A 3P, a 3P-vinilészter hibrid és a 4P-epoxi hibrid gyanták tulajdonságainak jellemzése

Átírás

1 A 3P, a 3P-vinilészter hibrid és a 4P-epoxi hibrid gyanták tulajdonságainak jellemzése A speciális tulajdonságokkal rendelkezõ vízüveg-izocianát alapú gyantákat számos országban választották a bontásmentes csatornajavításra használt kompozitok mátrixának fõ alapanyagául. Jelenleg a 3P gyanták termelésének mintegy 80%-t használják erre a célra (többségében a W 1 és S 1 típusokat). A másik két fontos alkalmazási terület a nagy teljesítõképességû a pórusos szerkezete miatt vízgõzáteresztõ szigetelõhabarcsok, valamint a vegyszerálló egy- és többrétegû kompozit lapok elõállítása. A fenti alkalmazásokra a POLINVENT KFT. által gyártott komponensekbõl elõállított töltõanyagmentes gyanták (A+B komponens) mennyisége jelenleg tonna/év. A hibrid gyantákon belül a 3P és a VÉ gyanták tömegaránya 0 100% között (célszerûen 20 80% között) tetszés szerint változtatható. Ezeknek a mechanikai és egyéb jellemzõi gyakran jobbak, mint a kiindulási gyantáké külön-külön. A tulajdonságjavulás egyrészt a gyantamátrix kémiai szerkezetének, másrészt a 3P gyanták fizikai szerkezeténél (1. ábra) lényegesen finomabb, egyenletesebb pórusszerkezetnek, Na-szilikát eloszlásnak köszönhetõ (2. ábra) [1 4]. 1. ábra. 3P gyanta SEM felvétele DR. MEISZEL LÁSZLÓ * szakértõ BAKONYI PÉTER * kutató-fejlesztõ mérnök DR. VAS LÁSZLÓ MIHÁLY ** egyetemi tanár, tudományos tanácsadó 2. ábra. 3P VÉ hibridgyanta SEM felvétele Bár a vinilészter tartalmú hibridgyanták fejlesztése területén kiváló eredmények születtek, de a rendszerek sztirol tartalma miatt alkalmazhatóságuk munkavédelmi (robbanásveszély) és egészségügyi hátrányokkal jár. A vízüveg-izocianát, tiszta epoxi és a 3P-epoxi hibrid rendszerek a VÉ tartalmúaknál lényegesen biztonságosabban alkalmazhatók a Liner technológiák területén. A fokozott környezetvédelmi és egészségvédelmi követelményeknek megfelelõ, teljesen új generációs 4P mûgyanta család a 3P gyanták továbbfejlesztett változatai, amelyekben mint kiindulási komponens a PIR- MDI (poli-izocianurát-mdi) is szerepel [5]. A PIR nagyobb térháló-sûrûség kialakulását teszi lehetõvé, ami a mechanikai tulajdonságok, a hõállóság és a vegyszerállóság jelentõs javulásában mutatkozik meg. Nõ a termék tapadószilárdsága és tovább csökken az éghetõsége. A mechanikai jellemzõk a 4P esetében látványosan felülmúlják a korábbi 3P értékei, és elérik, vagy meghaladják a 3P-VÉ hibridgyanták tulajdonságait A következõ fejezetekben a ShortLiner [6] bontásmentes csatornajavítási technológiához, a POLINVENT KFT.-nél kifejlesztett 3P, 3P-vinilészter és 4P-epoxi hibridgyanták alkalma- Termékminõsítés, tiszta gyanta * Polinvent Kft. ** BME Polimertechnika Tanszék évfolyam, 8. szám 291

