Zvariteľnosť polypropylénu so zmesným podielom recyklátu

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA Zvariteľnosť polypropylénu so zmesným podielom recyklátu Bakalárska práca SjF Študijný program : výrobné systémy a manažérstvo kvality Študijný odbor: výrobná technika, kvalita produkcie Vedúci práce: doc. Ing. Pavol Sejč, CSc. Bratislava 2011 Eva Holičová

2

3

4 Čestné prehlásenie Vyhlasujem, že som záverečnú prácu vypracovala samostatne s použitím uvedenej literatúry. Bratislava, 28. máj Vlastnoručný podpis

5 Poďakovanie Ďakujem vedúcemu bakalárskej práce, doc. Ing. Pavlovi Sejčovi, CSc., za odbornú pomoc pri vypracovaní práce. Ďalej sa chcem poďakovať, prof. Ing. Ernestovi Gondárovi, CSc. a Ing. Pavlovi Bockovi, za pomoc a poskytnutú literatúru. Bratislava, 28. máj 2011 Eva Holičová

6 Názov práce: Zvariteľnosť polypropylénu so zmesným podielom recyklátu Kľúčové slová: polypropylén, recyklácia, zváranie horúcim telesom, zváranie horúcim plynom, chyby zvarov a príčiny ich vzniku Abstrakt: Bakalárska práca sa zaoberá vplyvom množstva recyklátu polypropylénu na zvariteľnosť a mechanické vlastnosti zvarov. V práci sú charakterizované termoplasty. Polypropylén je látka vznikajúca polymeráciou propylénu. Poznáme 3 základne typy PP, ktoré majú svoje výhody i nevýhody z hľadiska odolnosti voči teplotám, krehkosti, či ohybnosti a húževnatosti. Navyše sa dajú tepelne spracovávať. Dajú sa zvárať, na čo má vplyv index toku taveniny a to určuje ich široké konečné použitie v bežnom živote, napr. v stavebníctve, priemysle, v domácnostiach. Ďalej sú uvedené spôsoby recyklácie, zvariteľnosti a zvárania termoplastov. Vlastnosti polypropylénu so zmesným podielom recyklátu sú odlišné od základného PP. Východiskom pre moju prácu bol index toku taveniny, ktorý nadobúda pri 25% obsahu recyklátu výrazný pokles. Napriek tomu je zvariteľný, jeho mechanické vlastnosti zaznamenávajú len veľmi malé odchýlky od pôvodného materiálu. Zváracími technológiami nám vznikne zvar s dobrými mechanickými vlastnosťami. Môžu sa objaviť chyby zvarov, ktoré majú svoju príčinu - môže to byť aj nekvalitná separácia pred recykláciou. Chyby zvarov sú uvedené v norme STN EN :2005 Chyby zvarových spojov z termoplastov. Klasifikácia.

7 Title: Weldability of Polypropylene with a mixed proportion of recycled material Key words: polypropylene, recycling, hot body welding, hot gas welding, weld defects and the causes Abstract: Bachelor's thesis deals with the influence of the quantity recycled polypropylene weldability and mechanical properties of welds. The work is characterized by thermoplastic materials. Polypropylene is a compound resulting from polymerization of propylene. We know the 3 basic types of PP, which have their advantages and disadvantages in terms of heat resistance, brittleness, flexibility and toughness. In addition, they can be thermally processed. They can be welded, which is also affected by melt index and determines their general final use in everyday life, eg. in building industry, industry, households. Following are methods of recycling, weldability and welding thermoplastics. Properties of polypropylene with a mixed proportion of recycled material are different from the basic PP. Resort of my work was melt index, which takes in 25% recycled content a significant decrease. Despite of it, It can be welded, it mechanical properties show only a very small deviation from the original material. Welding technology is creating weld with good mechanical properties. There may appear defects of welds, which have their reasons- it can also be of poor quality separation before recycling. Defects welds are given in standard STN EN :2005 Deffects of welded joints of thermoplastics. Classification.

8 Obsah Úvod Plasty Termoplasty Polyolefiny Vplyv recyklátu na vlastnosti termoplastov Druhy recyklácie Zmeny vo vlastnostiach polypropylénu zapríčinené recykláciou Technológie zvárania termoplastov Zvariteľnosť materiálu Základné parametre zvárania Zváranie horúcim telesom Zváranie horúcim telesom na tupo Zváranie ohraňovaním horúcim telesom Zváranie elektrofúziou Zváranie horúcim plynom a prídavným materiálom Hodnotenie kvality zvarových spojov Chyby zvarových spojov Príčiny vzniku chýb zvarových spojov Vplyv recyklátu na mechanické vlastnosti zvarových spojov Záver Bibliografické odkazy PRÍLOHY

9 Úvod Plasty sú v dnešnej dobe používané ako technické materiály stále viac a v určitých prípadoch sú nimi nahrádzané kovy. Rozdeľujeme ich na reaktoplasty, termoplasty a elastomery. Výhodou plastov voči kovom je malá hmotnosť a ľahká recyklácia, napriek tomu dosahujú dobré mechanické vlastnosti. Veľkú nevýhodu majú v tom, že ich rozklad vo voľnej prírode trvá niekoľko desiatok rokov. Aby sme nezaťažovali prírodu pokiaľ je to možné, volíme recykláciu primárnu, sekundárnu, terciálnu alebo kvartérnu. Plasty sa používajú takmer všade, preto bolo potrebné navrhnúť pre ne aj spôsoby spracovania a spájania napr. zvárania. Na základe skúmania bolo zistené, že zvárať sa dajú len termoplasty z dôvodu bezproblémového dosiahnutia plastického stavu vplyvom tepla. Reaktoplasty nie sú zvariteľné z dôvodu ich vytvrdnutia vplyvom tepla, a tak je nemožné opakovane priviesť ich do tekutého stavu. Materiály s obsahom recyklátu sa zvárajú rovnako ako nové materiály. Skúšajú sa deštruktívnymi a nedeštruktívnymi skúškami zvarov, kde vybrané z nich podliehajú norme. Pri zváraní môžu vznikať chyby zvarov, ktoré sú určené v norme STN EN Chyby zvarových spojov z termoplastov. Tie sú ovplyvnené prostredím, materiálom, upnutím zváraných plôch a aj separáciou pred recykláciou. Mechanické vlastnosti zvarov a ich zvariteľnosť je ovplyvnená množstvom recyklátu. 9

