6
OBSAH
1 ÚVOD ... 9
2 TEORETICKÁ ČÁST ...10
2.1 TPE MATERIÁLY ...10
2.1.1 Chemická struktura SEBS ...11
2.2 TPE jako alternativa k elastomerům ...12
2.3 POUŢÍTÍ A APLIKACE TPE, TPS ...14
2.3.1 Typické oblasti pouţití TPE materiálů ...14
2.3.2 Typické aplikace TPE materiálů ...15
2.3.3 Materiály THERMOLAST® K ...16
2.4 TECHNOLOGICKÉ PODMÍNKY ZPRACOVÁNÍ ...17
2.4.1 Jednokomponentní vstřikování, 2K s polyolefiny ...17
2.4.2 Vícekomponentní vstřikování ...18
2.5 NEJDŮLEŢITĚJŠÍ VLASTNOSTI TPE ...20
2.6 NADOUVADLA ...23
2.6.1 Členění nadouvadel ...23
2.6.2 Zpracování nadouvadel ...26
2.6.3 Přidávání nadouvadla do materiálu při zpracování ...26
2.6.4 Smíchání nadouvadla při výrobě materiálu ...26
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...29
3.1 TESTOVANÉ TPS-SEBS MATERIÁLY ...29
3.1.1 Testované TPS materiály na 1K a 2K aplikace s PP, PE ...29
3.1.2 Testované TPS materiály na 2K aplikace s ABS, PC a PA ...31
3.2 TESTOVANÉ TYPY NADOUVADEL ...32
3.2.1 Chemická nadouvadla pro 1K a 2K aplikace s polyolefiny ...32
3.2.2 Fyzikální nadouvadla pro 1K a 2K aplikace s polyolefiny ...33
3.2.3 Fyzikální nadouvadla pro TPS na 2K aplikace s ABS, PC, PA ...34
3.3 VSTŘIKOVACÍ STROJE ...35
3.4 FORMY PRO TESTOVÁNÍ ...37
7
3.4.1 Příprava vzorků na testování ...39
3.5 TESTOVÁNÍ TPS MATERIÁLŮ S NADOUVADLY ...40
3.5.1 Fáze 1 - Testování na stroji ENGEL 80/25, TUL ...42
3.5.2 Fáze 2 - Testování na stroji ENGEL 80/25, TUL ...45
3.5.3 Fáze 3 – testování na stroji DEMAG, KTPE ...53
3.5.4 Fáze 4 – testování na stroji ENGEL 80/25, TUL ...55
3.5.5 Fáze 1 – TPS pro 2K aplikace, ENGEL 80/25, TUL ...55
3.5.6 Fáze 2 – TPS pro 2K aplikace, DEMAG EXTRA, KTPE ...58
3.6 TESTY MATERIÁLOVÝCH HODNOT ...60
3.6.1 Měření hustoty materiálu dle DIN 53479 ...60
3.6.2 Měření tvrdosti dle DIN 53505 ...63
3.6.3 Pevnost v tahu, taţnost dle ISO 37 ...64
3.6.4 Trvalá deformace dle ISO 815 ...68
3.6.5 Měření smrštění ...71
3.7 HODNOCENÍ VNITŘNÍ STRUKTURY NAPĚNĚNÍ ...73
3.7.1 Srovnání vzorků pro odlišné rychlosti vstřikování ...76
3.7.2 Srovnání vybraných vzorků dle velikosti vstřikovacích bodů ...77
3.8 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ PĚNĚNÝCH MATERIÁLŮ ...77
3.9 HODNOCENÍ TESTOVÁNÍ V CYKLU ...80
4 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ A DISKUZE ...81
4.1 DOPORUČENÉ PARAMETRY PRO VÝROBU ...85
4.1.1 Doporučené dávkování nadouvadel ...85
4.1.2 Doporučené parametry pro vstřikování, 1K a 2K s PP a PE ...86
4.1.3 Doporučené parametry pro vstřikování – 2K s ABS, PC a PA ...88
4.1.4 Přehled dosaţených výsledků ...89
5 ZÁVĚR ...91
6 SEZNAM LITERATURY ...93 7 PŘÍLOHY
8
Pouţité zkratky
:KTPE KRAIBURG TPE GmbH & Co. KG
TUL Technická univerzita v Liberci, fakulta strojní TPE Termoplastické elastomery
TPS Termoplastické elastomery na bázi blok kopolymerů SEBS, SBS Styren-etylenbutylen-styren, styren-butadien-styren
TPO Termoplastické polyolefiny s nevulkanizovanou elastickou fází TPV Termoplastické polyolefiny s vulkanizovanou elastickou fází TPU Termoplastické polyuretany
TPA Termoplastické elastomery na bázi polyeter blok amidů TPC Termoplastické kopolyestery
1K jednokomponentní
2K vícekomponentní (nejčastěji dvoukomponentní) CFA nadouvadlo na chemické bázi
PFA nadouvadlo na fyzikální bázi
ABS Akrylonitril-butadien-styrénový kopolymer
PC Polykarbonát
EVA Ethylen-vinyl-acetátový kopolymer
PA Polyamid
PMMA Polymethylmeta-krylát PBT Polybutylen-tereftalát PVC Polyvinyl-chlorid HIPS Houţevnatý polystyren AEM Ehtylenakrylátový kaučuk
HNBR Hydrogenovaný butadien-akrylonitrilový kaučuk EPDM/PP Kaučuk/polypropylen
PP, PE Polypropylen, polyethylen POM Polytetrafluorethylen
SAN, ASA Kopolymer styren-akrylonitril, akrylonitril-styren-akrylester PET Polyethylentetraftalát
CZ6 testovací vzorky o rozměrech 50 x 30 x 6 mm z TUL CZ8 testovací vzorky o rozměrech 70 x 30 x 8 mm z TUL DE6 testovací vzorky o rozměrech 71 x 71 x 6 mm z KTPE Tg teplota skelného přechodu
9
Obsahem této diplomové práce bylo testování termoplastických elastomerů, TPS na bázi SEBS s rozdílnými typy nadouvadel a k nastavení optimálního vstřikovacího procesu pro pěnění těchto materiálů.
Pro proces pěnění byly pouţity TPS materiály na bázi styren-etylen-butylen- styrenu (SEBS) od společnosti KRAIBURG TPE GmbH & Co. KG, Waldkraiburg, SRN a nadouvadla od tří předních světových výrobců, firem Clariant International Ltd., Eka Chemicals AB (AkzoNobel) a Tramaco GmbH.
Převáţná část testování byla provedena v testovací laboratoři Technické univerzity v Liberci, na katedře Strojírenské technologie. Zde bylo testováno na vstřikovacím stroji ENGEL Victory Tech 80/25. Část testování byla provedena také ve výrobním závodě společnosti KRAIBURG TPE na stoji DEMAG ET 80-430-B-2.
Laboratorní část měření a testování byla kompletně uskutečněna v laboratoři KRAIBURG TPE.
Cílem diplomové práce bylo především zjistit vhodné technologické podmínky pro zpracování nadouvadel s TPS materiály. Zejména tedy za jakých vstřikovacích teplot, rychlosti vstřikování, otáček šneku, zpětného odporu šneku, dotlaku, teploty formy a dávkování nadouvadla bude moţno dosáhnout nejniţší efektivní hustoty. Tedy takové hustoty, při které bude dávkování efektivní z hlediska mechanicko-ekonomického. Posuzovány byly taktéţ odlišné parametry forem a vstřikovacích strojů na TUL a v KTPE. Dosaţené výsledky a doporučené parametry jsou uvedeny v závěru této diplomové práce.
