Transcript Polymeerit ja elastomeerit

Konstruktiomateriaalit ja niiden
valinta
Luennot / syksy 2013
TkT Harri Eskelinen
LUENTO 5
Polymeerit
2013
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
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.
2 Polymeerien luokittelu
• Käytössä on kolme periaatteellista
luokittelutapaa:
– Luokittelu polymeraatioreaktion perusteella
– Luokittelu käyttäytymisen perusteella
– Luokittelu polymeeriketjurungon perusteella
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.
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.
Kondensaatipolymeraation esimerkki
• 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.
2.2 Luokittelu polymeerien käyttäytymisen
perusteella
• Polymeerit voidaan jakaa niiden
käyttäytymisen perusteella
– kestomuoveihin,
– kertamuoveihin ja
– elastomeereihin.
• Kestomuovit ovat muoveja, joita voidaan
toistuvasti pehmentää muovattaviksi
esimerkiksi lämpötilan avulla.
• Koska pehmentäminen on toistuvasti
mahdollista voidaan kestomuoveja
muovata ja hitsata
• 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
• Kertamuoveja ei voi rakenteen kerran
muodostuttua saada enää muovattavaan
tilaan, vaan lämmittäminen tuhoaa
muovin.
• Tyypillisiä kertamuoveja ovat esimerkiksi:
– polyuretaanit (UP) ja
– epoksit (EP)
Kerta- ja kestomuovien sekä elastomeerien polymeeriketjujen rakenteen erot
2.3 Luokittelu polymeeriketjurungon tyypin
perusteella
• Polymeeriketjurungon eri tyypit ovat:
– Hiilivetypolymeerit
– Hiiliketjuiset polymeerit
– Heteroketjuiset polymeerit
– Aromaattisen renkaan sisältävät polymeerit
• 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.
•
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 .
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)
Polymeeriketju
Verkottuneisuus
Haaroittuneisuus
Kiderakenne
3.1 Meerin rakenteen vaikutus
polymeerin ominaisuuksiin
• Meerin rakenteessa vaikuttavat
ratkaisevasti sisäiset kemialliset sidokset
(ja atomit, joiden kesken sidos muodostuu)
– Yksöis- tai kaksoissidokset
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.
• Meerin jäykkyys riippuu suurelta osin sen
sidoksista:
– Kaksoissidokset lisäävät meerin jäykkyyttä:
kaksoissidos on vääntöjäykkä,
– Myös polymeeriketjussa esiintyvät
aromaattiset renkaat (esim. bentseenirengas)
lisäävät vääntöjäykkyyttä.
3.2 Polymeerimolekyylin rakenteen vaikutus
polymeerin ominaisuuksiin
• Esimerkiksi polypropeenilla esiintyy kolme
eri stereoisomeeristä muotoa, joiden
rakenteet eroavat toisistaan siten, että
– kaikki metyyliryhmät (CH3)voivat olla
polymeeriketjun samalla puolella,
– ko. sivuryhmät ovat vuoronperään
polymeeriketjun eri puolilla tai
– metyyliryhmät ovat satunnaisesti ketjun
molemmin puolin.
Luja
Vrt. metyyliryhmän
sijainti!
Vääntöjäykkä
Polypropeenin (PP) kolme eri stereoisomeeristä muotoa
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).
LUJUUS
KASVAA
HDPE)
LDPE
LLDPE
Polyeteenin eri rakenteiden periaatekuvat
Haaroittuneisuus (tiheysluokittelu)
on tiedettävä, jotta jokin polymeeri
voidaan valita materiaalin valintatehtävän ratkaisuksi
OMINAISUUS
LDPE
LLDPE
HDPE
TIHEYS (g/cm³)
0,920,93
0,9220,926
0,950,96
VETOLUJUUS (GPa)
6,2-17,3
12,4-20,0
20,037,3
MURTOVENYMÄ %
550-600
600-800
20-120
Polymeeriketjun haaroittuneisuuden vaikutus materiaalin ominaisuuksiin
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.
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
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
Polymeerin periaatteellinen kimmomoduli lämpötilan funktiona
4.2 Jännitys-venymäkäyrä
Kuvassa on esimerkkinä polyamidi 6,6:n (PA66) jännitysvenymäkäyrä.
Huomattavaa on suuri myötymä ja pitkä venymä ilman
muokkauslujittumista.
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).
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.
Polyeteenin virumismurtumaan tarvittava aika tietyllä jännityksellä eri
lämpötiloissa.
• 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.
Polymeeri
Muodonpysyvyyslämpötila
°C
Polyeteeni
(UHDPE)
40
Polypropeeni
(PP)
60
Polyamidi
(PA6,6 + nylon)
90
Polyamidi-imidi
(PAI)
280
Eräiden polymeerien muodonpysyvyyslämpötiloja 1.8 MPa:n
kuormituksella (sallitaan tietty vakio muodonmuutos).
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.
Polymeerin harsoontumisen periaate
4.6 Väsymislujuus
• Erityisesti muovien väsymislujuus määritetään
vaihtojännityksen arvona, jota materiaali kestää
murtumatta 107 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.
