik a szerszámtól, hogy megszűnjön a
hőátadás a fűtött csigacsúcs és a hűtött (temperált) szerszám között. Miután a darab
megdermedt, a szerszám kinyílik, és a késztermék eltávolítható (kidobás). A fröccsöntés
folyamata ezután elölről kezdődik.
A plasztifikálási folyamat célja, hogy a szükséges adalékokkal (színezék, égésgátló,
antisztatizáló, stb.) együtt betáplált granulátum formájú, szilárd polimer mind anyagában,
mind pedig hőmérsékletében megfelelően homogenizált ömledék állapotba kerüljön.
A plasztifikálási folyamat a következő: Az adagoló tölcsérből a szilárd alapanyag a gravitáció
hatására a csiga behúzó zónájába kerül. Az anyagot a csigacsúcs és a fúvóka irányába a csiga
forgómozgása által szállítja, miközben az anyag a szabályozhatóan fűtött hengerfallal való
érintkezés és a súrlódás hatására folyamatosan melegszik, végül megolvad. Az ömledék
homogenitása (anyagban és hőmérsékletben) a palástfűtéstől, valamint a csiga
geometriájától és fordulatszámától függ.
130. Írja fel és értékelje a Spencer-Gilmore egyenletet!
115
ahol:
p: a hidrosztatikus nyomás
v: a fajtérfogat
R: az egyetemes gázállandó
T: az abszolút hőmérséklet
M: a polimerlánc monomer-egységének móltömege
a: „kohéziós nyomás”, az anyagra jellemző nyomáskorrekciós állandó
b: a makromolekula saját térfogatát figyelembe vevő korrekciós állandó.
A polimerömledék állapothatározóit a termodinamikából ismert gáztörvényhez hasonló
egyenletbe foglalhatjuk. Ha a lehűlő polimer ömledék magasabb fokú rendezett
állapotban: kristályrácsban szilárdul meg, az zártabb, nagyobb sűrűségű szilárd anyagot
eredményez. Azt is megfigyelhetjük, hogy a Tm megömlési hőmérséklettartomány is
eltolódik a nyomás hatására, a magasabb hőmérsékletek felé.
131. Ábrázolja az amorf termoplasztikus polimerek fröccsöntésének
folyamatát hőmérséklet-fajtérfogat diagramban! Magyarázza a diagram
jellegzetes pontjait, illetve az azok között végbemenő folyamatokat!
1-2. A polimer ömledék megtölti a szerszámüreget (befröccsöntés),
2–3. Átkapcsolás utónyomásra,
3–4. Utónyomás, ami egészen a lepecsételődésig tart (4-es pont),
4–5. Az ömledék – közel állandó fajtérfogaton – hűlni kezd, miközben a nyomás csökken.
116
5-6. Izobár hűlés,
6. Kidobás,
6-7. A termék a szabadban tovább hűl és zsugorodik.
132. Ismertesse a fröccsöntő szerszámok általános felépítését és működését
egy kétfészkes szerszám példáján!
A fröccsöntés legfontosabb gépszerkezeti eleme maga az alakadó szerszám. A
fröccsöntőszerszám képezi ki, fogja körül azt a zárt üreget, amelybe a forró polimer
ömledéket fröccsöntjük nagy sebességgel, nagy nyomással. A fröccsöntőszerszám tehát
nagyszilárdságú acélból készült, sokféle mozgó elemet is tartalmazó, nyitható és igen
pontos illesztéssel zárható üreges berendezés. Egy-egy fröccsgépen szerszámcserével igen
sokféle polimer alkatrészt gyárthatunk, egy fröccsöntő géphez tehát több szerszám
tartozhat.
133. Mutassa be a fröccsfúvás technológiáját! Mik az előnyei, és hátrányai?
Miért lesznek ezzel a technológiával előállított termékek nyomástartóak?
Fröccsfúvásnál a polimerömledéket egy előgyártmány szerszámban elhelyezett fém
betétre (tüske) fröccsöntik. A még meleg előgyártmányt ezután a tüskével együtt
áthelyezik a készterméknek megfelelő alakú szerszámba, és a betéten keresztül felfújják,
Van arra is eljárás, hogy a teljesen lehűlt előformát (tüske nélkül) egy másik gépen
újramelegítve fújják fel.
117
A technológia előnye, hogy betét segítségével a fröccsfúvásnál a kisebb
ömledékszilárdságú polimerek is alkalmazhatók, mint például általános célú PS vagy PET,
amelyeket extrúziós fúvással nem lehetne feldolgozni. A technológiának vannak hátrányai
is, például fröccsfúvással csak tömör fogantyúval ellátott palackot lehet készíteni, míg az
extrúziós fúvással üreges fogantyú is készíthető. A fröccsfúváshoz használt szerszámok ára
kb. háromszorosa az extrúziós fúvásnál használtakénak, mert ott alumíniumból
készíthetők a szerszámok. Nagy térfogatú és nagy tömegű termékek előállítására is az
extrúziós fúvás alkalmasabb, fröccsfúvással leggyakrabban 500 ml-nél kisebb űrtartalmú
palackokat állítanak elő. Nagy sorozatú, kis térfogatú termékeknél a fröccsfúvás a
leggazdaságosabb technológia. A fröccsfúvási technológiánál sokkal kevesebb sorja
keletkezik, mint az extrúziós fúvásnál. A palackok nyak-kialakítása is precízebben oldható
meg, mint az extrúziós fúvásnál. A pontosan fröccsöntött előgyártmány miatt a
késztermék térfogata is pontosabban tartható, ennélfogva lesznek az elkészített palackok
nyomástartók.
118
134. Mutassa be a többfészkes fröccsöntőszerszámok lehetséges típusait!
Melyek ezek előnyei és hátrányai?
Megjegyzés: sajnos erre a kérdésre nem találtam teljes értékű választ!
A fröccsöntés termelékenysége nagymértékben a szerszámkonstrukciótól függ. A
termelékenységi mutató növelhető és a visszaforgatás (recycling) hányada is javítható, ha
a munkadarabhoz vezető elosztócsatornában nem marad szilárd polimeranyag, a
késztermékről eltávolítandó csatornamaradék (Anguss). A korszerű (több munkahelyes,
„többfészkes”) szerszámszerkesztésben ezt úgy oldják meg, hogy a szerszámnak azt a
lapját amely az elosztócsatornát foglalja magában – fűtik, hogy a polimeranyag ne
dermedjen be, ezek az ún. fűtött csatornás vagy forrócsatornás szerszámok.
135. Mutassa be a kalanderezés technológiáját!
alanderezés alatt azt a polimerfeldolgozási műveletet értjük, amelynek során a hőre
lágyuló polimerből két vagy több forgó henger között fóliát vagy lemezt állítunk elő,
illetve valamilyen (többnyire textil) hordozóra polimer bevonatot készítünk.
Kalanderezésre – amely a fémfeldolgozási technológiák közül a lemezhengerlésre
hasonlít, –leginkább az amorf hőre lágyuló polimerek alkalmasak, amelyeknek széles
olvadási hőmérséklettartománya van, és így viszonylag széles hőmérséklethatárok között
vannak szívós-képlékeny állapotban.
A kalanderezéssel folyamatos üzemben vékony filmeket, fóliákat állítanak elő. A gyártható
fóliaszélesség többnyire 2 és 4 m között változik, a gyártási sebesség elérheti a 100
m/percet is. Kalanderezéssel elsősorban hőérzékeny polimer anyagokat, például kemény
és lágy PVC-t, PVC kopolimereket, ütésálló polisztirolt, ABS-t, és cellulóz-észtereket
dolgoznak fel. A kalanderezés ugyanis alacsonyabb hőterhelést jelent az alapanyag
számára, mint a hasonló lemeztermékek alternatív gyártástechnológiája, az extrúzió.
Elvileg valamennyi hőre lágyuló polimer alkalmas kalanderezésre, különösen az amorf
típusok (PVC, PS, ABS). A részlegesen kristályos poliolefinekből (pl. PE) sokáig nem tudtak
kalanderen fóliát gyártani. Ma már megfelelő adalékkal ez is lehetséges, de az extrúziós
technika gazdaságosabb.
A kalanderezéssel előállított fóliák, filmek vastagsága általában 30 és 800 μm között van.
Speciális kalanderekkel ennél vastagabb lemezeket is előállítanak, pl. a különböző PVC-
padló féleségeket, hang-és hőszigetelő műanyag tapétákat.
