NAVLHAVOST POLYMERŮ důsledky

Transkript

1 NAVLHAVOST POLYMERŮ důsledky NAVLHAVOST POLYMERŮ Vlhkost se může shromažďovat na povrchu jakéhokoliv plastu, některé však mají schopnost vodu v podobě páry z ovzduší absorbovat (navlhavé plasty). Důsledky nepřípustné vlhkosti v materiálu: zhoršení fyzikálních vlast. zvýšení tekutosti taveniny zhoršení dielektrických ztrát zhoršení tepelných vlast. zhoršení pevnosti svaru apod. VLHKOSTNÍ ŠMOUHY NA POVRCHU VÝSTŘIKU ZMĚNA MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ (V TAHU) DÍLU Z PA 66 sušený stav (a), navlhlý stav (b) Povrchová vlhkost Voda je vázána přilnavostí k povrchu materiálu - např. při dlouhodobém vystavení plastů atmosférickému vzduchu. Velmi malé množství povrchové vlhkosti však nemusí mít negativní vliv na technologický proces. Jak velké množství vlhkosti bude příčinou vadného dílu, závisí na způsobu zpracování polymeru a vlastních technologických podmínkách (zejména teplotě taveniny). Obecně platí, že čím vyšší je teplota taveniny, tím nižší je přípustný obsah vlhkosti plastu. Kapilární vlhkost Voda je vázána kapilárními silami v celém objemu (v mikrokapilárách). V tomto případě je odpařování ztíženo, protože voda v kapilárách je jakoby pod vyšším tlakem a pro sušení se musí použít vyšší teploty, než je bod varu při p atm. Běhálek Luboš, Technická univerzita v Liberci výukový materiál Teorie zpracování nekovových materiálů -2010

2 NAVLHAVOST POLYMERŮ - příčiny Příčiny navlhavosti polymerů: chemické složení plastu Nejvíce absorbují vodu polární plasty s hydrofilními skupinami v makromolekule podmiňující sorpci vody (-OH, -COOH, -NH, -O- ). Vodní páry ze vzduchu se přenášejí do polymeru, přičemž některé molekuly vody se navážou na řetězec polymeru pomocí mezimolekulárních sil. aditiva plastů vlhkost na povrchu nástroje polymerace v nosné fázi (suspenzní, emulzní polymerace) způsob výroby granulátu (styk granulátu s vodou při granulaci) netěsnost obalů nevhodné skladování plastu Stupeň navlhnutí pro různé polymery za shodných podmínek organická plniva na bázi celulózy zvyšují navlhavost (např. bavlna, dřevěná moučka, kokos, juta, kenaf) anorganická plniva naopak navlhavost snižují (např. mletý křemen, skleněná vlákna) příčinou je zkondenzovaná voda na stěnách nástroje, netěsnost temperačního systému. ad. Kenafová vlákna - př. aplikace: k výrobě kenafových rohoţí + PP fólie výplň dveří aut například je-li polymer vyňatý z chladného, nevyhřátého prostoru skladu a přemístěn do teplého prostoru výroby, v takovém případě může dojít ke kondenzaci vlhkosti z teplého vzduchu na relativně chladný povrch polymeru.

3 NAVLHAVOST POLYMERŮ vliv jednotlivých faktorů Jaké množství vlhkosti z atmosférického vzduchu absorbuje navlhavý polymer, závisí na teplotě polymeru a na relativní vlhkosti vzduchu. Navlhavý polymer vystavený atmosférickému vzduchu bude absorbovat vodní páry až do okamžiku, kdy nastane rovnováha s okolním vzduchem. Tento proces může trvat několik minut, ale také i několik dní. Záleží na typu polymeru a na relativní vlhkosti vzduchu. Proces absorbování vlhkosti i proces sušení je vratný a je řízen tedy těmito základními parametry: teplotou polymeru relativní vlhkostí vzduchu (popř. rosným bodem vzduchu obklopující polymer) dobou sušení v předepsaném prostředí cirkulací vzduchu v sušárně velikostí granulátu Vliv teploty na rychlost ztráty vlhkosti polymeru Vliv teploty polymeru Teplota polymeru má největší význam při procesu sušení. Ovlivňuje rychlost difúze molekul vody u navlhavých polymerů, nebo-li rychlost ztráty vlhkosti. Jakmile teplota polymeru vzroste, nastane větší pohyb molekul a přitažlivost mezi polymerními řetězci a molekulami vody se sníží. To má za následek uvolnění molekul vody z řetězce polymeru. Obecně platí, že čím vyšší je teplota sušení, tím rychleji je polymer vysušen, avšak teplota zahřívání má své limity. Jestliže je polymer vystaven vysokým teplotám sušení na delší dobu, může dojít k : tepelné degradaci materiálu (oxidace, změně barvy, vlastností, ) chemické degradaci materiálu (vyloučení aditiv,...) fyzikální degradaci (menší nepravidelné granule, prach, ) tepelná degradace