4.7 Vanheneminen
• Monet muovilaadut kärsivät
vanhenemisesta. Se tarkoittaa muovin
ominaisuuksien heikkenemistä ajan
kuluessa. Yleisiä vanhenemisilmiöitä ovat
haurastuminen ja värinmuutokset etenkin
ulkokäytössä.
4.8 Jännityssäröily
• Mekaanisen rasituksen seurauksena
muoveissa voi muodostua säröjä.
• Jännitys voi aiheutua ulkoisista voimista
tai valmistusprosessien synnyttämästä
• jännitystilasta.
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.
Iso käyttölämpötilaskaala
Hyvät mekaaniset ominaisuudet
normaaliolosuhteissa, lujittaminen
mahdollista
Tärkeimpiä muoveja ja
niiden tyypillisiä käyttökohteita
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PE
PP
PVC
PA
PI
PPO
PS
ABS
SAN
PC
POM
PSU
PMMA
PPS
PTFE
= polyeteeni (LDPE, HDPE)
= polypropeeni
= polyvinyylikloridi (pehmeä/kova)
= polyamidi (useita laatuja)
= polyimidi
= polyfenyylioksidi
= polystyreeni (iskunkestävät lajit SB, HIPS)
= akryylinitriilibutadieenistyreeni
= styreeniakryylinitriili
= polykarbonaatti
= polyoksimetyleeni
= polysulfoni
= polymetyylimetakrylaatti
= polyfenyylisulfidi
= polytetrafluorieteeni
Muovien valintasuosituksia on taulukoituna valmiiksi koneenrakentajan käyttöön…
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)
AMORPHOUS
SEMI-CRYSTALLINE
NVH = reduction of Noise, Vibration, and Harshness
High Performance Polymers /
Review
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2001
2002
2003
2004
2005
Vuosi
2006
2007
2008
2009
2010
High Performance Polymers/
ALL
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
2001
2002
2003
2004
2005
Vuosi
2006
2007
2008
2009
2010
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.
Polymeerien ominaisuuksien parantaminen
• PTFE-lisäys alentaa kitkaa ja parantaa tribologisia
ominaisuuksia
• Molybdeenisulffidi (MoS2)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
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).
MATERIAALIN VALINTA
VS
MUOVITUOTTEEN VALMISTUS
1 Johdanto muovituotteiden
valmistusmenetelmiin
• Tärkeimmät muovituotteen valmistusmenetelmät ovat
seuraavat:
– Ruiskupuristus
– Lämpömuovaus
– Puhallusmenetelmä
– Suulakepuristus
– Rotaatiovalu
– Kalentorointi
– Päällystäminen
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.
1.2 Ruiskuvalu eli ruiskupuristus
– Lämmitetty sula muovimassa
valetaan/ruiskutetaan paineella suljettuun,
jäähdytettyyn muottiin ja poistetaan vasta kun
aine on muuttunut kiinteäksi.
• Ruiskuvalusta on useita erilaisia
sovelluksia:
– Rinnakkaisruiskuvalua ja
monikomponenttiruisku (useiden materiaalien
yhdistäminen samaan tuotteeseen)
– Kaasuavusteisesta ruiskuvalusta (suurille
seinämänvahvuuksille)
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.
• 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.
• 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
• 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.
Muovien muottikutistuma
• 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.
• 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)
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.
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.
1.4.1 Siirto- ja ahtopuristus
Ahtopuristus ja tuotteen irrotus
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.
1.6 Kalentorointi
• Kalanteroinnissa sula muovimassa johdetaan
kahden vastakkaisiin suuntiin pyörivän telan
välisen raon läpi, jolloin tuotteeksi saadaan
kalvo tai levy riippuen raon suuruudesta.
1.7 Päällystäminen
• Paperin ja kartongin käytön kosteissa tiloissa tai
nestepakkauksissa mahdollistaa
muovipäällystys.
Ekstruusiopäällystys on menetelmä, jolla
tällainen yhdistelmämateriaali saadaan aikaan.
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.
1.9 Vakuumimuovaus
• Vakuumimuovauksessa lämmitetty
muovilevy seuraa muotin muotoa, kun
muotin läpi imetään vakuumia
1.9.1 Syväveto
• Syvävetotekniikassa kuumennettu
muovilevy vedetään esimerkiksi alipaineen
avulla muottiin.
• Tällä tekniikalla valmistetaan esimerkiksi
jugurttipurkkeja, kertakäyttöastioita ja
säiliöitä.
Valmistusmenetelmä
Kestomuovit
Ekstruusio
+
Ruiskuvalu
+
Puhallusmuovaus
+
Ahtopuristus
+
Siirtopuristus
Rotaatiovalu
+
Levynmuokkaus
+
Pinnoitus
+
Hitsaus
+
Liimaus
+
Kalanterointi
+
Lastuava työstö
+
Kertamuovit
+
Kumit
Volyymimenetelmä
+
+
+
Suuret
sarjat
Pienet
sarjat
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+++
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)
• 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.
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)
• Liuotinaineliimauksessa muovi pehmitetään ja liuotetaan
liimattavalta pinnalta tai kyseiselle pinnalle levitetään
liuos, jossa 10...20 % 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.
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.
• 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.