Bearbetning från A–Ö Cellplaster som dämpar och skyddar I detta kapitel ges en allmän bild av cellulära plaster, tvärbundna cellplaster samt framställningen av eps. ˘ Tidigare har formsprutad integralcellplast tillsammans med gas- och vattenformsprutning behandlats på dessa sidor. Metoderna är i många avseenden fördelak- CELLPLASTER I nästa nummer: Skärande bearbetning tiga formsprutningsmetoder. Toleranserna är sämre men man kan använda formsprutor med lägre låskraft för att tillverka en detalj av en viss storlek. Integralcellplast, tillverkad enligt rim-teknik, är en vanlig tillämpning för pur. Eftersom formväggen är kall bildas solid eller mikrocellulär plast närmast väggen medan cellerna i godsets inre växer i värmen. För att åstadkomma cellplaster tillsätts drivmedel = jäsmedel (blowing agents), som bildar gasbubblor. Drivmedlet sönderdelas i värme under gasutveckling. Bubblorna kan också uppstå då gaser frigörs under en tvärbindningsreaktion. Drivmedlen fungerar kemiskt eller fysikaliskt. Exempel på ett kemiskt drivmedel är azoföreningar och de fysikaliska drivmedlen Skummade polyoleﬁner har en unik kombination av materialegenskaper som passar inom marknader som medicinteknik, konsument- och byggprodukter. Vanliga cellplasteprodukter är extruderade skivor och proﬁler. består av lågkokande kolväten som pentan. Tidigare användes freoner men eftersom de bryter ned ozonskiktet har de ersatts. Cellplaster tillverkas i slutna formar samt i kontinuerliga anläggningar för tillverkning av folie, ark, band och block. Cellfolier tillverkas också genom extrudering Allmänt om cellplaster ˘ År 1933 lyckades man expandera polystyren i ett tryckkärl med hjälp av drivmedel. Därmed blev det möjligt att framställa cellplastblock. Polystyren har blivit störst bland cellplaster tätt följd av polyeten och pvc. Styva cellplaster av pur utvecklades av tysken Otto Bayer 1937 och användes som distanselement i lätta sandwichpaneler för flygplan under andra världskriget. c e llP l a st Ä r B e te c k n i n g e n för plast, som innehåller gasbubblor (uttrycket cellplast brukar föredras framför skumplast eller cellulär plast). Gasbubblorna i en cellplast kan uppgå till 95 procent av volymen. Olikheten mellan en cellplast och en solid plast är skillnaden i densitet, vilket framgår av figur 1. En kub på 1 dm3, av en plastsmälta, i vilken man under tryck infört ett drivmedel, som bildar porer då trycket lättar i munstycket. Det stötdämpande materialet eps (expanderad polystyren) framställs i flera steg enligt Styroporprocessen. lars-erik edshammar så kallade syntaktiska cellmaterial (syntactic foams) i vilka man blandat in slutna sfärer av glas eller lera (mikroballonger). Epoxiplast och omättad esterplaster fylls med mikrosfärer av plast för att bli lättare. Figur 1: Densiteter hos strukturcellplaster i jämförelse med cellplast med jämn cellfördelning samt solid plast. som består av solid polystyren väger omkring ett kilo. Om kuben består av styrencellplast kan den väga så lite som 20 gram. Solid polykarbonat har densiteten 1,260 kg/m3 medan en viss typ av cellulär polykarbonat har densiteten 900 kg/m3 och kan således flyta på vatten. Densiteten för olika cellplaster kan variera mellan 8 och 1 000 kg/cm3. Hög densitet fås hos om gasBuBBlorna står i förbindelse med varandra består cellplasten av öppna celler. Om cellerna är slutna och omges av sitt eget skinn är cellerna slutna. Mellan dessa extrema tillstånd förekommer cellplaster med gradvis öppna och slutna celler. I fenolcellplast är cellväggarna delvis perforerade och i melamincellplast är de helt öppna. Material med slutna celler har hög flytförmåga, men sämre förmåga att dämpa ljud. Distributionen av cellernas storlek är olika för olika typer av cellplast. I tvärsnit- plastforum 8 2006 55 Bearbetning