Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik, 180 hp VT 2020
Flambehandling som metod för ökad vätbarhet av polyolefina plaster
Flame treatment as method for improved
wettability of polyolefine plastics
Filiph Sandberg
i
Förord
Detta är ett examensarbete som utförts som den avslutande delen, andra halvan av vårtermin 2020, mot en Högskoleingenjörsexamen i maskinteknik vid Umeå universitet.
Examensarbetet har utförts på företaget AFRY som i sin tur fått uppdrag att ta fram en produktionslösning för att tillverka naturgastankar till en kund i Sydkorea.
Tack ARFY Umeå för att ni gett mig denna möjlighet att göra mitt examensarbete hos er och tack till mina två handledare Sören Nygren och Sven Rönnbäck som guidat mig genom detta arbete. Samt ett enormt tack till min familj som stått vid min sida.
ii
Sammanfattning
Flytande, trycksatt naturgas i glasfibertankar blir till en allt vanligare energikälla för transportsektorn. De färdiga bränsletankarna består av en plasttank omsluten av glasfiber för att nå upp till den hållfasthet som krävs. Innan glasfibern kan appliceras måste plastens yta genomgå en flambehandling för att öka plastens ytenergi.
I detta arbete görs en utredning på ett tidigare flambehandlingssytem som inte kunde ge plasten de egenskaper som krävs för att ge glasfibermatrisen möjligheten att fästa. Åtgärderna är att implementera ett nytt brännarsystem som lever upp till kriterierna och sedan utröna de olika faktorerna som påverkar behandlingen. Detta kan åstadkommas genom en reducerad försöksplanering som metod för att utvärdera de bidragande faktorernas påverkan.
Lösningen är att förse en öppen bandbrännare med luft och gas genom en Venturimixer. Detta möjliggör en injustering av lambdavärded till 1.07, som är ett viktigt förhållande för att uppnå maximal
vidhäftningsförmåga på plastens yta. Lågans stökiometriska förhållande är av stor betydelse för att ge plasten den polär yta som höjer dess vätbarhet och vidhäftningsförmåga. Andra betydande faktorer adresseras i rapportens diskussionsdel.
iii
Abstract
Liquid, pressurized natural gas in fiberglass tanks is becoming an increasingly common source of energy for the transport sector. The complete product consists of a plastic tank enclosed in fiberglass to achieve the required strength needed. Before the fiberglass coating can be applied, the surface of the tank must first undergo a flame treatment to increase the surface energy of the plastic.
In this work, an investigation is made on a previous flame treatment system that could not give the plastic the properties required for a proper attachment of the fiberglass matrix. The measures taken to improve the situation are to implement a new burner system that lives up to the criteria and to investigate the various factors that affect the flame treatment. This can be achieved through a reduced trial planning as a method for evaluating the impact of the contributing factors.
The solution is to provide an open ribbon burner with air and fuel through a Venturi mixer. This enables the adjustment of the lambda value to 1.07, which is an essential condition to achieve maximum adhesion to the plastic surface. The stoichiometric ratio of the flame is of great importance to give the plastic a highly polar surface and thereby increases its wettability and adhesiveness. Other significant factors are addressed in the discussion section of the report.
iv
Innehållsförteckning
Förord ... i
Sammanfattning ... ii
Abstract ... iii
1. Inledning ... 1
1.1 Presentation av företaget AFRY ... 1
1.2 Bakgrund ... 1
1.3 Problemställning ... 3
1.4 Syfte ... 3
1.5 Mål ... 3
1.6 Kravspecifikation ... 3
1.7 Avgränsningar ... 3
2. Teori ... 4
2.1 Vätbarhet ... 4
2.2 Metoder för ökad vätbarhet ... 4
2.3 Stökiometri ... 5
2.4 Lågans kemi ... 5
2.5 Venturi mixer ... 7
2.5.1 Venturi effekten ... 7
2.6 Funktionssteg ... 8
2.7 Tidigare förslag på kopplingsschema ... 9
3. Genomförande ... 10
3.1 Analys av tidigare brännare ... 10
3.2 Test att flambehandla yta ... 10
4. Resultat... 11
4.1 Visuell bedömning av tidigare brännare och dess funktion ... 11
4.2 Förbättringsförslag av tidigare brännare ... 12
4.3 Vätningstest ... 12
4.4 Bandbrännare med öppen konstruktion ... 13
5. Diskussion ... 14
5.1 Reducerad försöksplanering... 14
5.2 Slutsats ... 14
5.3 Personlig reflektion... 14
Litteraturförteckning ... 15
v 6. Bilagor ... A Bilaga A – Patent på bandbrännare från 1943 ... A Bilaga B – Skrotat Idéförslag på brännare ... B Bilaga C – Framtagen Bandbrännare av AGF Burner. ...C
1
1. Inledning
Tillverkning av naturgastankar till fordonsindustrin är något som växer kraftigt samtidigt som effektivare och mindre kostsamma produktionslösningar efterfrågas. En viktig del vid tillverkning är att förändra plastens vätbarhet sådan att den glasfibermatris som omsluter tanken av plast kan få ökad vidhäftnings- förmåga.
