Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 5 Polymeerit 2012

Transkriptio

1 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen LUENTO 5 Polymeerit 2012

2 Osaamistavoite Tämän luennon jälkeen opiskelija osaa: Tunnistaa ja luokitella ne tekijät, joilla on keskeisin vaikutus polymeerien materiaaliominaisuuksiin polymeerien (muovien) vertailussa ja materiaalin valinnassa tarvittavat keskeiset tunnusluvut

3 1 Polymeerin määritelmä Muoveilla tarkoitetaan yleensä polymeerien ja lisäaineiden kaupallisia yhdistelmiä. Lisäksi muovien kanssa käsitellään yleensä kumit, jotka kuuluvat elastomeereihin. Muovien ja elastomeerien välillä ei ole tarkkaa rajaa. Muovit, kumit ja elastomeerit muodostavat yhdessä materiaaliryhmän, jota kutsutaan polymeereiksi.

4 2 Polymeerien luokittelu Käytössä on kolme periaatteellista luokittelutapaa: Luokittelu polymeraatioreaktion perusteella Luokittelu käyttäytymisen perusteella Luokittelu polymeeriketjurungon perusteella

5 2.1 Luokittelu polymeraatioreaktion perusteella Polymeraatioreaktioita on kahta päätyyppiä: Additiopolymeraatio ja Kondensaatiopolymeraatio Additiopolymeraatiossa monomeerit liittyvät toisiinsa. Kondensaatiopolymeraatiossa kaksi eri monomeeria liittyy toisiinsa kemiallisen reaktion välityksellä siten, että jokin yhdiste poistuu reaktiossa polymeerin syntymisen yhteydessä.

6 Vinyylikloridimonemeereja 3 kpl vetyä 1 kpl klooria 2 kpl hiiltä Additiomekanismi PVC Additiomekanismin esimerkki: Vinyylikloridimonomeerit polymeroituvat additiomekanismilla polyvinyylikloridiksi (PVC). Muodostuvan polymeerin pienin osanen on silloin kahden hiilen mittainen pätkä ketjua, jossa on kolme vetyä ja yksi kloori. Tätä pienintä toistuvaa yksikköä kutsutaan meeriksi.

7 Kondensaatipolymeraation esimerkki

8 Veden (absorption) vaikutus on suurin sellaisilla polymeereillä, jotka on valmistettu synteettisesti kondensaatiomenetelmillä. Jos tällainen polymeeri joutuu käytön aikana kosketuksiin veden kanssa, voi seurauksena olla polymeeriketjun hajoaminen. Esimerkiksi PA on altis tälle ilmiölle.

9 2.2 Luokittelu polymeerien käyttäytymisen perusteella Polymeerit voidaan jakaa niiden käyttäytymisen perusteella kestomuoveihin, kertamuoveihin ja elastomeereihin.

10 Kestomuovit ovat muoveja, joita voidaan toistuvasti pehmentää muovattaviksi esimerkiksi lämpötilan avulla. Koska pehmentäminen on toistuvasti mahdollista voidaan kestomuoveja muovata ja hitsata

11 Esimerkkejä konstruktiomateriaaleina käytettävistä kestomuoveista ovat mm: Polyvinyylikloridi (PVC), jota käytetään erilaisissa putkistoissa Polyamidi (PA), josta valmistetaan mm. hammaspyöriä Polykarbonaatti (PC), josta valmistetaan iskunkestäviä koneenosia. Polyimidi (PI), josta valmistetaan korkeaa lämpötilaa kestäviä koneenosia

12 Kertamuoveja ei voi rakenteen kerran muodostuttua saada enää muovattavaan tilaan, vaan lämmittäminen tuhoaa muovin. Tyypillisiä kertamuoveja ovat esimerkiksi: polyuretaanit (UP) ja epoksit (EP)

13 Kerta- ja kestomuovien sekä elastomeerien polymeeriketjujen rakenteen erot

14 2.3 Luokittelu polymeeriketjurungon tyypin perusteella Polymeeriketjurungon eri tyypit ovat: Hiilivetypolymeerit Hiiliketjuiset polymeerit Heteroketjuiset polymeerit Aromaattisen renkaan sisältävät polymeerit