4 NAVLHAVOST POLYMERŮ vliv jednotlivých faktorů Vliv relativní vlhkosti vzduchu K udržení nízké vlhkosti polymeru je nutné jej ponechat v suchém prostředí. Relativní vlhkost a rosný bod (míra vlhkosti vzduchu) tvoří druhý základní parametr pro sušení. Relativní vlhkost vzduchu je definována jako množství vlhkosti vody v % ve vzduchu, vztahující se ke vzduchu na bodu nasycení (saturace) za určitého tlaku a teploty. Rosný bod indikuje maximální množství vody ve vzduchu při určité teplotě. Materiál sušený při stejné teplotě, ale jiné hodnotě rosného bodu, bude mít po uplynutí doby sušení jiný obsah vlhkosti. Vliv rosného bodu na sušení polymeru Vliv doby sušení Při procesu sušení je rovněž velmi důležitý čas, neboť materiál nelze vysušit okamžitě. Jestliže je materiál (granulát plastu) obklopen teplým vzduchem v sušárně, je zapotřebí dostatek času, aby teplo prostoupilo až do samého středu granulátu. S růstem teploty uvnitř granulátu dochází k difúzi vlhkosti, která prostupuje směrem k teplému a suchému vzduchu. Když molekuly vody dosáhnou povrchu granule, dochází k uvolnění těchto molekul do obklopujícího vzduchu. Doba sušení je jiná pro různé typy plastů. VLIV DOBY SUŠENÍ (RESP. MNOŢSTVÍ VLHKOSTI V MATERIÁLU) NA INDEX TOKU TAVENINY MATERIÁLU ABS

5 NAVLHAVOST POLYMERŮ podmínky sušení Skupina Plast Navlhavost ve vzduchu Podmínky sušení teplota/doba PE LD 0 Nesuší se. PE HD 0 Při nevhodném skladování: o C / 0,5-1 h PE LLD 0 PP 0 zcela výjimečně 80 o C / 0,5-1 h PS 0 zcela výjimečně o C / 1-3 h PVC < 0, o C / 2 h PMMA 0,8 1, o C / h PA 6 3,0 3, o C / 6-12 h PA 66 2,5 3, o C / h PA 11 0,8 1, o C / 3-5 h PA 12 0, o C / 2-6 h POM 0, o C / 1-3 h PET 0, o C / 5-7 h PBT 0, o C / 2-5 h PC 0,15 0, o C / 4-12 h Podmínky sušení platí pro atmosférický typ sušárny. Relativní vlhkost vzduchu 65%. Uvedené podmínky sušení lze považovat za optimální. Je třeba se vyvarovat používání vyšších teplot, neboť by mohlo dojít k natavování povrchu granulí a jejich spečení. Rovněž může docházet např. k termooxidačnímu stárnutí plastu.

6 NAVLHAVOST POLYMERŮ podmínky sušení h 5 h ,5 h 3,5 h 150 2,5 h 2,5 h 2,5 h 2,5 h ABS PA PC PE-CO PET PMMA PSU PUR vakuum Vacuum horký vzduch Dehumidifying Je-li úbytek hmotnosti < 0,1 %, lze materiál považovat za vysušený.

7 METODY STANOVENÍ OBSAHU VLHKOSTI PLASTŮ Pro stanovení obsahu vlhkosti se používají nejčastěji chemické nebo termogravimetrické metody. Chemické metody Karl Fischerova analytická metoda (titrační metoda) metoda extrakce vody xylénem manometrická metoda pomocí hydridu vápenatého metoda využívající karbidu vápníku metoda pomocí kyseliny sírové Termogravimetrické metody halogenový analyzátor Ztráta hmotnosti sušením sušení v horkovzdušných sušárnách Planimetrická metoda test TVI (Tomasetti s Volatile Indicator) C-Aquatrac 2 H O CaC C H Ca(OH) 2 voda Roztavená zrna granulátu karbid vápníku acetylén hydroxid vápenatý Zařízení k testu TVI 2 voda Výsledek stanovení vlhkosti závisí na použité metodě, proto je třeba k údaji o vlhkosti uvést i metodu a podmínky při jejím stanovení.