1.1 Presentation av företaget AFRY
AFRY är ett internationellt ingenjörs-, design- och rådgivande företag som stödjer andra företags utveckling inom flertalet branscher. Med sina 17’000 anställda inom de tre sektorerna infrastruktur, industri och energi opererar företaget världen över för att erbjuda hållbara lösningar. Idag omsätter företaget omkring 20 miljarder svenska kronor årligen netto.
Vad som idag är AFRY var tidigare 2019 känt som ”The Southern Swedish Steam Generator Association”
(Ångpanneföreningen) och bildades år 1895 och firar i år 2020, 125 år som företag. Med sin relativt nya förvärvning av företaget Pöyry PLC, bytte Ångpanneföreningen 2019 namn till vad som idag är AFRY.
Ångpanneföreningens första uppdrag var att ta hand om och sköta ånggeneratorer och andra trycksatta kärl.
Nu arbetar företaget världen över med visionen av att skapa hållbara tekniska lösningar för kommande generationer [1].
1.2 Bakgrund
Företaget har fått i uppdrag att utveckla tankar för trycksatt naturgas, compressed natural gas (CNG) som är cylindriska behållare tillverkade av en plasttank lindad i glasfiber eller i vissa fall kolfiber då extra krav på styrka efterfrågas. Dom färdigtillverkade tankarna är avsedda för att användas inom fordonsindustrin och kan fyllas med naturgas till ett övertryck på 250 bar.
Metan som drivmedel har både renare förbränning, mindre Co2 utsläpp och högre energidensitet än de flesta drivmedel. Biogas kan framställas på flertalet olika biologiska eller kemiska sätt och är genom den förruttnelseprocess av biologiskt material en del av det naturliga kretsloppet. Många miljöförbättringar kan göras bara genom att byta drivmedel till bio-/naturgas som dessa färdigproducerade tankar kommer att innehålla och kunna förse transportsektorn med.
Höga krav ställs på tankens hållfasthet och en viktig aspekt vid tillverkningen är att flambehandla plastens yta på ett sätt som resulterar i att glasfibern får en god vidhäftning på plastens yta. Vidare skulle släppningar mellan tankens plastyta och glasfibern medföra en kortare livslängd och i värsta fall gasläckage.
Arbetsprocessen är helt automatiskt och utförs av en robot som först börjar med att greppa två parallellt monterade plasttankar för att sedan föra dem igenom brännaren för att flambehandla ytorna, se figur 1.
Tankarna förflyttas sedan vidare och placeras i den automatiska fiberlindningsmaskinen. Efter montering av tankarna i lindningsmaskinen byter roboten verktyg för att stryka fast glasfibern på tankens yta, se figur 2. Glasfibertrådarna försträcks samtidigt som de täcks av den matris som omsluter tanken innan de lindas i det programmerade mönstret för att maximera hållfastheten. När lindningen av tanken är klar greppar
2 roboten tanken och hänger upp den på ett transportband som för den genom en ugn vars syfte är att härda tankarna. Stationens moment är slutfört och hela proceduren börjas om på nytt.
Figur 1. Tidigare lösning av flambehandlingssystem.
Enligt AFRY har brännaren varit opålitlig och gett varierande resultat vid flambehandlingen. Plastens yta har inte alltid fått en förbättrad vidhäftningsförmåga och har därför gett upphov till släppningar mellan plastens yta och kompositen. Av denna anledning kommer brännarens funktion behöva utvärderas och sedan förbättras. En ny fixtur är planerad att greppa tankarna från båda sidor för att underlätta lindningsmomentet. I och med detta måste brännaren vara av en öppen ringkonstruktion för att vara kompatibel med den nya fixturen.
Figur 2. Tankarna monteras i maskinen som utför glasfiberlindningen.
3
1.3 Problemställning
Problemet har varit att flambehandlingsystemet inte nått upp till de krav som ställts till hur mycket vidhäftningsförmågan måste förbättrats. Detta har medfört att den matris som binder glasfibern mot plasttankensyta har gett släppningar.
1.4 Syfte
Syftet med projektet är utvärdera dugligheten på det tidigare flambehandlingssystemet samt att presentera ett förslag på en potentiellt bättre fungerande lösning som möjliggör att funktion och säkerhet upprätthålls för det nya utformandet av flambehandlingssystemet. Detta i sin tur kommer leda till stabilare och mer pålitlig produktion.
