465102A Konetekniikan materiaalit, 5op

Transkriptio

1 465102A Konetekniikan materiaalit, 5op Luento n:o 4 muovit Timo Kauppi

2 muovit 2

3

4 Yleistä 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. Käytössä on kolme periaatteellista luokittelutapaa: 1. luokittelu polymeraatioreaktion perusteella 2. luokittelu käyttäytymisen perusteella 3. luokittelu polymeeriketjurungon perusteella.

5 Luokittelutapa 1 Polymeraatioreaktioita on kahta päätyyppiä: additiopolymeraatio kondensaatiopolymeraatio Additiopolymeraatiossa monomeerit liittyvät toisiinsa. Kondensaatiopolymeraatiossa kaksi eri monomeeria liittyy toisiinsa kemiallisen reaktion välityksellä siten, että jokin yhdiste poistuu reaktiossa polymeerin syntymisen yhteydessä.

6 Additiomekanismi 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 Additiopolymeeri

8 Kondensaatiopolymeeri

9 Kondensaatiopolymeeri 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.

10 Luokittelutapa 2 Polymeerit voidaan jakaa niiden käyttäytymisen perusteella: 1. kestomuoveihin, 2. kertamuoveihin ja 3. Elastomeereihin Kestomuovit ovat muoveja, joita voidaan toistuvasti pehmentää muovattaviksi esimerkiksi lämpötilan avulla. Koska pehmentäminen on toistuvasti mahdollista voidaan kestomuoveja muovata ja hitsata.

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

13 Rakenteen erot

14 Luokittelutapa 3 Polymeeriketjurungon eri tyypit ovat: hiilivetypolymeerit hiiliketjuiset polymeerit heteroketjuiset polymeerit aromaattisen renkaan sisältävät polymeerit.

15 Ominaisuudet 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. Polymeeriketju on sitoutunut ketjun suunnassa lujilla kovalenttisilla sidoksilla ja ketjut ovat sitoutuneet toisiinsa toisiinsa vain ketjuja vastaan kohtisuorassa suunnassa olevilla heikoilla sekundäärisidoksilla.

16 Rakenne Hiilivetypolymeerienpolymeeriketju on pelkästään hiiltä, johon on liittynyt riittävä määrä vetyatomeja neljän sidoselektronin käyttämiseksi. Kuvassa on esitetty hiilivetypolymeereistä esimerkkinä polyeteeni (PE) ja polypropeeni (PP).

17 Rakenne 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.

18 Rakenne Heteroketjuisissa polymeereissäon 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)

19 Rakenne 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.

20 Ominaisuudet Polymeerin rakenne vaikuttaa materiaali-ominaisuuksiin seuraavilla eri tasolla: yksittäisen meerin rakenteen vaikutus polymeerimolekyylin rakenteen vaikutus polymeeriketjun rakenteen vaikutus (ketjun haaroittuneisuuden vaikutus) usean eri meerityypin käytön vaikutus (polymeeriseoksien käytön vaikutus).

21 Ominaisuudet Meerin rakenteessa vaikuttavat ratkaisevasti sisäiset kemialliset sidokset (ja atomit, joiden kesken sidos muodostuu). Yksöis-tai kaksoissidokset.

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

24 Ominaisuudet 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 Ominaisuudet

26 Ominaisuudet

27 Ominaisuudet Leinonen J. Konetekniikan materiaalit, luentomoniste, 2016

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

30 Lasimuutoslämpötila

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

32 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 kasvaatai kuormitusnopeus laskee (vedetään hitaammin) polymeeriketjut liukuvat helposti toistensa suhteen ja polymeeri käyttäytyy jähmeän nesteen tavoin. (vrt. lasit).

33 Virumislujuus 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 Virumislujuus Polyeteenin virumismurtumaan tarvittava aika tietyllä jännityksellä eri lämpötiloissa.