119
A modern kalanderek legalább 3, de esetenként 4 vagy 5 hengerből állnak:
136. Ábrázolja a kalander hengerei között kialakuló nyomást és a kialakuló
sebességprofilokat!
137. Hogyan lehet a kalander hengerek kihajlását kompenzálni?
A hengerek között nagy nyomás lép fel, ezért azok kihajlanak. Ezt a kihajlást kompenzálni
kell, hogy a fólia teljes szélességében egyenletes vastagságot lehessen előállítani. A
kihajlás kompenzálására három módszer terjedt el: a profilköszörülés (bombírozás), a
henger tengelyeinek szögelállítása, illetve a visszahajlítás ellennyomatékkal.
120
A szögelállításnál az utolsó előtti henger tengelyének befogását elfordíthatóan képezik ki.
A henger tengelyének elfordításával a rés nagysága a henger két szélén nagyobb lesz,
mint középen, ez fogja kompenzálni a hengerek kihajlását.
Az ellenhajlításnál az utolsó henger tengelyét hidraulika segítségével oly módon
deformálják, hogy az az anyagtól származó erő okozta kihajlást kompenzálja.
Ezzel a két módszerrel többnyire nem tudjuk a termék kellő méretpontosságát biztosítani;
további korrekció alkalmazása is szükséges. Ez a korrekció a két utolsó henger felületének
meleg állapotban történő méretre köszörülése, az ún. bombírozás (hordó– vagy bomba
alakot közelítés.) Napjainkban ezzel a módszerrel a termék vastagságának kb. 5 μm-es
méretpontossága érhető el.
138. Mutassa be a dublírozást és a nyújtást!
Jó minőségű, hólyagmentes, 2 mm-nél vastagabb lemezeket dublírozással, kettőzéssel
állítanak elő. Dublírozásnál a korábban előállított és feltekercselt lemezt az újonnan
kalanderezett lemezzel összepréselik, „összevasalják” (dublírozás maga a
dublírhengernél):
A nyújtást a fólia tulajdonságainak javítása végett csinálják. A molekulák
orientálódnak a nyújtás irányába. Csak az egyik irányba lesz erős az anyag. Ez
látható a fenti ábra 4-5 szakaszán.
139. Mutassa be a prégelés és a kasírozás technológiáit!
Egyes alkalmazásoknál a fólia felületét mintázattal látják el. Ez az eljárás az un. prégelés v.
barkázás. A prégelést a kalandert elhagyó fólia kismértékű lehűlése után, annak
termoplasztikus állapotában végzik egy hűtött, mintás nyomóhenger és gumibevonatú
ellen henger között. Az előző kérdésben levő ábrán ez a kalander után található két kis
henger.
121
Kasírozás:
A kalandersor utolsó henger párja végzi. A ragasztó anyagon átvezetett textil/szövet
belenyomódik a polimerbe. (előző kérdés ábra 5-6-os hengerek).
140. Mutassa be a rotációs öntés technológiáját!
Nagyméretű (1–10 m3), zárt és nyitott üreges testek előállítására használt eljárás.
Elsősorban hőre lágyuló műanyagokat dolgoznak fel ezzel a módszerrel is, de lehetséges a
reaktív (vagyis az alakadással egyidejűleg kémiai reakció is lejátszódik)
feldolgozástechnika is.
Előnye:
az olcsó szerszám és berendezés,
a termékek nagyon kis belső feszültsége,
a szinte tetszőleges (és könnyen változtatható) falvastagság,
hegedési varratmentes termékek készíthetők,
a szerszám – vagy anyagcsere gyorsan megvalósítható.
A módszernek van néhány hátránya is:
kis falvastagságú termékek (0,75 mm alatt) készítésére nem alkalmas
a fúvásos technológiákhoz képest lassú, kis méretű termékeknél nem
versenyképes
nem minden polimer alkalmas rotációs formázásra
A rotációs öntés a következő lépésekből áll:
a fűthető szerszámba meghatározott tömegű műanyagot helyeznek el
granulátum, vagy por formájában,
a szerszámot összezárják, felmelegítik (a szerszám típusától függően légcirkulációs
kemencében, vagy duplafalú szerszám esetén fűtőközeget cirkuláltatva a szerszám
falai között), és két egymásra merőleges tengely körül forgatják (a fordulatszám
nem szokta túllépni a 30 fordulat/perc értéket, általában 3–10 ford/perc),
a polimer megolvad, a keletkező ömledék a centrifugális erő hatására
egyenletesen eloszlik és felveszi a szerszám alakját. A folyamat időtartama változik
a polimer minőségétől és a falvastagságtól függően; általában 5–25 perc közötti
érték,
122
a szerszámot ezután tovább forgatás mellett lehűtik, szintén típustól függően
hűtőkamrában levegővel, illetve vízpermettel, vagy duplafalú szerszámnál
megfelelő hűtőközeget cirkuláltatva a szerszám falai között. A hűtés időtartama is
kb. 10–20 perc,
a készterméket eltávolítják.
141. Mit nevezünk kompozitnak? Magyarázza meg a definíciót!
A kompozit:
többfázisú (alkotóiban fázishatárokkal elválasztott)
összetett: több alkotóból álló szerkezeti anyag, amely
erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és
befoglaló (beágyazó) anyagból: mátrixból áll,
és az jellemzi, hogy
a nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági modulusú (szálas)
erősítőanyag és a
rendszerint kisebb szilárdságú mátrix között
kitűnő, első vagy másodrendű kötések általi adhéziós kapcsolat van, amely
a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad.
123
142. Milyen hőre keményedő mátrixanyagokat ismer? Mi ezek előnye?
Napjainkban elsősorban hőre nem lágyuló (hőre keményedő) gyantákat használnak a
nagy teljesítményű kompozitok előállításához. A hőre keményedő anyagok (pl.
epoxigyanta, poliészter, vinilészter, poliimid,) folyadék halmazállapotból, egy irreverzibilis
folyamat végén, térhálós szerkezetű szilárd halmazállapotba mennek át. Ha ez
megtörtént, többé már nem hozhatóak folyadék halmazállapotba, habár a hőmérséklet
változtatása jelentősen befolyásolja mechanikai tulajdonságaikat. Nagy előnyük, hogy
szobahőmérsékleten feldolgozásuk során folyékonyak és feldolgozásukhoz - ellentétben
pl. a fröccsöntéssel - nem szükséges nagy nyomás. Előnyük még az alacsony árfekvésük,
azonban nagy hátrányuk, hogy újrahasznosításuk ipari méretekben még nem megoldott.
Az iparban jelenleg a két leggyakrabban használt hőre keményedő gyanta az epoxigyanta
és a telítetlen poliészter gyanta. A szálerősített kompozitok szilárdságát döntő mértékben
az erősítőszál tulajdonsága határozza meg, mivel a beágyazó polimer mátrix szilárdsága és
modulusa általában ennél kb. két nagyságrenddel kisebb.
143. Miért alkalmazunk szálerősítést kompozitokban? Mutassa be, hogy
milyen szálakat használnak erősítésre!
A szálerősítéssel több pozitív hatást érhetünk el a polimernél, ezt három paradoxon írja
le:
Egyik közülük a szálátmérő paradoxonja, ugyanis az erősítőszálak átmérőjének
csökkenése hatására csökken az elemi szál szakításához szükséges szakítóerő, de
ugyanakkor növekszik a szál szakítószilárdsága. A jelenség oka, hogy a szál
keresztmetszetében annak átmérőjével csökken a lehetséges hibahelyek
(inhomogenitások szennyeződések, légzárványok) száma.
A második a szál befogási hosszának paradoxonja, amely hasonló jelenséghez vezet, mint
a szálátmérő esetében. A rövidebb befogási szálhossz mentén kevesebb hibahely
található az adott szálban, így a kisebb befogási hosszakhoz nagyobb szakítószilárdság
értékek tartoznak
A harmadik jelenség maga a kompozit anyag paradoxonja, amelynek értelmében a
kompozit olyan terhelés elviselésére képes, amely a gyengébbik komponens (a mátrix)
tönkremenetelét okozná önmagában.
124
Erősítő szálak:
Üvegszál
o Az üvegszál erősítés alkalmazásának előnyei:
– viszonylag olcsó (szén és aramid szálakhoz mérten),
– gyártásához szükséges alapanyagok nagy mennyiségben
rendelkezésre állnak,
– UV stabil, vegyszerálló, elektromosan szigetel.
o Hátránya:
– bizonyos technológiáknál erős koptató hatása van (ahol
közvetlenül súrlódik a szerszámon),
– viszonylag nagy sűrűség (szén, aramid, és PE szálhoz mérten),
– törékeny,
– alacsony rugalmassági modulus (szénszálhoz mérten).