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěţe 2822 ze strany TUL v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
1 ÚVOD
10
2.1 TPE MATERIÁLY
Termoplastické elastomery, dále jen TPE se dělí na několik základních skupin. V zásadě je moţné je dělit dle základní chemické vazby tak, jak toto prezentuje norma ISO 18064. Hlavní skupiny se dělí na blok-kopolymery a polyblendy dle obrázku 2.1. [1]
Obr. 2.1: Rozdělení TPE materiálů dle normy ISO 18064 [1]
Nejčastěji pouţívanými skupinami TPE materiálů jsou především skupiny materiálů pod označením TPO/TPV (termoplastické polyolefiny s vulkanizovanou nebo nevulkanizovanou elastickou fází - neboli EPDM/PP) a TPS (materiály na bázi styren blok kopolymerů). Pro testování byly pouţity materiály ze skupiny TPS, tedy materiály na bázi SEBS (SEPS) a SBS. [1]
Dalšími skupinami materiálů jsou TPU (termoplastické polyuretany), TPC (termoplastické kopolyestery) a nejméně pouţívané TPA (polyether blok amidy). [1]
2 TEORETICKÁ ČÁST
11
Všechny skupiny TPE materiálů je také moţné rozdělit dle tvrdostí typických pro konkrétní skupinu. Nejširším pásmem tvrdosti se vyznačují materiály na bázi TPS-SEBS, jak je patrné z obrázku 2.2. [1]
Obr. 2.2: Rozdělení tvrdosti TPE materiálů [1]
2.1.1 Chemická struktura SEBS
Základním stavebním prvkem TPE materiálů na bázi SEBS jsou tvrdá jádra polystyrenových domén, na které je napojena měkká fáze ethylen-butylenu, popřípadě ethylen-propylenu. Chemická struktura SEBS je znázorněna na níţe uvedeném obrázku 2.3. [1]
Obr. 2.3: Chemická struktura SEBS [1]
12
2.2 TPE jako alternativa k elastomerům
Termoplastické elastomery (dále jen TPE) v současné době do značné míry nahrazují elastomery zpracovávané klasickou konvenční metodou. [2]
Polymery elastomerů jsou termoplasty a před zesíťováním se nazývají kaučuky. Po zamíchání příměsí a síťovadla do kaučuku se jedná o gumy. Po zesíťování se polymer nazývá pryţ. Zesíťování se u elastomerů provádí vulkanizací za tepla, ale i za studena. Technicky nejrozšířenější je vulkanizace za tepla sírou.
Pouţijeme-li, ale pro zesíťování větší mnoţství síry, vznikne místo elastomeru tvrdý materiál, reaktoplast (např. tzv. ebonit, dříve pouţívaný na nádoby autobaterií). [3]
TPE materiály kombinují vlastnosti termoplastů a elastomerů. Jsou to polymery, které při běţné teplotě mají vlastnosti elastomeru (pryţe), ale dají se zpracovávat jako termoplast. Jedná se kopolymery, nebo směsi elastomerů s termoplasty. Na příklad butadien-styrenový kopolymer. Butadienové segmenty fungují jako elastomer a styrénové jako termoplast. U pryţí jsou spoje mezi makromolekulami povahy fyzikální. Srovnání mikrostruktury TPS materiálu a EPDM/PP je na obrázku 2.4. [3]
Obr. 2.4: Srovnání struktury SEPS a EPDM/PP materiálu na mikrosnímku [2]
Výhody TPE oproti elastomerům
Rychlost zpracování, produktivita (kratší cyklus) – úspora nákladů
Recyklovatelnost
Moţnost 2K aplikací se všemi typy tvrdých plastů (odpadá montáţ)
Zpracování na běţných vstřikovacích strojích pro termoplasty
Niţší hustota [2]
13
Nevýhody TPE oproti elastomerům
Obvykle horší mechanické vlastnosti
Draţší formy
U náročných aplikací nelze pouţít TPE (značná chemická a teplotní odolnost) [2]
Teplotní pásmo pro TPE
Zatímco amorfní termoplasty jsou pouţitelné pod teplotou Tg, poněvadţ nad ní měknou a ztrácejí pevnost, tak semikrystalické termoplasty se nejčastěji pouţívají nad teplotou Tg, protoţe mají výhodnou kombinaci pevnosti a houţevnatosti, kdeţto pod Tg jsou křehké. Elastomery a TPE se pouţívají nad Tg, protoţe mají v této oblasti poţadovaný kaučukovitý charakter, pod Tg jsou tvrdé. [3]
Typická oblast Tg pro TPS - 50 aţ – 40°C
Typická oblast max. teplot 100 aţ 120°C [2]
Maximální teplota pouţitelnosti TPS závisí na mnoha specifických podmínkách, jako jsou například teplota prostředí, doba, velikost a typ zatíţení (statické, dynamické). [2]
Nejnověji se modifikací materiálů na bázi SEPS dosáhlo díky chemickému zesítění polystyrenových domén navýšení teplot tání a zlepšených parametrů trvalé deformace. Chemicky zesítěné domény polystyrenu jiţ nemají bod skelného přechodu. Materiál je tak v podstatě limitován pouze teplotou tání polypropylenu.
Takto upravený materiál se označuje jako SEPS-V. Snímek mikrostruktury je na obrázku 2.5. [2]
2 μm 500 μm 100 μm
Obr. 2.5: Mikrosnímky materiálu SEPS-V s chemicky zesítěnými konci domén [2]
14
Teploty skelného přechodu
Fyzikální vazba
Polystyren (Tg ~ 108°C) [2]
Elastická fáze
Polybutadien (Tg ~ -91°C)
Polyisopren (Tg ~ -58°C)
Polyetylen butylen (Tg ~ -58°C)
Polyetylen propylen (Tg ~ -56°C) [2]
2.3 POUŢÍTÍ A APLIKACE TPE, TPS
Dle pouţití je moţné TPS materiály dělit předevší na 1K a 2K aplikace. 2K aplikace mohou být o dvou nebo i více komponentech dle konkrétní aplikace.
Vícekomponentní aplikace lze dále členit na základní a na aplikace s inţenýrskými typy plastů. Mezi základní lze zařadit především aplikace s polyolefiny, tedy s materiály typu PP a PE. Mezi náročné aplikace poté patří vícekomponentní s plasty typu ABS, PC, PBT, PETG, ASA, SAN, PMMA, POM, HIPS, PET, PA 6/6 - 6/12 a další typy tvrdých plastů. Samozřejmostí je moţnost spojení dvou TPS na bázi SEBS a s TPO/TPV. Portfolio výrobce KRAIBURG TPE je značné obsáhlé a v podstatě je moţné spojit jakýkoliv typ plastu s TPS materiálem, včetně nejrůznějších blendů typu ASA/PA, ABS/PC apod. [2]
2.3.1 Typické oblasti pouţití TPE materiálů
Automobilové odvětví
Interiérové aplikace, exteriérové aplikace, aplikace v motorovém prostoru
Spotřební odvětví
Sportovní a volnočasové pouţití, hračky, domácí spotřebiče, spotřební elektronika, obaly, kosmetika, telekomunikace, desénové aplikace
Průmyslové odvětví
Aplikace v konstrukci, kabely, hadice, ruční a strojní nářadí, aplikace pro pitnou vodu
Zdravotnictví
Aplikace pro nepřímý kontakt s krví, těsnící aplikace [2]
15
2.3.2 Typické aplikace TPE materiálů
Automobilové odvětví
Protiskluzové podloţky, průchodky na kabely, tlumící prvky, těsnění světel, obstřik skel, kryt airbagu, rukojeti, madla
Spotřební odvětví
Hračky, stírací pryţe, keypady pod klávesnice, měkčené rukojeti pro holicí strojky a kartáčky, rukojeti lyţařských hůlek, madla [2]
Obr. 2.6: Typické aplikace TPE pro automobilové a spotřební odvětví [2]
Průmyslové odvětví
Kabely bez halogenu a PVC, těsnící profily, hadice, těsnění, obstřiky rukojetí pro ruční a strojní nářadí, tlumiče vibrací
Zdravotnictví
Aplikace pro nepřímý kontakt s krví, těsnící aplikace, dýchací masky [2]
Obr. 2.7: Typické aplikace TPE pro průmyslové odvětví a zdravotnictví [2]
16
2.3.3 Materiály THERMOLAST® K
Široce pouţívané materiály THERMOLAST® K byly vyvinuty tak, aby vyhovovaly současným poţadavkům trhu. Tyto sériově vyráběné směsi jsou zaloţeny na vyztuţení styren-blok kopolymerů a pouţívají se prakticky ve všech průmyslových odvětvích. Jsou snadno dostupné a kvalitativně ověřené v mnoha aplikacích pro konkrétní odvětví. THERMOLAST® K přináší například speciální materiály pro styk s potravinami, stejně jako materiály, které jsou navrţeny tak, aby splňovaly poţadavky velmi náročného automobilového odvětví. Materiály THERMOLAST® K mohou být zpracovány mnoha různými způsoby, jako je vstřikování, vytlačování, nebo vyfukování. Mikrosnímek struktury SEBS materiálu je uveden na obrázku 2.8. [2]
Hlavní přednosti materiálů THERMOLAST
®K
Vícekomponentní vstřikování s typy plastů, jako jsou PP, PE ABS, PC, PBT, PETG, ASA, SAN, PMMA, PET, PA6/6 – 6/12, POM, PS, HIPS
Extruzně optimalizované směsi jsou dostupné také pro výrobu fólií
Tvrdost v rozmezí od 0 Shore A do 66 Shore D
Excelentní barvitelnost
Vysoká taţnost a odolnost proti vzniku trhlin
Elasticita při nízkých teplotách (aţ do – 42°C)
Vysoká teplotní odolnost (dle typu TPE aţ do 125°C)
Vynikající odolnost před UV zářením, ozónem a povětrnostními vlivy
Vybrané směsi testovány na Kalahari a Florida testy, Certifikace USP VI
Schválení pro aplikace s pitnou vodou, řady směsí s certifikáty BfR, FDA a 2002/72/EC
Recyklovatelné
Bez obsahu latexu a PVC [2]
Hlavní sloţky materiálů THERMOLAST
®K
Elastická fáze (SEBS, SEPS, SBS)
Plastifikátory (medicinální bílý olej)
Termoplasty (PP, PE)
Plniva
Aditiva (stabilizátory, přísady pro zpracování a odformování, atd.)