10 1 Plasty Plasty sú materiály, ktorých podstatu tvoria makromolekulové látky, ktoré možno formovať teplom alebo tlakom, prípadne oboma činiteľmi súčasne." [1] Polyméry delíme najčastejšie podľa ich správania pod vplyvom tepla alebo pôsobenia vonkajších síl na: a) reaktoplasty - husto zosieťované polyméry, ktoré i pri zvýšených teplotách zostávajú v tuhom stave. Sú netaviteľné a nerozpustné, preto sa nevyskytujú v elastickom a ani v plastickom stave. Vyrábajú sa zo živice a taviva, lebo reagujú minimálne pri izbovej teplote. Pri tejto teplote sa priestorové siete makromolekúl husto zosieťujú - proces tvrdenia, vtedy sa stávajú netaviteľnými a nerozpustnými. Tieto plasty sa nedajú zvárať. b) elastomery - je možné ich pri malom zaťažení, izbovej a vyššej teplote deformovať na viac ako dvojnásobok ich dĺžky. Po odľahčení sa vrátia do pôvodného stavu. Pri nižších teplotách sa však stávajú tuhými a tvrdými. Typickým predstaviteľom tejto skupiny sú prírodné a syntetické kaučuky. [2] c) termoplasty - polyméry s dôležitou vlastnosťou opakovateľného roztavenia a ochladzovania bez zmien ich vlastností. So zvyšujúcou sa teplotou postupne prechádzajú do stavu kaučukovo-elastického, potom prechádzajú do stavu plastického a ich premena končí tekutou fázou. V elastickom stave sa tak ako elastomery pôsobením sily môžu predĺžiť niekoľkonásobne, vzhľadom na ich pôvodnú dĺžku. Hneď, ako prestane sila pôsobiť, teleso sa vracia do pôvodného stavu. Stály tvar, teda aj ten, čo mu určíme, si udržiavajú termoplasty v plastickom stave. V tekutom stave sa vyrábajú z termoplastov polotovary a výrobky vstrekovaním alebo vytláčaním. V tomto stave ich môžeme aj zvárať. K tepelnému rozkladu dochádza v prítomnosti kyslíka ale aj bez jeho prítomnosti, a preto obmedzujeme čas zohrievania materiálu na možné technologické 10

11 minimum. Makromolekuly termoplastov sú lineárne, prípadne rozvetvené, nie však zosieťované. 1.1 Termoplasty Sú polyméry, ktoré vieme zvýšením teploty, teda tepelným účinkom uviesť do stavu plastického zo stavu tuhého. Táto zmena je vratná. Termoplasty rozdeľujeme na: Fluóroplasty - sú štruktúrne analógy polymérov. V ich makromolekulách sú vodíkové atómy nahradené fluórovými alebo čiastočne fluórovými a čiastočne chlórovými. Obsah fluóru vedie spravidla k veľkej tepelnej i chemickej odolnosti a k výborným klzným vlastnostiam. Vinylové polyméry - patria k najdôležitejším plastom. Získavajú sa väčšinou polymeráciou monomérov. Majú radu výhodných vlastností za relatívne nízku cenu. Ich polymerácia prebieha ľahko pri rôznych podmienkach. Do tejto skupiny patria napr. polyvinylchlorid, polyvinylacetát, polyvinylalkohol. Styrenové a akrylové polyméry - "Vyznačujú sa vynikajúcou transparentnosťou a odolnosťou voči poveternostným podmienkam. Majú rozsiahle použitie, od náterových hmôt, cez plasty, až po vlákna. Podľa hlavného monoméru ich rozdeľujeme na polyakryláty, polymetakryláty a polyakrylonitril, ktorý sa využíva výhradne na vlákna." 2 Medzi akrylové polyméry zahŕňame homopolyméry a kopolyméry derivátov kyseliny akrylovej. Majú stavbu makromolekulárnych reťazcov zhodnú buď s vinylovými polymérmi alebo veľmi podobnými polymérmi. Polyestery - tvoria veľkú skupinu polymérov. Ich spoločným znakom je prítomnosť elastických väzieb v hlavnom makromolekulovom reťazci. Dajú sa klasifikovať na dva základné typy: 11

12 o lineárne termoplastické polyestery o reaktoplastické polyestery sú rozvetvené a v konečnom štádiu sú po spracovaní zosieťované Polyétery - predstavujú žiaľ len málo početnú skupinu polymérov. Sú charakteristické prítomnosťou éterovej väzby v hlavných makromolekulových reťazcoch, uhľovodíkové bloky sú v nich oddelené atómami kyslíka. Polyamidy a polyuretány - rada polymérov obsahuje vo svojich hlavných makromolekulových reťazcoch dusíkové skupiny. Vlastnosti sa menia v závislosti od základných monomérov. Polyolefiny - sú homopolyméry a kopolyméry uhľovodíkov, ktoré obsahujú vo svojich molekulách jednu dvojitú väzbu. Najpoužívanejšími plastami nielen medzi polyolefinmi, ale aj inými plastami sú polyetylén a polypropylén. Z tohto dôvodu im bude venovaná najväčšia pozornosť." Polyolefiny Pod týmto pojmom rozumieme homopolyméry a kopolyméry olefinov alebo alkénov, čiže uhľovodíkov, ktoré obsahujú vo svojich molekulách jednu dvojitú väzbu. Polyetylén (PE) Obr. 1.1.: Základná stavebná jednotka polyetylénu [3] Polyetylén je homopolymér etylénu a jeho kopolyméry sú s malým obsahom komonoméru. Na obrázku 1.1. je znázornená základná 12

13 stavebná jednotka PE. Ich vlastnosti sú silne závislé na molekulovej hmotnosti, priestorovom usporiadaní mérov v reťazci makromolekuly a stupni kryštalizácie. Tie zasa závisia predovšetkým na spôsobe výroby polyetylénu. Všetky vlastnosti sa dajú odvodiť zo štruktúry polyméru, preto ho rozdeľujeme podľa základného kritéria rozvetvenia molekúl. Podľa toho rozlišujeme lineárny a rozvetvený typ polyetylénu. Chemická odolnosť sa zväčšuje so stúpajúcim percentom kryštalizácie. Pri bežných teplotách odoláva vode, neoxidujúcim chemikáliám vrátane kyselín, zásad a solí a ich roztokov i polárnym rozpúšťadlám. Odolnosť voči nepolárnym rozpúšťadlám je však značne obmedzená, zvlášť vo vysokej teplote. Pri vyšších teplotách ho napádajú i niektoré polárne rozpúšťadlá ako napr. benzén, toluén. Tab. 1.1.: Vlastnosti polyetylénu [3] Vlastnosti lineárny Polyetylén rozvetvený Hustota [kg m -3 ] do 960 do 930 Kryštalita [%] do 93 do 64 Pevnosť v ťahu [MPa] do 25 do 10 Ťažnosť [%] do 1000 do 1000" V tabuľke 1.1. sú uvedené vlastnosti polyetylénu. Má výbornú odolnosť voči nízkym teplotám, krehne až pri C. Pri zvýšených teplotách sú predmety z roztaveného polyetylénu tvarovo stále asi do 90 C. Tento polymér je za normálnych okolností biely a v tenkej vrstve priehľadný. Priehľadnosť vzrastá s rozvetvenosťou makromolekúl a ich molekulovou hmotnosťou. Použitie nachádza pri technických výrobkoch napr. plášte káblov, fólie, rúrky; spotrebných tovaroch ako hračky či výrobky do domácnosti, je však najrozšírenejším obalovým materiálom. 13

14 Polypropylén (PP) Obr. 1.2.: Základná stavebná jednotka polypropylénu [3] Na obrázku 1.2 je znázornená základná stavebná jednotka polypropylénu, ten má prakticky nepolárnu štruktúru. Vzniká polymeráciou propylénu. Z hľadiska štruktúry poznáme tri druhy polypropylénu a to: izotaktický, v menšej miere syndiotaktický a ataktický. Pri polymerácii vzniká vždy zmes izotaktického a ataktického polyméru, pričom ataktický podiel sa musí odstrániť extrakciou vhodným rozpúšťadlom napr. hexanom. Ataktický polymér silne znižuje kvalitu produktu, zhoršuje mechanické vlastnosti a odolnosť proti rozpúšťadlám; zlepšuje však rázovú húževnatosť. Teplota tavenia izotaktického polypropylénu je 176 C, pri obchodných produktoch je táto teplota v rozmedzí C. Pre bežné použitie sa vyžaduje materiál s minimálne 90% podielom izotaktického polyméru, pre vlákna ho má byť aspoň 97%, pričom úžitková teplota je cca 110 C. Na trhu existujú bežne tri základné typy polypropylénu, ktorých zloženie je uvedené v tabuľke 1.2: o homopolyméry, PP - 1, PP - H 100, sú zložené len z propylénových základných jednotiek. Bod topenia sa nachádza okolo 160 C a tepelná odolnosť podľa Vicata B C, odolnosť voči vysokým teplotám príliš klesá s časom. Homopolymér nevyhovuje pre rozvod teplej úžitkovej vody a už vôbec nie pre prívody k ústrednému kúreniu. Nevýhodou 14