15 Koska polymeerit ovat suurimmaksi osaksi orgaanisia yhdisteitä, on niiden teknisen käyttäytymisen ymmärtämisen pohjana niiden kemiallisen rakenteen (mm. polymeeriketjurungon tyypin) tunteminen. Esimerkiksi voimakkaasti orientoitujen kuitujen lujuus ja jäykkyys muoviköydessä ovat hyvät vain yhdessä suunnassa, koska polymeeriä orientoitaessa polymeeriketjut suuntautuvat vedon suuntaan (käytännössä polymeeriä siis vedetään). Polymeeriketju on sitoutunut ketjun suunnassa lujilla kovalenttisilla sidoksilla ja Ketjut ovat sitoutuneet toisiinsa toisiinsa vain ketjuja vastaan kohtisuorassa suunnassa olevilla heikoilla sekundäärisidoksilla. Rakenne on siis anisotrooppinen.

16 Hiilivetypolymeerien polymeeriketju on pelkästään hiiltä, johon on liittynyt riittävä määrä vetyatomeja neljän sidoselektronin käyttämiseksi. Kuvassa on esitetty hiilivetypolymeereistä esimerkkinä polyeteeni (PE) ja polypropeeni (PP). Hiiliketjuiset polymeerit. Useimmat tekniset muovit eivät ole pelkkiä hiilivetyjä, vaan sisältävät myös muita alkuaineita. Kuvassa alla on esitetty teflon (polytetrafluorieteeni, PTFE), joka on samanlainen rakenteeltaan kuin polyeteeni, mutta vedyt on korvattu fluorilla. Heteroketjuisissa polymeereissä on ketjurungossa myös muita alkuaineita kuin hiili. Yleisimpiä alkuaineita ovat happi ja typpi, mutta myös rikkiä esiintyy ketjussa usein. Hapella ja rikillä on käytössään kaksi sidoselektronia ja typellä kolme. Polyamidi on tärkeä tekninen heteroketjuinen muovi. Polyamidin (PA66) nimi tulee meerin keskellä näkyvästä NH-CO ryhmästä, joka on amidiryhmä. Merkintä 6,6 tulee ryhmän molemmin puolin olevien hiiliketjujen hiiliatomien lukumäärästä (6 ja 6). Aromaattisen renkaan sisältävät polymeerit. Bentseenirengas voi esiintyä polymeerissä sekä ketjurungossa että ketjurungon sivuryhmänä. Kuvassa on esitetty polystyreenin rakenne, jossa normaaliin hiilivetypolymeeriin on yhden vedyn tilalle liittynyt bentseenirengas.esimerkkinä monimutkaisesta bentseenirenkaita ketjurungossaan sisältävästä polymeeristä on komposiitteihin kuuluva Kevlar.

17 3 Rakenteen vaikutus polymeerin ominaisuuksiin Polymeerin rakenne vaikuttaa materiaaliominaisuuksiin seuraavilla eri tasolla: Yksittäisen meerin rakenteen vaikutus Polymeerimolekyylin rakenteen vaikutus Polymeeriketjun rakenteen vaikutus (ketjun haaroittuneisuuden vaikutus) Usean eri meerityypin käytön vaikutus (polymeeriseoksien käytön vaikutus)

18 Polymeeriketju Haaroittuneisuus Verkottuneisuus Kiderakenne

19 3.1 Meerin rakenteen vaikutus polymeerin ominaisuuksiin Meerin rakenteessa vaikuttavat ratkaisevasti sisäiset kemialliset sidokset (ja atomit, joiden kesken sidos muodostuu) Yksöis- tai kaksoissidokset

20 Sidos Sidosenergia kj/mol C-C 350 C-H 410 C-F 440 C-Cl 330 C-O 350 C-S 260 C-N 290 N-N 160 N-H 390 O-H 460 C = C 810 C = O 715 C = N 615 Polymeereissä esiintyvien alkuaineiden välisiä sidostyyppejä ja näiden sidosten välisiä lujuuksia.