8 VLHKOST - METODA EXTRAKCE VODY XYLÉNEM Princip (azeotropické destilační metody): Princip metody spočívá v tom, že při teplotě varu xylénu (139 o C) se v něm rozpustí několik procent vody, ale při standardní teplotě 23 o C je rozpustnost zanedbatelná a voda se od xylénu oddělí. Postup: Zkouška se provádí v Aufhäuserově přístroji, který se sestává z varné baňky, speciálního nástavce s odměrnou jímkou a zpětného chladiče. Do baňky se vloží odvážené množství plastu, přelije se nadbytkem xylénu a směs se přivede k varu. Páry xylénu strhávají páry vody uvolněné z plastu. Po ochlazení par ve zpětném chladiči xylén i voda zkondenzují a současně dojde k oddělení vody od xylénu na základě rozdílných hustot a omezené mísitelnosti. Voda se hromadí v odměrné části nástavce, zatímco přebytečný xylén stéká zpět přepadem do varné baňky. Metoda se nedá použít u plastů, které se ve vroucím xylénu rozpouštějí nebo jsou jím jinak napadány (např. PE, PP, PS, ABS, PVC, ad.). Metoda je vhodná zejména pro práškové lisovací hmoty. zpětný chladič nástavec s odměrnou jímkou varná destilační baňka w m m m m 1 hmotnost vzorku na počátku [g] m 2 hmotnost vzorku po extrakci [g] Aufhäuserův přístroj

9 VLHKOST MANOMETRICKÁ METODA POMOCÍ CaH 2 Princip: CaH 2 H2O Ca( OH) 2 2H2 hydrid vápenatý voda hydroxid vápenatý vodík Pod vakuem a za působení tepla (80 o C aţ 200 o C) se z měřeného materiálu uvolňuje vodní pára a vyhodnocuje se její reakce s činidlem, při které se vyvíjí vodík a změna tlaku v systému se měří jako vlhkost obsažená v měřeném materiálu. Tlak plynu v nádobce se zvyšuje a je přímoúměrný uvolněnému množství vody. Aquatrac + (fa. Brabender) ČSN EN ISO 960 Měření probíhá za vyloučení všech rušivých vlivů jako je např. vlhkost vzduchu. Metoda zajišťuje měření pouze skutečné vlhkosti v měřeném materiálu. Na počátku měření je z nádobky vakuovou pumpou odsát vzduch. Výsledky jsou srovnatelné s výsledky stanovené metodou Karl Fischer. poznámka: 75g CaH 2 ca. pro 750 měření naváţka vzorku: 1 aţ 96 g doba měření: 15 aţ 30 min. rozsah měření: 0 aţ 4% Průběh reakce je urychlen současným působením vakua ( MPa) a teploty, vyloučena je moţnost rušivé přítomnosti kyslíku.

10 VLHKOST MANOMETRICKÁ METODA POMOCÍ CaH 2 - postup 32-96g 10-20g 1-4g spuštění, nastavení teploty ohřevu a hustoty plastu výběr měřící kádinky podle navážky v g a hustoty materiálu, zadání hmotnosti otevření reakční nádobky vyjmutí kádinky z nádobky odstranění starého činidla vložení činidla vložení plastu umístění činidla nad vzorek v měřící kádince vložení kádinky do zařízení, vytvoření vakua, zahájení měření

11 VLHKOST HALOGENOVÝ ANALYZÁTOR Princip: Stanovení vlhkosti plastu pomocí halogenového analyzátoru patří mezi nejnovější a efektivní způsoby stanovení vlhkosti u plastů. Přístroj pracuje na základě termogravimetrického principu, kdy na začátku měření stanoví analyzátor vlhkosti hmotnost vzorku (minimální hmotnost vzorku je 1 10g), který je následně vestavěným halogenovým topným modulem (topnou spirálou) rychle zahříván a následně dochází k odpařování vlhkosti z daného vzorku polymeru. Přístroj během sušení stanovuje neustále hmotnost vzorku (aktuální úbytek vlhkosti je zobrazován na přístroji) a po ukončení sušení se zobrazí výsledná hodnota obsahu vlhkosti. Výhodou halogenového topného modulu je jeho rychlost zahřívání, neboť halogenový analyzátor potřebuje kratší dobu pro dosažení maximálního topného výkonu, ve srovnání s běžným infračerveným modulem nebo s metodou ztráty hmotnosti sušením. Halogenový analyzátor Sartorius w m m m m 1 hmotnost vzorku před sušením [g] m 2 hmotnost vzorku po sušení [g]

12 VLHKOST Tomasetti s Volatile Indicator Umístění laboratorních sklíček na topnou desku, ohřev ca. 2 min Vyjmutí tří aţ čtyř granulí ze sušičky a jejich umístěni na lab. sklíčka Přitlačení laboratorních sklíček Metodika TVI firmy Bayer umožňuje orientačně zjistit, zda je materiál před vstřikováním dostatečně vysušený. Při testu se porovnávají obrazce vzniklé roztavením polymeru uzavřeného mezi dvě laboratorní sklíčka umístěné na topné desce. Přítlak pomocí pravítka, roztavení granulí do obrazce s ca. 12mm Ochlazení a vyhodnocení (bubliny = vlhkost)