Barviva [2]
17
Polystyrene domains – polystyrenové domény
Elastic ethylene-buthylene middle block – elastická fáze etylenbutylenu Polypropylene-network- polypropylenová síť
Obr. 2.8: Mikrosnímek struktury SEBS materiálu [2]
2.4 TECHNOLOGICKÉ PODMÍNKY ZPRACOVÁNÍ
TPS materiály na bázi SEBS, SEPS, případně SEPS-V, které byly testovány pro napěnění, jsou běţně pouţívány pro jedno a vícekomponentní vstřikování.
Většina aplikací, kde se tyto materiály běţně pouţívají, jsou obvykle pro tloušťku vrstvy od 1 do 4 mm. [2]
2.4.1 Jednokomponentní vstřikování, 2K s polyolefiny
Pro jednokomponentní a dvoukomponentní aplikace s PP a PE se pouţívají standardní směsi materiálů, dle poţadavků na mechanické a chemicko-fyzikální vlastnosti finální aplikace. Hlavním kritériem pro výběr konkrétní směsi je poţadavek na specifické vlastnosti, jako jsou především tvrdost, mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, taţnost, trvalá deformace). Dále je dle konkrétního typu pouţití důleţité, zda je nezbytná např. optimalizovaná UV stabilita, odolnost proti povětrnostním vlivům, odolnost před tuky, oleji, palivy a jinými chemickými látkami.
Všechna tato hlediska významně ovlivňují výsledný výběr materiálu pro konkrétní aplikaci. Doporučené parametry pro vstřikování jsou uvedeny v tabulce 2.1. [1]
18
Tab. 2.1: Doporučené parametry pro 1K vstřikování TPE na bázi SEBS
Zpracovatelská příručka - jednokomponentní vstřikování
Specifikace stroje: standardní vstřikovací stroj Kompresní poměr: nejméně 2:1
L/D poměr: nejméně 20
Forma: Vyvážený vtokový systém
Vstřikovací bod: průměr 0,4-0,6 mm, max. 1,0 mm
Typy vstřikovací bodů: bodový vtok, ponorkový vtok, filmový vtok Odvzdušnění: 0,01 - 0,02 mm otvoru kanálu
Povrch dutiny formy: erodovaný
Vyhazovače: velkoplošné vyhazovače
Odsun vstřik. jednotky: Pokud je použit systém s otevřenou tryskou, je odsun vstřikovací jednotky doporučen
Zásady pro zpracování: Teplota taveniny: 180-220°C, max. 250°C Teplota formy: 25 - 40°C pro tenkostěnné výrobky až 60°C Rychlost vstřikování: vysoká, dle typu TPE
Vstřikovací tlak: 50-400 bar, záleží na velikosti a váze formy Protitlak: 20-50 bar, při přidání barviva je vyšší tlak nutný Horký vtok: Teploty horkého vtoku 200-250°C. Systém by se měl
vyprázdnit po maximálně dvou až třech zdvizích Dotlak:
Forma by měla být naplněna bez použití dotlaku. Nízký dotlak může být použit jako prevence propadlin a k zaručení 100% naplnění. Vysoký dotlak může způsobit přeplnění dutin formy, de-laminaci a deformaci kolem vstřikovacího bodu a složité odformování.
Předsušení materiálu:
Materiál není hydroskopický, pouze při skladování v prostorách s jinou teplotou, než je výroba, se může objevit povrchová vlhkost - doporučuje sušit při 60-80°C po 2-4 hodiny. [2]
2.4.2 Vícekomponentní vstřikování
Pro 2K vstřikování je kromě jiţ výše uvedených doporučení pro 1K aplikace nejdůleţitější, s jakým typem materiálu se má TPS chemicky spojit. V zásadě se pouţívá několik základních řad pro 2K aplikace. Materiály pro 1K vstřikování je
19
moţné vyuţít také na vícekomponentní vstřikování s polyolefiny. Doporučené parametry vstřikování jsou uvedeny v tabulce 2.2. [1]
Tab. 2.2: Doporučené parametry pro 2K vstřikování
Zpracovatelská příručka – vícekomponentní vstřikování
Specifikace stroje: standardní 3zónový, vícekomponentní vstřikovací stroj Vstřikovací bod: průměr 0,4-0,6 mm, max. 1,0 mm
Odsun vstřik. jednotky: Pokud je pouţit systém s otevřenou tryskou, je odsun vstřikovací jednotky doporučen
Teploty ve válci: PA 6: 270–260–240°C, max. 280°C PA 6.6 280–270–255°C, max. 290°C ABS, PC 240–210–180°C, max. 250°C SAN, ASA 200–180–160°C, max. 220°C
Teplota formy: Záleţí na teplotě tvrdého komponentu (plastu) Teplota by neměla přesáhnout 80°C. Obvyklá teplota je 40 - 60°C.
Rychlost vstřikování: Rychlost vstřikování by měla být tak vysoká jak je moţné, aby se docílilo nejlepší kvality povrchu (cca 100 – 200 g/s) SAN, ASA: Rychlost vstřiku by měla být střední aţ nízká.
Vstřikovací tlak: 50-400 bar, záleţí na velikosti a váze formy Protitlak: 20-50 bar při přidání barviva je vyšší tlak nutný
Teploty horkého vtoku: PA6 max. 280°C (535°F), PA6.6 max. 290°C (510°F).
ABS, PC, PBT 200 -250°C (390 – 480°F) ASA, SAN, PMMA 180 -220°C (356 – 428°F) Systém by se měl vyprázdnit po maximálně 2-3 zdvizích Dotlak:
Forma by měla být naplněna bez pouţití dotlaku. Nízký dotlak můţe být pouţit jako
prevence propadlin a k zaručení 100% naplnění. Vysoký dotlak můţe způsobit přeplnění dutin formy, delaminaci a deformaci kolem vstřikovacího bodu a sloţité odformování.
Doba dotlaku: Čím kratší, tím lepší. Začít od 0s a optimalizovat dle poţadavku na výsledek.
Předsušení materiálu:
K zaručení optimálních vlastností materiálu je doporučeno předsušit jej po dobu 2-4 hodin při 60-80°C (140-175°F). SAN, ASA, PMMA: K zaručení optimálních vlastností materiálu je nezbytné provést následující kroky: a) Materiál musí být důkladně být vysušen. Sušit po dobu minimálně 4h/80°C (4h/176°F, zbytková vlhkost <0,02%. b) Materiál zpracovat ihned po sušení. K omezení absorpce vlhkosti v násypce je doporučeno ji uzavřít. c) Před otevřením pytle, je nezbytné mít materiál při pokojové teplotě k zamezení kondenzace od chladného materiálu. d) Udrţujte nízkou hodnotu naplnění násypky. [2]
20
Pro vícekomponentní vstřikování s vybranou skupinou plastů je vţdy určena konkrétní řada TPS materiálů s optimalizovanými vlastnostmi pro nejvhodnější chemické spojení. [2]
Skupiny materiálů pro vícekomponentní vstřikování s TPS
PP, PE
ABS, PC, PBT
SAN, ASA, PMMA
PS, HIPS
PA
POM [2]
2.5 NEJDŮLEŢITĚJŠÍ VLASTNOSTI TPE
Mechanické vlastnosti se značně liší jednak dle skupiny TPE materiálů, jednak poté přímo v těchto skupinách dle poţadavku na konkrétní finální výrobek.