2 zástechnikai szempontból fontos mechanikai vizsgálatainak eredményeit mutatjuk be. 1. A vizsgált gyanták és próbatestek Az alábbiakban a korábbi kutatási idõszakokban kapott eredmények egy részét hasonlítjuk össze az elmúlt évben született 4P-epoxi hibridgyanta eredményeivel [7, 8]. 1. táblázat. Vizsgált gyantatípusok Sorszám jele Megjegyzés 1 3P W 1 W 1 típusú 3P gyanta, fazékidõ 15 perc * 2 3P S 1 S 1 típusú 3P gyanta, fazékidõ 30 perc * 3 H 1 3P S 1 alapú vinilészter hibridgyanta, fazékidõ 25 perc * 4 H 6 vinilészter referencia gyanta (vízüvegmentes!) 5 4P IKT S 1 4P alapú epoxi hibrid gyanta, fazékidõ 28 perc * * A gyanták fazékidejét 300 ml-nyi mennyiségben, 22 C-on mérjük (keverési 2. Mechanikai tulajdonságok idõ:1 perc, fordulatszám: kb. 700 ford/perc). A szabványos alakú és méretû próbatesteket a szokásos in situ csatornabélelési körülményeknek megfelelõen hõkezelés nélkül szobahõmérsékleten történõ egyhetes tárolás után vizsgálaták a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK-en (1, 2, 3 és 5 jelû minták). A 4. számú referencia próbatestek az elõírt hõkezeléssel készültek (1. táblázat) Szakítóvizsgálatok 3. ábra. Zwick Z020 univerzális mérõberendezés jele A vizsgálatokat az MSZ EN ISO 527/1999 szabvány elõírásai szerint, 1A típusú piskóta próbatesteken végeztük 25 C hõmérsékletû légtérben, 20 kn méréshatárú Zwick Z020 típusú számítógép vezérlésû univerzális mérõberendezéssel (3. ábra). Az 5 darab, illetve a 4P S 1 esetében 5+3 darab próbatesten végzett vizsgálatok eredményeit a 2. táblázatban foglaltuk össze. 2. táblázat. Szakítóvizsgálatok eredményei F max Szórás σ Fmax Szórás E h Szórás N MPa MPa 3P W 1 555,06 5,89 13,54 0,25 528,96 9,07 3P S 1 552,73 29,34 14,26 0,53 555,72 18,19 H 1 742,94 48,13 18,57 0,99 726,09 8,65 H 6 677,22 73,06 17,78 2, ,3 74,61 4P S ,2 100,05 27,75 2, ,9 46,31 A mérési eredményekbõl világosan látszik, hogy a nyári meleg idõszakra kidolgozott S 1 és a téli hidegre beállított W 1 gyanták szilárdsági tulajdonságai között csak elhanyagolhatóan csekély az eltérés. A H 1 már 25% VÉ koncentrációval is jelentõs, mintegy 30%-os szakítószilárdság javulást eredményezett (4. ábra). Az új generációs 4P S 1 szakítószilárdsága pedig közel kétszerese (194%) mint az összehasonlító 3P S 1 gyantáé. Különösen jelentõs ez az érték, ha összevetjük a piaci 4. ábra. Szakítószilárdságok összehasonlítása konkurens Konodur 250 OM-PL Sommerharz prospektusában (MC-BAUCHEMIE megadott kb. 13 N/mm 2 értékkel, amelynek több mint kétszerese. Kompozit mátrixok és bevonatok esetében a húzó rugalmassági modulusznak sokszor legalább olyan, vagy nagyobb jelentõsége van, mint a szilárdsági tulajdonságnak. A mért értékeket tekintve a H 1 30%-kal, a 4P IKT S 1 pedig több mint 250%-kal nagyobb értéket ér el, mint a 3P S 1. (A H 1 -nél is közel 170%-kal jobb a mért érték) (5. ábra). 5. ábra. Húzómoduluszok összehasonlítása 2.2. Hárompontos hajlító vizsgálatok A hárompontos hajlító vizsgálatokat az ISO 178:2001 szabvány szerint végeztük 5 5, illetve 4P esetén 15 da évfolyam, 8. szám

