Poliurán ingrálhab rmékk auóipari alkalmazása és vizsgálaa GRÕB PÉTER * gymi anársgéd 1. Bvzés A világ mûanyag-flhasználása 2006-ban közl 245 millió onna vol, és bbõl a poliuránok 11,7 millió onná képvislk [1], ami a ljs rmlés közl 5%-a. Ezzl a ömgmûanyagok mögö a haodik lggyakrabban alkalmazo mûanyag. A székk, ülõgarniúrák, fkhlyink béj lágy poliuránhab; házarási gépink sziglés kmény poliuránhab; auóink sok blsõ és külsõ lm, ovábbá a cipõalpak ingrálhabból készülnk. Nagyrugalmasságú ruháink poliurán laszomr slym aralmaznak. A poliurán lakkoka és ragaszóka spciális célokra alkalmazzák. A poliuránok flhasználásának közl 80%-a különfél hab, mlyk fl ún. formahab, amikor a rmék gy formaadó szrszámban kapja mg véglgs alakjá. A rakív fröccsönés (Racion Injcion Moulding RIM) a habosío rmékk lõállíására alkalmas módszrk közül a lgsokoldalúbb és lgdinamikusabban fjlõdõ ljárás annak llnér, hogy a poliurán habosíás a mai napig lgöbbször apaszalaokon alapuló, mpirikus chnológia. Kvés információnk van a rmékk valós habosodási folyamaáról, a kialakuló rakciónyomásról és a rakcióhõrõl, valamin azok irányfüggésérõl, zér a habosíó szrszámok rvzés, különfél szmponok szrini opimalizálása alakválozásra, nyomásbírásra, kölségr sb. lsõsorban apaszalaokon, bcsléskn nyugszik. Ugyanz vonakozik a rmékulajdonságok pl. flüli kménység, zsugorodás, moduluszok és a különbözõ chnológiai paramérk kapcsolaára is. Ennk oka lgfõképpn a habosíás chnológiájában krsndõ. A poliurán habosíás során ké folyékony komponns (az izocianá és a poliol) a kvrõfjbn nagy nyomáson (150 160 bar) összkvrnk, majd az lgy azonnal a szrszámba juaják, ahol mgindul a kémiai rakció. Az xpandáló hab lõször kiöli a szrszámürg, majd lindul a érhálósodás, amly során a rmék mgszilárdul és lnyri a kíván alako [2, 3]. A végrmék fizikai-mchanikai ulajdonságai nmcsak a kiindulási anyagokól, hanm a rakció körülményiõl is rõsn függnk. A poliurán rmék zsugorodási paraméri kulcsfonosságúak a szrszámrvzéskor, ovábbá a mûszaki haladás és a héköznapi él az kívánja, hogy a habosíással kialakío rmékk mérponossága gyr jobb lgyn, és a rmék ulajdonságai az idõ lõrhaladával is képs lgyn mgarani. A rmék flüli kménység jllmzõ mchanikai, a sûrûség mind az álagsûrûség, mind a sûrûség-loszlás pdig jllmzõ fizikai ulajdonsága, amlyk érék mghaározó a funkció szmponjából. A habosío rmékk mgbízhaó gyárásának lngdhln flél a fldolgozás-chnológia és a fizikai-mchanikai ulajdonságok közöi kapcsolaok ponosabb ismr. Mindz azér is fonos, mr napjainkban a polimrk fldolgozási chnológiái dinamikusan fjlõdnk, folyamaos fjlszéssl gyr jobb és gazdaságosabb mûszaki mgoldások szülnk. A rakív fldolgozási chnológiák zn a érn lmaradak ársaikól, mr a rakív fröccsönés alapvõn különbözik a hagyományos mûanyag-fldolgozásól. 2. Ingrálhabok ulajdonságai és alkalmazásai A ljs poliurán flhasználás közl 15%-a ingrálhab, az zkbõl készí gyármányok flülén pórusmns, ömör héj képzõdik, és a sûrûség a gyármány magja flé fokozaosan csökkn (1. ábra). A sûrûség-loszlás annál gynlsbb, minél nagyobb az álagos sûrûség [2]. Poliurán lágy- vagy kmény haboknál a hab flüli védlm gy külön mûvlbn készí film flvilévl, vagyis szndvicsszrkz kialakíásával érhõ l. Az ingrálhaboknál a zárófilm, a hab héja, a gyárás során képzõdik, vagyis a rmékbn ingrál. Innn rd az lnvzés. 1. ábra. Az ingrálhabok sûrûség-loszlása [2] Mûanyagok vizsgálaa * Budapsi Mûszaki Egym, Gépészmérnöki Kar, Gépszrkzani Inéz 64 2009. 46. évfolyam, 2. szám