1.5 Mål
Målet med projektet är först och främst utvärdera varför tidigare system inte nådde upp till dom krav som ställdes på produktionen och sedan föreslå en potentiell bättre lösning med förutsättningarna att kunna utföra jobbet utan driftstopp.
1.6 Kravspecifikation
Flambehandlingssystemet ska drivas av gasol.
1.7 Avgränsningar
Någon programkod till PLC:n kommer inte behandlas i rapporten eftersom det inte efterfrågas av uppdragsgivaren.
4
2. Teori
Polyolefiner är plaster som polypropen (PP) och polyeten (PE) och består av långa icke polära kolvätemolekylkedjor. Av denna anledning är dom svåra att limma och behöver därför ytbehandlas för ökad vätbarhet och vidhäftningsförmåga. Genom att flambehandla plastens yta sker en oxidation där långa molekylkedjor bryts samtidigt som fria radikaler i luften bildar nya funktionella grupper som binder sig till de nya brutna kortare molekylkedjor [2].
2.1 Vätbarhet
Ytspänning är den summa krafter som uppstår mellan molekyler vid gränsytan av två eller fler faser. För att öka vätningsförmågan på ett material bör substratytans ytenergivärde överskrida den applicerade ytans energi med 2–10 mN/m. Detta leder då till att materialet vätar förutsatt att ytan är slät och homogen [2].
Vätbarhet, som är ytans förmåga att framdriva vätskans utbredning, beror till stor del på hur stark ytspänningen är, d.v.s. hur mycket energi som substratytan innehåller. Bortser man från ytans struktur som annars har stor påverkan på vätbarhet kan man genom att observera hur en vattendroppe beter sig på ytan avgöra materialets vätbarhet. Detta genom dom olika kontaktvinklarna som vätskan har på ytan och som sedan kan graderas från 0 till 180 grader och indikerar hur hydrofobiskt eller hydrofilt ett material är. Här indikerar 0 grader fullständig vätning och 180 grader, ingen vätning alls, d.v.s. superhydrofobiskt [3].
Vid en hög ytspänning vätar vätskan ut sig över materialet och bildar en jämnt fördelad hinna. Hur mycket energi man bör tillföra varierar utifrån material och hur mycket ytenergi den applicerade vätskan eller materialet innehåller. Vid en låg ytenergi kan en vattendroppe på materialet till största del behålla sin sfäriska form som ytspänningen ger den [3].
Mätning av kontaktvinkel är en beprövad etablerad metod som ger tydliga indikationer av materialets vätbarhet. Genom att applicera den framtagna vätskan 2-etoxietanol och formamid ger resultatet ett mycket pålitligt utfall vid korrekt avläsning [4]. Denna vätska ger mer exakta värden i jämförelse med vatten då pH- värde, polaritet och löslighet varierar på vatten. Vid testning som inte skiljer sig i tid kan däremot vatten användas och appliceras på plan yta och sedan avläsas med förstoringsglas och vinkelskiva. Datan ger då en indikerar till vilken grad vätbarheten har förbättras. För pålitlig återupprepande tester bör riktlinjer som styr tester för vätbarhet för ISO-direktiv följas [5].
2.2 Metoder för ökad vätbarhet
Det finns flera olika metoder för att förbättra vätbarheten genom att öka ytas energi. Dom tre största mest etablerade behandlingar för detta är plasma, flambehandling, och/eller kemisk tillsättning.
Ett av alternativen som inte kommer användas är koronabehandling som uppfanns år 1951 av en dansk vetenskapsman vid namn Verner Eisby [6]. Denna teknik revolutionerade ytbehandlingen av plast och metaller och bygger på högspänningsurladdningar. Fördelen med denna teknik är att den kan behandla tunna material som plaster eller folier. Koronaurladdningarna har minimal deformationspåverkan och en bieffekt av behandlingen är att ozon bildas vid spänningsurladdningen.
Den i särklass bästa behandlingen för att förbättra och behålla den eftervarande förmågan att kunna fästa lim till plastens yta är med kall plasmabehandling. Denna metod har visat sig fungera på alla typer av plaster, men har ännu inte lyckats få en fullständig vetenskaplig förklaring till hur tekniken fungerar. [7].
Den tredje metoden, som blir aktuell för denna rapport, är flambehandling. Här använder man sig av en gas bestående av kolväten oftast metan, butan eller propan som under en oxiderade blå intensiv låga bildar en rad olika kemiska molekyler som interagerar och förändrar plastens ytenergi. Materialets yta görs polärt genom att flamman påverkar elektronfördelningen och densiteten på ytan. Fria radikaler reagerar med lågans kemiska förbränning och polariteten uppkommer genom att substratytan oxiderar samtidigt som funktionella grupper som till exempel hydroxyl, karbonyl och karboxyl avsätts till substratytan. Fördelen
5 med flambehandling är att den inte bara förbättrar ytans vätbarhet och vidhäftningsförmåga utan den kan även bränna bort andra kontaminationer som fetter och smuts. [2].