35 Muodonpysyvyyslämpötila 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 Muodonpysyvyyslämpötila Eräiden polymeerien muodonpysyvyyslämpötiloja 1.8 MPa:n kuormituksella (sallitaan tietty vakio muodonmuutos).

37 Ominaisuuksia

38 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 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 kuormanvaihto-taajuus on yli 10Hz, eikä ko. muovilaatu siedä kohotettua lämpötilaa, tulisi muoviosalle järjestää jäähdytys esimerkiksi suunnittelemalla muoviosa kiinteään yhteyteen metallin kanssa materiaaliparin valinta.

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

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

42 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.

43 Ominaisuuksien vertailu

44 Ominaisuuksien vertailu

45 Ominaisuuksien vertailu

46 Ominaisuuksien vertailu

47

48 Muovien valintasuosituksia taulukoituna

49 Muovien valintasuosituksia taulukoituna

50 Esimerkkejä

51 Esimerkkejä

52 Esimerkkejä

53 Ominaisuuksien parantaminen PTFE - lisäys alentaa kitkaa ja parantaa tribologisia ominaisuuksia Molybdeenisulfidi (MoS 2 ) muuttaa kiteytymistä ja kovettaa pintaa Grafiittijauhe parantaa ominaisuuksia kosteissa olosuhteissa Aramidi parantaa kulumiskestävyyttä Hiili- ja lasikuidut parantavat mekaanisia ominaisuuksia Erilaisten polymeeriseosten muodostaminen

54 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).

55 Muovituotteiden valmistusmenetelmiä Tärkeimmät muovituotteen valmistusmenetelmät ovat seuraavat: ruiskupuristus lämpömuovaus puhallusmenetelmä suulakepuristus rotaatiovalu kalentorointi päällystäminen

56 Suulakepuristus l. ektruusio Lämmitetty sula muovimassa puristetaan tiiviiksi massaksi ja johdetaan suulakkeen läpi, joka antaa sille halutun muodon. Puristimessa oleva syöttöruuvi kuljettaa massaa eteenpäin. Näin valmistetaan esimerkiksi muoviputkia, - letkuja ja -profiileja.

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

58 Ruiskuvalu 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.

59 Lämpömuovaus Lämpömuovaus on menetelmä joka perustuu kestomuovilevyn muovaukseen muotin, lämmön ja alipaineen avulla. Lämpömuovaus tuotteita käytetään kuljetusväline-, elektroniikka-, huonekalu-, ja kylmäkalusteita valmistavassa teollisuudessa. Pienten muottikustannusten ansiosta lämpömuovaus on edullinen muovituotteen valmistustapa.

60 Kuumapuristus Kuumapuristus on menetelmä pehmeiden polyesterikuituisten ja lasikuituseosteisten muovituotteiden valmistamiseksi. Parhaimmillaan menetelmä on sovelluksissa, missä tuotteelle halutaan monikerrosrakenne ulkonäkö-, lujuus-ja 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.

61 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.

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

63 Puhallusmuovaus Puhallusmuovauksella voidaan valmistaa onttoja säiliöitä, pulloja yms. geometrioita 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.

64

65

66 Hitsaus 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.

67 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. Liuotinaineliimauksessamuovi 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.

68 Liimaus Kontaktiliimauksessaliimattaville pinnoille levitetään synteettisen kumin ja liuottimen seosta. Pinnat puristetaan yhteen, kun suurin osa liuottimesta on haihtunut. Reaktioliimauksessalevitetään 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.

69 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. Lastuamalla valmistetut kappaleet eivät lujuudeltaan täysin vastaa ruiskupuristettuja tuotteita.

70 Standardeja SFS on-line antaa hakusanalla muovi luettelon 482 standardista, joista 20 kpl on listattu seuraavissa dioissa. SFS on-line

71 Standardeja

72 Standardeja

73 Standardeja

74 Standardeja

75 Standardeja

76 Ja tämänkin luennon teille tarjosi: Materiaali- ja tuotantotekniikan tutkimusyksikkö