Hustota
Hustota TPE se obvykle pohybuje v rozmezí od 0,88 g/cm3 do 1,2 g/cm3, výjimečně aţ do 1,4 g/cm3. To představuje niţší hustotu neţ u konvenčně vyráběných elastomerů. Je tak jedním z velmi důleţitých aspektů při prosazování těchto materiálů namísto elastomerů. [2]
Pevnost v tahu, taţnost,
Pevnost a taţnost primárně závisí na skupině materiálů. TPU materiály mají vysokou pevnost v tahu v porovnání s TPO/TPV a TPS materiály. Typické hodnoty pevnosti v tahu pro materiál v tvrdosti 80 Shore A jsou uvedeny v tabulce 2.3.
Taţnost bývá pro výše uvedené skupiny obdobná, tedy v rozmezí od 400 do 900 %, v závislosti na typu a tvrdosti konkrétního materiálu. [5, 9, 10]
Tab. 2.3: Typické hodnoty tvrdosti TPE materiálů
Materiál Typická hodnota pevnosti v tahu
TPU (80 Shore A) 30-40 MPa TPO/TPV (80 Shore A) 10-20 MPa TPS-SEBS (80 Shore A) 10-20MPa
21
Trvalá deformace
Materiály THERMOLAST K jsou dostupné i v široké škále s optimalizovanou trvalou deformací pro pouţití v jedno i vícekomponentních aplikacích. Níţe uvedený graf 2.9 porovnává vlastnosti materiálů na bázi SEBS s optimalizovanou trvalou deformací, s materiály na bázi EPDM/PP a běţnými SEBS směsmi. Materiály EPDM/PP mají jiţ v základním provedení výborné parametry trvalé deformace.
Obdobné vlastnosti jako TPO/TPV mají také materiály TPU. [2, 4, 5]
Obr. 2.9: Trvalá deformace TPO/TPV, TPS a optimalizovaného SEBS (Shore A) [2]
Recyklovatelnost
Jednou z hlavních předností TPE materiálů je jejich recyklovatelnost u jednokomponentních a částečná u vícekomponentních aplikací. Moţné je recyklovat prakticky všechny typy materiálů rozemletím v drtičce. Jedná se zejména o vtokový systém, zmetky, ale i jiţ pouţité výrobky. Dle ověřovací studie KTPE je prokázáno, ţe například při přidání 20 % recyklovaného materiálu do nového, se výsledné parametry změní pouze v řádu procent. V případě pouţití 100 % recyklovaného materiálu pro 10 cyklů, je moţné získat přehled o předpokládaných vlastnostech z níţe uvedeného obrázku 2.10. Zde je jako příklad uveden standardní materiál THERMOLAST K TC9AAA v tvrdosti 90 Shore A. [2]
22
Obr. 2.10: Recyklovatelnost vybraného typu TPS-SEBS materiálu [2]
Chemická odolnost
TPU mají stabilní odolnost proti olejům z řady IRM 902, IRM 903 a ASTM 1 aţ do teplot 100°C. Odolnost proti kyselinám a louhům je omezená jen pro velmi nízké koncentrace. [4]
U vulkanizovaných, tedy EPDM/PP materiálů je odolnost proti palivům a olejům jiţ značně horší. U běţných teplot se jedná o zhoršení většiny vlastností v rozmezí 30 - 50%. Za vysokých teplot je jiţ odolnost nedostačující. Odolnost proti kyselinám, louhům a aromátům je pro tuto skupinu velice dobrá. Nevulkanizované TPO materiály mají v základu niţší teplotní odolnost a tomu odpovídá také horší odolnost proti výše uvedeným látkám. [5]
Materiály na bázi TPS-SEBS, jenţ jsou nepolárními látkami, jsou velice dobře odolné před vodou, vodními roztoky, anorganickými kyselinami a louhy.
Naopak nejsou odolné proti tukům, palivům, olejům, organickým kyselinám a louhům. [2]
V případě pouţití speciálního typu TPE materiálu na bázi AEM a HNBR kaučuku se dá i za vysokých teplot docílit výborné odolnosti proti palivům a olejům.
Takto upravené materiály pod obchodním názvem HIPEX od KTPE mají krátkodobě odolnost aţ do 175°C a dlouhodobě do 150°C i při přímém kontaktu s oleji a palivy.
Odolnost tohoto materiálu ve srovnání s ostatními TPE materiály a dalšími typy kaučuků je za zvýšených teplot patrná z obrázku 2.11. [2]
23
Obr. 2.11: Odolnosti TPE materiálů a elastomerů v oleji IRM 903 [1]
2.6 NADOUVADLA
2.6.1 Členění nadouvadel
Sníţení hmotnosti a úspora základního materiálu je jednou z klíčových výhod chemických (CFA - chemical foaming agents) a fyzikálních nadouvadel (PFA). Další výhody spočívají v tepelné a akustické izolaci, zvýšení tuhosti k poměru hmotnosti, zlepšení povrchové textury, odstranění deformace a propadlin spolu s efektivnějším zpracováním. [6]
Chemická nadouvadla vytvářejí pěněnou strukturu díky rozkladu plynu do taveniny materiálu a to při předepsané zpracovatelské teplotě. Rozklad chemických nadouvadel můţe být buď endotermního, nebo exotermního charakteru, viz obrázek 2.12. Na rozdíl od fyzikálních nadouvadel, jimiţ jsou plyny, nebo kapaliny s nízkým bodem varu, které se vstřikují přímo do taveniny k výrobě pěněného materiálu. [6]
Chemická nadouvadla (CFA)
Exotermní chemická nadouvadlaExotermní chemická nadouvadla uvolňují energii při rozkladu. Jakmile je rozklad zahájen, pokračuje spontánně do té doby, neţ je energie zastavena.
24
Exotermní nadouvadla obsahují hydraziny a AZO sloučeniny, které mají typicky ţlutou barvu. Azo sloučeniny jsou chemické sloučeniny obsahující funkční skupinu
„R-N=N-R“, kde „R a R“' můţe být buď aryl, nebo alkyl. Mělo by se s nimi zacházet velmi opatrně, aby se zabránilo podráţdění kůţe. [6]
Obr. 2.12: Rozklad endotermického a exotermického nadouvadla [6]
Endotermická chemická nadouvadla
Endotermická chemická nadouvadla spotřebovávají energii při rozkladu a vyţadují trvalý přísun energie po celou dobu reakce. Endotermická nadouvadla jsou zaloţena na hydrogen-uhličitanech a kyselině citronové, tedy derivátech, které se běţně pouţívají také jako přídavné látky v potravinářství. [6]
Chemická nadouvadla jsou k dispozici v různých velikostech granulí i jako prášky. Nadouvadla mohou být pouţita pro pěnění téměř všech běţně pouţívaných termoplastů a jejich směsí (blendů) včetně TPE. [6]
PP, PE
PS, ABS, PC, PC/ABS
PA, PA 6.6, PA 4.6
PET, PETG
TPE, TPU, TPO,
PVC [6]
25
Fyzikální nadouvadla (PFA)
Mezi typické představitele fyzikálních nadouvadel patří především nadouvadla od společnosti AkzoNobel a Clariant. Mikrokuličky EXPANCEL a TPE FOAM jsou malé kulaté plastové částice, které se skládají z polymerního obalu, v němţ je zapouzdřen plyn. Při zahřátí se uvnitř obalu zvýší tlak plynu a termoplastický obal změkne, čímţ dojde k prudkému nárůstu objemu mikrokuliček.
Schéma expanze mikrokuliček je znázorněno na obrázku 2.13. [6, 7]
Sortiment mikrokuliček EXPANCEL zahrnuje i třídy vyznačující se expanzními teplotami v rozmezí 80 – 190°C (176 – 374°F) pro nejširší moţné vyuţití. Díky různému termomechanickému chování jednotlivých tříd materiálu EXPANCEL, je moţno vţdy pro daný proces, typ polymeru a aplikaci zvolit optimální třídu fyzikálního nadouvadla (PFA). [7]
Obr. 2.13: Schéma expanze nadouvadel PFA [7]
Teploty nadouvadel EXPANCEL, při kterých dochází k prvním expanzím mikrokuliček, jsou pro konkrétní typy zobrazeny na obrázku 2.14. Jednotlivé křivky analýzy TMA, určují počátek i konec expanze, včetně ideálních teplot pro získání maximálního objemu mikrokuliček. Materiál lze normálně dlouhodobě skladovat, aniţ by to mělo negativní vliv na jeho vlastnosti, je ovšem třeba se vyvarovat vysokých teplot. [7]
26
Obr. 2.14: TMA křivky pro některé třídy EXPANCELU [7]
2.6.2 Zpracování nadouvadel
V zásadě jsou dvě moţnosti, jakým je moţné zapracovat nadouvadla pro napěnění nejrůznějších plastů, včetně termoplastických elastomerů. První moţností je pouţití nadouvadel na bázi masterbatchů. Tyto masterbatche obsahují vţdy určité mnoţství mikrosfér a přidávají se do materiálu přimícháváním přímo na vstřikovacím stroji. Další moţností je pouţití speciálních typů nadouvadel přímo při výrobě materiálu částečnou kompaundací. [7]
2.6.3 Přidávání nadouvadla do materiálu při zpracování
Základní a nejjednodušší metodou přidání nadouvadla do termoplastů, nebo termoplastických elastomerů je důkladné promíchání se základní směsí materiálu.