15 materiálu je zlá ohybnosť, krehkosť a malá odolnosť proti nízkym teplotám. Je často používaný pri stavbe priemyselných potrubí (kanalizačné potrubia), vo forme dosiek sa používajú na rôzne nádrže a armatúry, stavby bazénov, septikov a malých čističiek. o blokové kopolyméry, PP - 2, PP - B 80, ich makromolekuly sa skladajú z propylénových blokov a blokov statických kopolymérov PP - PE. Maximálny obsah etylénovej zložky je 30%. Zlá dlhodobá odolnosť proti vysokým teplotám obmedzuje použitie rúrok z PP - 2 v domácich inštaláciách na podlahové vykurovanie. Avšak výhodou tohto materiálu je dobrá ohybnosť. Pomerne často sa však používa na priemyselné rozvody a nádrže, skrine akumulátorov a iné výrobky, kde je požiadavka na väčšiu húževnatosť ako je horná medza pracovnej teploty. o statické kopolyméry, PP 3, PP - R 80, ich makromolekulárne reťazce tvoria propylénové jednotky nepravidelne vrstvené etylénom, pričom jeho maximálny obsah je 5%. V súčasnosti sa používa na domáce inštalácie, môže sa použiť na studenú pitnú vodu i pre teplú úžitkovú vodu a pri dobre uváženej montáži i pre prívod vody k telesám ústredného vykurovania. To sa ale dá využívať len pri nízkom tlaku, obmedzení množstva teplej vody a doby pôsobenia. Toto využitie sa však nehodí pre veľké objekty. Veľkou výhodou je možnosť zvárania všetkých troch základných typov polypropylénov. PP homolyméry sú v chlade krehké, naopak, kopolyméry s etylénom sú húževnatejšie. 15

16 Tab. 1.2.: Zloženie jednotlivých typov PP [8] Písmenkový kód Definícia H Homopolymér propylénu Rázovo odolný propylénový termoplast, obsahuje dve a viac fáz zostavených z plastu typu H alebo propylénového plastu typu R a kaučukovej fázy, obsahuje B R propylén a ďalšie olefinické monoméry. Neobsahujú inú ako olefinickú funkčnú skupinu. Kaučuková fáza môže byť pridaná pri polymerácii alebo fyzikálnom premiešavaní v propylénovej matrici. Statický kopolymér propylénu, ktorý obsahuje ďalší olefinický monomér, kopolymér s propylénom. Neobsahujú inú ako olefinickú funkčnú skupinu. PP je charakterizovaný vyššou teplotou mäknutia a tým i použiteľnosťou. Pri vyšších teplotách má nižšiu hustotu, menšiu odolnosť voči mrazu, oxidácii a pevnosti ako polyetylén. Na druhej strane má väčšiu pevnosť, je tvrdší a odolnejší voči oderu. Je menej priepustný pre plyny a pary. Odolnosť voči chemikáliám je porovnateľná s polyetylénom alebo je aj väčšia - zvlášť pri vyšších teplotách. Podobne sa však rozpúšťa pri teplotách nad 80 C v aromatických a chlórovaných uhľovodíkoch. Nepatrne a bez zmien mechanických vlastností absorbuje minerálne a rastlinné oleje. Má lepšiu odolnosť voči korózii v napätiach ako PE, ale je citlivejší voči poveternostnej oxidácii a proti UV svetlu je jeho odolnosť malá. Polotovary z PP sa musia príslušne stabilizovať. Tie, ktoré sú nestabilizované, už po niekoľkodňovom vystavení vonkajším vplyvom krehnú a praskajú. Roztavený polypropylén má tendenciu zostať pri ochladzovaní v tekutom stave i pod svoju teplotu tuhnutia a obvykle kryštalizuje až v rozmedzí teplôt C. Kryštalizuje v dvoch modifikáciách, pričom modifikácia α vzniká pri samovoľnej kryštalizácii a 16

17 modifikácia β pri kryštalizácii, ktorá je indukovaná prídavkom niektorých nukleačných činidiel. Vlastnosti polypropylénu sú uvedené v tabuľke 1.3. Tab. 1.3.: Vlastnosti polypropylénu [3] Vlastnosti Polypropylén Hustota [kg m -3 ] Húževnatosť [%] Pevnosť v ťahu [MPa] Kryštalita [%] Ťažnosť [%] Navĺhavosť [%] 0,1 Krehkosť nastáva pod teplotou [ C] PP - H 100 PP - B 80 PP - R Modul pružnosti E [MPa] > > > 800 Medza klzu [MPa] > 30 > 22 > 20" Spracováva sa vstrekovaním, vyfukovaním menších a dutých predmetov, vytlačovaním rúrok, dosiek, profilov a výtlačným vyfukovaním sa vyrábajú fólie. Používa sa na časti strojov a prístrojov, napr. v automobilovom a spotrebnom priemysle i na rúry a vodovodné armatúry. Odolnosť voči sterilizačným teplotám umožňuje jeho použitie na diely injekčných striekačiek a inej zdravotníckej techniky. Je široko využívaný na výrobu mechanicky a chemicky odolných vlákien. Dobré mechanické spájania dvoch PP vrstiev potrubí napr. pri vonkajšej a vnútornej vrstve z PP - R nastáva vďaka medzivrstvovej fólii z hliníka s veľkými otvormi. Výhodou tohto spojenia je v tretinovej tepelnej rozťažnosti, väčšej odolnosti voči mechanickým poškodeniam, vyššieho prietoku pri rovnakej tlakovej odolnosti a lepšia tuhosť potrubia, čo dovoľuje dlhšiu vzdialenosť od jednotlivých podpier. 17

18 2 Vplyv recyklátu na vlastnosti termoplastov Dynamický rast výroby polymérov v minulom storočí zásadným spôsobom ovplyvnil technický vývoj ľudskej spoločnosti. Problém však nastal, keď výrobok doslúžil a stal sa odpadom. Ten bol hlavne u výrobkov s krátkodobou životnosťou. Väčšina odpadov skončila na skládkach a tým zaťažuje životné prostredie. Preto je nevyhnutnosťou, v každej ekonomike, predchádzať vzniku ďalších negatívnych vplyvov na ekológiu použitím technológií ako sú recyklácia, degradácia alebo výroba biologicky rozložiteľných plastov. Recyklácia plastov je priama premena odpadov na použiteľné výrobky. Navzájom úplne odlišné postupy recyklácie majú spoločné prekážky ako napr. zber a separáciu odpadu, cenu recyklácie a nájdenie trhu pre recyklované výrobky. Recyklujú sa plasty získané z komunálneho odpadu, materiály z použitých priemyselných výrobkov, najmä z automobilových a ostatných dopravných prostriedkov, transportné obaly, výrobky z ďalších odvetví, odpad vznikajúci už pri výrobe a spracovaní výrobkov. V závislosti od príslušnej kategórie plastu sú spracované ako priamo recyklované materiály (primárna a sekundárna recyklácia), využívané k chemickej alebo termickej recyklácii (terciálna recyklácia) a sú spaľované ako energetické suroviny (kvartélna recyklácia). 2.1 Druhy recyklácie Primárna recyklácia - je recyklácia čistého nekontaminovaného odpadu jedného typu plastu. Tento typ recyklácie sa javí ako najjednoduchší a najlacnejší, zvlášť v prípadoch, keď odpad vzniká priamo vo výrobnom závode. Touto recykláciu vzniká čistý recyklát. Treba brať však na vedomie, že v plastoch pri spracovaní môžu prebiehať chemické reakcie, ktoré následne môžu ovplyvniť ich fyzikálne vlastnosti. Recyklovaný odpad sa buď pridáva k 18