från A–Ö Forts: Allmänt om … tet av integralcellplast (integral foam eller structural foam) är cellerna stora i mitten för att bli mindre mot sidorna där materialet övergår i ett mer eller mindre tätt ytskikt enligt figur 2. Integralcellplast tillverkas dels av termoplast enligt en teknik (beskrevs i ett tidigare kapitel) och dels av härdplast. I båda fallen bildas ett tätt ytskikt genom snabb avkylning mot den kalla formväggen medan det inre av smältan håller sig varm under längre tid, vilket bidrar till cellernas tillväxt. Integralcellplaster av härdplaster domineras av pur. De tillverkas med så kallad rim-teknik (Reaction Injection Molding) där komponenterna först blandas och sedan sprutas in i ett formrum där de reagerar med varandra. Trycket i formrummet är betydligt lägre än vid formsprutning av integralcellplaster. d e F le sta P l a ste r kan expanderas till cellplaster och de vanligaste är ps, pvc, pe, pur och ep. Materialen pvc och pe expanderas med hjälp av kemiska drivmedel. Cellulär pur, som tillverkas av två eller flera komponenter och kan ha både öppna och slutna celler. Cellerna bildas av de restprodukter, som fås då komponenterna reagerar men ofta används också ett drivmedel. Vid tillverkning av epoxicellplast används också drivmedel, som bildar gaser under den exoterma polymerisationen. Epoxicellplast har slutna celler. Expanderad polystyren (eps eller ps-e) tillverkas på ett speciellt sätt i flera steg och resultatet blir slutna celler. I ett första steg framställs ett förexpanderade polystyrenpartiklar. I följande steg får partiklarna svälla i en form där de svetsas ihop till ett isolermaterial eller ett stötdämpande förpackningsmaterial. Liknande material tillverkas också av polyeten och polypropen (pe-e, pp-e). Figur 2: Integralcellplastens densitetsvariation. 56 plastforum 8 2006 Cellplasters egenskaper ˘ Oavsett vilken plast eller process som används vid framställningen visar cellplasten följande positiva egenskaper: > Låg densitet > Låg termisk och elektrisk ledningsförmåga > Mekanisk dämpning (stötdämpning) > Ljuddämpning > God mekaniska egenskaper med hänsyn till densitet c e llP l a ste r n a Ä r d e ss uto m lätta att framställa, materialåtgången är liten och de är lätta att maskinbearbeta. Till nackdelarna hör att en cellplast har sämre styrka, modul, hårdhet och seghet än motsvarande solida plast av samma tjocklek. pvc-baserade cellplaster är självslocknade utan tillsatta flamskyddsmedel och tryck, färg och lack fäster på materialet. Den låga elektriska ledningsförmågan gör materialet lämpligt som elektrisk isolator vid mantling av tråd och kabel. d i e le k tr i c ite t s ko n sta nte n är ett mått på den elektriska ledningsförmågan. Solid pe-ld har en dielektricitetskonstant av cirka 2,3 vid 1 mhz och 23°c. Som cellplast har pe-ld en dielektricitetskonstant av cirka 1,1. Isoleringsförmågan ökar med minskad dielektricitetskonstant och därför kan cellulär pe-ld användas i tjockare isoleringar, vilket innebär hög flexibilitet, skydd mot stötar och mindre böjningsradier, vilket hindrar kabeln att kinka sig. pe-ld har dessutom hög resistens mot fukt och cellplastens slutna celler förstärker ytterligare användningen i vatten. Cellplastens styvhet varierar ˘ Styvheten varierar hos olika cellplaster. Ett elastiskt skumgummi deformeras lätt och materialet återgår det till sin ursprungliga form vid avlastning. Cellplast baserad på melaminformaldehyd (mf) är ett sådant mjukelastiskt material. Melaminskumplast med öppna celler har börjat användas i flygplanssäten och vikten minskar med 50 till 70 procent vid jämförelse med hittills använda material. För ett flygplan av typen Airbus a380 betyder detta en total viktsbesparing av 600 kilo. e n st Y v c e llP l a st kan karaktäriseras som duktil-styv eller spröd-styv. Exempel