Jedná se obdobný proces jako při přidávání barviva do materiálu. [7]
Tento typ přidávání nadouvadla byl stěţejním bodem této diplomové práce.
Všechna nadouvadla byla přimíchávána do základního materiálu přímo při zpracování na vstřikovacím stroji.
2.6.4 Smíchání nadouvadla při výrobě materiálu
Při pouţití nadouvadel EXPANCEL DU jako přísady při výrobě směsi, je důleţité dodrţet níţe uvedená teplotní pásma dle konkrétních typů:
27 Minimální teploty pro nadouvadla Expancel
115°C (239°F) pro typy 920-120, 093-120 a 930-120
130°C (266°F) pro typy 951-120 a 950-80
150°C (302°F) pro typ 980-120 [7]
Expanze má nastat aţ v poslední fázi výroby a nikoliv uţ během míchání, kde je zapotřebí expanzi potlačit. Jistá míra expanze je při míchání moţná, neboť mikrokuličky mají moţnost expanze i během závěrečného procesu. Avšak příliš velká expanze během zpracování můţe zapříčinit problémy s plněním a kvalita výsledného napěnění bude horší. [7]
Zpracování v jednom kroku
Při výrobě směsi schopné expanze je důleţité mít na paměti následující body, aby byly zaručeny optimální vlastnosti:
Doporučuje se pouţití strojů s nízkým střihem, nízkým třením a nízkým tlakem
Teplota musí být udrţována na nízké hodnotě, aby se zabránilo před- expanzi, viz shora uvedené maximální teploty Pokud mikrokuličky expandují jiţ při míchání a stroj je vybaven boční násypkou je moţné plnit EXPANCEL DU zde. Poslední část šneku by měla být uzpůsobena tak, aby byl materiál zatíţen nízkým napětím ve střihu.
Smykové napětí by mělo být dostatečné, aby se DU dobře promísilo se základní matricí materiálu. [7]
Vícekrokové zpracování
Vícekrokové zpracování nadouvadel se základní směsí polymeru je schematicky znázorněno na níţe uvedeném obrázku 2.15. Tato metoda je doporučená, pokud není moţné přidat mikrokuličky později, během zpracování na extrudéru, nebo pokud dochází při míchání v jednom kroku ke značné expanzi finální směsi. [7]
28
Postup pro vícekrokové smíchání polymerů a nadouvadel na fyzikální bázi
1. Vyrobte kompaktní směs
2. Smíchejte směs z bodu 1. s 0,5 aţ 1% oleje. To poskytne základní směsi lepkavý povrch.
3. Přidejte Expancel DU
4. Posledním krokem je smíchání v krátkém extrudéru s nízkým střihem. Teploty by měly být v rozmezí 100 aţ 150°C (212-302°F) k zabránění expanze [7]
Obr. 2.15 Schematické znázornění vícekrokové míchání nadouvadla s plasty [7]
29
Cílem diplomové práce bylo testování vybraných typů TPS-SEBS materiálů z portfolia společnosti KRAIBURG TPE s vybranými typy nadouvadel na chemické a fyzikální bázi od firem Tramaco, Clariant a AkzoNobel.
Hlavním kritériem bylo nalézt optimální parametry z hlediska technologických podmínek (teplota zpracování, tlak, dotlak a vstřikovací rychlost) pro vstřikování a to s ohledem na mnoţství dávkovaného nadouvadla a na celkové sníţení hustoty směsi ve vztahu k dosaţeným mechanickým vlastnostem. Důleţité bylo také nalézt optimální parametry pro vtokový systém, tvar a velikost vstřikovacího bodu ve vztahu k doporučeným parametrům pro vstřikovací stroj.
3.1 TESTOVANÉ TPS-SEBS MATERIÁLY
Dle doporučení z vývojového oddělení KTPE byly především testovány TPS materiály vhodné pro jednokomponentní aplikace. Pro moţnost srovnání výsledných hodnot, byly pro tyto účely vybrány dvě řady materiálů s odlišnou chemickou strukturou, ale obdobnými mechanickými vlastnosti a hustotou. Stejně tak pouţití materiálů je obdobné.
Pro další oblast testování byly vybrány dva TPS materiály vhodné pro dvou nebo vícekomponentní vstřikování s vybranými typy inţenýrských plastů. Testovány tak byly TPS-SEBS materiály vhodné pro spojení s ABS, PC, PBT, PMMA a polyamidy.
3.1.1 Testované TPS materiály na 1K a 2K aplikace s PP, PE
Níţe uvedené materiály, které byly testovány s vybranými nadouvadly, jsou vhodné zejména pro jednokomponentní aplikace a 2K aplikace s PP a PE. Tuto skupinu materiálů je moţné dále rozdělit na materiály s vysokým a nízkým podílem plastifikátorů a olejů. Z kaţdé řady byly záměrně vybrány vţdy tři materiály v tvrdosti 20, 60 a 90 Shore A pro zmapování základních vlastností v celé škále tvrdostí od nejměkčích aţ po nejtvrdší materiály a získání tak náhledu na očekávané vlastnosti ostatních materiálů v odlišných tvrdostech. Vlastnosti vybraných materiálů jsou uvedeny níţe na originálních materiálových listech, v tabulce 3.1 a 3.2.
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
30
Tab. 3.1: Materiálový list, řada FD, vysoký podíl plastifikátorů [2]
Vybrané materiály: TF2CGT, TF6CGT, TF9CGT
Tab. 3.2: Materiálový list, řada HT/E, nízký obsah plastifikátorů a olejů [2]
Vybrané materiály: TC2CHT, TC6CHT, TC9CHT
31
3.1.2 Testované TPS materiály na 2K aplikace s ABS, PC a PA
V další části byly testovány TPS-SEBS materiály, které jsou vhodné zejména pro pouţití na vícekomponentní vstřikování s termoplasty typu ABS, PC, PBT, PMMA, PA apod.
Pro tuto skupiny materiálů je potřeba dosáhnout při zpracování vyšších vstřikovacích teplot, aby bylo dosaţeno kvalitního spojení obou materiálů, komponentů. V této části byly testovány pouze materiály v tvrdosti 60 Shore A ze dvou nejčastěji pouţívaných řad materiálů pro 2K vstřikování. Vlastnosti vybraných materiálů jsou uvedeny níţe na originálních materiálových listech, v tabulce 3.3 a 3.4.
Tab. 3.3: Materiálový list, řada CO/PA, 2K aplikace s PA, PA6.6 [2]
Vybraný materiál: TC6PAN (60 Shore A)
32
Tab. 3.4: Materiálový list, řada CO/1VT, 2K aplikace s PC, ABS, PBT [2]
Vybraný materiál: TC6MLB (60 Shore A)
3.2 TESTOVANÉ TYPY NADOUVADEL
Po konzultaci se společností KTPE byla pouţita vybraná nadouvadla na chemické a fyzikální bázi. Nadouvadla byla dle testovaných TPS-SEBS materiálů rozdělena na základní nadouvadla na chemické a fyzikální bázi pro 1K aplikace a na vysoce náročné 2K aplikace s inţenýrskými typy plastů. Jde především o materiály typu ABS, PBT, PC a jejich blendy a také o materiály PA, PA6.6.
3.2.1 Chemická nadouvadla pro 1K a 2K aplikace s polyolefiny
HYDROCEROL BIH 40 (endotermické)
TRACEL INC 7207 (endotermické)
TRACEL G6380 MS (endotermické)
Vlastnosti nadouvadel HYDROCEROL
Nadouvadlo BIH 40 patří do skupiny chemických nadouvadel. Jedná se o chemické nadouvadlo a nukleační činidlo zejména pro pěnění termoplastů.