19 originálnemu materiálu pri zachovaní kvality produkcie, alebo je používaný ako druhoradý materiál s nižšími požiadavkami na kvalitu. Problém môže nastať v tom, že recyklát, ktorý sa získa mletím, má nepravidelný tvar a veľkosť. Pri recyklácii vzniká určitý obsah prášku, ktorý sa môže pri ďalšom spracovaní prednostne natavovať. Príkladom tepelne citlivého plastu je polyvinylchlorid, ktorého spracovateľské teploty sa nachádzajú v úzkom rozmedzí. Obsah prášku môže vplývať nepriaznivo na konečné vlastnosti daného plastu ako aj ďalšie problémy so stabilitou výrobného cyklu. Tento problém sa dá eliminovať pravidelnou kontrolou mlynov a dôkladným premiešaním pôvodného plastu s recyklátom. Primárna recyklácia sa rozdeľuje podľa zmiešavania recyklátu s pôvodným materiálom na dávkovú, kontinuálnu a kaskádovú recykláciu." 4 Dávková recyklácia - na obrázku 2.1. je princíp dávkovej recyklácie, z ktorého vidíme, že sa primárny regranulát zmiešava s nespracovaným materiálom. Výrobca sa snaží dosiahnuť rovnomerné rozmiestnenie primárneho regranulátu v pôvodnom granuláte. Odporúča sa maximálny obsah recyklátu, ale pri každom nižšom stupni zmiešavania väčšieho množstva recyklátu môže prísť k degradácii materiálu. To nepriaznivo vplýva na vlastnosti výrobku - tie sú potom iné v porovnaní s vlastnosťami pôvodného materiálu. Obvyklý pomer zmesi pôvodného materiálu s recyklovaným je 80% : 20%. Daný pomer môže byť menený podľa rôznych faktorov, napr. potrebného obsahu kryštalizácie, aplikácie výrobku a pod.. 19

20 Obr. 2.1.: Princíp dávkovej recyklácie 5 Kaskádová recyklácia - spočíva v spracovávaní nezmiešanej, homogénnej dávky recyklátu so známou tepelnou históriou. Pojem známa tepelná história znamená to, že je známe koľko krát bol plast už spracovaný. Plastový materiál sa spracuje postupne v generáciách podľa obr

21 Obr. 2.2: Princíp kaskádovej recyklácie 4 Najprv sa spracuje všetok pôvodný, nepoužitý plastový granulát, potom všetok recyklát prvej generácie a následne všetok recyklát druhej generácie. Množstvo recyklátu postupne klesá. Pre technické výstreky sa z praktického hľadiska neodporúča použitie recyklátu tretej generácie. Zvyčajne sa používa na výrobky, ktoré nevyžadujú zvýšené mechanické vlastnosti. Výhodou tohto spôsobu spracovania sú menšie náklady. Taktiež nie je potrebné zariadenie na zmiešavanie, čím sa zjednodušuje manipulácia s materiálom a riešenie problémov výroby." 4 21

22 Sekundárna recyklácia - odpad pri tejto recyklácii obsahuje rôzne druhy znečistených plastov. Materiál získaný touto metódou má značne odlišné vlastnosti od pôvodného materiálu. Ak však chceme získať kvalitný recyklát, odpad musí prejsť dôkladným triedením. Triedenie je finančne náročnejšie a tým sa značne predražuje proces recyklácie. Spôsoby triedenia: triedenie vzduchom ide o najlacnejšie triedenie, kedy sa z dvojzložkovej sústavy oddeľuje jedna zložka od druhej na základe rozdielnych merných hmotností, triedenie v hydrocyklónoch ide o triedenie v odstredivých hydraulických triedičoch, pričom rozdeľujú materiál na základe rozličných rýchlostí spôsobených odstredivou silou, flotačné triedenie je založené na usadzovaní ťažších častíc vo vode, pričom ľahšie na vode plávajú, selektívne triedenie ide o rozpúšťacie triedenie, ktoré sa uskutočňuje v spoločnom rozpúšťadle pri rôznych teplotách s následným rýchlym odparením (napr. odstraňovanie vrstiev potlače z PET-fľaší), selekcia pomocou infračervenej spektroskopie táto technológia sa v súčasnosti javí ako najperspektívnejšia, a to predovšetkým v spojení s výpočtovou technikou. V relatívne krátkom čase možno identifikovať nielen plasty, ale aj rôzne zmesi porovnaním údajmi v počítači." 6 Materiálová recyklácia - tento spôsob recyklácie je vhodný len pre termoplasty, lebo funguje na báze opakovaného tepelného spracovania odpadu. Nazýva sa tiež fyzikálna recyklácia, lebo nedochádza k chemickým zmenám. Výsledným produktom tejto recyklácie je regranulát označovaný písmenom r. Vzhľadom na typ znečistenia a triedenia plastového odpadu sa táto technológia 22

23 rozdeľuje na primárnu a sekundárnu recykláciu. Rozdelenie materiálovej recyklácie a technologický postup je na obr Obr. 2.3.: Schéma rozdelenia materiálovej recyklácie a jej postup 7 Terciálna recyklácia - predstavuje súbor termických a chemických postupov. Pri terciálnej recyklácii sa dosahuje rozličnými postupmi rozpadnutie molekúl na úroveň monomérov. Uvádza sa tiež pod pojmom chemická recyklácia, keďže v tomto prípade dochádza k chemickým zmenám. Používa sa v prípade, ak sa už nedá použiť materiálová recyklácia. Odpad sa nemusí čistiť a recykluje sa bez úprav. Výsledkom sú nízkomolekulové produky, základné uhľovodíkové reakcie, alternatívne palivá a materiály použiteľné na výrobu plastov. 23

