Erikoismuovit. Hyvä tietää muovista

Transkriptio

1 Hyvä tietää muovista OSA 6 MuoviPlast-lehti jatkaa tässä numerossa 10-osaista artikkelisarjaa Hyvä Tietää Muovista. Siinä esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista, kuten valtamuovit, tekniset muovit, erikoismuovit ja biomuovit. Kestomuovien yleisimmät työstömenetelmät esitellään sarjan loppupuolella. Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy. Erikoismuovit Aikaisemmissa jaksoissa on käsitelty valtamuovit ja tekniset muovit. Tässä artikkelissa jatkamme ominaisuuksiltaan kaikkein kehittyneimpien muovien parissa. Seuraavassa artikkelissa käsitellään muutama amorfinen erikoismuovi, minkä jälkeen raaka-aineosuuden päättää biomuovit. Erikoiset kestomuovit Englannin kielellä tämän tyyppisiä raaka-aineita kutsutaan joskus nimellä high performance, mikä vapaasti käännettynä voisi tarkoittaa korkean suorituskyvyn muoveja tai muoveja joilla on parhaat ominaisuudet. Mitkä sitten ovat ne ominaisuudet joita on ajateltu, kun tähän ryhmään kuuluvia raaka-aineita on suunniteltu? Alla toivomuslista ominaisuuksista, jotka tutkijoilla on olleet mielessä verratessaan näiden muovien ominaisuuksia tavallisten teknisten muovien ominaisuuksiin: Parempi mahdollisuus korvata metalleja Paremmat mekaaniset ominaisuudet, kuten jäykkyys, vetolujuus ja iskulujuus Korkeampi käyttölämpötila Vähäisempi ympäristön lämpötilan ja kosteuden vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin Pienempi viruminen kuormituksen alaisena Parempi kemikaalien kesto (erityisesti autoissa käytettäviä nesteitä vastaan, kuten polttoaine, öljyt, glykoli, puhdistusaineet jne.) Paremmat palonesto-ominaisuudet Paremmat sähköiset eristysominaisuudet Pienempi kitka ja kuluminen Paremmat barrieriominaisuudet (lähinnä polttoaine ja happi) Ja lisäksi uusilta raaka-aineilta usein halutaan: Järkevä hinta ominaisuuksiin nähden Helposti työstettävä normaalilla konevarustuksella Helppo kierrättää Kehittyneitä lujitusmenetelmiä hiilikuiduilla ja Kevlarilla tai päällystystä nk. nanometalleilla käytetään myös yhdessä erikoismuovien kanssa yllämainittujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Muoveja, joiden ensisijaisena tavoitteena on korvata metalleja, kutsutaan usein englannin kielessä sanalla structural materials. Koska ainoastaan 4 prosenttia metallituotteista on tähän päivään mennessä pystytty korvaamaan muoveilla, on helppo ymmärtää, että tulevaisuudessa mahdollisuudet metallien korvaamiseen ovat hyvät. Tässä artikkelissa annetaan yleiskatsaus seuraaviin osakiteisiin erikoismuoveihin: 1. Fluorimuovit (PTFE) 2. Aromaattinen polyamidi (PPA) 3. Nestekidemuovi (LCP) 4. Polyfenyleenisulfidi (PPS) 5. Polyeetterieetteriketoni (PEEK) Fluorimuovit PTFE Tässä osakiteisten muovien ryhmässä on muutama eri variaatio, joista PTFE (polytetrafluorieteeni) on valmistusmäärässä mitattuna yleisin. Raaka-aine keksittiin sattumalta vuonna 1938 DuPontin laboratoriossa Yhdysvalloissa kun eri pakkasnesteiden kanssa tehtiin kokeita. Raaka-aineelle annettiin tuotenimi Teflon. Raaka-aineella on alhaisin tunnettu kitkakerroin, paras kemikaalien kesto ja parhaat sähköiset eristysominaisuudet kaikista muoveista ja sen käyttölämpötila yltää 260 C:een saakka. 22 MUOVIPLAST 06/12

