Plast Center Danmark Plast er ikke bare Plast Hvad enhver teknikker bør vide om plast Mia Katharina Andersen Podlech Teknisk Projektleder Ph.D. Kemiingeniør Vejle, d. 1. november 2012 1
Plast er ikke bare Plast Plasts termiske afhængighed Indhold 1. Polymeres opbygning 2. Plast er ikke bare plast kompoundering 3. Kontakt med fødevarer 4. Kemikaliebestandighed 5. Spændingsrevner 2
Polymeres opbygning Et succesfuldt plastemne repræsenterer en kombination af: 1. God emneudformning, 2. God konstruktion og fremstilling af værktøjet, 3. Fornuftig Indkøring og procesovervågning 4. Det rigtige materiale. Disse fire discipliner skal forbindes og fungerer i samspil med hinanden for at opnå de bedst mulige egenskaber. I det efterfølgende vil vi se på nogle egenskaber hvor dette også gør sig gældende. Først skal vi se på nogle grundlæggende begreber inden for polymere og deres opbygning 3
Polymeres opbygning Polymere er makromolekyler. (Mw > 10 000 g/mol) Polymere materialer er unikke, idet de opnår deres egenskaber (eks. termisk og kemisk resistens) p.g.a. molekylernes store størrelse og udbredte kædestruktur. Polymererne kan strukturmæssigt og egenskabsmæssigt inddeles i tre grupper: Termoplast stoffer med individuelle kædemolekyler (amorfe og delkrystallinske termoplast) Hærdeplast stoffer med stærkt tværbundne 3D netværks-molekyler. Elastomerer stoffer med let tværbundne kædemolekyler 4
Polymeres opbygning Amorf og krystallinsk struktur Krystallinske strukturer er ordnede Amorfe strukturer er uordnede (uden nogen form) Krystallisering kan indtræffe når polymerkæderne kan pakke tæt For at pakke tæt må polymerkæderne være regulære uden volumeniøse sidegrupper og lange forgreneinger Forøget krystallisering giver forøget styrke, stivhed, varme resistens og smelte temperatur. 5
Plast er ikke bare plast - kompoundering Vi tænker på råmaterialet i udtryk som polymertyper (PE, PS, ABS, PC, PA etc). I den virkelige verden håndterer vi blandinger det vil sige kompounds. Ofte kan man med fordel ændre på visse egenskaber og dermed udvide anvendelsesmulighederne betragteligt. Ved tilsætning af forskellige hjælpestoffer kan man til en vis grad skræddersy materialet med egenskaber eller egenskabskombinationer, som er tilpasset specifikke anvendelser. 6
Plast er ikke bare plast - kompoundering Stabilisatorer Funktion modvirke nedbrydningen af energien i solens stråling Antioxidanter Anvendes for at forsinke en kemisk reaktion imellem luftens ilt og plastmaterialet UV stabilisatorer UV absorbere anvendes for fysisk at forhindre nedbrydning 7
Plast er ikke bare plast - kompoundering Varmestabilisatorer Anvendes for at forhindre termisk nedbrydning Brandhæmmere Blødgørere Indre og ydre blødgørere Proceshjælpemidler Fyldstoffer Forstærkende fibre 8
Plast er ikke bare plast - kompoundering Blødgører Polymerkæderne tvinges ad af blødgøreren Materialerne blødgøres idet antallet af sekundære bindinger reduceres Reducerer stivhed, hårdhed og smelteviskositet 9
Kontakt med fødevarer Ved kontakt med fødevarer er man først og fremmest opmærksom på at forhindre forskellige toksiske stoffer i at vandrer fra plasten over i fødevarerne og dermed udgøre en sundhedsrisiko eller være kilde til bismag eller lugt. EC No 1935/2004. Dette testes eks. ved: Sensorisk analyse (ISO 13302) Migrations analyse (DS/EN 1186) 1. Dest. Vand 2. 3% Eddikesyre (Sure fødevarer) 3. 10% ethanol (alkoholholdige fødevarer) 4. Oliven olie (fede fødevarer) Det er ikke polymererne i sig selv, der udgør en sundhedsrisiko, men de lavmolekylære stoffer, (eks. rester af monomerer, blødgørere, stabilisatorer eller pigmenter. 10
Kontakt med fødevarer Hvorfor sker overførslen af en komponent i plasten til en fødevare? Pga. migration, dvs. bevægelsen af et atom eller molekyle fra en position til en anden fra et materiale til et andet. Hastigheden af migrationen afhænger bl.a. af diffusionen. Diffusionen forklarer netto strømmen af molekyler fra en region af høj koncentration til en med lavere koncentration. Diffusionen afhænger igen af : 1. Størrelsen, dvs. masse, struktur og polaritet af partiklerne 2. Viscositeten 3. Temperaturen. Generelt er det vanskeligt at gennemfører egentlig godkendelse af et materiale til en bestemt fødevare. Sædvanligvis kan der kun gives garanti for råvarens egenskaber, idet forarbejdnings-processen kan have negativ indflydelse på materialet. 11
Kemikaliebestandighed Plasts kemikaliebestandighed er yderst relevant da udstyr til fødevareindustrien ofte rengøres i CIP, der generelt er meget stærke rengøringsmidler Plastmaterialers bestandighed overfor kontakt med kemikalier er stærkt afhængig af de enkelte materiales opbygning, struktur og kompoundering. Faktorer med indflydelse på kemikaliebestandigheden: 1. Temperatur og tid for eksponering 2. Geometrien af emnet 3. Mekanisk belastning i service 4. Fremstillingsprocessen 5. Indre stress i materialet 12