21 Meerin jäykkyys riippuu suurelta osin sen sidoksista: Kaksoissidokset lisäävät meerin jäykkyyttä: kaksoissidos on vääntöjäykkä, Myös polymeeriketjussa esiintyvät aromaattiset renkaat (esim. bentseenirengas) lisäävät vääntöjäykkyyttä.

22 3.2 Polymeerimolekyylin rakenteen vaikutus polymeerin ominaisuuksiin Esimerkiksi polypropeenilla esiintyy kolme eri stereoisomeeristä muotoa, joiden rakenteet eroavat toisistaan siten, että kaikki metyyliryhmät (CH 3 )voivat olla polymeeriketjun samalla puolella, ko. sivuryhmät ovat vuoronperään polymeeriketjun eri puolilla tai metyyliryhmät ovat satunnaisesti ketjun molemmin puolin.

23 Luja Vrt. metyyliryhmän sijainti! Vääntöjäykkä Polypropeenin (PP) kolme eri stereoisomeeristä muotoa

24 3.3 Polymeeriketjun haaroittuneisuuden vaikutus polymeerin ominaisuuksiin Polymeeriketju voi olla rakenteeltaan suora tai haaroittunut. Esimerkiksi polyeteenistä (PE) on olemassa kolme eri laatua. Nämä ovat: korkean tiheyden polyeteeni (HDPE), matalan tiheyden polyeteeni (LDPE) ja lineaarinen matalan tiheyden polyeteeni (LLDPE).

25 HDPE) LUJUUS KASVAA LDPE LLDPE Polyeteenin eri rakenteiden periaatekuvat

26 Haaroittuneisuus (tiheysluokittelu) on tiedettävä, jotta jokin polymeeri voidaan valita materiaalin valintatehtävän ratkaisuksi OMINAISUUS LDPE LLDPE HDPE TIHEYS (g/cm³) 0,92-0,93 0,922-0,926 VETOLUJUUS (GPa) 6,2-17,3 12,4-20,0 0,95-0,96 20,0-37,3 MURTOVENYMÄ % Polymeeriketjun haaroittuneisuuden vaikutus materiaalin ominaisuuksiin

27 3.4 Polymeeriseosten käytön vaikutus polymeerin ominaisuuksiin Kuten metalleista ja keraameista, on polymeereistäkin mahdollista valmistaa seoksia. Kun käytetään kahta tai useampaa meeriä, on kyseessä kopolymeeri.

28 4 Mekaaniset ominaisuudet Polymeerien ominaisuuksia tarkasteltaessa erityinen huomio tulee kiinnittää seuraaviin materiaaliominaisuuksiin: 1 Lasimuutoslämpötila 2 Jännitys-venymäkäyrän muoto 3 Viskoelastinen käyttäytyminen 4 Virumislujuus ja muodonpysyvyyslämpötila 5 Iskusitkeys ja harsoontuminen 6 Väsymislujuus 7 Vanheneminen 8 Jännityssäröily

29 4.1 Lasimuutoslämpötila Polymeerien termisistä ominaisuuksista tärkein on nk. lasimuutoslämpötila. Polymeerin lasimuutoslämpötila tarkoittaa mekaanisesti hyvin samanlaista käyttäytymistä kuin laseilla. Käytännössä tarkastellaan kimmomoduulin muuttumista lämpötilan funktiona

30 Polymeerin periaatteellinen kimmomoduli lämpötilan funktiona

31 4.2 Jännitys-venymäkäyrä Kuvassa on esimerkkinä polyamidi 6,6:n (PA66) jännitysvenymäkäyrä. Huomattavaa on suuri myötymä ja pitkä venymä ilman muokkauslujittumista.

32 4.3 Viskoelastinen käyttäytyminen Kun lämpötila on alhainen tai kuormitusnopeus on suuri, on polymeeriketjujen vaikea liikkua toistensa suhteen ja polymeeri käyttäytyy ensin elastisesti ja sitten plastisesti (kuten metallit). Kun lämpötila kasvaa tai kuormitusnopeus laskee (vedetään hitaammin) polymeeriketjut liukuvat helposti toistensa suhteen ja polymeeri käyttäytyy jähmeän nesteen tavoin. (vrt. lasit).