24 Kvartérna recyklácia - Tento spôsob sa využíva pre silne znečistený plastový odpad, alebo pre odpad, ktorý by nebolo ekonomicky výhodné recyklovať iným spôsobom. Podstatou tejto metódy je spaľovanie plastového odpadu často spoločne s uhlím, v špeciálnych peciach. Toto spaľovanie sa uskutočňuje v uzavretom cykle, aby sa zabránilo úniku emisií do ovzdušia. Produktom kvartérnej recyklácie je tepelná energia. Spaľovacie pece musia byť dostatočne zabezpečené proti úniku produktov do ovzdušia hlavne pri ekologicky nevhodných produktoch na spaľovanie, ako sú napríklad polyvinylchlorid a polyamid." Zmeny vo vlastnostiach polypropylénu zapríčinené recykláciou Polypropylénu, tak ako väčšine termoplastov, nerobí žiadne problémy primárna recyklácia. Skúšky recyklovaného materiálu ukázali, že v materiáli nedochádzalo k žiadnej výraznejšej zmene v mólovej hmotnosti, ani k zmenám v polymérovom reťazci alebo v morfológii, s výnimkou kryštalickej štruktúry. K zníženiu molekulárnej hmotnosti dochádza kvôli taveniu, vysokým procesným teplom alebo neadekvátnej stabilizácii. Zmeny nastali prípadne vo farbe a v horších organoleptických vlastnostiach (zápach/ chuť). V praktických aplikáciách však boli vlastnosti materiálu takmer bezo zmien. Polypropylén je len výnimočne maximálne namáhaný, preto je bez prítomnosti znehodnotenia. Čiastočne znehodnotený polypropylén sa vyskytuje v častiach, ktoré boli vystavené tvrdým podmienkam počas ich života ako napr. znášanie vysokých teplôt alebo vystavenie vonkajším poveternostným podmienkam. Produkcia PP odpadu ako sú napr. vtokové kanály, odpady z dierovačov, orezané okraje, odpad, ktorý vzniká na začiatku výroby sú zvyčajne vrátené priamo do výrobného procesu ako regranuláty po malej úprave. Kvalita recyklovaného materiálu je podobná kvalite materiálu pred recykláciou. 24

25 Zváranie horúcim telesom Priame Bez prídavných materiálov 3 Technológie zvárania termoplastov Pod pojmom zváranie polymérov sa rozumie spojenie dvoch alebo viacerých dielov pôsobením tepla a tlaku. Zvárajú sa len tie plasty, ktoré spĺňajú požiadavky na zvariteľnosť materiálu, teda len termoplasty. Reaktoplasty a elastomery sa nedajú zvárať, preto pri ich spájaní možno využiť len lepenie a mechanické postupy spájania. Mechanické spájanie je možné aplikovať aj u termoplastov. Termoplasty pôsobením tepla mäknú, prechádzajú do taveniny, v ktorej je možné ich spájať. V tejto fáze musí prichádzať k tlaku nahriatych plôch proti sebe, aby prišlo k premieseniu makromolekúl v spoji. U zváraných materiálov musí byť obnovený predvolený stav pozvoľným ochladzovaním bez jeho urýchľovania. Vzniká tak nerozoberateľný spoj s pomerne vysokou pevnosťou. Metódy zvárania termoplastov sú uvedené v tabuľke 3.1. Tab. 3.1: Prehľad metód zvárania termoplastov [8] Metóda zvárania termoplastov Prídavné materiály Zvárané polotovary Postup zvárania ručné strojom Horúcim telesom na tupo Rúrky, dosky, profily Výnimočne Áno Profilové zváranie horúcim telesom Dosky, profily Výnimočne Áno Zváranie ohraňovaním horúcim telesom Dosky Výnimočne Áno Polyfúzne zváranie Rúrky Do priemeru 40 Do priemeru 110 Elektrotvarovkou Rúrky Nie Áno Horúcim klinom Fólie, profily Výnimočne Áno S oddelením zvaru Fólie a tenké dosky Výnimočne Áno Bezvýronkové Rúrky Nie Áno 25

26 Iné metódy zvárania termoplastov Bez prídavných materiálov Zváranie horúcim plynom Nepriame Bez prídavných materiálov Impulzné zváranie horúcim telesom Tepelne kontaktné zváranie horúcim telesom Fólie Áno Áno Fólie Nie Áno Kotúčové zváranie Fólie Nie Áno Ručné horúcim plynom Horúcim plynom s rýchlotriskou Preplátovanie horúcim plynom Vytláčanie horúcim plynom Drôt, tyčinka Drôt, tyčinka Bez prídavného materiálu Drôt, granulát Rúrky, dosky, profily Rúrky, dosky, profily Áno Áno Nie Nie Fólie Áno Áno Rúrky, dosky, profily Áno Áno Zváranie infračerveným lúčom Rúrky Nie Áno Zváranie ultrazvukom Rúrky Áno Áno Zváranie trením Dosky, fólie Nie Áno Vysokofrekvenčné zváranie Fólie Nie Áno Zváranie laserom Fólie Nie Áno 3.1 Zvariteľnosť materiálu Zvariteľnosť je komplexná vlastnosť materiálu, ktorá určuje vhodnosť materiálu vytvoriť zaváraním nerozoberateľný spoj požadovaných mechanických vlastností a bez obmedzujúcich faktorov. Zvariteľné sú spravidla len termoplasty toho istého druhu a typu. Teda s rovnakou chemickofyzikálnou štruktúrou. Dôvodom tejto podmienky sú rôzne vlastnosti taveniny a rôzne tokové vlastnosti rozličných materiálov. Pri zváraní by sa malo usilovať o dosiahnutie pokiaľ možno čo najlepších tokových vlastností materiálu, však 26

27 s vylúčením tepelného poškodenia materiálu. Ak tieto vlastnosti nie sú dosiahnuté, vzniká v teplom plastifikovanej zvarovej oblasti krátko pred teplotným rozkladom najnižšia viskozita. Zvariteľnosť môžeme rozdeliť na: zaručenú, keď spájame rovnaké druhy a typy materiálu s rovnakým alebo blízkym indexom toku taveniny napr. PP - R s PP - R, podmienečnú, keď spájame rovnaké druhy materiálu, ale odlišné typy napr. PP - H s PP - R. Podmienkou ich zvariteľnosti je napr. potvrdenie vzájomnej zvariteľnosti výrobcom na základe posúdenia indexu toku taveniny alebo prevedením skúšky zvariteľnosti. Pri určení zvariteľnosti je dôležitá veľkosť indexu toku taveniny (ITT). Podľa neho vieme zistiť, či je možné zvariť aj recyklovaný materiál alebo materiál s jeho obsahom. Vychádzame z experimentu 11, kde sa zisťovala a porovnávala veľkosť indexu toku taveniny. Zistilo sa, že ITT sa mení v závislosti od množstva podielu granulátu a regranulátu, ako je uvedené na obrázku 3.1. Po porovnaní hodnôt je zrejmé, že rozdiely medzi novým materiálom a materiálmi s obsahom recyklátu nie sú veľmi rozdielne a teda je možné ich zvárať. Obr. 3.1: Závislosť indexu toku taveniny od objemu recyklátu 11 27

28 Index toku taveniny nadobudol najnižšiu hodnotu v prípade zmesi 25% recyklátu a 75% nového materiálu, to však nemusí znamenať, že kvalita zvaru bude najhoršia. 3.2 Základné parametre zvárania Medzi základné parametre zvárania patria: teplota, tlak a čas. Musia sa však vzájomne prispôsobiť chemicko-fyzikálnym vlastnostiam zváraných termoplastov, druhu použitej zváracej technológie a podmienkam prostredia. Teplota je premenlivá vzhľadom na druh plastu, ale i s použitou metódou zvárania. Napríklad pri polypropyléne je teplota horúceho telesa pri polyfúznom zváraní C, pri zváraní na tupo ide o C a pri zváraní horúcim plynom s prídavným materiálom je teplota plynu C. Zváracie teploty pre rôzne typy plastov a rovnaké metódy sú taktiež rozdielne. Tlak musí vždy pôsobiť na spájané plochy zváraného polotovaru. U ručných postupov zvárania je prítlak dosiahnutý rukou zvárača. U strojných postupov je tlak dosahovaný mechanicky za pomoci zvárača cez tlačné pružiny alebo pomocou sústavy pák, prípadne hydraulickými alebo pneumatickými strojmi. Čas je hodnota ovplyvnená metódou zvárania, niekedy je týmto spôsobom presne vymedzený. Pre polyfúzne zváranie a zváranie na tupo je čas presne vymedzený pre jednotlivé fázy postupu. Pri zváraní horúcim plynom je čas však odvodený od rýchlosti zvárania, ktorú určuje zvárač. Zváracie parametre a podmienky zvárania sa zaznamenajú vo forme zváracieho protokolu, ktorý môže mať podobu výtlačku z pamäte zapisovača zváracieho stroja, alebo môže mať podobu výtlačku písaného zváračom do 28

