Polimerek anyagszerkezettana és

technológiája

-Javított változat-

2014/2015/2 félév vizsgakérdések

kidolgozása

Készítette: Mr. GMA

2

Sziasztok!

Ez az előző feltöltött polimerek kidolgozás javítása, volt

benne egy-két durvább hiba, ami tanuláskor tűnt fel, vált

világossá. Ettől függetlenül még TARTALMAZHAT

HIBÁKAT, ezen kívül az adatok például az egyes

műanyagoknál vagy technológia évről évre újul, változik,

ezért érdemes előadásokra bejárni (így a lehetséges

hibákat is ki lehet szűrni). Így az előadással együtt jó

kiindulópont lehet a vizsgára.

Sok sikert mindenkinek!

Javított hibák:

11. kérdés: PP rugalmassági modulusa nem MPa hanem GPa

35. kérdés: példák

52. kérdés: képlet magyarázata

71. kérdés táblázat, fázisállapotok

85. kérdés felesleg kivágva

98. kérdés: negatív előjel

99. kérdés: sugarával arányos, nem átmérővel

3

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

4

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).

5

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

Mechanikai és termikus tulajdonságaikat igény szerint be lehessen állítani.

6

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

7

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 GPa

Tulajdonságok:

Részben kristályos polimer

Orientáltsága jobb mint a PE-nek

Vegyszerálló

Rossz időjárásálló

Jobban társítható más anyagokkal, mint a PE

Erősíthető, tölthető

8

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

9

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)

10

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

11

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

12

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

13

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

14

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

15

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.

Polimerek definíciójából következően az egyik legfontosabb kötés.

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.

16

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.

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.

Általánosságban a másodrendű kötések az elsőrendű kovalens kötésű molekulaláncok

között jön létre.

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

17

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

Grafén:

18

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)

19

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:

20

Olyan polimer lánc felépítési eljárás, melyben tipikusan C=C molekulákat alakítunk át több

ezer ismétlődő egységet tartalmazó molekulákká.

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

21

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

22

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

23

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)

24

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

Nem etilén bázisúak, pl. természetes gumi

25

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-

Izotaktikus elrendeződésű, ami azt jelenti, hogy a molekulák kapcsolódása rendezett

(intermolekuláris kapcsolat).

=O

-H

=O

-H

=O

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. LDPE)

b) Fonalmolekula sűrű, rövid elágazásokkal (pl. HDPE)

c) Fonalmolekula ritkább, hosszabb elágazásokkal (pl. LLDPE)

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

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.

32

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)

33

Részben kristályos polimerek:

a. Rojtos micellás szerkezet

b. Parakristályos szerkezet

c. Szferolitos szerkezet

d. Fibrillás szerkezet

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.

34

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

35

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

36

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

37

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.

38

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, valamint az

ε2-ε1 kifejezés ebben az esetben 0,002.

értéke ebben az esetben 0,002Érintő 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.

39

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

40

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.

41

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:

42

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.

43

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).

44

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:

45

A gerjesztés és válaszfüggvényei:

46

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 egyszerű modellezésére az

úgynevezett Maxwell-modell alkalmas, amelyet egy rugó és egy viszkózus elem sorba

kapcsolásával kaphatunk:

A relaxációgerjesztés és válaszfüggvénye:

47

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.

48

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.

49

59. Mutassa be az egyes deformáció komponensek modelljét és azok

mechanikai gerjesztés és válaszfüggvényeit, valamint a modell alapegyenletét!

50

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).

51

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:

52

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:

53

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.

54

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.

55

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.

56

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.

57

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 amorf, 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.

58

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

59

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 nagyrugalmas

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).

60

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(sin(α+β)) felhasználva a következőképp írhatjuk fel a fenti választ két részre

bontva:

majd úgy helyettesítünk, hogy az első tag fázisban legyen , a másik π/2-vel eltolva:

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.

61

Így: E*=

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.

62

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).

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.

63

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.

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.

64

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.

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!

65

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.

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.

66

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.

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.

67

85. Mi a viszkozitás?

A viszkozitás a folyadék belső súrlódását jellemző állandó.

Elmélete a következő:

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.

68

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:

69

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 :

70

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:

71

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:

72

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.

73

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:

74

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

75

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:

76

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.

77

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:

78

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]

79

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). Az előjel negatív, mivel a nyírófeszültség ellentétes

előjelű a sebességhez képest.

80

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:

81

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:

82

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:

83

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 sugarának 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

84

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!

Newton-típusú közeg sebesség eloszlása kapillárisban

85

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.

86

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:

87

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.

88

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.

89

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

90

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.

91

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?

92

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)

93

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

94

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!

95

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.

96

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.

97

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.

98

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.

99

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):

100

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?

101

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:

A sodróáramlás tehát a csigamag és a hengerfal között jön létre úgy, hogy a csigamag v0

kerületi sebességgel forog.

102

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:

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.

103

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.

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”.

104

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:

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.

105

Az ilyen módon előállított lemezt egy hengersoron vezetik keresztül, amely a végső

lemezvastagság, a felületi érdesség beállítást, valamint az anyag hűtését végzi.

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.

106

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, 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.

107

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.

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

108

Így készíthetünk többrétegű csövet, lemezt, síkfóliát, sőt akár tömítőprofilokat is magukban

foglaló, sok üreges ablakprofilt, szegélylécet, autóipari alkatrészeket és sok más terméket.

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

109

és a késztermék fő iránya nem azonos, hanem jelentős szöget – rendszerint 90 °-ot – zár

be.

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.

110

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.

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.

111

130. Írja fel és értékelje a Spencer-Gilmore egyenletet!

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!

112

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.

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!

Megjegyzés: ez nem biztos, hogy elég

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.

113

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.

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

114

extrúziós fúvásnál. A pontosan fröccsöntött előgyártmány miatt a késztermék térfogata is

pontosabban tartható, ennélfogva lesznek az elkészített palackok nyomástartók.

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.

115

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.

116

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.

117

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,

a szerszámot ezután tovább forgatás mellett lehűtik, szintén típustól függően

hűtőkamrában levegővel, illetve vízpermettel, vagy duplafalú szerszámnál

118

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.

119

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.

120

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).

121

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 reakció

122

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:

123

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.

124

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

125

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

Szórás

126

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.

Ártalmatlanítás: lerakás; már nem tudjuk használni, de legalább ne károsítsa a

környezetet.

127

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?

Magyarországon a lakosság évente megközelítőleg 300 ezer tonna műanyag hulladékot

termel.

128

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.

129

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

130

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.

131

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

132

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?

133

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) gyárthatók.

134

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.

135

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?

136

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

137

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).

138

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

139

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 kötések az

oldhatóság szempontjából oldható- és nem oldható kötésekre csoportosíthatók. Az oldható

kötéseknél az összeszereléshez és a bontáshoz szükséges erőnek a hatásvonala

140

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.

141

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.

142

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.).

143

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.

144

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.