33 4.4 Virumislujuus ja muodonpysyvyyslämpötila Jos muodonmuutos on ajasta riippuvaa, puhutaan virumisesta. Riittävän pitkän ajan kuluessa tapahtuu virumismurtuma. Virumisen kanssa samankaltainen ilmiö on jännitysrelaksaatio eli tilanne, jossa (vakiomyötymään) asti kuormitetun kappaleen jännitys laskee ajan funktiona. Tämä ilmiö johtaa esimerkiksi kiristettyjen/ kiinnitettyjen (jännityksessä olevien) muoviosien löystymiseen.

34 Polyeteenin virumismurtumaan tarvittava aika tietyllä jännityksellä eri lämpötiloissa.

35 Muodonpysyvyyslämpötila kuvaa mekaanisten ominaisuuksien muuttumista lämpötilan kohotessa. Muodonpysyvyyslämpötila ei ole korkein sallittu käyttölämpötila, vaan suure, jonka avulla voidaan vertailla muoveja keskenään. Muodonpysyvyyslämpötila voidaan mitata esimerkiksi standardikokeella, jossa koesauvaa rasitetaan vakiotaivutusjännityksellä ja samalla nostetaan hitaasti materiaalin lämpötilaa. Sitä lämpötilaa, missä sauvan taipuma on 0.25 mm, kutsutaan muodonpysyvyyslämpötilaksi.

36 Polymeeri Polyeteeni (UHDPE) Polypropeeni (PP) Polyamidi (PA6,6 + nylon) Polyamidi-imidi (PAI) Muodonpysyvyyslämpötila C Eräiden polymeerien muodonpysyvyyslämpötiloja 1.8 MPa:n kuormituksella (sallitaan tietty vakio muodonmuutos).

37

38 4.5 Iskusitkeys ja harsoontuminen Viskoelastisuudella voidaan myös selittää polymeerien iskukäyttäytyminen: Kun muodonmuutos on hyvin nopeaa, eivät ketjut ehdi liikkua, vaan polymeeri käyttäytyy hauraasti. Oman erikoinen kestomuovien muodonmuutostapa on harsoontuminen: Kiteisten alueiden välillä olevat ketjut suoristuvat kunnes niiden väliin jää tyhjiä alueita eräänlaisia onkaloita. Kyseessä ei ole vielä murtuma, mutta se muuttaa muovin väriltään sameaksi. Harsoontumalla muodostuneiden onkaloiden kasvu voi kuitenkin johtaa polymeerin murtumiseen.

39 Polymeerin harsoontumisen periaate

40 4.6 Väsymislujuus Erityisesti muovien väsymislujuus määritetään vaihtojännityksen arvona, jota materiaali kestää murtumatta 10 7 kuormanvaihtokertaa. Kun muovikappale joutuu väsyttävän kuormituksen alaiseksi, sen lämpötila nousee. Lämpötilan nousu alentaa monien muovien väsymislujuutta. Jos väsyttävän kuormituksen kuormanvaihtotaajuus on yli 10Hz, eikä ko. muovilaatu siedä kohotettua lämpötilaa, tulisi muoviosalle järjestää jäähdytys esimerkiksi suunnittelemalla muoviosa kiinteään yhteyteen metallin kanssa materiaaliparin valinta.

41 4.7 Vanheneminen Monet muovilaadut kärsivät vanhenemisesta. Se tarkoittaa muovin ominaisuuksien heikkenemistä ajan kuluessa. Yleisiä vanhenemisilmiöitä ovat haurastuminen ja värinmuutokset etenkin ulkokäytössä.

42 4.8 Jännityssäröily Mekaanisen rasituksen seurauksena muoveissa voi muodostua säröjä. Jännitys voi aiheutua ulkoisista voimista tai valmistusprosessien synnyttämästä jännitystilasta.