29 predtlačeného formulára. Požiadavka na priloženie zváračského protokolu má byť uvedená v dohode medzi zhotoviteľom a odberateľom ešte pred začatím zváračských prác. Podľa vlastností zváraného materiálu je nutné vzájomne zladiť zváracie parametre tak, aby vznikali zvary, pokiaľ je to možné, bez vnútorných napätí. To sa týka zvlášť prispôsobenia zahrievacej teploty a doby jej pôsobenia na zvárané plochy. Požiadavky na zvary s malými vnútornými napätiami sa dajú splniť rovnomerným a dostatočným zahriatím spájaných plôch do hĺbky oboch materiálov a pomalým rovnomerným ochladzovaním. 3.3 Zváranie horúcim telesom Spájané plochy sa najskôr zohrejú horúcimi telesami, ktoré sú elektricky vyhrievané. Ich tvar je prispôsobený ohrievanej zváranej ploche alebo zváraná plocha je ohrievaná elektrickou vykurovacou skrutkovicou, ktorá je navinutá v tele tvarovky. Zváranie sa vykonáva ručným zváracím prístrojom alebo strojom s rozdielnymi stupňami mechanizácie, prípadne i s automatizovanými strojmi bez použitia prídavného materiálu Zváranie horúcim telesom na tupo Zváraním na tupo sa rozumie ohrev čiel rúr na vykurovacom telese alebo ohreve čiel dosiek, či profilom na vykurovacom telese a jeho následné spojenie použitím tlaku. Prídavný materiál sa pri tejto metóde zvárania nepoužíva. Horúcim telesom na tupo sa zvárajú potrubia a dosky predovšetkým z PE, PP, PVDF i PB. Najčastejšie sa zvára v strojoch, pričom je nutné rozlišovať medzi strojmi na zváranie potrubí a strojmi na zváranie dosiek alebo profilov. S určitým obmedzením je však možné zvárať na tupo i ručne. Podľa toho sa menia postupy zvárania a podľa typu stroja sa upravujú parametre zvárania. Zváranie plastových polotovarov horúcim telesom na tupo sa musí robiť len na strojoch a zariadeniach, ktoré zodpovedajú predpisom o bezpečnosti pri práci 29

30 a daným špecifickým predpisom. Okrem obecných požiadaviek musí zváracie zariadenie splniť rad špeciálnych funkcií, ktoré vychádzajú z podstaty zvárania na tupo napr. súosovosť upínacích čeľustí, schopnosť presného upnutia materiálu, riadenie zváracieho prítlaku. Na obrázku 3.2 je znázornený princíp zvárania horúcim telesom na tupo. Obr. 3.2: Princíp zvárania horúcim telesom na tupo 8 Stroje musia umožniť nastavenie plynulého zodpovedajúceho strojného prítlaku čeľustí. Stroje na jednotlivé typy polotovarov delíme: stroje na zváranie horúcim telesom na tupo, stroje pre zváranie dosiek a profilov horúcim telesom. Fázy zvárania horúcim telesom na tupo: 1. príprava zvárania pred zváraním sa musí previesť kontrola zváracieho zariadenia. Horúce teleso sa musí dôkladne prehriať na celej ploche, preto by sa malo zváranie začať až po 10-tich minútach od signalizácie nahriatia na nastavenú teplotu. Dôležitá je kontrola materiálu, najmä jeho zvariteľnosť, znateľných vrypov a prasklín, maximálny vek materiálu. Ak sú pochybnosti o zvariteľnosti materiálu, ktorý nie je dostatočne identifikovaný, robí sa skúška priľnavosti. 30

31 2. príprava materiálu - na mieste zvárania sa prevedie vždy príprava a upnutie zváraných materiálov, opracovanie zváraných plôch a ich očistenie. Na príprave zváraných plôch a ich upnutí v toleranciách je závislá kvalita zvaru. 3. postupné zváranie horúcim telesom na tupo: fáza zarovnávania - zvárané plochy sú tlačené na lištu zarovnávacím tlakom. Výsledný prítlak pôsobí na čelá zváraných dielov tak dlho, až sa obe plochy vyrovnajú. fáza ohrevu - zvárané plochy sú zohrievané s minimálnym prítlakom. Spájané plochy priliehajú na horúce teleso, postupne sú prehrievané až k dosiahnutiu plastifikačnej zóny. fáza prestavovania - čelá zváraných plôch sú odsunuté od horúceho telesa, ktoré je následne vysunuté zo zváracej zóny. Plastifikované čelá by sa mali čo najrýchlejšie prisunúť k sebe až do dotyku zváraných plôch. fáza spájania - po dotlačení zvarových plôch sa zvyšuje prítlak. Zvárací tlak pri potrubiach je opäť súčtom pasívneho odporu a zváracieho tlaku. Na oboch stranách zváraných plôch sa vytvorí výronok, ktorý je predmetom vizuálnej kontroly zvaru. fáza chladnutia - spájací tlak musí byť behom doby ochladzovania konštantný. V niektorých návodoch je tento proces rozdelený na dve časti, kde posledná časť ochladzovania prebieha za nižšieho tlaku alebo bez tlaku. Po dokončení zvaru ochladzovaním pod tlakom pri upnutí vo zváracom stroji musí byť zaistené samovoľné chladnutie zvaru bez ochladzovania studenou vodou alebo studeným vzduchom. U dosiek väčších hrúbok môže technológ určiť predĺženie doby chladnutia zakrytím zvaru tepelne izolačnými rohožami alebo temperovanými infražiaričmi na odstránenie vnútorných napätí. Zvary by mali byť mechanicky namáhané až po úplnom ochladnutí 31

32 zváraných dielov na teplotu menšiu ako 30 C. Doba chladnutia závisí od hrúbky steny dielu, teploty okolia alebo od spomaleného technického chladnutia zváraného materiálu. Smerové hodnoty pre zváranie horúcim telesom na tupo pre polypropylén: Teplota horúceho telesa: 200 až 220 C Zváracie tlaky: zarovnávací a spájací tlak: 0,10 N mm 2 ; nahrievanie: 0,01 N mm 2 ; Čas zvárania: členené podľa fáz Zvárací čas členený podľa jednotlivých fáz zvárania polypropylénu je uvedený v tabuľke 3.2 Tab. 3.2.: Zvárací čas členený podľa jednotlivých fáz [8] Menovitá hrúbka steny [mm] Zarovnávacia výška výronku [mm] Ohrev [s] Maximálna doba prestavenia [s] Spájanie [s] Chladnutie [min.] do... 4,5 0, ,5...7,0 1, , , , , , , Zváranie ohraňovaním horúcim telesom Princíp zváracej metódy spočíva v ohreve základného materiálu tvarovým nástrojom a jeho súčasným zatlačením do základného materiálu. Po vytlačení žliabku do dosky a po jeho ohratí sa zrealizuje ohyb v žliabku dosky. Ohybom sa dotlačia nahriate plochy k sebe. Princíp je znázornený na obrázku