2.3 Stökiometri
Det optimala mängdförhållandet för en kemisk exotermiska rektion beskrivs av den mängd syre och bränsle som ger en fullständig förbränning av ett bränsle. Detta beräknas genom en uppställning av den kemiska sammansättning för bränslet och det oxiderade ämnet som enbart ger koldioxid, vatten och värme vid förbränning. Följande formel visar på fullständig förbränning av naturgas i närvaro av syre.
𝐶𝐻4+ 2𝑂2 → 𝐶𝑂2+ 2𝐻2𝑂 (1) Luftens sammansättning består till 21% av syre [8]. Uppskattningsvis kan man beräkna hur mycket atmosfärisk luft som krävs för att tillgodose bränslets behov av syre för att ge en fullständig reaktion. De är också värt att nämna att ett bränsle aldrig fullt ut uppnår den fullgoda reaktionen som man idealiskt kan räkna sig till i den stökiometriska ekvationen.
Ekvationen för idealisk luft/bränsle blandningen (LBB) där (ml)står för luftmassan och (mb)står för bränslemassan i ekvationen blir därför enligt ekvation, (2), [9].
𝐿𝐵𝐵𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙𝑖𝑠𝑘 = 𝑚𝑙
𝑚𝑏 (2) LBB förhåller sig till ett lambdavärde som beskriver den verkliga förbränningens förhållande genom den idealiska blandningen som man kan räkna sig till och uttrycks i ekvationen (3).
𝜆 = 𝐿𝐵𝐵𝑣𝑒𝑟𝑘𝑙𝑖𝑔
𝐿𝐵𝐵𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙𝑖𝑠𝑘 (3) Det optimala stökiometriska blandningsförhållandet för flambehandling av polyolefina plaster har enligt ISO-direktiv ett lambdavärde av 1,07. Denna luft/bränsle blandning av oxiderade låga ger både den rätta temperaturen och den maximala koncentrationen av syreradikaler. Detta har vid testning påvisat gett den maximala vidhäftningsförmågan (2).
Tabell 1 visar tre bränslen och dess stökiometri för optimal förbränning samt lambdavärde 1,07. [9].
Tabell 1. Stökiometriska luft/bränsle förhållanden.
λ = 1,0 λ = 1,07 Naturgas 17,2:1 18,4:1 Propan 15,5:1 16,58:1 Butan 15,44:1 16,5:1
2.4 Lågans kemi
Vid en laminär förbränning kan man genom att observera lågans färg se hur blandningsförhållandena mellan luft och bränsle förhåller sig. Beroende på det verkliga stökiometriska förhållandet kan ”avgaserna” från förbränningen variera kraftigt. En gasrik turbulent låga vars färg är gul/röd indikerar ett lågt lambdavärde, d.v.s. en för hög andel bränsle jämfört med lufttillförsel i jämförelse med den idealiska blandningen. Medan en klarblå laminär låga likt den i figur 3 har en tillräcklig tillförsel av syre till förbränningen som ger minimala föroreningar med ett lambdavärde nära 1,0. Detta i sin tur har sin förklaring i lågans emittering av fria kolväte radikaler som ger lågan dess blåa färg [2].
Lågan kan vidare delas in i tre huvudzoner som beskriver förbränningen. Förreaktions zonen också kallad den mörka zonen är det kallaste området och innehåller för lite syre för att kunna starta förbränningen.
Lågan övergår sedan till förbränningszonen, där lågan uppnår en temperatur av 1900–2000 °C för propanbaserade bränslen, och har också den högsta koncentrationen av fria radikaler vilken gör den starkt oxiderade. Den höga temperaturen är det som ger flamman dess sken. Efterförbränningszonen är den efterföljande delen av lågan och utgör det största området, se figur 3. Temperaturen är fortfarande hög i
6 denna zon på grund av den exotermiska reaktionen som ägt rum i förbränningszonen. En av dom viktigaste fria radikalerna som frisätts och skapas i lågan är väteatomen som reagerar och skapar nya bindningar och molekyler som senare kan bidra med att göra polyolefina plaster polära. Exempel på dessa molekyler är hydroxyl, karbonyl och karboxyl [2].
Figur 3. Illustrativ bild på förbränningslågor från en bunsenbrännare med syrefattig till syremättad låga.