43 5 Muovien ominaisuuksien vertailu Muovin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaihtelevat suuresti seos- ja täyteaineiden mukaan. Muovien monet mekaaniset ominaisuudet riippuvat huomattavasti käyttölämpötilasta. Muovien ominaisuusvertailut tehdään yleensä nelikenttiä käyttäen.

44

45

46 Iso käyttölämpötilaskaala Hyvät mekaaniset ominaisuudet normaaliolosuhteissa, lujittaminen mahdollista

47

48

49 Tärkeimpiä muoveja ja niiden tyypillisiä käyttökohteita PE = polyeteeni (LDPE, HDPE) PP = polypropeeni PVC = polyvinyylikloridi (pehmeä/kova) PA = polyamidi (useita laatuja) PI = polyimidi PPO = polyfenyylioksidi PS = polystyreeni (iskunkestävät lajit SB, HIPS) ABS = akryylinitriilibutadieenistyreeni SAN = styreeniakryylinitriili PC = polykarbonaatti POM = polyoksimetyleeni PSU = polysulfoni PMMA = polymetyylimetakrylaatti PPS = polyfenyylisulfidi PTFE = polytetrafluorieteeni

50 Muovien valintasuosituksia on taulukoituna valmiiksi koneenrakentajan käyttöön

51

52 Sovellusesimerkkejä koneenrakennuksen kohteista Muoviset hammaspyörät: High Performance Polymers (PEEK,PES,PI) Vaativat kuormitusolosuhteet Polyasetaali POM Väsymislujuus Polyamidi PA (Adhesiivisen) kulumisenkesto Fenolimuovit PF Edullinen Muoviset liukupinnat/ liukulaakerit: Polyamidi PA, Polyeteeni PE, Teflon PTFE (kaikilla pieni kitka terästä vastaan)

53

54 AMORPHOUS SEMI-CRYSTALLINE

55

56 NVH = reduction of Noise, Vibration, and Harshness

57 High Performance Polymers / Review Vuosi

58 High Performance Polymers/ ALL Vuosi

59 Tire Pressure Sensors Lighten Up but Withstand Heavy Spin Loads, Thanks to High-Performance Polymers extremely lightweight sensors aiming at the emerging market for tire pressure monitoring made of high performance polyamide (PA) and nylon 66.. sensor weight is just 30 grams. light weight is a crucial advantage for parts inside the tire that must withstand loads produced by centrifugal forces up to 3,000 times gravity.

60

61

62

63 Polymeerien ominaisuuksien parantaminen PTFE-lisäys alentaa kitkaa ja parantaa tribologisia ominaisuuksia Molybdeenisulffidi (MoS 2 )muuttaa kiteytymistä ja kovettaa pintaa Grafiittijauhe parantaa ominaisuuksia kosteissa olosuhteissa Aramidi parantaa kulumiskestävyyttä Hiili- ja lasikuidut parantavat mekaanisia ominaisuuksia Nk. High Performance polymers (PEEK, PES, PI) Erilaisten polymeeriseosten muodostaminen

64

65 6 Muovien lisäaineet Stabilaattorit käytetään mm. UV säteilyn kestävyyden parantamiseksi. Väriaineet Pehmittimet materiaalin kovuutta ja jäykkyyttä voidaan varioida (esim. PVC) Antistaattiset seosaineet Vähentävät mm. muoviosan staattista sähköisyyttä Palonestoaineet estävät muovien syttymistä ja palamista muodostamalla kaasuja, jotka estävät hapen pääsyn polymeerin yhteyteen. Voiteluaineet käytetään helpottamaan muovituotteen valmistusprosesseja (helpottavat mm. sulan virtausta ja pienentävät muotin seinämän aiheuttamaa kitkaa).

66 MATERIAALIN VALINTA VS MUOVITUOTTEEN VALMISTUS

67 1 Johdanto muovituotteiden valmistusmenetelmiin Tärkeimmät muovituotteen valmistusmenetelmät ovat seuraavat: Ruiskupuristus Lämpömuovaus Puhallusmenetelmä Suulakepuristus Rotaatiovalu Kalentorointi Päällystäminen

68 1.1 Ekstruusio eli suulakepuristus Lämmitetty sula muovimassa puristetaan tiiviiksi massaksi ja johdetaan suulakkeen läpi, joka antaa sille halutun muodon. Puristimessa oleva syöttöruuvi kuljettaa massaa eteenpäin. Valmistetaan esimerkiksi muoviputkia, - letkuja ja -profiileja.