är cellplast baserad på pvc respektive fenolformaldehyd (pf). Ett duktilt-styvt material deformeras vid belastning före brott medan ett sprött-styvt material inte visar någon deformation före brott. pur varierar i egenskaper mellan duktil-styv och flexibelelastisk. Cellulära konstruktionsplaster är i allmänhet av typen duktil-styv. Vid framställning av cellplaster används en rad tillsatser. Förutom drivmedlen och gängse tillsatser förekommer kärnbildar och ytaktiva medel för att optimera cellstrukturen. Termoplastblandningar och härdplastkomponenter måste emellertid blandas noggrant för att undvika defekter och oregelbunden fördelning av celler. Figur 3: Cellbildningen sker i ett snävare temperaturintervall för delkristallina material än amorfa. Då cellerna börjar växa måste blandningen vara flytande och när cellerna fått den rätta storleken skall blandningen stelna eller härda. v i d F r a m stÄ lln i n g av härdplastskum skall således komponentblandningen inledningsvis ha en låg viskositet även om den är svagt tvärbunden. Bubblorna stabiliseras då plastblandningen härdar och tvärbinds. Viskositeten hos blandningen kan öka mycket snabbt under den reaktion, som leder till tvärbindning och stabilisering av bubblorna. Termoplaster expanderas då materialet är mer eller mindre i smälta och bubblorna stabiliseras då plasten kyls och stelnar. Delkristallina plaster är svårare att expandera än amorfa plaster eftersom smältintervallet är snävare, vilket framgår av figur 3. Bearbetning från A–Ö pur-cellplaster ˘ Polyuretan är ett material som förekommer i de mest skiljda former som härdplast, termoplast och gummi. Volymmässigt är cellplast tillverkad av pur störst och utgör 3/4 av den totala purkonsumtionen. Nästan 50 procent av cellplasten utgörs av mjukt skumgummi, drygt 25 procent är styv cellplast medan integralcellplasten intar en volym av tio procent. Mjuka cellplaster (skumgummi) används som komfortskum i bilsäten, möb- ler och madrasser. Två tredjedelar av den pur som finns i personbilar hamnar i säten och motsvarar omkring tio kilo mjuk cellplast per fordon. Hårda cellplaster ingår som termisk isolering i byggelement, kylskåp och kylhus samt kring rör och tankar. sa n dWi c H e le m e nt med hårda cellplaster tillverkas kontinuerligt med täckskikt av stålplåt och har hög isoleringsförmåga. Fördelen med uretancellplast är att plasten häftar automatiskt till täckskikt av metall. Pentan har ersatt tidigare använda fluorerade kolväten som drivmedel för att framställa de styva isolerskummen. Pentan ger högre värmeisolering än luft i cellerna. Om fukt tränger in i cellerna minskar värmeisoleringen betydligt. För att förhindra diffusion bör distansmaterialet därför innehålla slutna celler. Styv pur med slutna celler har en mycket termisk konduktivitet. Tillverkning av pur-cellplast ˘ pur-tillverkningen sker genom att vätskeformade komponenter innehållande isocyanater och polyoler förs samman och reagerar med varandra. Komponenterna pumpas i bestämda mängder in i en blandningskammare där de omedelbart reagerar med varandra för att injiceras i en öppen form eller i slutet formrum. Framställningen sker i lågtrycksmaskiner eller högtrycksmaskiner. I lågtrycksmaskiner förs komponenterna från förrådstankar till arbetsbehållare och vidare via doseringspumpar till en cylindrisk blandningskammare (blandningshuvud). Utrustningen för lågtrycksprocessen beskrivs i figur 4. Det behövs minst två arbetsbehållare. Då fler ingredienser hanteras behövs fler. Arbetstrycket är lägre än 4 mpa. Blandningshuvudet består av en cylinder med mekanisk omrörare. Med hjälp av ventiler återförs komponenterna till sina behållare under det att blandaren rengörs med tryckluft eller lösningsmedel och vatten, som levereras av en särskild behållare. F ö r d e le n m