Enligt ISO-direktiv för standardtestning har avståndet från förbränningszonens tipp till plastens yta ett avstånd på intervallet 1,2 – 22 mm där just under cirka 2 mm resulterade till en maximal uppnådd
energitillförsel med ett lambdavärde av 1,07, se figur 4. Denna energitillföringseffekt är märkbar ändå upp till 20 mm. [2]. Ser man till AGF Burners rekommendationer så ger dom med sina egentillverkade
brännare ett intervall där maximal tillförd energi uppnås någonstans mellan 6,35 – 12,7 mm från ljuslågans tipp till plastens yta [10].
Figur 4. Förhållande mellan uppnådd energiökning på substratytan med avseende på avståndet från toppen av den lysande lågan till plastens yta. (2).
7
2.5 Venturi mixer
För att kunna åstadkomma en blandning emellan två olika gaser eller fluider med olika tryck kan en venturi mixer användas. Konstruktionen gör det möjligt att blanda gaser i mycket små kontrollerade mängder genom den tryckdifferens som uppkommer av mixerns konstruktion.
När primärgasen passerar genom venturimixern från vänster till höger genom den mindre tvärsnittsaren minskar trycket då flödeshastighet ökar. Detta gör att en sekundärgasen med lägre tryck kan tillsättas vid munstyckets hals där inloppet är placerat, se figur 5.
Figur 5. Genomskärning av en venturi mixer.
2.5.1 Venturi effekten
Dysa, eller munstycke är ett mekaniskt don som är utformad för att förändra riktning eller karaktären på en fluid eller en gas och kommer huvudsakligen i tre olika utföranden:
• Konvergenta – dysan avsmalnar och skapar en mer riktad stråle.
• Divergenta – dysan breddas i munstyckets riktning.
• Konvergent-divergenta – avsmalning vidare ut till breddning. Dessa går under namnet lavalmunstycken och är en av byggprinciperna i turbomotorer, gasturbiner och raketmotorer.
Enligt Bernoullis rörelseekvation som beskriver strömningsförhållanden i slutna utrymmen, kan munstyckenas utformning förklaras [11].
𝑝1+ 𝜌𝑣12
2 + 𝜌𝑔ℎ1= 𝑝2+ 𝜌𝑣22
2 + 𝜌𝑔ℎ2+ ∆𝑝𝑓 (4) p = Statiskt tryck [Pa]
ρ = Vätskans densitet [kg/m3] v = Strömningshastighet [m/s]
g = Jordacceleration [m/s2]
h = Höjd över ett utvalt horisontalplan [m]
Δpf = Strömningsförlust [Pa]
Detta åstadkoms via tryckdifferenser där samma mängd massflöde måste strömma genom ett mindre tvärsnitt. När samma mängd massflöde ska färdas igenom en mindre tvärsnittsyta måste hastigheten på fluiden eller gasen öka för att tillåta samma massflöde som vid den större tvärsnittsarena. Masskonservering ger därför:
𝑄 = 𝑣1𝐴1= 𝑣2𝐴2 (5) Q = massflöde [kg/s]
A = Tvärsnittsarea [m2] v = Strömningshastighet [m/s]
Detta i sin tur leder till den tryckdifferens som uppkommer när gasens hastighet ökar, så sjunker trycket.
Med Bernoullis ekvation kan man beräkna tryckskillnaden som uppkommer i den förändrade tvärsnittsarean
8 igenom munstycket. Detta är också det som frambringar den ejektorverkan som munstyckets utformning har. Utnyttjandet av venturi effekten återfinns i ett stort varierande område, allt från färgsprutor till utformandet av en flygplansvinge.
Figur 6 visar den effekt som venturi mixerns utformande har. Genom det undertryck som bildas vid munstyckets ”hals” dras atmosfärisk luft in till blandningen och ger upphov till venturi effekten. Detta ger lågan den klarblåa färgen som indikerar en tillräcklig tillförsel av syre till blandningen. Blockeras däremot tillförseln av luft som ges via munstyckets hals får lågan inte tillräckligt med syre genom att ejektorverkans funktion upphör, figur 7. Venturi effekten som uppkommer från munstyckets utformande försvinner helt om munstycket avlägsnas och lågan blir då instabil och gul till sitt utseende, figur 8.
Figur 6. Låga från handhållen propan/butan brännare.
Figur 7. Brännare med blockerad inströmningstillförsel av luft till munstycket.
Figur 8. Brännare med samma inställning fast utan brännarmunstycke.
2.6 Funktionssteg
Vid stationen där brännaren opererar för att öka tankens vätbarhet finns ett program som automatiskt sköter processen. För att brännaren ska kunna fungera krävs att alla kopplingar är anslutna korrekt, d.v.s. att den (programmerbara logiska kontrollen, PLC:n) har kontakt med inkopplade enheter samt att lufttryck och bränsle i form av gas finns.