2 Teflonpannu on erinomainen esimerkki tuotteesta, jossa hyödynnetään PTFE:n ylivoimaisia lämpö- ja kemikaalien kesto-ominaisuuksia yhdistettynä alhaiseen kitkaan ( non-stick ). Muita fluorimuoviperheen raaka-aineita ovat PCTF, PVDF, PVF sekä yhdyspolymeerit FEP, PFA, E/CTFE, E/TFE, THF. Mikäli haluat tietää enemmän näistä raaka-aineista ja muista erikoispolymeereistä, on Lars-Erik Edshammarin Plasthandboken suositeltavaa lukemista. PTFE on yksinkertainen rakenteeltaan. Monomeeri koostuu ainoastaan hiili- ja fluoriatomeista: lymeeriä voidaan sen sijaan ruiskuvalaa, ekstrudoida ja muottipuhaltaa erikoiskoneilla. PTFE:n ja muiden fluorimuovien ainutlaatuisten ominaisuuksien takia näitä raaka-aineita käytetään putkissa, päällysteissä ja tiivisteissä äärimmäisen korroosioalttiissa ympäristössä (kemian teollisuus). Lisäksi raaka-aineita käytetään kun tavoitellaan mahdollisimman alhaista kitkaa kuten itsevoitelevissa liukulaakereissa ja liukupinnoissa tai tarttumattomissa ( non-stick ) kotitaloustarvikkeissa kuten paistinpannuissa, leivontamuoteissa jne. Äärimmäisen hyvät sähkön eristämisominaisuudet ovat käytössä kaapelieristyksissä sekä sähkö- ja elektroniikkateollisuuden muissa eristyskohteissa. PTFE:n vanheneminen on olematonta ja sitä käytetään siksi terveydenhuollossa esimerkiksi implanttina. Aromaattinen polyamidi PPA PPA on polyftalamidin kemiallinen tunnus ja käsittää ryhmän osakiteisiä aromaattisia polyamideja joilla on selvästi paremmat mekaaniset, kemialliset ja lämpötilaominaisuudet verrattuna 6- ja 66-polyamideihin. Niiden kosteuden imeytyminen on myös huomattavasti vähäisempää kuin PA6 ja PA66:lla, joten ne ovat myös mittapitävämpiä. Tunnetuimmat PPA muovien valmistajat ovat DuPont tuotteellaan Zytel HTN, EMS tuotteellaan Grivory ja Solvay tuotteellaan Amodel. PTFE:n ominaisuuksia + Äärimmäinen kemikaalien kesto + Äärimmäisen alhainen kitkakerroin + Äärimmäisen hyvät sähköiset eristysominaisuudet + Kestää äärimmäisen alhaisia ja korkeita käyttölämpötiloja (-200 C +260 C) + UV-valon kesto + Palonkesto + Yhteensopiva ihmiskudoksen kanssa Huono hiertymisen kesto Huono virumisen kesto Korkea ominaispaino (2,3 g/cm3 asti) Ei voida työstää perinteisillä menetelmillä PTFE raaka-aine ei ole työstettävissä ruiskuvalamalla tai ekstruusiolla vaan se työstetään muottipuristamalla ja tyssävalamalla jonka jälkeen se sintrataan. PTFE:ä voidaan myös dispergoida, käyttää pinnoitteena ja käyttää kalvon valmistuksessa. Teippiä valmistetaan kalanteroimalla. FEP yhdyspo- Taulukossa on verrattu 35% lasikuitutäytteisten PA66:n, PA6:n ja PPA:n joitakin mekaanisia ominaisuuksia. Kuten taulukosta käy ilmi on PA66 ja PA6:lla suuret erot ominaisuuksissa riippuen siitä onko materiaali imenyt kosteutta (kyllästetty 50% suhteellista kosteutta huoneenlämmössä) tai jos se on kuivaa (suoraan ruiskuvalukoneesta tullessa). PPA ei muutu ollenkaan (jäykkyys) tai ainoastaan vähän (vetolujuus ja murtovenymä) Lähde: DuPont PPA:ssa on PA66:n happoryhmä vaihdettu aromaattiseen ryhmään jolloin monomeeri on rakenteeltaan seuraavanlainen. Aromaattinen ryhmä on merkitty punaisella. MUOVIPLAST 06/12 23

3 Kaikilla LCP-raaka-aineilla monomeeri koostuu useammasta aromaattisesta ryhmästä. Aramidilla (esim. DuPontin Kevlar) on yksinkertaisin rakenne kahdella aromaattisella ryhmällään: AD-Plast Anderstorpista, Ruotsista voitti Plastovationer kilpailun (PlastForum-lehden designkilpailu) kiristyselementillään, joka korvaa sinkin. Osaa käytetään itse kasattavissa huonekaluissa ja on samalla mittatarkkuudella puolitoista kertaa lujempi kuin sinkki ja seitsemän kertaa kevyempi. Kuva: AD-Plast PPA:n ominaisuuksia + Parempi jäykkyys, lujuus ja virumisenkesto kuin useimmilla muilla muoveilla + Sopiva metallien korvaukseen + Korkea käyttölämpötila (150 C jatkuva ja 200 C lyhytaikainen huippu) + Alhaisempi kosteuden imeytyminen verrattuna PA6, PA66 ja PA46 polyamideihin ja siten mittapitävämpi + Parempi kemikaalien kesto kuin PA6 ja PA66:lla + Hyvät sähköiset ominaisuudet + Halogeenivapaa palosuojaus mahdollinen Huonompi iskulujuus verrattuna PA6 ja PA66:een Useimmat PPA-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja ja niitä käytetään ainoastaan ruiskuvalussa. Erinomaiset mekaaniset ominaisuudet tekevät raaka-aineesta hyvän vaihtoehdon metallien korvaamiseksi. Useimmat käyttösovellukset löytyvät autoteollisuudesta (moottorin osat) sekä sähkö- ja elektroniikkateollisuudesta, jossa esim. matkapuhelinten liittimet ja rungot ovat suuri PPA:n käyttökohde. Nestekidemuovi LCP LCP-raaka-aineet (Liquid Crystal Polymer) ovat osakiteisiä ja niillä on itselujittuvat ominaisuudet (rakentaa puuta muistuttavan kuiturakenteen virtaussuunnan mukaisesti ruiskuvalettaessa). Raaka-aine voi olla aromaattisten polyamidien nk. aramidien kaltainen (esim. DuPontin Kevlar-kuitu) tai aromaattinen polyesteri. Aromaattiset polyesterityypit ovat termotrooppisia (ylimenovaiheessa nestemäisiä kiteitä muovisulassa). Johtavia ruiskuvalettavien LCP-raaka-aineiden valmistajia ovat DuPont tuotemerkillään Zenite, Ticona tuotemerkillään Vectra ja Solvay tuotemerkillään Xydar. LCP:n ominaisuuksia + Hyvä tasapaino jäykkyyden, lujuuden, sitkeyden ja erinomaisen virumislujuuden välillä tekee LCP:stä erinomaisen metallien korvaukseen + Äärimmäisen korkea käyttölämpötila (240 C jatkuva), jonka ansiosta se soveltuu komponentteihin elektroniikan lyijyvapaassa juotosprosessissa + Säilyttää ominaisuutensa korotetuissa lämpötiloissa + Erittäin helppojuoksuinen (helppo täyttää ohutseinämäinen tuote) + Erinomainen kemikaalien kesto + Palosuojattu (luontainen V-0 luokitus ilman lisäaineita) + Erinomaiset dielektrisyysarvot Heikko yhtymäsauma Huono pintakiilto Useimmat ruiskuvalettavat LCP-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja ja niitä käytetään säännöstään pienemmissä komponenteissa kuten sähkö- ja elektroniikkateollisuuden kelarungoissa ja liittimissä, valaisinkomponenteissa, matkapuhelinten osissa, autojen sytystysjärjestelmän ja anturien osissa, optisten kuitujen liittimissä jne. missä tarvitaan korkeiden lämpötilojen kestoa, hyviä sähköisiä ominaisuuksia ja palosuojausta. Raaka-ainetta on saatavana myös elintarvikehyväksyttynä jolloin sitä käytetään astioissa joita voi lämmittää mikroaaltouunissa tai tavallisessa uunissa. Polyfenyleenisulfidi PPS Lasikuitulujitettu polyfenyleenisulfidi on uskomattoman jäykkä osakiteinen raaka-aine, jonka E-moduuli on yli 20 GPa. Raaka-aine kestää korkeita lämpötiloja ja sillä on toiseksi paras kemikaalien kesto heti fluorimuovien jälkeen. Raaka-aine on helppo tunnistaa metallisesta kilahduksesta kovaa vasten lyötäessä. PPS:n toi markkinoille yhdysvaltalainen Chevron Phillips vuonna 1968 tuotemerkillä Ryton, joka on PPS:n tunnetuin tuotemerkki. 24 MUOVIPLAST 06/12

4 Nestekidemuovilla on korkea maksimikäyttölämpötila ja se on luontaisesti itsesammuvaa. sitä käytetään mm. halogeenilamppujen pitimissä sekä valaisin- että autoteollisuudessa, jossa se saattaa korvata jopa keraamit. Kuva: DuPont Chevron Phillipsin lisäksi markkinoilla on Ticonan valmistama PPS nimellä Fortron ja Albiksen tuotemerkki Tedur. Polyfenyleenisulfidilla on yksinkertainen rakenne aromaattisella ryhmällään, joka on sidottu rikkiin: PPS:n ominaisuuksia + Poikkeuksellisen jäykkä (lasikuitulujitus 65 %:iin saakka) ja hyvä virumisen kesto + Erittäin korkea käyttölämpötila (240 C jatkuva ja 260 C lyhytkestoinen huippu) + Äärettömän hyvä kemikaalien kesto (200 C asti) + Merkityksetön kosteuden imeytyminen ja hyvä kuuman veden