Szénszál
o Az szénszál erősítés alkalmazásának előnyei:
– alacsony sűrűség,
– magas rugalmassági modulus,
– magas szilárdsági értékek (mindhárom az üvegszálhoz mérten),
– alacsony hőtágulási együttható.
o Hátránya:
– viszonylag rideg (aramid és PE szálhoz képest),
– magas ár (függ tiszta széntartalomtól).
125
Aramidszál, PE szál
o Az aramidszál erősítés alkalmazásának előnyei:
– alacsony sűrűség,
– magas szilárdsági értékek,
– jó dinamikai tulajdonságok,
– hajlékony,
– lángállóság.
o Hátránya:
– környezeti hatásokkal szembeni gyenge ellenálló képesség (UV- és
nedvességérzékenység)
– alacsony nyomószilárdsági értékek.
144. Hogyan alakul a poliészter gyanta hőeffektusa a feldolgozás során?
A poliészter gyanták csak korlátozott ideig tárolhatók, mivel egy bizonyos idő elteltével
maguktól gélesedni kezdenek. Azonban ez az idő a feldolgozásuk során nem várható ki,
ezért a gyantához iniciátort adnak, amelynek hatására a hozzáadása után a térhálósodás
rövid időn belül megindul. Maga az iniciátor nem vesz részt a kémiai reakcióban, csak
katalizálja azt. Miután a gyantához keverjük az iniciátort, abban rövid idő után (G:
gélesedési idő) megindul a térhálósodáshoz vezető viszonylag heves (iniciátor
mennyiségétől függően akár pár perc alatt lejátszódó) polimerizációs láncreakció. A
126
reakció közben egy exoterm, hő fejlődéssel járó folyamat játszódik le, amelynek
köszönhetően a gyanta hőmérséklete akár 100-120°C-ot is emelkedhet. A térhálósodási
folyamat során tapasztalható egy exoterm csúcs, amelyhez tartozó időpillanat (H:
kikeményedési idő) után a térhálósodási folyamat, azaz a keresztkötések kialakulásának
sebessége nagymértékben, folyamatosan csökken, a poliészter hőmérséklete eztán lassan
eléri a környezeti hőmérsékletet
145. Milyen 1, 2 és 3 dimenziós erősítőstruktúrákat ismer? Polárdiagram
segítségével mutassa be néhány jellemző kiszerelési forma húzási
tulajdonságainak irányfüggését!
Az erősítőanyagok kereskedelmi forgalomban 1D, 2D, és 3D-s formában lelhetőek fel. 1D-
snek hívjuk a roving (köteg) vagy szalag formában megjelenő szálhalmazokat. Szőtt vagy
nem szőtt és kötött textíliák tartoznak a 2D-s csoportba. A tér mindhárom irányában
erősítőanyagot tartalmaznak a tűzött kelmék és a rétegvastagság irányában is
erősítőanyagot tartalmazó 3D-s kelme rendszerek.
A szálak irányultságának rendezésével bizonyos fokú orientáció érhető el. Az ún. paplan
típusú erősítőanyagok a sík minden irányban tartalmaznak szálakat, nincs mechanikailag
kitüntetett irány. Az unidirekcionális rétegekben a szálak egy irányba állnak, a mechanikai
tulajdonságok ebben az irányban kimagaslóak. A szövéssel készített erősítő rendszerek
általában két egymásra merőleges kitüntetett iránnyal rendelkeznek, de léteznek
multidirekcionális kelmék is (pl. a síkban három vagy esetleg több kitüntetett irány is van).
Az egyes erősítőanyag formák mechanikai tulajdonságait ún. polárdiagramban szokás
megjelentetni. A fenti anyagok húzószilárdságának jellegét a terhelési szög függvényében,
a polárdiagramban szemlélteti:
127
146. Mutassa be és magyarázza meg a Kelly-Tyson összefüggést! Mit
nevezünk kritikus szálhossznak?
A szál befogási hosszával kapcsolatos.
A befogási szálhossznak rövidszálas (elsősorban fröccsöntéssel és extrúzióval előállított,
hőre lágyuló mátrixú) kompozit alkatrészek esetére meghatározható egy kritikus
minimum értéke, ami megadja, hogy mi az a minimális szálhossz, amit érdemes kompozit
erősítőanyagként alkalmazni. Amennyiben az adott szálhossz nem éri el ez a kritikus
minimum (Lc) értéket, úgy terhelés hatására nem lesz képes maximális terhelést felvenni,
azaz a szál szakítószilárdságának elérése előtt ki fog csúszni a befoglaló anyagból. A
kritikus szálhossz meghatározható az adhéziós kapcsolat következtében a szál felületén
ható nyírófeszültségének (τ), az elemi szál szakítószilárdságának (σB, Szál), valamint a
szálátmérő (D) ismeretében az ún. Kelly-Tyson összefüggés segítségével:
Az egyenlethez szükséges tagok közül a D, a σB, Szál és a határfelületi nyírófeszültség (τ)
elemi szálak vizsgálatával határozható meg.
147. Milyen módszerekkel lehet hőre lágyuló mátrixú kompozitokat
előállítani? Mutassa be részletesebben a film-stacking eljárást!
A kompozit alapanyag gyártása többnyire ömledékkeveréssel valósul meg. A rövid (vágott)
erősítőszálak bekeverése kétcsigás extruderben, ömledék állapotban történik. A szálak
homogén elkeveredését az ömledék polimerben az extrudercsigákkal kifejtett nagy nyíró-
/keverőhatás biztosítja. A kompozit előtermék granulátum. A kompozit granulátumot újabb
extrúzióval lemezzé, illetve profiltermékké lehet alakítani, vagy fröccsöntéssel, illetve a
lemez félkészterméket hőformázással (vákuumformázás) feldolgozva lehet készterméket
előállítani.
Film-stacking eljárás: ahol az erősítőstruktúrát és a mátrix lapokat rétegesen egymásra
helyezik, majd préseléssel egyesítik. E módszer nagy előnye az anyag kombinációk (ezáltal
elérhető nagy feldolgozási ablak) és azok arányainak választási szabadsága, különböző
erősítőstruktúrák alkalmazásának lehetőségei.
128
148. Hogyan csoportosíthatjuk a hőre keményedő kompozitok gyártási
eljárásait? Adjon példákat!
Szórás: A laminálás technológia némileg „gépesített” változata, egy speciális
szórófejen keresztül vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra egy
szerszám felületére. Nagyméretű termékek készíthetők gazdaságosan így (pl.:
hajótestek, lemezszerű panelek).
Sajtolás: Nagy sorozatoknál alkalmazott gyártástechnológia; hidraulikus
présgépeket fűthető fém szerszámokat, illeszkedő precíz szerszámfeleket
alkalmazva. A mátrix- és erősítőanyag már előre összekeverve kerül a
szerszámfelek közé. Viszonylag rövid ciklusidővel, hosszú sorozatban gyártott
termékek előállítására alkalmas technológia, pl. autóiparban, ajtó kárpit, belső
burkoló elemek, stb.
Tekercselés: Forgó, tengelyszimmetrikus (általában hengeres, kúpos) magra
gyantával impregnált folytonos szálakat tekercselnek fel. A rovingok fektetési
szöge (tekercselési szög) az igénybevételnek megfelelően előre számítható. A
készterméket a magról lehúzzák, ezért szükséges, hogy a szerszám enyhén kúpos
legyen. Főleg tartályok, csövek előállításához alkalmazható.
Pultrúzió: A hosszirányban folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás a hőre
lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel,
hogy itt az impregnált erősítőanyagot áthúzzák a fűtött szerszámon. Ez az egyetlen
folytonos hőre keményedő mátrixú kompozit gyártástechnológia, amely profilok,
1D-s termékek gyártására alkalmas (pl. gerendák, tartószerkezetek merevítései,
lapátnyél, kábelek).
Injektálás: A szerszámba „szárazon” kerül befektetésre az erősítőanyag. A zárt
szerszámba túlnyomás vagy vákuum segítségével juttatjuk be a mátrixanyagot. A
mátrixanyag áramlása során impregnálja az erősítőanyagot. A viszonylag csekély
számú hibahely (szennyeződés, légzárvány) miatt nagyon jó mechanikai
tulajdonságokkal, kiváló minőségű termékek készíthetők injektálással (pl.:
repülőgép-, vagy nagy teljesítményű gépalkatrészek)
149. Mutassa be részletesen a kézi laminálás módszerét! Hasonlítsa össze a
szórás technológiájával!