Lågan startas upp på följande sätt:
1. Start av brännare, PLC enheten får signal att påbörja programkod.
2. Gnista genereras.
3. Tändsäkringen öppnar först luft och sedan gasventil till brännaren.
4. Gnistan antänder bränsleluftblandningen.
5. Termoelement känner av att det brinner och ventilerna för gas och luft håller öppet.
6. Tillförsel av gas stängs och strax därefter luft. Brännaren är nu inaktiv och inväntar nästa körning.
7. Processen startar om.
Skulle termoelementet inte uppnå den temperatur som den behöver för att hålla gastillförseln öppen, stänger ventilen och systemet måste starta om. Larmet aktiveras om inte termoelement blir aktivt efter att gastillförsel aktiveras en andra gång. Samma gäller för gasvarnaren som kopplas mot PLC:n och stoppar programkörningen om varnaren blir aktiv.
9
2.7 Tidigare förslag på kopplingsschema
Gasol var den gas som användes till flambehandla plastens yta. För att styra lågans intensitet och blandning utformades två separata system där luft och gas justerades in via trycksatta system. Vid utformandet av det nya flödesschemat ligger ett tidigare förslag från Robotcenter Norr AB till grund, figur 9.
Figur 9. Tidigare kopplingsschema framtagen av Robot Center Norr AB, 2013.
10
3. Genomförande
Arbetet började med några möten med handledaren på AFRY i Umeå där problemet som uppstått i och med tillverkningen diskuterades. Vidare fortsatte informationsinsamlingen via mailkonversation med handledaren där frågor kunde besvaras varefter arbetet fortlöpte.
För att vidare kunna få en förståelse över vilka faktorer som påverkar plastens yta gjordes först en omfattande vetenskaplig litterär undersökning om ämnet. Ett enklare konstruktions försök till en brännare gjordes tidigt i arbetets gång och gav utfallet att mer information kring hela processen av flambehandling krävdes, därav kommer inte experimentets genomförande eller utfall presenteras då det inte bidrar till arbetets utveckling.
3.1 Analys av tidigare brännare
Det tidigare brännarsystemet analyserades visuellt från två filmer som blev skickade till mig via mejl. Där kunde man se när tankarna flambehandlades och hur momenten i produktionen utfördes. För bedömning av hur lågan borde se ut och bete sig använde jag mig av min kunskap från den information som presenteras i teoridelen som är en sammanställning från publicerade vetenskapliga rapporter.
3.2 Test att flambehandla yta
För att kunna uppskatta hur plasten behövde behandlas för att uppnå förbättrad vätbarhet användes en handhållen butan/propan, 65/35% brännare som gav en klarblå låga som i figur 6. Testningen för att uppnå en ökad ytspänning på plastlinern experimenterades fram med olika avstånd, intensitet och matningshastighet. Efter att flambehandlingen som utfördes på en ny obehandlad yta efter varje försök, verifierades utfallet genom att med hjälp av en sprayflaska applicera ett lager med vattnet på ytan. När observationen av att vattnet vätat ytan antecknades lågans intensitet, avstånd och förflyttningshastighet.
11
4. Resultat
Resultatet består först av en utvärdering från de tidigare flambehandlingssystemets duglighet samt resultatet från försöket att uppnå förbättrad vätbarhet. Sedan en teoretisk del som är baserad på den vetenskapliga informationen som presenterats i rapportens teoretiska del.
4.1 Visuell bedömning av tidigare brännare och dess funktion
Huvudsakliga anledningen till att det tidigare brännsystemet inte fungerade berodde på två observerade iakttagelser. Den första faktorn som påverkade ytbehandlingen negativt är lågans riktning som var placerad under brännarringen och inte riktat mot tankes yta som den borde vara, se figur 10. Detta medför att den reaktiva zonen som bildar de funktionella grupper som normalt skulle tillsättas till ytan inte sker. Den andra observerade iakttagelsen är att lågans färg hade stora inslag av gult vilket tyder på en felaktig luft- gasblandning. Detta kan uppkomma av två anledningar, en ofullständig blandning av luft och bränsle eller att rätt blandningsförhållande inte gick att uppnå.
Efter vidare analysering av figur 10 och 11, som är fotografier från händelseförloppet i produktionen och bifogade filmer, kunde följande konstaterade göras. Iakttagelser summeras och redovisas i punktlista nedan.
• Systemet hade en hög och en lågtryckssida av gastillförsel.
• Brännaren tillfördes endast med luft via atmosfärisk lufttryck.
• Gasens riktning från brännaren skickades ut 90 grader vinkelrätt från plastens yta.