kesto + Erinomainen mittapitävyys ja merkityksetön kutistuma + Palosuojaus (UL V-0) ilman lisäaineita + Hyvät sähköiset ominaisuudet Alhainen murtovenymä (<2 %) Useimmat PPS-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja tai mineraalitäytettyjä, ja niitä käytetään ruiskuvaluun, mutta on myös olemassa lujittamattomia lajikkeita, joita käytetään ekstruusioon. Suuri osa PPS:a menee autoteollisuuden polttoaine- ja sytytys- PPS:a käytetään vaativissa lämminvesisovelluksissa kuten mustassa BMW:n termostaattikotelossa tai ruskeassa jäähdyttimen päätylevyssä. Raaka-aineesta valmistetaan myös korkealla mittatarkkuudella tuotteita, joita käytetään korkeissa lämpötiloissa, kuten diodisilta kuvassa oikealla, tai kemikaalien keston takia, kuten pienet juoksupyörät polttoainepumppuihin kuvassa keskellä. Kuva: Mape Plastics Ab järjestelmiin sekä tuotteisiin sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa, jossa vaatimuksena on korkean lämpötilan kesto ja palosuojaus. Sekä komponentteihin, joilta vaaditaan hyvää mekaanista lujuutta yhdistettynä äärimmäisellä kemikaalien ja korroosion kestolla. Polyeetterieetteriketoni PEEK Polyeetterieetteriketoni tai PEEK, joka on tästä polymeeristä normaalisti käytettävä nimitys, on rakenteeltaan osakiteinen muovi. Sillä on kestomuoveista parhaat mekaaniset ominaisuudet ja lämmönkesto yhdistettynä hyvällä kemikaalien kestolla. Ominaisuudet säilyvät myös korkeammissa lämpötiloissa.raaka-aineen kehitti ICI Englannissa 1970-luvulla ja se esiteltin markkinoille vuonna 1980 tuotemerkillä Veictrex perustettiin erillinen yritys nimeltä Victrex PLC, jolla on noin 90 prosentin PEEK:n markkinaosuus maailmassa. MUOVIPLAST 06/12 25

5 PEEK MuoviSuomi monomeeri koostuu kolmesta aromaattisesta ryhmästä: Kuulalaakereiden kuulanpitimet, pumppujen osat, hammaspyörät ja jopa letkut - PEEK on käytössä kohteissa, joissa korkea tarkkuus yhdistettynä hyvillä mekaanisilla ominaisuuksilla, alhaisella kulumisella jahyvällä kemikaalien kestolla erittäin korkeissa lämpötiloissa on vaatimus. Kuva Mape Plastics Ab Suomalaista muoviteollisuutta esittelevä museo PEEK:n ominaisuuksia + Erittäin hyvä jäykkyys, lujuus ja väsymislujuus + Äärettömän korkea käyttö- ja pehmenemislämpötila (260 C jatkuva ja lyhytaikainen huippu yli 300 C) + Erinomainen kemikaalien kesto myös korkeammissa lämpötiloissa + Äärettömän hyvät kitka- ja kulumisominaisuudet + Palosuojaus (V-0 luokitus ilman lisäaineita) + Hyvät sähköiset Suomen ominaisuudet teollisuudelle + Elintarvikehyväksytty koneita, laitteita ja ja voidaan raaka-aineita, käyttää implanttina myös Kallis rakennusteollisuuden ( /kg) EPS-tuotteiden valmistukseen tarvittavat koneet. PEEK:a voidaan ruiskuvalaa, Structor ekstrudoida Oy ja muottipuhaltaa. Sitä käytetään PL 299 (Museokatu teknisesti vaativissa 32), tuotteissa Helsinki, kuten Finland esim. kuu- Puh , Fax plastics@structor.fi, lalaakereiden kuulanpitimissä, männissä ja venttiileissä. Se on käytössä kemiallisen teollisuuden prosesseissa, autoteollisuudessa, sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa, lento- ja avaruusteollisuudessa sekä lääketeollisuudessa, jossa sitä käytetään mm. implantteihin. et laajaa osaamista selkeitä näkemyksiä MuoviSuomi ERTECO RUBBER & PLASTICS Yli 40 vuoden kokemus Palveluksessanne asiakaslähtöisistä kestomuovien kompaundeista Puh Ola Hugoson - TJ at Vahva Suomalaista raaka-aineiden muoviteollisuutta osaaja esittelevä museo tuula.lasmo@erp.se ilpo.kurkinen@erp.se Polykemi AB Box 14, SE Ystad, SWEDEN Puh Fax polykemi@polykemi.se Filmen om Polykemi Group ENGELSK MUOVIPLAST 06/12