Ez a technológia alacsony költségei és széleskörű alkalmazhatósága miatt a
legelterjedtebb. Prototípus, illetve kis sorozatgyártás esetén a leggazdaságosabb.
A pozitív vagy negatív szerszám felületét formaleválasztóval kell kezelni, hogy a termék a
szerszámból eltávolítható legyen. A termék külső rétege általában egy úgynevezett gél
129
réteg (gelcoat), ez a gyantában dús töltött réteg áll ellen a környezeti hatásoknak
(időjárás, mechanikai behatások). Ezt követően kerülnek felhordásra a termék teherviselő
rétegei, erősítőanyag rétegek kerülnek átitatásra görgők, hengerek, illetve ecsetek
segítségével. A legfontosabb, hogy tömör, légzárvány nélküli falvastagságot készítsünk,
ehhez nyújt segítséget a levegő kigörgőzése a már átimpregnált rétegekből.
A kész kompozit lemez akár több tíz rétegből is állhat, ehhez legfőképpen a megfelelő
gyanta kiválasztására kell ügyelni (gélidő, exoterm hőcsúcs). A laminát tartalmazhat
jelentős erősítéseket, megvastagításokat, bordákat, fém-betétet, valamint felépülhet
szendvicsszerkezetként is.
A térhálósítás az alkalmazott gyantarendszernek megfelelően általában
szobahőmérsékleten, de egyes esetekben emelt hőfokon is történhet. Utólagos emelt
hőfokú térhálósítás a teljes konverzió szempontjából minden esetben ajánlatos. Ezt
követően a termék méretre vágása, szélezése ill., utólagos szerelése történik. A szórás a
laminálás technológia némileg „gépesített” változata, egy speciális szórófejen keresztül
vágott szál és mátrixanyag keveréke kerül felszórásra egy szerszám felületére.
Nagyméretű termékek készíthetők gazdaságosan így (pl.: hajótestek, lemezszerű panelek).
150. Mutassa be a pultrúzió technológiáját! Milyen módszerekkel lehet még
hőre keményedő mátrixú kompozit csöveket előállítani?
Pultrúzió: A hosszirányban folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás a hőre
lágyuló alapanyagú extrúzióhoz hasonló eljárás, azzal a lényeges különbséggel,
hogy itt az impregnált erősítőanyagot áthúzzák a fűtött szerszámon. Ez az egyetlen
folytonos hőre keményedő mátrixú kompozit gyártástechnológia, amely profilok,
1D-s termékek gyártására alkalmas (pl. gerendák, tartószerkezetek merevítései,
lapátnyél, kábelek).
Injektálás
Tekercselés
Sajtolás
130
Szórás
151. Mit nevezünk SMC, illetve BMC-nek? Milyen technológiával dolgozzák fel
ezeket?
BMC: Bulk Molding Compound: „alaktalan” kompozit előimpregnátum („premix”)
szálerősítésből és matrix oligomerből,
SMC: Sheet Molding Compound: lemezformájú kompozit előgyártmány („prepreg”)
tekercs alakban tárolva
Az SMC gyártás lényegében folytonos üzemű lemezgyártást jelent: sajtolás.
A BMC hőtágulási együtthatója pl. hasonló az acéléhoz, ezért fémbetétek
körülfröccsöntéséhez kiválóan alkalmas.
152. Hogyan néz ki az EU-s direktívákat szemléltető hulladékgazdálkodási
piramis?
Megelőzés: pl: Nem veszünk új telefont évente.
Minimalizálás: tervezés során törekszünk olyan terméket képezni, ami a lehető
legkevesebb – legkedvezőbb hulladékká fog válni, ha hulladék lesz belőle.
Újrahasználat: igyekszünk ugyanarra a célra használni, mint eddig, max. kicsit
javítunk rajta.
Újrahasznosítás: más célt keresünk a hulladék felhasználhatósága érdekében.
Egyéb: energetikai hasznosítás, pl égetés.
131
Ártalmatlanítás: lerakás; már nem tudjuk használni, de legalább ne károsítsa a
környezetet.
153. Mit értünk pirolízis alatt?
A pirolízis kémiai újrahasznosítás; a polimer molekulák közti kovalens kötéseket
igyekszünk felbontani, értsük úgy, mint a polimerizáció ellentétes folyamata. A polimer
szerkezetétől fog függni, hogy milyen oligomerekre, monomerekre bomlik le. Így anyagot
nyerünk vissza – az üzem lehet szakaszos és folyamatos is; a folyamatos üzemben egy
extrudercsigához hasonló csigával végezzük a tömegáram transzportot. Jóval olvadáspont
fölötti hőmérsékletről beszélhetünk, a végterméket a kőolaj iparban használjuk fel. Oda
kerül, ahonnan jött.
154. Mi a különbség az energetikai hasznosítás és a pirolízis között?
Energetikai hasznosításnál (pl. égetés) a polimerből keletkezett hőenergiát tudjuk
hasznosítani, míg a pirolízisnél anyagot nyerünk vissza, melyet újra tudunk használni.
155. Mi a jelent a fizikai újrahasznosítás és miben tér el a kémiai
újrahasznosítástól?
A kémiai újrahasznosítás lényege: a polimer makromolekulát olyan kisebb molekula
töredékekre bontják, amelyek vegyipari alapanyagként hasznosíthatók. Ehhez mindenek
előtt a hulladékból lehetőség szerint el kell vonni a halogéneket (klorid, fluorid), mert
ezek a magas hőmérsékleten (tipikusan 300 °C felett) igen korrozivak az adott vegyipari
berendezésekben. A polimerhulladékok kémiai alapanyagként való hasznosítása tehát
lényegében a hőbontás (pirolizis).
A fizikai újrahasznosítás tiszta, szennyezetlen állapotban levő hőre lágyuló polimerek
újrafeldolgozása a megömlesztés és képlékeny alakítás ismert módszereivel. Itt tehát nem
történik hőbontás, csak újrafeldolgozás.
156. Mi az anyagában történő újrahasznosítás lényege?
A fizikai újrahasznosítás speciális típusa. Ezen tevékenységnek köszönhetően a
hulladékból újra termék készül, mégpedig egyetlen anyag felhasználásával ugyanazon
anyag előállítása történik Így a másodnyersanyag (hulladék) nem vész el, csak átalakul.
Például PET palackok újrahasznosítása (recycling).
157. Mennyi hulladék keletkezik Magyarországon évente?
132
Magyarországon a lakosság évente megközelítőleg 300 ezer tonna műanyag hulladékot
termel.
133
158. Mi a különbség az upcycling és a downcycling között? Mondjon példákat
a technológiákra!
Upcycling: Minőségnövelés. Például PET palackok begyűjtése és újrahasznosítása: az új
anyag mechanikai tulajdonságai majdnem egyezőek az eredetivel, max a ridegség és a
szakítási nyúlás romlik valamennyit. Termelnek így hatalmas mennyiségű tojástartót,
gyors és egyszerű üzemben, de akár beszélhetünk szálerősített kompozitokról (üvegszál,
bazaltszál), továbbá a PET elektromos vezetőképességének növelése adalékolással, és a
PET égésgátlása műszaki cikkgyárthatóság érdekében is két nagyban fejlődő üzletág.
Downcylcling: Minőségcsökkentés. Itt intrúzióval (bármilyen polimer hulladék
belerakható) készülhetnek termékek, vagy sajtolással, ahol megolvad az alapanyag és
nagy erővel sajtolják. Így készülnek pl. a zajvédő falak az autópálya mellett, raklapok,
medencék alja, vagy virágtartó cuccok.
159. Milyen megelőző műveleteket kell végezni a műanyaghulladék
újrahasznosítása érdekében?
A fólia típusú hulladékok újrahasznosításának első fázisa az ún. agglomerálás, melynek
során gyakorlatilag ledarálódik a hulladék anyag, viszont a folyamatba bevitt vízzel
történő hűtés hatására az összedarabolt anyag ún. agglomerátummá válik – jellemzően
gubacsszerű és nem lemezszerű alakká.