e d m e to d e n är att komponenterna flyter genom ledningarna genom självtryck. En nackdel är emellertid att endast en liten kvantitet kan blandas och transporteras per tidsenhet och att blandningen strömmar ut ur blandningshuvudet under mycket lågt tryck. Det låga trycket medför att formarna till och med kan tillverkas av papper. Blandningshuvudet kan inte anslutas till en sluten form, som kräver ett högre tryck och en kontinuerlig rengöring av blandningshuvudet. Därför används me- Figur 4: Flytschemat hos en lågtrycksmasikn. Figur 6: Schematisk beskrivning av anläggning för framställning av cellplastplattor belagda med täckskikt. toden för att tillverka halvfabrikat. Vid kontinuerlig tillverkning av möbelstoppning eller isoleringsmaterial sker tillverkningen i en ränna omgiven av papper enligt figur 5. Sprutningen sker på papper som vilar på ett löpande band. Det rullas också upp papper i sidorna av det löpande bandet. Det skummade blocket har ett rektangulärt tvärsnitt av två meter bredd och en meter i höjd. Densiteten är 15–60 kg/m3. Det skummade materialet lämnar bandet och får efterhärda innan det tillskärs. Då skummning sker mellan dubbla Figur 5: Schematisk beskrivning av anläggning för kontinuerlig framställning av cellplastblock. Figur 7: Flytschemat hos en högtrycksmaskin. band enligt figur 6 får cellplasten en högre densitet. Hårda cellplastblock tillverkas med denna metod i bredder upp till 1,3 meter. Sandwichpaneler tillverkas genom kontinuerlig laminering i en liknande maskin. i H ö g trYc k sm a s k i n e r sprutas komponenterna under högt tryck mot varandra enligt motströmsprincipen in i liten kammare där de blandas under kraftig turbulens. Komponenter reagerar snabbt med varandra och genomströmningen per tidsenhet är hög. Med hjälp av kolvpumpar drivs arbetstrycket upp till 30 mpa. plastforum 8 2006 57 Bearbetning från A–Ö Expanderad polystyren – eps eller ps-e ˘Expanderad polystyren, som tillverkas enligt Styroporprocessen har slutna celler. Materialet används som termisk isoleringsmaterial inom byggnadsindustrin och i stötupptagande förpackningar som skyddar konsumentprodukter. eps används också som poröst fyllnadsmaterial, som skyddar produkter eller gör betong lättare samt i produkter, som skall flyta på vattnet (bojar och flytkroppar). Inledningsvis expanderas homopolymeren med ett kolväte, som vanligen är pentan med kokpunkten 36°c. Pentanet fungerar som drivmedel och polystyrenet bildar cellulära pärlor (partiklar). Partiklarna framställs i olika storlekar. De minsta utgörs av pärlor med en diameter av 0,2 millimeter till 0,3 milllimeter och de största av har måttet 0,6 mm x 2,5 mm. Vid den efterföljande tillverkningen används de stora granulaten för tjockväggig cellplast. De finare kornen ger produkter med större precision och likformiga celler. Pa r ti k l a r n a p ro c e ssa s därefter i följande steg. Först behandlas partiklarna med Fortsättning: Tillverkning av pur-cellplast Blandningen sprutas in i en sluten form med exakt dosering och bestämda skottvikter. Blandningen hinner inte reagera förrän den införts i formen. Efter varje blandnings- och fyllningsmoment recirkuleras strömmarna under rengöring av blandningshuvudet, som är självrensande. Högtrycksmaskinen är dyrare än lågtrycksmaskinen och principen för dess konstruktion framgår av figur 7. ånga och sväller. Vid denna förexpansion, som sker i en kammare sväller materialet 80 gånger: Vattenångan, som har ett högt värmevärde diffunderar in i styrenplasten och förgasar drivmedlet. De svällda kornen flyter på toppen av kammaren och överförs pneumatiskt till ett förvaringskärl där de mellanlagras under avsvalning. Förexpansionen sker vid 90 till 110°c. De förexpanderade kornen, som är fririnnande krymper långsamt under avsvalning vid mellanlagringen