69 1.2 Ruiskuvalu eli ruiskupuristus Lämmitetty sula muovimassa valetaan/ruiskutetaan paineella suljettuun, jäähdytettyyn muottiin ja poistetaan vasta kun aine on muuttunut kiinteäksi.

70 Ruiskuvalusta on useita erilaisia sovelluksia: Rinnakkaisruiskuvalua ja monikomponenttiruisku (useiden materiaalien yhdistäminen samaan tuotteeseen) Kaasuavusteisesta ruiskuvalusta (suurille seinämänvahvuuksille)

71 1.2.1 Ruiskuvalusta tarkemmin Ruiskuvalusta on tullut nykyisin kaikkein yleisin menetelmä muokata erilaisia polymeerimateriaaleja muovituotteiksi. Ruiskuvalu sopii seuraaville polymeereille: Kestomuovit Kertamuovit Elastomeerit Kumit Komposiitit Solustetut muovit Eniten käytetään erilaisia kestomuoveja.

72 Ruiskuvaluprosessi sisältää seuraavat vaiheet: Plastisointi (sekoittaminen eli mekaaninen työ ja lämmitys) Ruiskutus (muottipesän täyttäminen) Jäähdytys (muottipesässä olevan materiaalin jäähdytys) Valmiin kappaleen ulostyöntö muotista Ruiskuvaluprosessin onnistumiseen vaikuttavat tekijät ovat ennen kaikkea muovimassan lämpötila, paine, virtaavan muovimateriaalin suuntautuminen (orientaatio) ja materiaalin kutistumisominaisuudet. Ruiskuvaletut kappaleet ovat näistä ominaisuuksista johtuen epähomogeenisia ja niihin muodostuu sisäisiä jännityksiä.

73 Plastisoinnin tärkeimmät laadulliset tekijät ovat: säilyttää muovin ominaisuudet mahdollisimman hyvin alkuperäisellä tasollaan niin, että polymeerin hajoamista tapahtuu mahdollisimman vähän massan lämpötila on mahdollisimman tasainen koko ruiskutusannoksen alueella tasainen väri-, täyte- ja lisäaineiden jakautuma

74 Ruiskutusvaiheen asetuksien merkitys kappaleen laadun muodostumiselle on tärkeä: Varsinkin kappaleen pinnanlaatu riippuu merkittävästi käytetystä ruiskutusnopeudesta: Ruiskuvalukappaleen laatu ja varsinkin pinnanlaatu vaativat, että massasulan lämpötila olisi vakio koko ruiskutusvaiheen ajan. Hitaamman ruiskutuksen aikana massasula jäähtyy koko ajan, kun taas hyvin nopean ruiskutuksen loppuvaiheessa massasula saattaa olla aloituslämpötilaa korkeampi johtuen massan sisäisen kitkan aiheuttamasta lämpenemisestä.

75 Muovien muottikutistuma

76 Ruiskuvalua käytetään eniten kestomuovituotteiden valmistusmenetelmänä. Sitä voidaan käyttää soveltaen myös tuotteille, jotka ovat kertamuovia, komposiittia, lujitettua muovia, blendiä (polymeeriseos, jossa eri osat eivät reagoi keskenään atomitasolla), solustettua muovia tai kumia. Käytettävän materiaalin tulee olla kuitenkin muovattavissa paineen avulla ja sillä on oltava riittävät virtausominaisuudet.