Kemikaliebestandighed Kemikaliebestandigheden bør altid vurderes under materialevalgsproceduren Ringe kemikaliebestandighed kan vise sig som: 1. Dimmensionsændringer kvældning, kastninger 2. Ændring i mekaniske egenskaber 3. Nedbrydning, opløsning, delaminering, smuldren, mm. 4. Visuelle ændringer farveændringer, gulning 13
Kemikaliebestandighed Vurdering af kemikaliebestandighed Data er generelle Mange forskellige leverandørdata og håndbøger skal konsulteres for at få nok oplysninger OBS! Data fra forskellig litteratur er ofte uoverensstemmende Prediktering kan kun blive indikativ Test er stærkt anbefalet/nødvendige. 14
Kemikaliebestandighed Man bestemmer normalt kemikaliebestandigheden ved at nedsænke opmålte og vejede prøvelegemer i det pågældende kemikalie ved den aktuelle temperatur. Med jævne tidsintervaller skylles og aftørres prøvelegemerne. Deres dimensioner og vægt måles igen. Desuden inspiceres prøvelegemerne for eventuelt ændret udseende. Ofte bestemmes væsentlige (f.eks. Mekaniske) egenskaber både før og efter eksponeringen. 15
Kemikaliebestandighed Et vist slægtskab i kemisk sammensætning og dermed også forenelighed mellem polymeren og kemikaliet vil reducerer kemikaliebestandigheden. PS, som indeholder benzenringe i molekylet, er opløseligt i aromatiske opløsningsmidler som benzen, toluen og acetone. 16
Spændingsrevner Spændingsrevner er et stort problem i plastemner, der forventes at have lang levetid. (Ca. 25-30% af fejl i plastemne relateres til spændingsrevner. Spændingsrevner opstår p.g.a. en negativ synergieffekt mellem det kemiske miljø og en indre eller ydre belastning. Efter forarbejdningen nedkøles plasten og materialet trækker sig sammen. Dette giver sig udslag i krympningsforskelle; spændinger opstår. Ved afkøling dannes der en stiv skal udenom det varme centrum. Under fortsat afkøling krymper materialet i centrum også; men skallen kan pga. stivheden ikke følge efter. 17
Spændingsrevner Emnets ligevægtstilstand af spændinger bestemmes af to faktorer : a) skallens stivhed og b) materialets sammentrækning. Faktorerne modvirker hinanden. Ligevægtstilstanden opnås ved: 1. Skallen giver efter, indtil spændingerne er i ligevægt. Dette ses som sugninger på overfladen. 2. Skallen giver ikke efter. Der kan så opstå huller (lunker) i emnet. 3. Eller spændingerne er ikke store nok til, at de angivne deformationer opnås; men de forbliver statiske og indefryses i materialet. 18
Spændingsrevner Mekanismen for spændingsrevne dannelse (Environmental stress cracking), 1: Hvis vi har et lokalt stress felt, dvs. indefrosne spændinger, lige foran en sprække, en kærv eller en anden defekt. 2. Et fluid, dvs. en væske eller en gas, trænger ind i den molekylære struktur og interfererer med de sekundærekræfter mellem polymerkæderne. Absorptionen af kemikaliet medfører en blødgøring af polymeren hvilket reducerer dets styrke. 19
Spændingsrevner Området omkring de små defekter absorberer mere kemikalie, end det omgivende materiale fordi strukturen er mere åben og fordi styrken af materialet er lavest her. 3. En sprække initieres og vokser inden i det blødgjorte materiale med de indefrosne spændinger. 20
Spændingsrevner 4. Belastes disse svage steder med en højere last end materialets styrke vil de små defekter løbe sammen og strække sig ud over det oprindelige stress felt. Et nyt stress felt dannes og blødgøres af kemikaliet. 5. I det nye stress felt initieres også sprækker, der vokser. Mange mikroskopiske revner løber sammen og bliver makroskopiske. Spændingsrevner kan optræde i amorfe og krystallinske termoplast, men amorfe plast materialer er mere modtagelig overfor spændingsrevnedannelse end krystallinske materialer. 21
Spændingsrevner Case: Nedbrydning af emne efter kort tids anvendelse Emne: Fitting Materiale: Emnet er fremstillet i ABS Problem: Emnet revner efter kort tids anvendelse. Revner forekommer fra gevind og ud efter. Der har været brugt smøreolie under montering af et andet emne i ABS-emnet. Det viser sig at den almindelige silikone smøreolie der er anvendt indeholder Di ethyl phatalat (0,1-1%). 22
Spændingsrevner Det evalueres at denne er kompatibel med ABS og let vil vandre ind i dette materiale. Emnet undersøges via optisk og elektron mikroskopi. Ud fra billederne ses at et skørbrud indtrådte. Konklusion: Spændingsrevne brud. Kombineret effekt af stress og kemikalie. Anbefaling: udskift smøreolie/ vurder kemikaliebestandighed for efterfølgende smøreolie, også af de komponenter der er i i mindre 23 koncentrationer.
Tak for jeres opmærksomhed! Læs mere om os på: www.plastnet.dk 24