• Lågans första del var blå som sedan övergick till gult utseende.
• Brännarens lågtryckssida var alltid aktiverad till dess att högtryckssidan blev aktiverad.
• Systemet använde sig av en injektorblandare som ger en begränsad injustering av luft och bränsle.
Figur 10. Låga från brännaren som visar lågans riktning och utseende vid flambehandling.
Figur 11. Anslutning och injusteringsventil till brännaren.
12
4.2 Förbättrings
förslag av tidigare brännareEtt uppdaterat förslag på tidigare brännare skulle kunna vara en öppen ringkonstruktion likt den i figur 11 med hål borrade med en centimeters avstånd runt röret riktade mot mitten och mellan dessa ytterligare hål borrade 20 grader från mitten för att testa en amatörmässig lösning på en bandbrännare. Tanken med dom borrade hålen 20 grader från mitten är för att lättare kunna ge brännaren möjlighet att ytbehandla tankes gavlar.
Förslag och åtgärder till tidigare brännarsystemet för att uppnå en bättre flambehandling:
• Installera en venturi mixer och gör systemet i huvudsak drivande av tryckluft med tillsättning av gas i ventrimixern.
• Tillverka en nya öppen bandbrännare med borrade hål i riktning mot plastens yta. (se figur 12, med perspektiv från brännarens centrum.)
Figur 12. Designförslag för egentillverkning av bandbrännare.
4.3 Vätningstest
Med en handhållna propan/butan brännaren som gav en klarblå låga kunde plastens ytenergi höjas till den nivån att vattnet på plastens yta fick en total vätning. Se nedre halvan av figur 13 för total vätning och övre halvan för obehandlad och hydrofobisk effekt på vattendropparna. De tester som förhöjde plastens ytenergi hade en matningshastighet på uppskattningsvis 15 - 25 cm/s och ett avståndet från lågans tipp till plastens yta på omkring två centimeter. Vidare kunde lågan med tidigare nämnda värden flambehandla en bredd på omkring tre centimeter.
Efter att vattnet på ytan hade avlägsnat kunde man inte se något spår av flambehandlingen vilket tycker på att lågan inte deformerade ytan mer än vad som krävdes för att uppnå resultatet.
Figur 13. Visuell jämförelse mellan flammbehandlad yta och ej flambehandlad yta.
13
4.4 Bandbrännare med öppen konstruktion
Brännaren kommer att vara av typen bandbrännare. Denna modell uppfyller det krav som ställs på en brännare för att kunna behandla plastens yta. Avståndet från låga till låga är så litet att temperatur differenser över brännaren är i princip försumbar. Avståndet garanterar också att när gnista genereras då gas- /luftblandningen flödar tänds hela brännaren. Ett glödstift installeras som alltid är aktivt under processen och ett tändstift som backup.
Detta alternativ ger fullständig kontroll över injusteringsvärdena av gas och luft som görs via dom två nålventilerna där gaserna passerar. Båda gasernas tillförsel är trycksatta och passerar genom en venturimixer som möjliggör den addering och omblandning av gas som krävs för det rätta stökiometriska värdet.
Brännaren är designad med en innerdiameter som motsvarar tankens diameter + lågornas höjd från munstyckets utlopp till lågornas tipp + 4 mm. Brännaren kan designas alternativt med en öppen sektion av 30 mm som tillgodoser kompatibiliteten med den nya fixturen, figur 14. Eller stängd som den tidigare konstruktionen.
Figur 14. Komponentövergripande bild på förslag till brännare.
14
5. Diskussion
Testriggen påvisade att en fullständig blandning mellan gas och luft är en grundläggande förutsättning för att lågan skall kunna få de egenskaper som behövs för att flambehandla plasten yta. Här behövs ett Venturi mixer för att möjliggöra den injustering som blandningen kräver.
Med dem basala vätningstesterna kan man konstatera att behandlingen lyckades påverka plastens ytenergi till den graden att ett jämnt fördelat skikt av vatten bildades då vatten applicerades på ytan, men inte till vilken grad vidhäftningsförmågan kan ha förbättrats. För detta skulle vidare praktiska testningar behöva göras med hela tillverkningsprocessen för att utvärdera resultatet till fullo.
Detta i sin tur borde ha förklaringen till att de bästa inställningarna beror på brännarens utformande samt flertalet andra faktorer som till exempel lågans riktning, matningshastighet, luftfuktighet och lågans termiska effekt, samt lågans hastighet och inte bara enbart på avståndet från lågans tipp till plastens yta. Lika så är matningshastigheten helt beroende utav lågans termiska effekt. Vid rätt inställda värden påverkar lågan plastens yta maximalt och ger därför det högsta värdet av matningshastighet.