3 A hajlító rugalmassági modulusz értékében a H 1 -nél nincs szignifikáns változás az összehasonlító mintához 6. ábra. Hárompontos hajlítás Zwick Z020 mérõberendezésen jele 3. táblázat. Hárompontos hajlító vizsgálatok eredményei F max Szórás σ h Szórás E f Szórás N MPa MPa 3P W 1 32,57 1,10 21,96 0,49 872,68 24,85 3P S 1 39,82 0,81 24,64 0,54 955,44 95,02 H 1 42,26 0,97 28,11 0,63 926,29 19,46 H 6 56,29 20,77 40,39 13, ,02 177,5 4P S 1 97,99 7,46 97,19 6, ,26 236,3 rab próbatesten a Zwick Z020 típusú számítógép vezérlésû univerzális mérõberendezésen (6. ábra, 3. táblázat). A terem hõmérséklete 25 C volt, felterhelési sebességként a kompozitoknál szokásos 2 mm/percet, alátámasztási távolságként az L/h szabálynak megfelelõen 64 mm-t alkalmaztunk (L/h 16). Mind a hajlító-húzó szilárdság, mind a hajlítási modulusz tekintetében kiemelkedõ eredményt mutat a 4P IKT S 1 minta. A 3P S 1 -hez képest a H 1 mintegy 14%- os szilárdság növekedést mutat, a 4P IKT S 1 szilárdsága pedig közel négyszerese (294%-os növekedés) (7. ábra). A kompozitokban is elõnyös, de különösen az erõsítõ anyagok nélküli bevonatokban kiemelkedõ jelentõségû az ilyen mértékben megnövekedett teherviselõ képesség. 7. ábra. Hajlító-húzó szilárdságok összehasonlítása 8. ábra. Hajlító rugalmassági moduluszok összehasonlítása képest. A 4P IKT S 1 viszont közel háromszoros (272%) növekedést mutat (8. ábra). Ez az elõny a statikai, illetve szilárdságtani méretezés során számításba vehetõ mind a kompozitokban, mind az erõsítõ anyag nélküli alkalmazásokban. Az ezáltal csökkenthetõ tömeg másodlagos megtakarításokat is eredményezhet Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatok Számos alkalmazási területen, mint például a mélyépítésben különösen nagy jelentõsége van a felhasznált anyagok dinamikus, illetve rezgés jellegû terhelések alatti viselkedésének. A csatornák általában közlekedési útvonalak alatt, vagy azok mentén húzódnak, ezért a forgalom által keltett igénybevételek folyamatosan fellépnek. Az anyagok ezen igénybevételekre való alkalmasságát általában ütvehajlító módszerrel (Charpy-teszt) vizsgálják. A vizsgálatokat az ISO 179 szabvány szerint, DAS es adatgyûjtõvel felszerelt Ceast Resil Impactor Junior ütõmûvel (9. ábra, 4. táblázat) végeztük. (Ütõkalapács: max. 15 Joule, indítási szög 30 ) mm méretû, 2 mm mélyen hornyolt hasáb alakú próbatesteken (5 5 darab, illetve a 4P IKT S 1 esetében 15 darab.) Az elsõ repedés megindításához szükséges erõ értéke (F max ), az átadott energia (EFmax), ebbõl számítható a fajlagos ütõmunka (w C ), a törés munkájával arányos energia (E total ). Ebbõl számítható a korrigált fajlagos törési munka (w CN ), duktilitási index (DI). 4. táblázat. Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatok eredményei F max E Fmax E total w C w CN jele N mj mj kj/m 2 kj/m 2 DI % 3P W 1 123,25 83,2 88,2 2,74 2,91 94,34 3P S 1 118,67 66,4 69,6 2,11 2,21 95,41 H 1 133,42 68,6 71,2 2,21 2,29 96,35 H 6 120,08 46,6 49,6 1,57 1,67 93,42 4P S 1 216, ,42 7,37 87, évfolyam, 8. szám 293