under tolv timmar och cellväggarna blir sega. Under avsvalningen kondenseras pentan och ånga i de slutna cellerna och det bildas ett undertryck och under mognadstiden fylls cellerna med luft. Fo r m n i n g av p ro d u k te r sker slutligen i en press av metall med väggar upphettade med ånga och formningen sker vid 100° c till 120° c. Ångan förs in i formrummet via små dysor i formväggarna. Dysorna avtecknas med sina små hål på formgodsets väggar. Partiklarna sväller ytterligare och klibbar till varandra under det att produkterna formas. Ångtillförseln stängs av automatiskt. Formen avkyls med vatten för att inte cellerna skall kollapsa och produkten avformas. Produkten kan bland annat formas till block, som är upp till 1m x 1m x 2m stora. Blocken har vanligen en densitet av 13 till 15 kg/m3 och kan kapas till skivor med bandsåg eller het tråd. Tillverkning av formgods till förpackningar sker på liknande sätt i avsedda formar. Processen sker under lågt tryck och formarna kan tillverkas i aluminium. Formgodset har en densitet mellan 10 och 25 kg/m3 och innehåller cirka 350 000 slutna celler per kvadratcentimeter. Cellväggarna är endast mellan 1 och 2 mm tjocka. V i d ti llv e r k n i n g av integralcellplast högtryckssprutas den högreaktiva blandningen tills en tredjedel av formen är fylld. Därefter jäser blandningen tills formen är fullständigt fylld. Processen är känd under förkortningen rim (reaction injection moulding) och används huvudsakligen vid bearbetning av pur. Av beteckningen fram går att den gjutna produkten framställs genom en kombination insprutning och reaktion. Produkter som tillverkas på detta sätt är exempelvis stötfångare till fordon. 58 plastforum 8 2006 e p s - fö r pac k n i n g a r intar stora volymer som avfall och man har utvecklat system för insamling, återvinning och återanvändning. Materialet mals ned och kan åter expanderas till ett enklare isolationsmaterial. Det nedmalda materialet kan också användas som jordförbättringsmedel och blandas i lättbetong för att ge betongen lägre densitet. eps kan skiljas från cellulär ps, som tillverkas med andra metoder Figur 8: Schematisk beskrivning av framställning av cellplastfolie i enkelskruvextruder. eftersom de svällda kornen avtecknas på ytan. E n li k n a n d e m e to d används också vid framställning av expanderade polyolefiner. När det gäller polypropen utgår man från en statistisk sampolymer med en viss partikelstorlek. Partiklarna impregneras satsvis med ett lösningsmedel som drivmedel med hjälp av värme och tryck. Partiklarna sväller till önskvärd densitet beroende på mängden lösningsmedel och temperatur. Då lösningsmedlet indunstar kyls polypropenet ned till en temperatur där det kristalliserar i cellväggarna. Gjutningen sker under ett ångtryck av 0,2 mpa då partiklarna sväller ytterligare. Den formade produkten hålls kvar i formen vid hög temperatur för att bli formstabil. Produkten har en utomordentligt god slagseghet och används till bilstötfångare, samt som skydd för datorer. D e f le sta c e ll fo li e r tillverkas av ps. Cellfolier av ps som är tre till fem millimeter tjocka tillverkas i stora kvantiteter för varmformning tråg och behållare för matvaror. En liknande produkt tillverkas i mindre omfattning av pp och används för att skydda möbler och elektronikutrustning. Man utgår från en sampolymer och med hjälp av ett drivmedel expanderar materialet vid relativt låg temperatur i ett skum av låg densitet av cirka 15 kg/m3. Processen är mycket känslig och fungerare i ett snävt temperaturintervall. Man använder polypropen med hög smältstyrka. Materialet extruderas genom ett ringformat munstycke och expanderar vid trycksänkningen, kyls och kalibreras samt skärs i två delar och rullas upp som expanderade ark med densiteten upp till 150 kg/ m3 enligt figur 8.