Nadouvadlo obsahuje 40 % účinné sloţky na endotermickém základu. Počáteční teplota rozkladu je 150°C. Pro nejúčinnější proces je doporučeno sníţit teplotu pod násypkou na nejniţší moţnou teplotu pro daný polymer. Doporučená teplota na
33
trysce k dosaţení optimálních vlastností je do 170°C. Doporučené dávkování pro vstřikování je od 0,8 do 2,5 %. [6]
Vlastnosti nadouvadel TRACEL
Pro vlastní testování byla dle dohody dodatečně zkoušena nadouvadla od společnosti TRAMACO, Německo. Nadouvadla typu TRACEL INC 4215, TRACEL INC 4215 a TRACEL G 6380 MS, měla obdobné vlastnosti jako nadouvadlo HYDROCEROL BIH 40, tedy základ v chemickém, endotermickém typu nadouvadla. Vlastnosti nadouvadel jsou uvedeny v tabulce 3.5. [8]
Tab. 3.5: Vlastnosti vybraných nadouvadel TRACEL [8]
Název IM 4215 IMC 4200 G6830 MS INC 7207 F G 6800 MS
Obsah 40% 40% 65% 70% 65%
Typ
nadouvadla
Endotermické Endotermické Endotermické endotermické fyzikální
Teploty 185-220 130-220 150-210 135-220 140-200
Dávkování 1-2,5 0,4-2,5 1-5% 0,2-1,5 1,0-5,0
Dop. mat. PE, PP, PS PS, PE, PP TPE, TPU, EVA PS, ABS, TPS TPE, TPU
3.2.2 Fyzikální nadouvadla pro 1K a 2K aplikace s polyolefiny
EXPANCEL 950 MB 80 (předpoklad velikosti napěnění - 80 µm)
EXPANCEL 950 MB 120 (předpoklad velikosti napěnění - 120 µm)
TPE – FOAM 04 (předpoklad velikosti napěnění - 80 µm)
TPE – FOAM 01 (předpoklad velikosti napěnění - 120 µm)
Vlastnosti nadouvadel EXPANCEL
Nadouvadla 950MB80 a 951MBX120, která byla pouţita pro testování, obsahují průměrně 65% suchých neexpandovaných mikrokuliček na základním nosiči typu EVA (etylen vinylacetátu). [7]
Parametry těchto nadouvadel jsou uvedeny níţe v tabulce 3.6. Základní sloţkou je EXPANCEL DU, jenţ lze pouţít také pro přimíchávání přímo do základního (TPS) materiálu při výrobě. 1g EXPANCELU můţe obsahovat aţ 15 miliard mikrokuliček. [7]
34
Tab. 3.6: Vlastnosti nadouvadel EXPANCEL [7]
Pozn.: Grade of microsphere – typ nadouvadla Concentration of Microspehre – obsah mikrokuliček Carrier – nosič
Height of foaming - velikost bublin po napěnění Bulk density – objemová hmotnost
Vlastnosti nadouvadel TPE FOAM
Do řady nadouvadel TPE FOAM patří dvě nadouvadla, TPE FOAM 01 a TPE FOAM 04. Obě nadouvadla od společnosti Clariant jsou exkluzivně navrţena a uzpůsobena pro TPS materiály společnosti KTPE. Patří do skupiny fyzikálních nadouvadel. Základní rozdělení je dle očekávané velikosti vzduchových bublin v rozmezí 80 aţ 120 μm, pro TPE FOAM 04, respektive TPE FOAM 01. [6]
3.2.3 Fyzikální nadouvadla pro TPS na 2K aplikace s ABS, PC, PA Vlastnosti nadouvadla HT01 MBX120
TPS materiály na bázi SEBS pro 2K vstřikování s materiály typu ABS, PC, PMMA a polyamidy (PA6, PA6.6) mají specifické poţadavky na teplotu zpracování s ohledem na zajištění výborné přilnavosti. Tím pádem je nutné dosáhnout takových vstřikovacích teplot, které výrazně přesahují hranici 200°C. [7]
Tab. 3.7: Specifikace nadouvadla HT01MBX120 [7]
Pozn.:Tstart, Tmax – počáteční, respektive maximální teploty pro napěnění, Density – hustota,
35
Z aktuálně dostupných nadouvadel na trhu splňuje pouze typ HT01 MBX120 tento poţadavek. Specifikace nadouvadla je v tabulce 3.7. Ostatní nadouvadla degradují na hranici cca 210°C, coţ je nedostatečné pro moţnost 2K aplikací. [7]
Tento typ nadouvadla nabízí mikrokuličky pro teploty zpracování od 230 do 270°C. Je dostupný pro obě moţnosti zpracování popsané v bodech 2.6.3 a 2.6.4, tedy jak ve formě masterbatche, tak i ve formě prášku přidáním přímo do základního materiálu. Masgterbatch obsahuje na 60 % expandovatelných mikrokuliček na matrici typu EBA. Vzhledem k tomu, ţe masterbatch obsahuje cca 4 % vlhkosti, je doporučeno jej sušit po dobu 2 hodin při 100°C. Doporučené míchání 1-5%. [7]
3.3 VSTŘIKOVACÍ STROJE
Testování bylo rozděleno na testování směsí na Technické univerzitě v Liberci a na následné ověřovací testy ve společnosti KRAIBURG TPE.
Na TUL byl pouţit menší vstřikovací stroj s označením ENGEL 80/25 Victory Tech, viz obrázek 3.1. Na tomto vstřikovacím stroji proběhlo cca 90 % veškerého testování TPS materiálů s nadouvadly. Obě poloviny formy bylo moţné na stroji temperovat v rozmezí od 20 do 100°C přídavnou temperační jednotkou. Technická specifikace stroje je uvedena níţe v tabulce 3.8.
Obr. 3.1: Vstřikovací stroj ENGEL 80/25 Victory Tech na TUL
36
Tab. 3.8: Technická data vstřikovacího stroje ENGEL řady VICTORY 80/25 TECH, bezsloupkový plně hydraulický stroj
Vstřikovací jednotka
Průměr šneku mm 25
Délka šneku L/D 16,4
Maximální objem zdvihu cm3 49
Max. hmotnost výlisku, vztaţeno na PS (Euromap 19) g 45
Zdvih dávkování mm
Otáčky šneku max. min-1
Plastifikační výkon měřeno pro PS podle norem ENGEL g/s 8
Vstřikované mnoţství teoretické hodnoty cm3/s 100
Zvýšený specifický vstřikovací tlak bar 1600
Specifický vstřikovací tlak bar 1230
Zdvih agregátu × přídrţná síla trysky mm × kN
Instalovaný příkon topení plastifikačního válce kW 5,3
Počet topných pásů 4
Uzavírací jednotka
Uzavírací síla kN 250
Dráha otevření lisovacího nástroje mm 330
Vestavěná výška formy min mm 150
Max. otevření upínacích desek mm 480
Velikost upínacích desek hor. × vert. (standard TECH) mm 470 x 280 Zvětšené upínací desky hor. × vert. (standard POWER) mm 470 x 380
Zdvih vyhazovače × síla vyhazovače mm × kN 70 × 22,6
Běh naprázdno dle Euromap 6 x zdvih s x mm 1,4 × 150
Hmotnost formy max. (z toho 2/3 na pohyblivé upínací desce) kg 225
Pohon
Příkon čerpadla kW 5,5
Olejová náplň l 90
Hmotnost
Netto uzavírací a vstřikovací jednotka (bez olejové náplně) kg 1 800
Rozměry
Rozměry d x š x v 2,72 x 1,03 x 1,76
V KTPE byly materiály testovány na vstřikovacím stroji DEMAG ET 80-430- B-2 Extra s uzavíratelnou tryskou o maximální vstřikovací rychlosti 95 mm/s a s průměrem šneku 40 mm. Tento stroj je standardně určen pro testování a uvolňování vyrobených TPS materiálů pro zákazníky výrobce. Stroj je zobrazen na obrázku 3.2 a technická specifikace je uvedena v tabulce 3.9.