Az ingrálhaboka kménység szrin három ípusra oszjuk [3, 4]: lágy ingrálhabok: cllái nyioak, héjuk szívós, laszikus, amly kiûnõ védlm nyúj a magnak; félkmény ingrálhabok; kmény ingrálhabok, amlyk zárcllás szrkzûk, zér hõsziglõ képsségük és akuszikus, ovábbá, mchanikai és dilkromos ulajdonságaik kiûnõk, zér lkronikai flhasználásuk is lhségs. 3. Ingrálhabok a jármûiparban Az ingrálhabok jármûipari alkalmazása 1973-ban kzdõdö, amikor az amrikai NEMZETI KÖZLEKEDÉSBIZ- TONSÁGI HATÓSÁG (Naional Highway Traffic Safy Adminisraion) kölzõvé, hogy az auók lsõ lökháríójának gy 5 mérföld/órás üközés sén nm szabad károsodnia [5]. A korábban alkalmazo fém lökháríók nm fllk mg nnk a kriériumnak, így fordul a figylm a nmféms anyagok flé. Mivl abban az idõbn még nm udak lökháríóka fröccsönni, így fordulak a rakív fröccsönés flé. Azóa az ingrálhabok a szárazföldi, a légi és a vízi közlkdésbn mind bléri, mind küléri lmkén használaosak. A szmélygépkocsikban lõforduló ingrálhab rmékkr mua néhány példá a 2. ábra. A külsõ lmk lhnk különfél díszíõ, ölözõ lmk, pl. szélvédõ és õablak szgély, spoilr (3. ábra), krékdob bélés, valamin az auó védlm, pl. oldalcsík, lsõ és hásó lökháríócsík (5. ábra). Lhnk ovábbá funkcionális lmk is, ilyn pl. a hûõrács, moorér boríás (5. ábra), csomagér álca (6. ábra). Az uasérbn használaos lmknél a funkción kívül a passzív bizonság is mgkövl, vagyis hirln lökésnél (fékzés, üközés) a klkzõ nrgiá flxibilis dformációval fl kll fogni. Ilyn pl. a kormánykrék, amlynk fém vázá 5 10 mm vasag lágy vagy kmény ingrálhab rég boríja, illv a különfél passzív bizonsági szköznk számíó nrgialnylõ lmk (7. ábra), amlyk lágy ingrálhabból készülnk. Ezn kívül blsõ lm még az ingrálhab mûszrfal (8. ábra) és sbsségváló gomb (9. ábra) is. Az ajóboríások gyárhaók kmény ingrálhabból. 4. Poliurán ingrálhabok vizsgálaa 4.1. Vizsgálai módszr A poliurán ingrálhabok habosodása során klkzõ nyomás vizsgálaához kéfészks, lépcsõs formaürgû kísérli szrszámo használam, a nyomásérékk 2. ábra. Ingrálhabok a szmélygépkocsiban [2] 3. ábra. Elsõ lökésgáló poliurán ingrálhabból 4. ábra. Színrfúj poliurán spoilr 5. ábra. Moorér boríás 6. ábra. Csomagér álca 2009. 46. évfolyam, 2. szám 65
9. ábra. Lágy ingrálhab sbválógomb 7. ábra. Enrgialnylõ lm 8. ábra. Mûszrfal 18 hlyn rgiszrálam KISTLER 4079A ípusú pizorziszív lvn mûködõ, RIM chnológiára kifjlsz hõ- és nyomásérzéklõ sznzorral. A késõbbikbn mghaározam a minák flüli kménységé, illv zsugorodásá. Kísérlimhz az ELASTOGRAN KEMIPUR POLI- URETÁN SYSTEM KFT. Elasofoam I 4703/100/sch jlû habanyagá használam, mly rugalmas, 400 800 kg/m 3 érfogasúlyú, 50 90 ShA kménységû ingrálhab rmékk gyárására alkalmas. 