77 Blendit ovat polymeeriseoksia, joissa on sekoitettu keskenään yhtä tai useampaa polymeeriä siten, että polymeerit eivät reagoi keskenään atomitasolla. Blendin ominaisuuksiin vaikuttaa sekoitettujen polymeerien ominaisuudet. Blendejä prosessoidaan normaalien kestomuovien tavoin (esim. ABS + PC -blendistä valmistetaan matkapuhelimen kuoria)

78 1.3 Lämpömuovaus Lämpömuovaus on menetelmä joka perustuu kestomuovilevyn muovaukseen muotin, lämmön ja alipaineen avulla. Lämpömuovaus tuotteita käytetään kuljetusväline-, elektroniikka-, huonekalu-, ja kylmäkalusteita valmistavassa teollisuudessa. Lämpömuovatut tuotteet ovat: keveitä värillisiä sellaisenaan, ilman maalausta iskukestäviä ruostumattomia pintakuvioitavissa kierrätyskelpoisia Pienten muottikustannusten ansiosta lämpömuovaus on edullinen muovituotteen valmistustapa.

79

80

81 1.4 Kuumapuristus Kuumapuristus on menetelmä pehmeiden polyesterikuituisten ja lasikuituseosteisten muovituotteiden valmistamiseksi. Parhaimmillaan menetelmä on sovelluksissa, missä tuotteelle halutaan monikerrosrakenne ulkonäkö-, lujuusja äänieristysvaatimusten vuoksi. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat ajoneuvojen kangas- tai huopapintaiset sisustuselementit, kuten sisäkatot sekä liikennevälineiden istuinpehmusteet. Kuumapuristus on edullinen valmistusmenetelmä pienissäkin, muutaman sadan kappaleen sarjoissa kehittyneen muottitekniikan ansiosta.

82

83 1.4.1 Siirto- ja ahtopuristus

84 Ahtopuristus ja tuotteen irrotus

85 1.5 Rotaatiovalu Muovijauhe tai -pasta lämmitetään suljetun muotin sisällä, joka pyörii kunnes sulanut muovi on peittänyt kaikki muotin seinämät. Muotti jäähdytetään, pyörimisliike lopetetaan ja kappale poistetaan muotista. Rotaatiovalun tärkein yksikkö on muotti. Rotaatiovalumuotti on edullisempi kuin esimerkiksi ruiskuvalumuotti. Rotaatiovalu tuotteita ovat mm. bensatankit, veneen penkit, kuljetusalustat, kanootit, saavit, suuret säiliöt, surffilaudat, jäteastiat jne.

86 1.6 Kalentorointi Kalanteroinnissa sula muovimassa johdetaan kahden vastakkaisiin suuntiin pyörivän telan välisen raon läpi, jolloin tuotteeksi saadaan kalvo tai levy riippuen raon suuruudesta.

87 1.7 Päällystäminen Paperin ja kartongin käytön kosteissa tiloissa tai nestepakkauksissa mahdollistaa muovipäällystys. Ekstruusiopäällystys on menetelmä, jolla tällainen yhdistelmämateriaali saadaan aikaan.

88 1.8 Puhallusmuovaus Puhallusmuovauksella voidaan valmistaa onttoja säiliöitä, pulloja yms. geometriaoita helposti ja edullisesti. Menetelmässä esim. ekstruusion avulla saadaan aikaiseksi putki, jonka sisällä on paineilmaputki. Muovailtavassa tilassa olevan aihion (siis em. extruusiolla tehdyn putken) ympärille asetetaan muotin puolikkaat ja paineilman avulla laajennetaan putkea kunnes se painautuu muotin seinämiä vasten.

89 1.9 Vakuumimuovaus Vakuumimuovauksessa lämmitetty muovilevy seuraa muotin muotoa, kun muotin läpi imetään vakuumia

90 1.9.1 Syväveto Syvävetotekniikassa kuumennettu muovilevy vedetään esimerkiksi alipaineen avulla muottiin. Tällä tekniikalla valmistetaan esimerkiksi jugurttipurkkeja, kertakäyttöastioita ja säiliöitä.

