Przykład spieniania przy pomocy wysokociśnieniowych gazów
Polistyren oraz inne termoplasty można spieniać metodą wtrysku gazu bezpośrednio do stopionego polimeru. Proces polega na umieszczeniu polimeru niezawierającego środków spieniających w wytłaczarce, do której pod ciśnieniem wprowadzany jest gaz. Ekspansja następuje, gdy materiał jest pod ciśnieniem atmosferycznym, ale przed chłodzeniem - na końcu wytłaczania. Zaletą jest możliwość uzyskania produktów o bardzo niskich gęstościach, np. 0,03 g/cm3 lub mniejszych i własnościach mechanicznych lepszych od EPS. Dodatkowo proces można prowadzić w sposób ciągły, a koszty końcowe nie są wysokie. Wadą natomiast jest to, że proces jest trudny do kontroli i wymaga nakładów na specjalistyczne maszyny, w których spotyka się trudność w optymalizacji parametrów procesu wytłaczania.
Płyny nadkrytyczne (SCF) - proces MuCell
Proces MuCell został opracowany w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w latach 90. ubiegłego wieku, a następnie rozwinięty przez Trexel. Powstawanie pianki MuCell bazuje na termodynamicznej niestabilności płynów nadkrytycznych, wtryskiwanych do stopionego polimeru pod odpowiednim ciśnieniem. Wybór środków spieniających zależy od rozpuszczalności i zdolności do dyfuzji w polimerze, a ich ilość musi zapewnić homogeniczne zarodkowanie dużej liczby komórek. Najlepsze wyniki osiągane są przy komórkach o rozmiarze mniejszym niż 50-100 mikronów i gęstości zarodkowania 108 komórek/cm3.
Otrzymywanie pianek strukturalnych w procesie wtrysku tworzywa
Pianki strukturalne otrzymuje się w procesie wtrysku. Stosowane są specyficzne maszyny do wtrysku, pozwalające na wprowadzenie gazu do stopionego polimeru. Pod wpływem obniżającego się ciśnienia, w formie następuje indukcja ekspansji gazu. Można również stosować chemiczne środki spieniające; w tym przypadku wykorzystywane są standardowe maszyny do wtrysku. Użycie środków spieniających pozwala na otrzymywanie pianek o mniejszej masie i redukcję kosztów surowców, jednak projektanci muszą weryfikować koszty procesowe, aby uzyskać produkty o wystarczająco dobrych własnościach.
Otrzymywanie pianek metodą wtrysku ma wiele zalet. Metoda ta nadaje się dla większości polimerów termoplastycznych, m.in. ze względu na całkowitą automatyzację. Umożliwia wytwarzanie dużych profili (większych niż 40 kilogramów), ponadto zazwyczaj uzyskuje się wyroby o dobrze wykończonej powierzchni. Wadą metody są trudności w optymalizacji parametrów formowania - skurcz czy wypaczenia są często trudne do przewidzenia w otrzymywaniu profili o małej grubości. Przykładowymi problemami związanymi ze stosowaniem środków spieniających są:
- następcze spienianie - część usuwana z formy może kontynuować pęcznienie. Rozwiązaniem może być niższa temperatura procesu, która jednocześnie nie skróci czasu chłodzenia
- słoniowa skóra - szorstka, chropowata powierzchnia pojawia się często pod koniec spieniania, co świadczy o zbyt niskiej temperaturze formowania
- wypaczenie (wygięcie części ścian na zewnątrz lub do środka) - jest spowodowane zbyt wysoką temperaturą i ciśnieniem wtrysku (powstaje również przy niedostatecznym schłodzeniu)
- puste przestrzenie - rozwiązaniem w tym przypadku jest podniesienie temperatury topnienia i obniżenie prędkości wtrysku
- zwiększona kruchość - rozwiązaniem może być zmniejszenie ilości środka spieniającego lub zmiana typu stosowanego środka spieniającego.
Ciekawostka
Naukowcy z Northwestern University i BASF pracują nad napisaniem na nowo historii jednej z najpowszechniejszych na świecie form tworzyw sztucznych - pianki poliuretanowej. Trwały materiał, znajdujący się w produktach codziennego użytku od materaców po buty, po zużyciu często trafiał na wysypiska śmieci z powodu braku lepszej opcji.
Teraz, dzięki odkryciu przełomowego procesu recyklingu pianki w piankę, w którym stosuje się bardziej ekologiczne katalizatory, piankę poliuretanową można ponownie wykorzystywać w przyszłości.
W przypadku tradycyjnego recyklingu tworzyw polimerowych proces polega na stopieniu tworzywa sztucznego, a następnie odlaniu go w celu uzyskania nowego zastosowania. Jednakże procesu tego nie można wykorzystać do bardziej złożonych i trwałych usieciowanych polimerów, obejmujących piankę poliuretanową, którą można również znaleźć w izolacji z pianki natryskowej, wnętrzach samochodów i wielu rodzajach odzieży. Dichtel i jego zespół opracowali metodę recyklingu i zmiany kształtu istniejących produktów z pianki poliuretanowej poprzez osadzenie w materiale nowego, nietoksycznego katalizatora na bazie cyrkonu, w celu nadania mu kształtu w wysokiej temperaturze, co ostatecznie umożliwi przekształcenie go w nowe tworzywo sztuczne. Naukowcy dodali także porofor, który wytwarza nowe pęcherzyki gazu zamykane w plastiku w miarę zmiany jego kształtu. W wyniku tego procesu starą piankę poliuretanową, która zwykle byłaby używana tylko raz, poddaje się recyklingowi i przekształca w nową część piankową.
Podsumowanie
Spienione materiały znalazły szerokie zastosowanie w budownictwie, chłodnictwie i produkcji opakowań, dzięki swojej budowie komórkowej oraz bardzo dobrym właściwościom izolacyjnym. Innym ważnym aspektem jest możliwość wykorzystania tworzyw spienianych jako alternatywy dla popularnych materiałów, takich jak aluminium czy drewno, które są droższe i trudniej obrabialne. Spienianie pozwala także modyfikować własności fizyczne i mechaniczne materiału. Dzięki temu można m.in. uzyskać lepszą izolacyjność termiczną oraz akustyczną w stosunku do materiału niespienionego. Obniżona gęstość materiału wpływa na zmniejszenie masy wyrobu, co poprawia na ogół jego walory użytkowe i redukuje koszt produkcji. Czynnikami ograniczającymi rozwój materiałów porowatych są natomiast mniejsza wytrzymałość mechaniczna, skomplikowane przetwórstwo oraz względy ekologiczne (niektóre środki spieniające wywierają szkodliwy wpływ na warstwę ozonową w ziemskiej atmosferze).
Marta Lenartowicz-Klik, Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