Közvetlen előtöréssel indul a nagyobb darabokból álló szilárd hulladékok / nagyobb-
keményebb típusú hulladékok újrahasznosításának első lépése (pl. hordók, kannák,
kukaedények vagy raklapok), melyet követően kerül sor a darálásra. Ennek során a
hulladék 15-20 mm felületű darálékként kerül állványra helyezett nagyméretű zsákokba.
A műanyag hasznosítás második fázisa az előkészítő üzemben létrehozott félkész anyagok
granulálásra való előkészítése, mely a mindenkori másodnyersanyag megrendelői
igényekhez illeszkedik.
A megfelelő minőségű, újrahasznosított műanyag re-granulátum előállításához, az
üzemben használatos receptúrák szerint, mesterkeverék illetve egyéb adalékanyagok
felhasználásával történik a megkeverés, vagyis a homogenizálás. Ennek elsődleges célja,
hogy a legyártandó regranulátum azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkezzen, amely a
későbbi késztermék gyártás szempontjából elsődleges fontosságú.
134
KIEGÉSZÍTŐ KÉRDÉSEK
160. Mi a határlehajlás? Miért volt szükség a bevezetésére?
Határlehajlás: f*
Az a lehajlási érték, ameddig feltételezhetjük a klasszikus számítási összefüggések
érvényességét. Értéke a mindenkori L alátámasztási távolság 10%-a (f* =0,1.L). Ha tehát
ezen f*határlehajlás érték elérése előtt eltörik az anyag, akkor a törési ponthoz tartozó Ft
törőerőből számolt nyomatékkal a σBh hajlítószilárdságot határozzuk meg, és ezzel
jellemezzük a vizsgált anyag teherbírását.
161. Mutassa be és értékelje nyomóerő – lehajlás diagram segítségével a
kompozit anyagok szálorientációjának hatását!
A hajlítás során igen lényeges a próbatestekben lévő szálak orientációja. A hajlított
tengelybe eső szálak adják a legnagyobb merevséget, míg ettől egyre nagyobb mértékben
eltérve a próbatestek modulusa egyre kisebb
135
162. Mi a melegalakítás? Milyen előnyei, illetve hátrányai vannak a többi
polimer feldolgozás technológiához képest?
Melegalakítás alatt a termoelasztikus állapotban lévő hőre lágyuló műanyag félkész
termékek (előgyártmányok, többnyire lemezek, fóliák) kis erőkkel történő alakítását
értjük. A folyamat lényege a következő: A műanyag lemezt – általában sugárzó hővel – a
kívánt hőmérsékletre előmelegítjük, „kilágyítjuk” (alakítható állapotba hozás), majd ezt a
lágy anyagot viszonylag kis erővel a hideg (temperált) szerszámba (szerszámra) préseljük,
vagy szívjuk (alakadás). A szerszámban (szerszámon) az anyag lehűl (alakrögzítés), és a
termék eltávolítható.
A módszer legnagyobb előnye abban rejlik, hogy a termoelasztikus állapotban lévő, lágy
műanyag kis erőkkel, nagymértékben alakítható. Ebből következik, hogy a szerszám
anyagköltsége alacsony (kis szilárdságú – merevségű anyagból is előállítható, pl. fa, gipsz,
alumínium), ami még kis sorozatok esetén is gazdaságos gyártást biztosít. Hátrányként
meg kell említeni a magasabb alapanyagköltséget, hisz a granulátumból valamilyen más
technológiával elő kell állítani az alakítandó lemezt, ill. azt, hogy többnyire csak olyan
vékonyfalú, nem túl bonyolult, alámetszés nélküli 3D-s termékek gyárthatók vele,
amelyek esetenként jelentős anizotrópiával rendelkeznek.
163. Értékelje az amorf és a részben kristályos polimerek termomechanikai
görbéit a melegalakítás szempontjából!
A részben kristályos szerkezetű termoplasztok csak a meglehetősen szűk kristályolvadási
hőmérséklettartományban alakíthatóak. Ezen hőmérséklet felett az anyag megömlik,
alatta pedig a kristályos fázis gátolja az alakíthatóságot. Melegalakításra a termoplasztikus
műanyagok közül az amorf szerkezetűek az alkalmasabbak, mivel ezeknél az anyagoknál
szélesebb a melegalakíthatósági hőmérséklettartomány.
136
Amorf anyagoknál a legnagyobb alakíthatóságot a termomechanikai görbe
nyúlásmaximumánál lehet létrehozni, de ilyenkor a gyártmányban nagy belső feszültségek
maradnak, és a relaxációs hajlam is számottevő. Magasabb hőmérsékleten, a nyúlásgörbe
leszálló ágán kisebb ugyan az alakíthatóság, de jobb az alaktartósság és kisebb a
relaxációs hajlam.
164. Mi a vákuumformázás? Milyen problémák léphetnek fel a feldolgozás
során? Hogyan lehet ezeket kompenzálni?
Vákuumformázással általában nagyméretű, vékonyfalú termékeket állítanak elő. Alapelve
szerint a formázandó meleg lemez és a szerszám között vákuumot létesítenek, és ez a
max. 1 bar (0,1 MPa) nyomáskülönbség alakítja a lágy polimert. A szerszámkialakítástól
függően negatív és pozitív vákuumformázást különböztetünk meg.
Tekintettel arra, hogy a műanyagok rossz hővezetők, a felmelegítést csak viszonylag
lassan lehet elvégezni. A túlzottan gyors melegítés a felületen károsodást (elszíneződést,
hólyagképződést) okozhat, míg a lemez belseje még „hideg”. Vastagabb lemezek, igen jó
hőszigetelő képességű habfóliák alakítására ajánlatos a kétoldali (alsó-felső) fűtés
alkalmazása. Ezzel elkerülhető a jelentős hőmérsékletkülönbség a lemez két oldalán.
Az alakítandó lemez hőmérsékletének a felület minden pontján azonosnak kell lennie,
ellenkező esetben egyenlőtlen lesz a hűléskor fellépő zsugorodás, aminek következtében
jelentős vetemedések, elhúzódások jönnek létre. A lemez homogén hőmérséklet-
eloszlását az infravörös hősugárzók különböző (középen kisebb, a szélső zónában
nagyobb) teljesítményre állításával lehet biztosítani.
A melegalakítási technológia lényegéből következik, hogy a vákuum bekapcsolása után a
lágy lemez folyamatosan tölti ki a szerszámüreget, vagy feszül rá a pozitív szerszámra.
Tekintettel arra, hogy a hideg (temperált) szerszámrésszel érintkező anyag a továbbiak
során már nem nyúlik, az ilyen egyszerű esetekben jelentős falvastagság különbségek
lépnek fel. Ennek csökkentésére, esetleg elkerülésére különböző előnyújtási módszereket
137
dolgoztak ki. Előnyújtás esetén nagyon fontos, hogy az alakítandó lemezeknek egyenletes
vastagságúak legyenek. Az előfúvás fázisában ugyanis belső túlnyomással nyújtjuk a
lemezt. Ha ennek falvastagsága nem egyenletes, a nyomás egyenletes terjedéséből
következően a vékonyabb részben jobban nyúlik, extrém esetben kilyukad.
165. Mutassa be és hasonlítsa össze (előnyök. hátrányok) a pozitív, illetve a
negatív vákuumformázást!
Egy-egy termék elvileg mindkét szerszámmal előállítható, hogy mégis mikor melyiket
alkalmazzák, annak eldöntésére ismertetünk néhány szempontot:
A terméknek mindig a szerszámmal érintkező felülete a pontosabb, így a pozitív
szerszámmal gyártottnak a belső, a negatívval előállítottnak pedig a külső mérete.
Pozitív szerszámra a termék rázsugorodik, eltávolítása problémás, míg negatív
szerszámból kizsugorodik, tehát könnyen eltávolítható.
A pozitív szerszám előállítása egyszerűbb, mivel a külső felületeket kell
megmunkálni, így a szerszám olcsóbb.
166. Mi a préslég formázás lényege? Milyen előnyei, illetve hátrányai vannak
a vákuumformázáshoz képest?
138
A túlnyomásos (vagy préslég-) formázás elvét az előző ábra szemlélteti. Elve megegyezik a
vákuumformázással, azaz az alakítandó lemez egyik oldalán túlnyomást alakítunk ki, és
ezzel kényszerítjük azt pl. a negatív szerszámba. A különbség az, hogy a túlnyomás
nagyobb lehet 1 bar (0,1 MPa)-nál, ezáltal nagyobb alakító erőket lehet megvalósítani.