37
Obr. 3.2: DEMAG ET 80-430-B-2, KTPE, Waldkraiburg, Německo
Tab. 3.9: Technická data vstřikovacího stroje DEMAG ET 80-430-B-2
Parametry stroje
Uzavírací síla 80 tun
Průměr šneku 40 mm
Délka/průměr šneku L/D 20
Specifický vstřikovací tlak 2025 bar
Max. hmotnost výlisku (PS) 208 g
Zdvihový objem 231 cm3
Instalovaný příkon topení plastifikačního válce 11,1 kW
Uzavírací síla 800 kN
Velikost upínacích desek hor. × vert. 540 x 540 mm
Maximální vstřikovací rychlost 95 mm/s
Maximální váha formy 510 kg
Uzavírací a vstřikovací jednotka (bez olejové náplně) 3800 kg
Rozměry d x š x v 4,13 x 1,27 x 1,99 m
3.4 FORMY PRO TESTOVÁNÍ
Proces vstřikování TPS materiálů s nadouvadly byl testován taktéţ na dvou formách s odlišnými parametry. Hlavní část testování byla uskutečněna na formě dle obrázku 3.3 na TUL. Forma byla po dohodě s TUL specielně navrţená pro testování termoplastických elastomerů s nadouvadly. Základem byly dvě destičky o rozměrech 50 x 30 mm a o dvou tloušťkách 6 a 8 mm. Systém se dvěma tloušťkami byl zvolen záměrně, aby se mohly porovnat dosaţené výsledky hustoty pro různé
38
tloušťky napěnění. Specifikace materiálu a drsnost povrchu formy je uvedena na výkrese. Ostatní výkresy formy jsou uvedeny v příloze této práce.
Původním záměrem bylo také měření pevnosti studeného spoje dle specifikace normy VW. Pro tento účel byla uzpůsobena jedna zkušební dutina. Od tohoto záměru však bylo po prvních testech po dohodě s vedoucím práce upuštěno s ohledem na následnou úpravu formy.
Rozměry dutin formy, včetně velikosti vstřikovacích bodů byly původně navrţeny shodně pro obě zkušební destičky. Pro závěrečné testování a moţnost odzkoušení na tahovou zkoušku byla dutina o tloušťce 8 mm zvětšena na rozměr 70 x 30 mm. Zároveň byl také zvětšen vstřikovací bod u tohoto tvaru o cca 50 %.
Hlavním poţadavkem pro změnu velikosti vtoku byla na základě provedených testů predikce lepšího plnění dutiny formy a tím dosaţení niţší hustoty.
Obr. 3.3: Výkres formy pro testování na TUL
Velikost vstřikovací bodu u dutiny cca 50 x 30 x 6 mm ~ 3,0 x 2,5 mm Velikost vstřikovací bodu u dutiny cca 50 x 30 x 8 mm ~ 3,5 x 2,5 mm Velikost vstřikovací bodu u dutiny cca 70 x 30 x 8 mm ~ 3,5 x 4 mm
Celkový vstřikovaný objem zkušebních vzorků: ~ 24.850 mm3
Další formou pro testování a ověření dosaţených parametrů, byla zkušební forma na měření trvalé deformace TPS materiálů ve společnosti KRAIBURG TPE.
39
Obr. 3.4: Výkres zkušebního vzorku pro ověřování parametrů v KTPE
Základem formy byl centrální vstřikovací bod dle výkresu na obrázku 3.4.
Rozměr zkušebního tělesa byl ~ 71x71 mm s tloušťkou stěny 6 mm. Vstřikovací bod byl o velikosti ~ 1 mm.
Celkový vstřikovaný objem: ~30.250 mm3
3.4.1 Příprava vzorků na testování
Vzorky směsí materiálů a nadouvadel byly připravovány v laboratorních podmínkách před kaţdým vzorkováním na vstřikovacím stroji. Nejprve byl vţdy odváţen konkrétní typ termoplastického elastomeru a po přepočítání přidáno přesně odváţené mnoţství nadouvadla. K odváţení přesného mnoţství TPS materiálů a nadouvadel byla pouţita váha RADWAG, typové označení WPS/C/2. Mísení TPS materiálů a nadouvadel bylo provedeno po odváţení v připravené nádobě, důkladným ručním promícháním, neboť jiný způsob vzhledem k daným podmínkám nebyl moţný.
PARAMETRY VÁHY RADWAG WPS/C/2
min váha - 0,5 g, max. váha vzorku - 4 kg tolerance váţení e = 0,10 g, směrodatná odchylka váţení d = 0,01 g
40
3.5 TESTOVÁNÍ TPS MATERIÁLŮ S NADOUVADLY
Testování bylo moţno rozdělit dle několika hledisek. Dle jednoho z hledisek na testování na vstřikovacím stroji ENGEL 80/25 Victory na TUL a na ověřovací testy v KTPE na stroji DEMAG ET 80-430-B-2 EXTRA. Dle dalšího hlediska bylo moţné testování rozdělit na TPS materiály s nadouvadly na 1K a 2K aplikace s polyolefiny a na testování směsí materiálů pro 2K aplikace s ABS, PC a PA.
Testování směsí materiálů bylo rozděleno na dvě části. V první, hlavní, části probíhalo testování na TUL na stroji s neuzavíratelnou tryskou. Zde bylo provedeno kompletní otestování všech typů nadouvadel se všemi typy TPS materiálů.
V druhé části probíhalo testování na vstřikovacím stroji v KTPE k ověření dosaţených parametrů z TUL. Cílem bylo zjistit nejen zpracovatelnost na jiném stroji, ale především na jiné formě a s jinou velikostí vstřikovacího bodu. Stroj DEMAG EXTRA byl navíc vybaven uzavíratelnou tryskou.
Postup testování TPS materiálů s nadouvadly – 1K aplikace
Testování bylo moţné, dle níţe uvedeného schématu na obrázku 3.5 rozdělit na čyři hlavní fáze.
Obr. 3.5: Schéma testování TPS materiálů s nadouvadly dle jednotlivých fází
41
V první fázi byl testován pouze TPS materiál THERMOLAST K TF6CGT se všemi typy nadouvadel v hodnotách 2, 6 a 10 % k nastavení optimálních parametrů a k získání prvních poznatků o vstřikovacím procesu. Následně byla vyhodnocena úspora a rozhodnuto pro druhou fázi o testování vybraných nadouvadel přidáním 2, 3 a 4 % do TPS materiálů. Nadouvadlo BIH 40 bylo taktéţ testováno i v hodnotách 0,5 – 1 % pro vybrané typy materiálů. V třetí fázi byly vybrané směsi testovány na ověření dosaţené úspory v KTPE a na moţnost testování vzorků na pevnost v tahu a taţnost. Vzhledem k tomu, ţe výsledné vzorky nebyly nejvhodnější pro testy, byly ve čtvrté fázi testovány opět vybrané materiály na upravené formě na TUL. U kaţdé fáze jsou popsány všechny testované materiály a nadouvadla, včetně dávkování a uskutečněných testů materiálových hodnot.
Postup testování TPS materiálů s nadouvadly pro 2K aplikace s ABS, PC, PA
Testování bylo rozděleno na tři hlavní fáze, dle níţe uvedeného schématu na obrázku 3.6. V první fázi bylo zkoušeno nadouvadlo HT01MBX120 přidáním 2, 3 a 4% do originálních TPS materiálů THERMOLAST K TC6MLB a TC6PAN. Pro ověření dosaţených parametrů byly následně materiály s přidáním 3 % nadouvadla testovány v KTPE. Ve třetí fázi bylo provedeno testování na upravené dutině formy na TUL, tedy se zvětšeným vtokem a prodlouţenou délkou dutiny.
Obr. 3.6: Schéma testování 2K TPS materiálů s nadouvadly dle fází
42
3.5.1 Fáze 1 - Testování na stroji ENGEL 80/25, TUL
V první fázi testování na vstřikovacím stroji ENGEL 80/25 na TUL bylo důleţité zjistit, jaké technologické parametry nastavení jsou nezbytné. Především tedy jaký vliv mají teplota vstřikování, zpětný odpor šneku, otáčky šneku, dotlak, teplota formy, velikost a profilování vstřikovací rychlosti a bod přepnutí pro dosaţení optimálně napěněné struktury a k získání nejniţší výsledné hustoty destiček.
Testy byly provedeny na vybraném typu materiálu TF6CGT s níţe uvedenými typy nadouvadel. První ověřovací testování probíhalo s nadouvadlem TPE FOAM 01 v mnoţství 2 %, na kterém se testovaly doporučené parametry dle výrobců nadouvadel a KTPE.
Testované nadouvadla pro určení optimálního procentuálního mnoţství
TPE FOAM 01 TPE FOAM 04
EXPANCEL 950MB80 EXPANCEL 951MBX120,
Hydrocerol BIH 40
Výchozím bodem pro testování byly parametry od výrobce materiálů TPS.