4.2. A nyomás vizsgálaa A habosíószrszámok rvzés, különfél szmponok szrini opimalizálása alakválozásra, nyomásbírásra, kölségr sb. jlnlg lsõsorban apaszalaokon, bcsléskn nyugszik. Ezér ado chnológiai bállíásoknál mérm a nyomás az 1 18. mérõhlykn. Az rdményk flvilágosíás adnak a szrszámban kialakuló nyomás-loszlásról, ami ponosabbá hi a szrszám és a szrszámaró brndzésk rvzésé. A nyomás idõbli lfuásá a 18 ponon mérv a 10. ábra muaja. A kék görb a mérésk álagá, a piros görb pdig a mérési ponok szórásá jlképzi. A 11. ábrán a nyomásflülk láhaók, a vízszins nglykn a formaürg x, illv y irányú mér (x = 450 mm, y = 150 mm), a függõlgsn pdig a nyomás szrpl bar-ban. A 10. és 11. ábrá lmzv mgállapíhaó, hogy a 10. ábra. A nyomás válozása az idõ függvényébn 11. ábra. A nyomás érék a hly függvényébn 66 2009. 46. évfolyam, 2. szám
18 mérési hly közö a kialakuló nyomás maximuma és lfuása szmponjából nincsn jlnõs különbség. Ez gybn az is jlni, hogy a rmék flülén függlnül a formaürg gomriájáól a nyomás és annak idõbli válozása állandó. Ez a mgállapíás a rmék flülénk szélén és közpén is igaz [6]. A chnológus számára a nyomás és az álagsûrûség fonos, zér a kapcsolauk sm lhanyagolhaó. A nyomás alapvõ a szrszámrvzéshz, a sûrûség pdig a mgrndlõ írja lõ. Az üzmi gyakorlaban a formaürgbn kialakuló nyomás a szrszámban habosodó hab és a szabadon habosodó hab sûrûségénk a hányadosából számíjuk. A szrszámban habosodó hab sûrûség a szrszámba bfcskndz anyag mnnyiségénk és a szrszám érfogaának a hányadosa, a szabadon habosodó hab sûrûség pdig a habra jllmzõ chnológiai paramér. E kõ hányadosa adja a szrszámra haó blsõ nyomás. A 12. ábra a bcsül és a mér nyomás az álagsûrûség függvényébn muaja, amibõl gyérlmûn mgállapíhaó, hogy a bcsül nyomás mindig nagyobb min a valós (mér). Ha a poliurán habosíó szrszámoka bcslési formula alapján mérzik, akkor azok nyomás szmponjából úlmérzk, ami nagyobb mér és ömg, ovábbá nagyobb anyag- és kölségráfordíás jln [6]. 13. ábra. A flüli kménység és az álagsûrûség kapcsolaa. ShA= 89,99178,06 116,52 4.4. A flüli kménység idõfüggés A poliuránhab rmékk ulajdonságai hasonlóan a öbbi polimr rmékhz idõfüggõk. Ezk nagyrész a gyáráschnológiából kövkznk: a ljs érhálósodás öbb idõ vsz igényb, min amnnyi a rmék a szrszámban arózkodik, így a flüli kménység és a rmék mér csak bizonyos idõ llévl kinhõ állandónak. A szakirodalomban csak ualások alálhaók rr vonakozóan, a habosíással foglalkozó cégk sm adnak álalánosan érvénys összfüggésk. Kövkzésképpn mindn sbn kísérli úon kll mghaározni a flüli kménység és a zsugorodás válozásá az idõ függvényébn. Ez azér is fonos, mr sm a kménység (ISO 7619), sm a zsugorodás (ISO 2577) mérésér vonakozó szabvány nm ad rr gyérlmû iránymuaás. ρ 12. ábra. A bcsül és a mér nyomás az álagsûrûség függvényébn. p = 0,004ρ 0,373 4.3. A flüli kménység Félkmény poliurán ingrálhabok sén a flüli kménység az álagsûrûségbõl számíhaó (13. ábra). A krszk a mér érékk, a folyonos görb a rgrssziós közlíés, a szaggao görb a 99%-os konfidnciainrvallumo jlöli [7]. 14. ábra. A flüli kménység és az idõ kapcsolaa. Flüli 0,2 8, 5 kménység: 80, 9 24, 1 28, 8 2009. 46. évfolyam, 2. szám 67