Az eljárás során az anyag felmelegítése és a légtömör zárás megvalósítása jelent
nehézséget, hisz a lemezt melegítő infravörös hősugárzó és a légtömör zárást is biztosító
alakadó szerszám is az alakítandó lemez felett kell, hogy elhelyezkedjék. Mivel mindkettő
nem lehet egyszerre ott, ezért a melegítő testet (kocsit) a felmelegítés után el kell onnan
távolítani, ezután a szerszámot a lágy lemez fölé (lemezre) vezetni, létrehozni a légtömör
zárást, és csak ezután hozható létre az alakadáshoz szükséges túlnyomás. Természetesen
lehet a lemezt is mozgatni, a problémát azonban ez sem oldja meg.
167. Mutassa be a mélyhúzás technológiáját polimerek esetén.
A húzóformázások során a felmelegített lemez leszorítására rugózó keretet (ráncfogót)
használnak, aminek következtében alakításkor a lemez szélei el tudnak csúszni, ezáltal
egyenletesebb falvastagságú termékeket lehet előállítani. A mélyhúzást sűrített levegővel
vagy nyújtóbélyeggel végezhetik. A sűrített levegős mélyhúzásnál a körben leszorított,
kilágyított lemez alakítását sűrített levegő aláfúvásával oldják meg. Látható, hogy ezzel az
eljárással csak egyszerű geometriájú termékek (pl nagyméretű világítókupolák)
139
gyárthatók. Hátránya a módszernek a gyártmányok rossz reprodukálhatósága, ezért
viszonylag ritkán használják. Ezt a hátrányt azzal lehet kiküszöbölni, hogy a lemez fölé egy
alakadó szerszámot helyeznek, de ez már a korábban megismert préslégformázáshoz veze
Bélyeggel történő mélyhúzáskor a kilágyított lemezt a bélyeg alakítja a kívánt mértékig. A
termék geometriája ebben az esetben is korlátozott.
Az eddig ismertetett valamennyi eljárásnál fennállt annak a veszélye, hogy a késztermék
falvastagságában nemkívánatos különbségek jöjjenek létre. Ennek az az oka, hogy az
alakítás során a lemeznek csak az egyik oldala érintkezett merev alakadó szerszámféllel,
míg a másik oldalon levegő volt. Ezt a hátrányt azzal lehet kiküszöbölni, ha az alakításra
kétoldali merev szerszámot használunk. Ebben az esetben, amelyet akár sajtolásnak is
nevezhetünk, a szerszámköltség igen magas.
140
168. Mit jelent a vizualizációs modell, illetve a funkcionális modell a
prototípusgyártásban?
A prototípusok készítésének három fő oka lehet. Az első, amikor a termék megjelenését,
külsejét szeretnénk megnézni (vizualizációs modell), valós 3D-s formában szeretnénk
kézbe venni. Erre a forma (design) kialakítása közben van nagy szükség, amikor még nem
a funkció teljesítését vizsgáljuk. Ebben az esetben tehát nem az a cél, hogy a mintánk egy
az egyben funkcionálisan megegyezzen a jövőbeli termékünkkel, hanem csak az, hogy
geometriailag pontosan utánozza azt.
A második eset, amikor a modell éppen a funkció vizsgálatának céljából készül
(funkcionális modell). Ebben az esetben jóval nagyobbak a modellel szemben támasztott
követelmények, hiszen itt nem csak a „látszat” számít, hanem a szilárdság, merevség és
egyéb fizikai jellemzők, valamint a geometriai méretpontosságoknak is nagyobb a
jelentősége. Számos esetben követelmény lehet az is, hogy a prototípusunk még
anyagában is megegyezzen a tervezett termék jövőbeli anyagával
169. Mi a 3D nyomtatás lényege, hogyan valósítható meg a
polimertechnikában?
141
A 3D Printing eljárást az MIT (Massachusetts Institute of Technology) kutatói fejlesztették
ki főleg prototípusok előállítására, valamint valós termékek rugalmas gyártására, az
utóbbi időben azonban direkt szerszámkészítésre és precíziós öntőformák előállítására is
alkalmazzák. Ezzel a technológiával előállítható bármilyen alakú modell, szinte bármilyen
anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár
kompozit anyagok.
A legtöbb technológiához hasonlóan itt is rétegenként kerül kialakításra a modell, a
számítógépen elkészített 3D-s modell szeletekre bontásával. A rétegek építése az előzőleg
elkészült modellrétegekre történő porfelvitellel kezdődik
Az ink-jet nyomtatókhoz hasonlóan működő berendezés az adott rétegben, ahol a modell
elhelyezkedik, kötőanyagot helyez el, így kialakítva az adott réteg geometriáját. Ezután a
munkaasztalt mozgató henger lesüllyed egy rétegnyit, ezzel helyet adva a következő réteg
számára felviendő por számára. Ezeket a lépéseket addig ismétli a berendezés, amíg a
darab teljes kialakítása meg nem történik. A darab a végleges formáját a felesleges por
eltávolítása valamint utókezelés (gyantával történő átitatás, hőkezelés) után nyeri el.
Az eljárás gyors, egyszerű, olcsó és megbízható. Mivel a terméket por veszi körül, így
alátámasztást nem igényel. Hatalmas előnye, hogy igen gyorsan lehet vele előállítani
kerámia öntőformákat precíziós öntéshez. Hátrány viszont, hogy utólagos kezelés
szükséges, pontossága korlátozott és a belső felületekhez nem lehet hozzáférni
170. Mutassa be az Objet – PolyJet technológia lényegét!
PolyJet eljárást az Objet Geometries cég fejlesztette ki. Ez a merőben új eljárás magába
foglalja a legtöbb RP technológia előnyét. A tintasugaras nyomtatófejből kinyomtatott
fényérzékeny műgyantát nem lézerrel, hanem UV fényforrással szilárdítják meg. Mivel a
142
nyomtatás térben történik, és a 3D printig eljárással ellentétben itt a modellt nem veszi
körbe por, ami megtámassza, ezért külön támaszanyag alkalmazására van szükség. Nagy
előny viszont, hogy a támaszanyag vízzel oldható, így könnyebb és egyszerűbb
eltávolítani, mint a többi technológia esetén. További előny, hogy az UV fényforrásnak
köszönhetően olcsóbb és gyorsabb, mint a hagyományos RPT technológiák. A berendezés
pontosságát jól jellemzi a 16 -30 μm-es építési rétegvastagság, a legvékonyabb
függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, a teljes modell pontossága pedig ± 0,05
mm.
A további fejlesztések eredményeként született berendezés segítségével (Connex), ma
már akár két különböző mechanikai és fizikai tulajdonságú anyag is nyomtatható egy
munkadarabon (munkacikluson) belül a felhasznált alapanyagok keverésével (lineáris
kombinációjával).
143
171. Mit jelent a gyors szerszámozás? Mikor, milyen célból lehet alkalmazni?
A gyors prototípusgyártásból (Rapid Prototyping – RP) fejlődött ki a gyors szerszámozás
(Rapid Tooling – RT), amely egyre nagyobb teret hódít a műanyag feldolgozás-
technológiákban is. A gyors szerszámozással előállított szerszám többnyire csak kis
sorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk elő egy
pontosabb vizsgálathoz. Ez nagy előrelépés, hiszen a hagyományos értelemben vett
prototípusokkal (lásd előző fejezet) szemben az így előállított darab tökéletes mása az
eredetileg tervezettnek, hiszen tulajdonságában, anyagában, sőt gyártástechnológiájában
is megegyezik a sorozatgyártott termékkel. Manapság egyre inkább arra irányulnak a
törekvések, hogy ezt a gyors szerszámkészítési módszert ne csak a prototípuskészítéshez,
hanem a sorozatgyártáshoz is fel lehessen használni.
A gyors szerszámkészítésnek számos lehetséges változata megtalálható a piacon akár a
prototípusgyártásból kiinduló indirekt módszert, akár a közvetlen (direkt) szerszám
előállítási technikákat tekintjük
172. Mit jelent a direkt, és mit az indirekt szerszámozás?
A gyors szerszámkészítés indirekt módjának az alapja az, hogy valamelyik
prototípusgyártási módszerrel elkészített munkadarabot használjuk fel úgy, mint alakadó
mestermintát. Ez sokkal gyorsabb, mintha forgácsolással készítenék el azt, és adott
esetben a geometriai pontosság messzemenően kielégítő. Ezt követően a mesterminta
felületét körül öntve egy másik anyaggal elkészíthető a szerszám, ami ellenáll a
sorozatgyártáskor kialakuló nyomásnak, hőmérsékletnek, mechanikai koptató hatásnak.