91 Valmistusmenetelmä Kestomuovit Kertamuovit Kumit Volyymimenetelmä Suuret sarjat Pienet sarjat Ekstruusio Ruiskuvalu Puhallusmuovaus + + Ahtopuristus Siirtopuristus Rotaatiovalu Levynmuokkaus Pinnoitus Hitsaus Liimaus Kalanterointi Lastuava työstö + + +

92 +++

93 3 Muovien hitsaus Ultraäänihitsaus on yleisin tapa liittää muovituotteen osia toisiinsa (Monet muutkin hitsausprosessit ovat sopivia esim. kitkahitsaus.) Se on hyvin nopea menetelmä (hitsausajat ovat lyhyitä, pienillä kappaleilla sekuntia lyhyempiä) Siinä ei tarvita ylimääräisiä materiaaleja Se on ympäristöystävällinen Hitsattavat pinnat täytyy suunnitella erityisesti ultraäänimenetelmää varten. Hitsaus tapahtuu kolmessa vaiheessa: Hitsattavat kappaleet asetetaan hitsauskiinnittimeen Kappaleet puristetaan toisiaan vasten Varsinainen hitsaustapahtuma korkeataajuisella äänellä (20-50kHz)

94 Vain kestomuovituotteita voidaan hitsata, koska se edellyttää muovin sulattamista liitosalueelta. Kestomuoveilla hitsaus on erittäin käyttökelpoinen menetelmä, koska muovin sulattamiseen tarvittavat lämpötilat ovat alhaisia ja käytettävät laitteet yksinkertaisia. Kestomuoveista PTFE ei ole hitsattavissa. Ultraäänihitsaus soveltuu erittäin hyvin jäykkien materiaalien ja ruiskupuristettujen tuotteiden hitsaukseen ja ohuiden levyjen pistehitsaukseen. Kitkahitsaus on yksinkertainen ja useille muovilaaduille soveltuva hitsausmenetelmä. Ainoana vaatimuksena on, että ainakin toisen hitsattavista kappaleista täytyy olla pyörähdyssymmetrinen. Kitkahitsaus soveltuu mm. PP, PC, ASS, PMMA, PA, PVC:lle.

95 4 Muovien liimaus Lähes kaikkia muovilaatuja voidaan liittää toisiinsa sekä metalleihin liimaamalla, mutta liimattavuudessa on kuitenkin suuria eroja. Liimauksessa voidaan muovista riippuen käyttää kolmea eri menetelmää: Liuotinaineliimaus Kontaktiliimaus Reaktioliimaus Tartunnan varmistamiseksi liimattavat muovipinnat on käsiteltävä ennen liimausta eri tavoin (esim. rasvanpoisto, karhennus jne)

96 Liuotinaineliimauksessa muovi pehmitetään ja liuotetaan liimattavalta pinnalta tai kyseiselle pinnalle levitetään liuos, jossa % muovia on liuotettu sopivaan liuotinaineeseen. Osia on puristettava yhteen niin kauan, että suurin osa liuotinaineesta haihtuu pois. Kontaktiliimauksessa liimattaville pinnoille levitetään synteettisen kumin ja liuottimen seosta. Pinnat puristetaan yhteen, kun suurin osa liuottimesta on haihtunut. Reaktioliimauksessa levitetään liimattaville pinnoille kemiallisen reaktion kautta kovettuvaa liimaa, joka voi olla yksi- tai kaksikomponenttinen. Tavallisesti käytetään liimana epoksimuovia. Reaktioliimoihin kuuluvat myös yksikomponenttiset anaerobiset liimat, jotka kovettuvat, kun ne eivät ole kosketuksessa ilman kanssa.

97 5 Muovien lastuava työstö Muovien koneistuksessa on otettava huomioon niiden pieni kimmomoduuli ja huono lämmönjohtavuus, alhainen pehmenemislämpötila ja suuri lämpölaajenemiskerroin. Lastuttavan alueen ylikuumeneminen on estettävä ilmapuhalluksella tai jäähdytysnesteen käytöllä. Kappaleen ylikuumeneminen aiheuttaa PVC:lla HCI:n ja PTFE:lla HF:n muodostumista.

98 Kappaleiden kiinnityksessä on huolehdittava riittävästä tuennasta, jotta taipuminen ei aiheuttaisi mittavirheitä. Terien on oltava hyvin teroitettuja ja lastunpoistourien väljiä. Lastuamalla valmistetut kappaleet eivät lujuudeltaan täysin vastaa ruiskupuristettuja tuotteita.