Így, ha a rmékk minõsíés vonakozó és haályos szabványok alapján örénik, akkor azok nm szolgálanak mgfllõ rdmény, ha nm vsszük figylmb, hogy zk az érékk mnnyi idõ múlva kinhõk állandónak. A flüli kménység válozásá az idõ függvényébn a 14. ábra muaja. 5 mina mérésénk álagá rprználó ponokra a lgkisbb négyzk módszrévl illszm közlíõ görbé. A paramér hlyér a gyárás uán ll idõ órában bírva kapjuk a ShA flüli kménység, mly 39 óra uán már nm válozik 0,05%-nál nagyobb mérékbn [8]. 4.5. A érfogai zsugorodás idõfüggés A érfogai zsugorodás válozásá az idõ függvényébn a 15. ábrán láhajuk. Ebbn az sbn szinén 5 párhuzamos mérés álagá jlnõ ponokra fkm közlíõgörbé. valamin kölség- és idõhaékony szrszámgyárás sz lhõvé. Amnnyibn ismr az lérni kíván kménység érék, akkor az ahhoz arozó álagsûrûség mghaározhaó. Az álagsûrûség érék a szrszámba injkál anyagmnnyiség és a szrszámürg hányadosa, zálal ado flüli kménységhz a binjkál anyag mnnyiség mghaározhaó. Az idõfüggõ ulajdonságok kísérli mghaározása a rmékk minõségllnõrzésénk idõponjára ad flvilágosíás, illv az összfüggéskkl ado idõponban mérv a rmék ulajdonságainak várhaó érék bcsülhõ. 5. Összfoglalás A poliurán habok lõállíásá nhzíi, hogy gyáráschnológiájuk mind a mai napig dönõn apaszalaokra alapul, z igaz mind a habosíó szrszámok mérzésér, mind a chnológiai paramérk bállíására, sõ a minõségllnõrzésr is. Összfüggésk krsm a poliurán ingrálhabok fizikai-mchanikai ulajdonságai és a gyáráschnológiai paramérk közö, mlykkl a szrszám ponosabban mérzhõ, a gyáráschnológiai paramérk hlys mgválaszásával a kíván rmék kaphajuk, valamin a végsõ minõsíés idõponjá is mgadam, amirõl a szabvány nm rndlkzik gyérlmûn. Ezk sgíségévl a poliurán ingrálhab rmékk lõállíása, valamin minõsíés a jlnlginél sokkal ponosabban és gazdaságosabban örénh. Köszönm fjzm ki a komlói Raipur Kf.-nk, különösn Sipos Tibor rvzõmérnöknk, a mérésk során nyújo sgíségér és a cikkbn flhasznál fényképkér. 15. ábra. A érfogai zsugorodás és az idõ kapcsolaa: 0,0460,024 5,399 0,022 49,231 A paramér hlyér a gyárás óa ll idõ órában bírva kapjuk a érfogai zsugorodás százalékos éréké. Az illszés ponosságá jlzõ drminációs gyühaó: R 2 = 0,990. A érfogai zsugorodás 148 óra uán nm válozik 0,05%-nál nagyobb mérékbn az lõzõ érékhz képs [8]. 4.6. Az rdményk hasznosíása A szrszámban ébrdõ lgnagyobb nyomásra flír összfüggéssl az álagsûrûségbõl jól bcsülhõ a habosodáskor klkzõ nyomás, zálal a szrszám hrbírásra való rvzés és opimálása mgbízhaóbb alapokon végzhõ, ami összhasonlíva a jlnlgi mérzési ljárással kisbb bfoglaló mér, kisbb ömg, Irodalomjgyzék [1] Vnackr, P.: Polyurhan, Kunssoff Inrnaional, 97, 142 148 (2007). [2] Farkas, F.: Poliuránok, Kémszám B., Budaps, 2004. [3] Randall, D.; L, S.: (d.): Th polyurhans book, John Wily&Sons, Nw York, 2002. [4] Orl, G.: Polyurhan Handbook, Hansr Publishrs, Munich, 1994. [5] hp://www.nhsa.do.gov/cars/problms/sudis/bumpr/ Indx.hml, 2009. január 11. [6] Grõb, P.; Marosfalvi, J.: Invsigaion of h prssur gnrad in h mould caviy during polyurhan ingral skin foam moulding, XPRESS Polymr Lrs, 2, 511 519 (2008). [7] Grõb, P.: Th ffcs of chnological paramrs on h propris of PUR ingral skin foams, Priodica Polychnica Mchanical Enginring (mgjlnés ala). [8] Grõb, P.; Marosfalvi, J.: Ingrál poliurán hab rmékk idõfüggõ ulajdonságainak vizsgálaa, Mûszaki Szml, OGÉT különszám, 151 154 (2008). 68 2009. 46. évfolyam, 2. szám