33 Zvárací plyn nesmie obsahovať vodu, prach ani olej. Najčastejšie používaným plynom je vzduch, ale je možné použiť aj iný plyn napr. dusík pri zváraní materiálu ECTFE. Obr. 3.3: Zváranie ohraňovaním horúcim telesom [8] Táto metóda sa používa k zhotoveniu rohových stykov z dosiek alebo profilov pri stavbe aparátov a konštrukcii z termoplastov. Využívajú sa hlavne plastové polotovary ako PE, PP a PVC. Stroje pre zváranie ohraňovaním sú konštruované podobne ako stroje pre zváranie dosiek. Rozdiel je v tom, že namiesto tepelnej lišty na nahrievanie čiel sa vtláča do plného materiálu horúci nástroj. Upínacie elementy musia zabezpečiť ohyb polotovaru do žiadaného uhla. Nástroje sa používajú rovnaké ako v prípade zvárania dosiek a profilov na tupo. Postupy prípravy dielov, zvárania a zariadení sú podobné ako pri zváraní dosiek horúcim telesom na tupo. Horúce teleso s hrotom, ktorého veľkosť uhla je 70-90, sa zatlačí do dosky. Vytaví tým vrub o veľkosti približne 0,7-0,8 násobku hrúbky zváranej dosky. Súčasne sú boky vrubu plastifikované. Následne sa doska ohne do požadovaného uhla a oba boky sa dotknú a pôsobením tlaku sa zvaria. Pri väčších hrúbkach materiálu sa pre ľahšie 33

34 zatlačenie horúceho hrotu odporúča vopred vyfrézovať žliabok do materiálu. Ručné zváranie ohraňovaním sa používa len výnimočne pri kusovej výrobe výrobkov, ktoré nie sú po zváraní určené na statické alebo dynamické zaťaženie. Zváracie parametre môžu byť odvodené z metódy zvárania horúcim telesom na tupo, prípadne sú spresnené v manuáloch zváracích strojov určených pre tento druh zvárania. Zváracie parametre a postupy spresní technológ zvárania plastov alebo špecialista na zváranie plastov podľa typu zváraného materiálu a veľkosti zváranej plochy. 3.4 Zváranie elektrofúziou Zváranie elektrofúziou je tiež nazývané ako zváranie elektrotvarovkou. Princíp zvárania elektrofúziou je znázornený na obr Zvárané plochy nahrievajú elektrickou odporovou špirálou, ktorá je zabudovaná v hrdle každej tvarovky. Dávkovanie elektrickej energie sa vykonáva poloautomaticky použitím parametrov z tabuliek alebo automaticky pomocou magnetickej karty tvarovky. Touto technológiou je možné zvárať vo všetkých priemeroch rúr. Týmto spôsobom sa zvárajú potrubné systémy z polypropylénu, polyetylénu a polybuténu. Obr. 3.4: Princíp zvárania elektrofúziou 8 Elektrotvarovky s vykurovacími špirálami z mosadzných, medených alebo nerezových ocelí odporových drôtov sú vyrábané vstrekovaním. Odporové drôty sú pri výrobe navinuté v hrdle tvarovky tak, že vonkajšia okrajová oblasť hrdla je bez vinutia. Tak pri zváraní vznikajú studené zóny. 34

35 Ďalšia studená zóna, uprostred tvarovky, je riešená podľa konštrukcie elektrotvarovky. Tým sa pri zváraní zabraňuje vytlačovaniu nahriatej hmoty z oblasti teplých zón, kde je vinutie zhustené. Zabránením vytekaniu taveniny a súčasne jej objemovou rozťažnosťou pri ohreve sa zvyšuje zvárací tlak. Zvárací prístroj musí poskytovať potrebný elektrický výkon s požadovaným napätím a prúdom pre každý konkrétny typ zváracej tvarovky. Taktiež sa musí automaticky vypnúť po privedení potrebného množstva energie do zváracej zóny. Môžu sa používať len také zváracie prístroje, ktoré zodpovedajú svojou konštrukciou požiadavkám bezpečnosti ochrany zdravia pri práci a svojim výkonom zaručia zváranie rôzne veľkých elektrotvaroviek. Podľa typu konštrukcie sú niektoré prístroje vybavené čítacím zariadením čiarového kódu alebo magnetickej karty, niektoré i s možnosťou manuálneho zadávania zváracích parametrov. Fázy zvárania: príprava zvárania - spočíva v kontrole pracoviska, zváracieho zariadenia, nastavení pracovného režimu, materiálu a jeho úprave pre zváranie, zvárané časti sa odporúča zafixovať. zváranie elektrotvarovkou - načítanie zváracích parametrov, kontrola parametrov a súosovosti pripojenej tvarovky a spustenie dodávky elektrickej energie do špirály tvarovky. Potom nasleduje predhrievanie u väčších rozmerov potrubí a samotné zváranie. chladnutie - v minimálnom čase podľa návodu výrobcu elektrotvarovky, prípadne je časový údaj obsiahnutý v čiarovom kóde. dokončenie postupu zvárania - vizuálna kontrola indikátorov a vyplnenie protokolu. Pri odchýlkach prečítaných a skutočne kontrolovaných údajov prístrojom je zabránené spusteniu zváracieho procesu. Prístroj nahlási chybu vyjadrením číselného kódu na displeji. Dodanie energie pri zváraní si stroj sám riadi automaticky. Niektoré zváracie zariadenia sú podľa návodu funkčné už od 35

36 mínus 10 C, pričom väčšina elektrotvaroviek je určená tiež pre zváranie pri teplotách pod 0 C, pretože zvárací proces prebieha v uzavretom procese tvarovky. 3.5 Zváranie horúcim plynom a prídavným materiálom Daný typ zvárania funguje na rovnakom princípe ako zváranie plameňom pri zváraní kovov. Najskôr sa spájané plochy a vonkajšie plochy prídavného materiálu privedú horúcim vzduchom do plastického stavu a potom sa pod tlakom vzájomne spoja. Ručné zváranie horúcim plynom - je znázornené na obr Zohrievanie základného a prídavného materiálu prebieha ručne kývavým pohybom zváracieho prístroja vedeného v smere zvárania. Plastifikovaný prídavný materiál je ručne zatláčaný do plastifikovaného základného materiálu. Zváracia sila sa vytvára ručne cez tyčinku prídavného materiálu. Zvárač musí dbať na kolmé vedenie prídavného drôtu a dodržanie dostatočného zváracieho tlaku, ktorý je závislý od viskozity taveniny a prierezu prídavného materiálu. Obr. 3.5: Ručné zváranie horúcim plynom [8] 36

37 Zváranie horúcim plynom rýchlodýzou - je znázornené na obr Tvarom dýzy sa prúd horúceho vzduchu delí a tým sa predhrieva základný materiál i prídavná tyčinka. Prídavný drôt sa pri tom vedie kvôli predhrievaniu pred komorou s horúcim plynom. Plastifikácia prebieha bezprostredne pred stretnutím materiálov, ktoré sa majú zvárať. Zváracia sila sa zavádza cez klznú pätku na špičke rýchlo zváracej dýzy. Pri zváracom postupe sa dýza ťahá rovnakou rýchlosťou na pripravenej zváracej ploche. Tvar dýzy musí byť prispôsobený prierezu drôtu alebo tyčinky prídavného materiálu. Obr. 3.6: Zváranie horúcim plynom rýchlodýzou [8] Ak je to možné, dáva sa prednosť zváraniu rýchlodýzou, lebo výhody tohto zvárania v porovnaní s ručným zváraním sú: o vyššia rýchlosť zvárania (3-4 krát), o pri väčších prierezoch prídavného materiálu sú po tomto zváraní menšie zostatkové napätia. Metódou zvárania horúcim plynom sa dá zvárať široká skupina zvariteľných termoplastov, z nich sa najčastejšie zvárajú materiály: PP, PE, PVC, PVDF, PMMA. Horúcim plynom a prídavným materiálom sa zvárajú potrubia, profily i fólie. Často sa touto metódou opravujú plastové diely automobilov, motocyklov alebo spotrebiteľských plastových výrobkov a dielov. 37