Tre huvudsakliga faktorer påverkar hur lyckat flambehandlingsresultatet blir och kan summeras till följande:
• Gas-/luftblandningens förhållande och graden av blandning.
• Lågans avstånd till plasten yta.
• Lågans tid över plastens yta.
Vidare spelar den termiska effekten, gasblandningens strömningshastighet, och många andra tidigare nämnda faktorer in.
5.1 Reducerad försöksplanering
För att urskilja och bedöma bidragande faktorers påverkan skulle en reducerad försöksplanering behöva utföras. För detta skulle en testrigg med en redan beprövad brännare förses med luft-/gasblandning genom en venturimixer. Injusteringen av de stökiometriska förhållandet skulle kunna göras via en massflödes sensor eller en lambdasond som mäter förhållandet mellan bränsle och luft. Termisk effekt, vinkel mot plastens yta, avstånd från lågas tipp till plastens yta och matningshastigheter skulle kunna vara lämpliga faktorer att testa tillsammans med andra statiska faktorer som till exempel luftfuktighet och omgivande temperatur.
5.2 Slutsats
Ytbehandling omfattar en rad olika faktorer som inte går att fastställa till ett exakt värde utan har varierande inställningar där de mest optimala kan närmas, eller förändras relativt till andra faktorer för att effektivisera ytbehandlingen. Slutliga tester på den behandlade ytan måste därför genomföras och justeras på plats.
Vätningen är i sig bara en framdrivande egenskap på plastens yta sådan att lim eller färg sedan skall kunna fästa. För att sedan veta hur mycket vidhäftningsförmågan har förbättrats måste hela testet från vätning till slutlig applicering göras och bedömas.
5.3 Personlig reflektion
Projektet har varit väldigt givande och spännande men samtidigt svårt och utmanande. Eftersom jag inte besitter erfarenhet inom område sen tidigare tog det lång tid innan jag hade tillräckligt med kunskap för att förstå hur jag skulle attackera problemet. Till följd konstruerades testriggen aningens tidigt i arbetets gång då tillräckligt med information inom ämnet inte var instuderat. Av denna anledning valde jag att inte ta med resultatet från testriggen då de önskade utfallet inte gick att uppnå. Den praktiska upptäckten blev dock en positiv vändning som försatte arbetet i rätt riktning.
15
Litteraturförteckning
1. ÅF & PÖYRY AB. (2019). Annual and Sustaniablity Report. [Hämtat: 20 05 2020.]
https://afry.com/sites/default/files/2020-04/annual_and_sustainability_report_2019_.pdf.
2. Farris, S., Pozzoli, S., Biagioni, P., Duó, L., Mancinelli, S., & Piergiovanni, L. (2010).The fundamentals of flame treatment for the surface activation of polyolefin polymers-A review. Polymer, 51(16), 3591-3605.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2010.05.036.
3. Kung, C. H., Sow, P. K., Zahiri, B., & Mérida, W. (2019). Assessment and Interpretation of Surface Wettability Based on Sessile Droplet Contact Angle Measurement: Challenges and Opportunities. Advanced Materials Interfaces, Vol. 6 (18), 1900839. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.201900839.
4. Smith, Russell E. (2020).Wettability Testing. [Hämtad: 30 06 2020.]
https://www.accudynetest.com/adt_introduction.html.
5. ISO, 8296. (2003). Plastics — Film and sheeting — Determination of wetting tension. [Hämtad: 05 09 2020.]
https://www.iso.org/standard/38451.html.
6. Taylor, W. (2009). Tecnical Synopsis of Plasma Surface Treatment. University of Florida, Gainesville, FL.
DOI: https://www.iopp.org/files/public/TaylorWesleyUFlorida.pdf
7. Cognard, J. (2005). Some recent progress in adhesion technology and science. Comptes Rendus Chimie, 9(1), 13- 24. DOI: https://doi.org/10.1016/j.crci.2004.11.016 .
8. Trenberth, K. E., & Smith, L. (2005).The Mass of the Atmosphere: A Constraint on Global Analyses. Journal of Climate, 18(6), 864-875. DOI: https://doi.org/10.1175/JCLI-3299.1.
9. Tutorials, Engineering. (2020). Air-Fuel Ratio, Lambda And Engine Performance. [Hämtad: 06 05 2020.]
https://x-engineer.org/automotive-engineering/internal-combustion-engines/performance/air-fuel-ratio- lambda-engine-performance/#comment-555.
10. AGF Buner, Inc. (2020). AGF Burner. New Jersey, USA.[Hämtad: 10 06 2020.]
http://www.agfburner.com.
11. Hägglunds Drives. (2005). Powerfull Engineering. Örnsköldsvik : Institutionen för tillämpad hydraulik.