Példa erre a szilikon szerszámozás.
Direkt szerszámozás során nem alkalmazunk mestermintát, hanem magát a szerszámot
készítjük valamilyen gyors prototípusgyártási módszerrel. Így a folyamat gyorsabb,
egyszerűbb és jobban automatizálhatóvá válik. Ezek az eljárások jellemzően a
hagyományos SLA és SLS alapra épülnek, azok valamilyen továbbfejlesztett, illetve
módosított változatai.
173. Mi a jelentősége az erővel záró kötéseknek a polimertechnikában?
Az erővel záró kötések családjába a csavarkötés tartozik. Polimer termékek esetében a
csavarkötésnek többféle típusa alkalmazható. Amennyiben a termékek alkatrészeinek
csatlakozása kis igénybevételnek van kitéve, úgy a kötések kialakítása önmetsző fémcsavarok
segítségével valósítható meg.
A csavarkötések alkalmazásakor nemcsak önmetsző csavarokat alkalmazhatunk, hanem
speciális betétek (insertek) alkalmazásával lehetőség nyílik metrikus csavarmenetes kötések
kialakítására. Ezeknek előnye, hogy oldhatóak és nagyobb kötésszilárdságot biztosítnak, mint
144
az önmetsző csavarok. Ezt a tulajdonságukat azzal érik el, hogy az insertek nagy felületen
illeszkednek a műanyag termékek falába és érdesített felületükön keresztül nagy
erőhatásoknak is ellenállnak. Az insertek utólagos megmunkálással: sajtolással, pneumatikus
vagy elektromos berendezések, illetve ultrahanghegesztő készülék alkalmazásával illeszthetők
be a műanyag termékbe, de készülhetnek úgy is, hogy a fröccsöntő szerszámba előre
belehelyezett insertre ráfröccsöntik a műanyagot.
174. Mi a jelentősége az alakkal záró kötéseknek a polimertechnikában?
Mutasson be tipikus példákat!
Az alakkal záró kötések alapvető tulajdonsága, hogy a kötést a két (vagy több) elem
geometriai kialakítása biztosítja, amely meggátolja az elmozdulást. A csavarkötéseknél
leírtakhoz hasonlóan, az alakkal záró kötéseknél is lehetséges különböző anyagokat
összekötni.
Szegecskötés
A szegecskötések alkalmazásával nemcsak a polimer termékek saját anyagai között
tudunk kapcsolatot létesíteni, hanem más típusú műanyagok, illetve fémek is
összekapcsolhatók ezzel az eljárással. A módszer előnye, hogy gyors, és olcsó. A
legnagyobb hátránya, hogy a kialakult kötésszilárdság jóval kisebb a gyakorlatban
alkalmazott más kötéstípusoknál, illetve a kötés nem oldható (csak roncsolással). További
negatívumként említhető meg a technológia esztétikai hátránya, ami a termék
versenyképességét nagyban befolyásolja.
A saját anyaggal való kötéskialakítás során az egyik darabon kialakított ellapítandó csapra
illesztjük a furattal ellátott ellendarabot, majd a felmelegített szerszám által kifejtett
nyomás hatására a gyengén megolvadt anyag felveszi a szerszám alakját és létrejön a
kötés
Bepattanó kötés
A műanyagoknál igen gyakori a bepattanó kötés. A kötés kialakításakor a két alkatrész
túlfedéssel csatlakozik, miközben mindkettő, de legalább az egyik rugalmasan
deformálódik, amíg az alakváltozás egyenlő lesz a túlfedés mértékével. A kötés
létrejöttével az alkatrészek újra terheletlen állapotba kerülnek vissza. A bepattanó
145
kötések az oldhatóság szempontjából oldható- és nem oldható kötésekre
csoportosíthatók. Az oldható kötéseknél az összeszereléshez és a bontáshoz szükséges
erőnek a hatásvonala megegyezik. A nem oldható (90°-os hátszögű) kötésnél szükség van
viszont egy olyan erőre, ami a szerelési hatásvonalra merőleges irányú és a bepattanó
részt a helyzetéből kitéríti. A bepattanó kötés alkalmazása csak nagysorozatú gyártás
esetén gazdaságos, a bonyolult szerszámkialakítás magas költségvonzata miatt. A kötés
előnye viszont az, hogy az alkatrészek közötti kapcsolat a szerelés során gyorsan és
egyszerűen létrejön.
175. Mi a ragasztás, milyen típusú ragasztókat ismer?
A ragasztás két szilárd test összeerősítését jelenti ragasztó segítségével. A ragasztott
kötések szilárdságát döntően két erőtípus adja: a ragasztandó anyagok, valamint a
ragasztó belső szilárdsága, kohéziója, és a ragasztandó anyag és ragasztó határfelületén
fellépő erőhatások, az adhézió. Jó ragasztott kötésben az adhéziós erők legalább olyan
nagyok, mint a kohéziós erők, azaz a ragasztott kötés szétszakadása a ragasztott darabok
anyagában vagy a ragasztóban magában bekövetkezett szakadás (kohéziós szakadás)
miatt következik be, de nem a ragasztó és valamely felület elválása miatt (adhéziós
szakadás). Két típusa létezik: térhálósodó és nem térhálósodó ragasztók.
A nem térhálósodó ragasztók csoportjába tartoznak az alábbi ragasztók:
Oldószeres: Az oldószeres ragasztók kétfélé típusban fordulnak elő. A kötőanyag
nélküli oldószeres ragasztásnál interdiffúzió jön létre az összeragasztandó
polimerek felületei között és csak saját anyag ragasztható az összeférhetőség
miatt. Az oldószeres ragasztók másik csoportját a kötőanyagot tartalmazó
(általában polimer alapú) ragasztóanyagok alkotják. Jellemzően a felhordott
ragasztó oldószerének kipárolgását követően, még a ragasztó aktív idején belül
kell a ragasztást végre hajtani, azaz a két felet zárni, kötésbe hozni.
146
147
Ömledékragasztó (hot-melt): Az ömledékragasztók esetében a kötés a
ragasztóanyagnak megfelelő hőmérsékletre való melegítése után hozható létre. Az
ömledékragasztók előnye a gyors, termelékeny, oldószermentes ragasztás.
A térhálósodó ragasztók csoportjába tartoznak az alábbi ragasztók:
Kétkomponensű ragasztók: A ragasztó két komponensét (ragasztó + edző)
felhasználás előtt megfelelő arányba kell összekeverni, mely során elindul a
térhálósodás. Ilyenkor a ragasztást egy térhálósodó műanyag polimerizációja
hozza létre. Ilyen típusú ragasztók pl.: epoxi, poliuretán, akril 2K ragasztók stb.
Ciano-akrilátok („pillanatragasztók”): A ragasztó kikötéséhez, nedvesség
szükséges, mely a polimerizáció beindulását blokkoló anyagok „semlegesítéséhez”
kell.
176. Mutassa be a hegesztés technológiáját polimerek esetén! Mik a
hegesztés feltételei? Csoportosítsa a hegesztés technológiáját a hőátadás
módja szerint!
Csak a hőre lágyuló polimerek hegeszthetők (lineáris, illetve elágazott óriásmolekulákból
állnak). Ezeknél az anyagoknál van arra lehetőség, hogy a molekulák az őket összekötő
másodlagos kötések felszakadásával egymás közé diffundáljanak.
Polimerek hegesztésénél minél nagyobb szilárdságú, kohéziós kapcsolat létrehozása a cél.
A polimerek és fémek jól ismert anyagszerkezeti eltérése azonban számos problémát vet
fel. A polimerek hegesztésén kizárólag a hőre lágyuló polimerek olyan kötését értjük,
amely hő és nyomás együttes hatására jön létre hegesztőanyag alkalmazásával vagy
anélkül. A hegedés létrejöttéhez szabad részecskemozgás, vagyis folyékony halmazállapot
szükséges. Ilyenkor a láncmolekulák hőmozgása oly mértékben fokozódik, hogy képes
felszakítani az óriásmolekulák közötti szekunder kapcsolatokat (létrejön a Brown-féle
makrohőmozgás), ami az anyag folyékony halmazállapotához vezet.