Teploty byly nastaveny na hodnoty od 190 (teploty jsou vţdy uvedeny směrem od trysky k násypce) po 160°C, otáčky šneku byly na 60 % maxima, vstřikovací rychlost na 100 mm/s, nulový dotlak, teplota formy 40°C. Jednotlivé parametry byly regulovány postupně po jednotlivých krocích, aby bylo zřejmé, který z parametrů má pozitivní vliv na maximální sníţení hustoty. Po prvních testech byly teploty vstřikování ustáleny na 185 180 175 160°C. Vzorky byly pro rychlé sledování sníţení hustoty a následnou moţnost změny parametrů váţeny na váze RADWAG.
Vzhledem k tomu, ţe materiál po vyjmutí z formy nebyl tvarově stálý, tak byl následně aplikován dotlak o velikosti 10 barů po dobu 20 sekund. Dotlak byl v první fázi nutný k dodrţení daných rozměrů – při dalších testech toto bylo eliminováno pouze dobou chlazení, neboť po odstranění dotlaku dále klesla výsledná hustota.
Doba chlazení byla plně odvislá od tloušťky materiálu a procentuálního obsahu dávkování nadouvadla (20 – 40 s). Dále byl plně odstraněn zpětný odpor šneku, protitlak, coţ mělo další velký efekt na sníţení hmotnosti a tedy i hustoty.
Po eliminaci dotlaku a zpětného odporu šneku se ukázalo, ţe velmi významným byl bod přepnutí mnoţství materiálu vstříknutého do formy. Po
43
nastavení základních parametrů bylo přistoupeno k nastavení minimální hodnoty přepnutí dávky tak, aby byl zkušební vzorek plně doplněn. Vţdy byla testována hranice, kdy byl materiál nedoplněn a postupně se sniţoval bod přepnutí do momentu, kdy byly vzorky plně doplněny. Vliv teploty formy na výsledný povrch byl minimální. Testovány byly teploty v rozmezí 45 aţ 30°C, avšak bez výrazného vlivu.
Dále bylo přistoupeno k testování dalších nadouvadel za stejných technologických podmínek pro moţnost porovnání předběţných výsledků. Tato testování probíhala s přidáním výše uvedených nadouvadel v mnoţství 2, 6 a 10 %, s výjimkou u TPE FOAM 04 a BIH 40 pro 10 %. Tato nadouvadla bylo nemoţné náleţitě zváţit, neboť byla nehomogenní a nedoplněná na daný objem dutin formy.
Z těchto předběţných výsledků, zaloţených na porovnání hmotnosti zkušebních těles s nadouvadlem a originálním materiálem THERMOLAST K TF6CGT, bylo následně rozhodnuto, jaké procentuální mnoţství nadouvadel bude v druhé fázi testováno. Srovnání dosaţených výsledků je uvedeno níţe v tabulce 3.10.
Tab. 3.10: Předběţné výsledky sníţení hustoty TF6CGT
Nadouvadlo/ % obsah 2% 6% 10%
TPE FOAM 01 (120μm) 21% 37% 41%
TPE FOAM 04 (80μm) * 28% 35% -
Hydrocerol BIH 40 20% 21% -
EXPANCEL 950MB80 19% 37% 41%
EXPANCEL 951MBX120 16% 31% 37%
* Pozn.: uvedené nadouvadlo nebylo homogenní – pro další testování nepouţitelné
Z dosaţených výsledků bylo patrné, ţe hranice ideálního dávkování nadouvadla pro TPE FOAM a EXPANCEL byla mezi 2- 6 %. Nad hranicí 6 % bylo jiţ další přidávání nadouvadel značně neekonomické, neboť kaţdé přidané procento nad touto hranicí sníţí hustotu o 1 % výsledného zkušebního vzorku. Navíc byl u 10 % dávkování značný problém s výrazně měkčím čelem ve směru toku materiálu.
TPE FOAM 01
Nadouvadlo na fyzikální bázi fungovalo velmi dobře. Při přidaném mnoţství nadouvadla v mnoţství 6 a 10 % expandovala směs z trysky plastifikačního válce.
Zkoušeno bylo přidání 2, 6 a 10 %, materiál byl homogenní. Vzhledem k tomu, ţe nadouvadlo bylo ţluté barvy, tak byla výsledná směs okrové barvy.
44
TPE FOAM 04
Nadouvadlo nefungovalo s ohledem na nehomogenní povrch a vnitřní strukturu. Vrstvy TF6CGT s nadouvadlem se odlupovaly, byly nesoudrţné.
Zkoušeno bylo pouze přidání mnoţství 2 a 6 %. Nadouvadlo bylo jiţ samo o sobě nehomogenní – granule byly nařezané a vnitřně velice sypké. Nadouvadlo nebylo vhodné pro další testování. Srovnání struktury povrchu pro nadouvadla TPE FOAM 01 a 04 je na obrázku 3.7.
TPE FOAM 01 – 6% TPE FOAM 04 – 6%
Obr. 3.7: Srovnání homogennosti povrchu u TPE FOAM 01 a 04
HYDROCEROL BIH 40
Nadouvadlo v zásadě nefungovalo špatně. Expandovalo uvnitř materiálu, na povrchu zůstávala vrstva plného materiálu, na čele byl však materiál neuzavřen a vznikalo poměrné značné přefukování uvnitř vzorků. Zkoušena byla vyšší rychlost, avšak bez ţádného výrazného vlivu, naopak se uvnitř materiálu uzavíralo více plynu – důsledkem bylo výrazné nabobtnání materiálu. Rychlost byla následně sníţena na minimum, čelo bylo však i při nastavené minimální uzavírací síle stále nehomogenní. Testováno bylo přidání BIH 40 v mnoţství 2, 6 a 10 %. U 10 % bylo nemoţné zhodnotit úsporu hustoty. Na základě uskutečněných testů, bylo nadouvadlo vybráno pro další testování v rozmezí 2, 3 a 4 %. V druhé fázi testů byl po dohodě s KTPE kontaktován výrobce, společnost Clariant, pro upřesnění optimálních parametrů pro vstřikování, především tedy vstřikovacích teplot a přidaného mnoţství. Doporučené dávkování pro tento typ nadouvadlo by mělo být dle výrobce v rozmezí 0,5 – 1 %.
45
EXPANCEL 951MBX120
Nadouvadlo fungovalo velice dobře, zkoušeno bylo dávkování pro 2, 6 a 10 %.
Výsledky i struktura povrchu byly obdobné jako u TPE FOAM 01. U 10 % byla jiţ čela vstřikovaných zkušebních vzorků méně homogenní. Čelo mělo o cca 10 - 15 Shore A niţší tvrdost, neţ zbylá část vzorků. Nadouvadlo bylo vhodné pro další testování.
EXPANCEL 950MB80
Nadouvadlo fungovalo taktéţ velice dobře, testováno v mnoţství 2, 6 a 10 %.
Povrch vzorků byl odlišný od předchozích nadouvadel 951MBX120 a TPEFOAM 01, neboť více kopíroval povrch formy a blíţil se chemickému typu nadouvadla Hydrocerol BIH 40. Vhodné pro další testování.
3.5.2 Fáze 2 - Testování na stroji ENGEL 80/25, TUL
Po konzultaci s TUL a KTPE bylo pro další testování rozhodnuto o vybrání třech nadouvadel TPE FOAM 01, 950MB80 a 951MBX120 pro dávkování ve 2, 3 a 4 % do TPS-SEBS materiálů, respektive v hodnotách 0,5 a 1 % pro nadouvadlo typu Hydrocerol BIH 40. Vzhledem k nesourodosti vzorků s nadouvadlem TPE FOAM 04, jiţ nebyl tento typ nadále testován. Nejen povrch vzorku, ale také vnitřní struktura byla značně nesourodá. Dle následné kontroly bylo zjištěno, ţe samo nadouvadlo bylo značně nehomogenní a tudíţ dále nepouţitelné. Přehled testovaných parametrů u vybraných směsí je uveden v tabulkách 3.11 a 3.12.
Testované typy nadouvadel v druhé fázi
TPE FOAM 01, 950MB80, 951MBX120 2, 3, 4 %
Hydrocerol BIH 40 4 %, následně 0,5-1 %
Základní nastavené parametry na stroji ENGEL 80/25
Zpětný odpor šneku 0 bar
Dotlak 0 bar – 0 s
Teplota formy 30-45°C
Uzavírací síla 150 - 200 kN
Dekomprese před a po dávkování 5 mm