4 mutatja, azaz a próbatest teljes eltöréséhez szükséges fajlagos munkát. Itt is az látszik, hogy a 3P W 1 értéke több mint 30%-kal nagyobb a 3P S 1 -hez viszonyítva, a H 1 értékelhetõen nem változott, a 4P IKT S 1 több mint 230%-kal növekedett. A mechanikai tulajdonságok mérésénél kapott értékeket a duktilitási index is megerõsíti. A 3P S 1, 3P W 1 és a H 1 duktilitási indexe 93 96% közé esik, amely meglehetõsen rideg viselkedésre utal. A 4P IKT S 1 gyanta duktilitási indexének csökkenése (87%) a termék szívósságának jelentõs növekedését mutatja (12. ábra). 9. ábra. Ceast vizsgáló berendezés A 3P S 1 -hez viszonyítva a 3P W 1 -nél fajlagos ütõmunka (w C ), azaz az elsõ repedés elindításához szükséges munka értékének növekedése közel 30%, míg a H 1 - nél ez a növekedés csak 5% körüli, viszont a 4P IKT S 1 mintáknál ez a növekedés több mint 200% (10. ábra). A 11. ábra a korrigált fajlagos törési munkát (w CN ) 10. ábra. Fajlagos ütõmunkák (w C ) összehasonlítása 11. ábra. Fajlagos korrigált törési munkák (w CN ) összehasonlítása 12. ábra. Duktilitási indexek összehasonlítása 3. Összefoglalás Az epoxigyantákat korlátozott mértékben, a vinilészter gyantákat pedig szinte tetszés szerinti arányban célszerû elegyíteni a 3P gyantákkal. Érdekes, hogy mindkét gyantacsalád esetén a vízüveg cseppmérete egy nagyságrenddel lesz kisebb, emiatt a megszilárdult hibridgyanták pórusmérete finomabb és lényegesen egyenletesebb. A hibrid gyantáknál a térhálósodás során a polimerizáció legalább két eltérõ mechanizmussal játszódik le, közel egy idõben, vagy eltérõ idõben, más-más hõmérsékleten. A különbözõ reaktív komponensek nagyobb és egymásba hatoló, de helyenként kémiailag is összekapcsolódó térhálós szerkezetet hoznak létre (IPN Interpenetring Network). A PIR tartalom nagyobb térháló-sûrûség kialakulását teszi lehetõvé, ami a mechanikai tulajdonságok, a hõállóság és a vegyszerállóság jelentõs javulásában mutatkozik meg. Nõ a termék tapadószilárdsága és az epoxi gyanta tartalom ellenére kedvezõk maradnak az égési tulajdonságok. A kiválasztott Short Liner gyantatípusok vizsgálata az új generációs 4P hibrid gyanta (4P IKT S 1 ) szembeötlõ minõségi fölényét igazolta. A 3P S 1 -hez viszonyított mechanikai tulajdonság javulás %-os. Ezek alapján a független vizsgálatok és az engedélyeztetési folyamat után a 4P epoxi hibridek fokozatos térhódítása várható évfolyam, 8. szám

5 Irodalomjegyzék [1] Jost, N.; Karger-Kocsis, J.: Polymer Vol. 43, (2002). [2] Gryshchuk, O.; Jost, N.; Karger-Kocsis, J.: Polymer 43, (2002). [3] Karger-Kocsis, J.; Gryshchuk, O.; Jost N.: Journal of Applied Polymer Science, 88, (2003). [4] Vas L. M.: 3P és hibrid gyanták mechanikai tulajdonságainak jellemzése, 3P és hibrid gyanta napok, Budapest, szeptember [5] Nagy, G.: A Polinvent Kft. Kutatási-fejlesztési eredményei az elmúlt öt évben. Mûanyag és Gumi, 2009/8. [6] Balogh, T.; Jancsó, A.; Homann, D.: Liner gyanták és technológiák DIBt engedélyezési módszere és ellenõrzõ vizsgálatai az IKT-nál. Mûanyag és Gumi, 2009/8. [7] Új típusú, környezetbarát és emberközpontú mûgyanta alapanyagok, mátrixképzõ mûgyanták, kompozitok és technológiák kifejlesztése, NKFP-3A/0055/2002 nyilvántartási számú jelentés [8] Meiszel, L.; Balogh, T.: Vízüveg-izocianát rendszerek fejlesztése, Anyagtudományi Nap, MTA Anyagtudományi és Technológiai Komplex Bizottság, Budapest, május évfolyam, 8. szám 295