A hegesztés feltételei:
• Összeférhető anyagok (közel azonos molekulaszerkezet),
• Optimális időtartamú, a kellő viszkózus, ugyanakkor rugalmas fizikai
állapotokat biztosító hőmérséklet,
• A hegesztendő felületek molekuláris közelségét és a folyamat optimális
lefutását biztosító nyomás megfelelő időintervallumon keresztül,
• A hegesztett kötés lehűlése a kezelhetőségi állapot bekövetkeztéig.
148
A legfontosabb hegesztési technológiákat három csoportba sorolhatjuk a hőátadás
módja szerint:
• hővezetéses,
• mechanikai súrlódásos,
• sugárzásos.
177. Mutasa be röviden a hővezetésen alapuló illetve a sugárzásos hegesztés
típusokat!
Hővezetéssel történő hegesztés esetén fölhevítenek egy testet, és hőjét átvezetik az
összeerősítendő alkatrészek kötési helyeire. Mind a hőforrás, mind a hőátadó anyag lehet
légnemű, folyékony vagy szilárd halmazállapotú.
FORRÓGÁZOS HEGESZTÉS: Az eljárás lényege, hogy a felhevített gázzal a
plasztikus állapotig melegítik a hegesztendő felületeket és a hegesztő anyagot úgy,
hogy azok molekulaláncai képesek legyenek egymásba diffundálni. A hőátadó
közeg általában levegő, azonban ún. inert gázokkal (pl. nitrogénnel, szén-
dioxiddal) is lehetséges a hegesztés. A hegesztésre használt gázt elektromosan
vagy gázzal fűtött kézi hegesztőkészülékben hevítik fel, és fúvókán keresztül
vezetik a hegesztési helyhez
FORRÓGÁZOS EXTRÚZIÓS HEGESZTÉS: A technológia célja nagytérfogatú varratok
készítése. Az elv azon alapul, hogy a hegesztő hozaganyagot ömledék formájában
juttatják a kialakított varratprofilba. A hozaganyag extrudált pálca formájában
kerül a hegesztőgépbe, ahol forró gázáram segítségével előmelegítik,
megömlesztik, majd forgó extrúdercsiga segítségével bepréselik a varrattérbe. A
plasztikus anyag és a két hegesztendő felületek közötti nyomást csúszó saruval
biztosítják, amivel a varratfelület minősége is megbízhatóbb
TÜKÖRHEGESZTÉS: A fűtőelemes tompahegesztés – ami tükörhegesztésként is
ismert –, az egyik legfontosabb eljárás műanyagok sorozatgyártásában, illetve
nagy tömegben történő hegesztésekor, mert nagy kötések kialakítására alkalmas.
Az eljárás alkalmazási területe két fő részre osztható: csőhegesztés (pl.: polietilén,
polipropilén) és egyéb termékek hegesztése (pl.: autóiparban üzemanyagtartályok,
akkumulátorok, hátsó lámpák stb.).
149
Sugárzásos hegesztésről van szó azokban az esetekben, amikor a hőenergiát nem
valamely szilárd, folyékony vagy gáznemű anyag viszi át hővezetés vagy hőáramlás
segítségével, hanem az energiaforrásból kibocsátott sugárzás a hegesztendő testre jutva
ott bizonyos mértékben elnyelődik és az ott lévő anyagot megolvasztja. Ebbe a hegesztési
csoportba tartoznak az infrasugaras, a nagyfrekvenciás (főként lágy PVC-nél) és a
mikrohullámú hegesztések is.
LÉZERHEGESZTÉS: A fényforrások egy speciális típusa a lézer (Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation = fénykibocsátás indukált emisszióval).
Megkülönböztetünk folyadék-, szilárdtest- (pl.: rubin, ND:YAG) és gázlézereket
(pl.:CO2). A lézerek fénye monokromatikus (azonos hullámhosszú). A létrejött
fényre jellemző a nagyfokú koherencia (szinkronban rezgő hullámokból áll), időbeli
és térbeli rendezettség. A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb.
Csaknem vonalszerűen, gyakorlatilag párhuzamosan terjed (kis divergenciájú).
A lézersugár, mivel energiasűrűsége igen nagy, kiválóan alkalmas különböző
anyagok megmunkálására. Az adott felületre jutó energia megválasztásával
meghatározhatjuk, hogy vágást, hegesztést, felületmódosítást (pl.: acél felületi
edzése), vagy jelölést végzünk. Előnyei a nagy pontosság, a kis hatásterület,
nagyfokú rugalmasság, valamint, hogy utólagos megmunkálást nem igényel.
A lézersugaras hegesztés szabályozott hőbevitellel, kis deformációval és nagy
hegesztési sebességgel történik. Lézerhegesztéskor a hő keltés folyamatában nagy
szerepe van az anyag abszorpciós képességének, vagyis annak, hogy a lézersugár
teljesítményének mekkora hányadát nyeli el a hegesztendő anyag. Ez az elnyelt
energia fordítható a megmunkálás során a darabok megolvasztására. Az
abszorbciós képességet használjuk ki polimerek átlapolt, ún. transzmissziós
hegesztésénél is. Ez esetben a felső lemez a lézer hullámhosszán áteresztő, az alsó
nem, így az energia a kettő érintkezési síkjában fog elnyelődni
178. Mutassa be a mechanikai súrlódáson alapuló hegesztés típusait!
Az ebbe a csoportba sorolt eljárások a hegesztéshez szükséges hőt mechanikai vagy
villamos energia felhasználásával magában a hegesztett anyagban hozzák létre, tehát
semmilyen külső hőforrást nem igényelnek. A szükséges hegesztési hőmérsékletet az
összekötendő felületek egymás közti súrlódása kelti.
ROTÁCIÓS DÖRZSHEGESZTÉS: A módszer lényege, hogy az összehegesztendő alkatrészek
egyike gyors fordulatú forgó mozgást végez, miközben megfelelő nyomással a másik,
rögzített (álló) alkatrészhez nyomják. A felületeken keletkező súrlódási hő hatására a
felületek ömledékállapotba kerülnek. Ekkor a forgást megszűntetve, a hegesztendő
darabokat állandó nyomás mellett lehűtik.
150
VIBRÁCIÓS HEGESZTÉS: Hasonló eljárás a rotációs hegesztéshez, ahol a szükséges hő a
súrlódásból származik. Az alkatrészek egymáshoz szorítva apró relatív, transzlációs
elmozdulásokkal hőt gerjesztenek. A rezgést elektromágnesek hozzák létre, egy rugókra
felfüggesztett eszközön. A mozgást hirtelen leállítva a megolvadt felületek
összehegednek. A módszer a nem forgásszimmetrikus darabok hegesztésére
alkalmazható, amennyiben az egyes részek néhány fokkal elfordíthatók egymáshoz
képest. Az elfordítás helyett a súrlódást excentrikus mozgással, továbbá tengely vagy
keresztirányú egyenes vonalú mozgással is létre lehet hozni, ezért ezeknek a kis
mozgásokhoz a varratkialakítás során teret kell biztosítani.
ULTRAHANGHEGESZTÉS: Ennél az eljárásnál a hegeszthetőség kritériuma a polimer
mechanikai rezgéseket csillapító képessége. A csillapítás a rezgési energiát csökkenti,
miközben az anyagban hő fejlődik. A mechanikai csillapítás minden hőre lágyuló
polimernél olyan nagy, hogy az ultrahang-hegeszthetőség fennáll.
Egy ultrahanghegesztő berendezés lényegében két részre osztható: a hegesztő asztal
(üllő), és a szonotróda. Az ultrahang frekvenciájú rezgés a következő módon jön létre: egy
generátor a hálózati áramot nagyfrekvenciás váltakozó árammá alakítja át, amit a rezgés-
átalakító (konverter) piezoelektromos anyagok felhasználásával mechanikai rezgéssé
alakít át, azaz a váltakozó feszültség hatására periodikusan kitágul és összehúzódik. A
rezgés amplitúdója általában túl kicsi a használhatósághoz, így további elem beiktatására
van szükség (erősítő:booster). A szonotróda feladata, hogy a rezgéseket továbbítsa a
hegesztendő munkadarabba.
A lágy termoplasztoknak, mint amilyen a lágy PE és PVC, olyan nagy a
csillapítóképességük, hogy ezek a rezgési energiát csak igen rövid távolságra továbbítják,
az ultrahanghegesztés ez esetben fóliákra és max. 3-6 mm anyagvastagságra korlátozódik.
Az ultrahangot jól vezető polimerek (pl. HDPE, PP, ABS, PA) 6 mm-nél nagyobb lemez,
illetve falvastagságok esetén is kitűnően hegeszthetőek.