38 Pre zváranie horúcim plynom sa spravidla používajú ručné teplovzdušné zváracie stroje. Len pri zváraní podlahovín z PVC - P môžu byť zváracie prístroje súčasťou zváracieho agregátu, ktorý sa pohybuje v smere zvárania. Na prípravu zváracích plôch alebo opracovaných zvarov, prípravu materiálu a pre kontrolu potrebujeme nástroje napr.: píly na plasty, trojuholníkové škrabky, ručné frézy, čistiace prostriedky, upínacie svorky, špeciálne stierky pre oškrabávanie drôtu. Prídavné materiály, drôty a tyčinky na zváranie, je nutné pred použitím vysušiť, prípadne odmastiť a oškrabať povrch pomocou špeciálnej tvarovej stierky. Následne temperujeme prídavný materiál na teplotu základného materiálu. Pred samotným zváraním sa prevedú obvyklé kontroly na pracovisku z hľadiska bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, kontroly materiálu, kontroly zváracieho zariadenia. Príprava plochy na zváranie sa robí trieskovým obrábaním - frézovaním, brúsením, škriabaním a ďalej sa čistí a odmastí. Zvárač si pred zváraním prevedie nastavenie zváraných parametrov na skúšobnom zvare identického materiálu. Pokiaľ vzniká pochybnosť o zložení základného materiálu alebo prídavného materiálu a ich vzájomnej zvariteľnosti vykoná sa odtrhávacia skúška a preťahovací pokus. Parametre zvárania, teplota, tlak a čas, musia byť zladené, aby došlo k dostatočnej plastifikácii materiálu, ale nesmú byť veľkou teplotou vnášané napätia do zvarov. Zostatkové napätia sú u týchto metód pomerne vysoké v porovnaní zo zváraním horúcim telesom. Po zváraní je nutné zaistiť samovoľné prirodzené chladnutie zvarov bez chladenia studenou vodou alebo studeným vzduchom. Mechanické namáhanie sa nesmie uskutočniť minimálne minút po zváraní, pri zvaroch väčšej hrúbky je táto doba dlhšia. Montáž zváraných spojov sa môže uskutočniť až po úplnom vychladnutí, všetky tieto podmienky určuje konštruktér. 38

39 4 Hodnotenie kvality zvarových spojov Kvalitný zvar je taký zvar, ktorý úplne spĺňa požiadavky, ktoré sú naň kladené. Medzi tieto požiadavky sa zaraďuje vyrobenie zvaru bez chýb a s mechanickými vlastnosťami ako sú: požadovaná pevnosť, modul pružnosti v ťahu, tvrdosť, ťažnosť. Kvalitu zvarov môžeme kontrolovať deštruktívnymi alebo nedeštruktívnymi skúškami zvarov. Deštruktívne skúšky zvarov - sú to skúšky, pri ktorých kontrolovaný zvar mechanicky porušíme. Vyrezané alebo obrobené vzorky zvarov porovnáme so vzorkami toho istého základného materiálu. Nedeštruktívne skúšky zvarov - prebiehajú na zváracích spojoch bez ich porušenia. Deštruktívne skúšky zvarov: ťahová skúška zváraných spojov, rázová ťahová skúška zváraných spojov, skúška plastov ohybom, posúdenie tvorby napäťových tvaroviek pri dlhodobej ťahovej skúške, dlhodobá skúška s vnútorným pretlakom. Nedeštruktívne skúšky zvarov: vizuálna kontrola, preskúšanie rozmerov, skúška ultrazvukom, skúška röntgenom, skúška vysokým elektrickým napätím, skúšky tesnosti. 39

40 Vybrané skúšky zvarov podliehajú norme STN EN ISO V tejto norme sú uvedené skúšky zváraných spojov z termoplastov, stanovujú rozmery, spôsoby, odbery a zhodnotenie skúšobných telies. Skúšky zvarov podľa normy sú uvedené v tab Tab. 4.1: Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov 10 Norma znak Dátum vydania označenie STN EN :2002 Oprava AC Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 1: Skúška ohybom Skúšanie zváraných spojov STN EN STN EN : 2002/A STN EN STN EN STN EN STN EN polotovarov z termoplastov. Časť 2: Skúška ťahom Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 3: Krípová skúška v ťahu Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 4: Skúška odlupovaním Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 5: Makroskopické skúšanie Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 6: Skúška ťahom pri nízkej teplote (Súčasťou normy je národný predhovor a znenie) Skúšanie zváraných spojov polotovarov z termoplastov. Časť 7: Skúška ťahom skúšobných telies s okrúhlym zárezom" 40

41 4.1 Chyby zvarových spojov Tak, ako pri zváraní ocelí, aj pri zváraní plastov môžu nastať chyby zváraných spojov. Ide o oslabenie spoja, ktoré spôsobuje, že vlastnosti zvaru nespĺňajú požadované podmienky. STN EN Chyby zvarových spojov z termoplastov. Klasifikácia - je norma, ktorá špecifikuje klasifikáciu a opis chýb, s ktorými sa možno stretnúť v zvarových spojoch termoplastov. Táto norma nadobudla platnosť Klasifikácia chýb je určená pre zváranie: horúcim telesom, elektrofúzne zváranie, horúcim plynom, extrudérom. Norma určuje okrem používaných procesov zvárania aj materiály napr. PE, PP, PVC. STN EN sa zaoberá chybami, ktoré sú príčinou vzniku oddelenia materiálov alebo zmien tvaru. Stanovujú ich typ, tvar a možné polohy bez akéhokoľvek určenia príčin vzniku alebo následkov. Medzi chyby zvarov radíme: trhliny, dutiny, póry, vtiahnutiny, popraskanie, prímesky, degradácia polyméru, nedostatočné pretavenie, neprevarený koreň zvaru, nadmerne prepadnutý koreň zvaru, okrajový vrub, drážky, 41

42 stlačenie konca rúr, nedostatočné zasunutie, posunuté vinutie, pretečený povrch zvaru, nedokonalý zvar, vychýlenia, nepravidelná šírka, povrch, nesprávne rozmery zvaru, nadmerný výronček, nedostatočne vyplnená drážka, nadmerná asymetria zvaru, tepelné poškodenie, kríženie zvarov, mechanické poškodenie, stopa po nástroji. Všetky chyby zvarových spojov a vysvetlivky k označeniam sú uvedené v Prílohách 1 až 4. Každá chyba je identifikovaná číslom, označením, opisom a prípadne aj zobrazením. 4.2 Príčiny vzniku chýb zvarových spojov Chybám zvarových spojov sa dá predísť len odstránením ich príčin. Preto je potrebné dodržiavať zváracie parametre a tiež postupy zvárania, vlastnosti materiálu a dôležitú úlohu zohráva pracovné prostredie. Medzi príčiny môžeme zaradiť: Spájané materiály nemajú rovnaké vlastnosti. Veľká tepelná rozťažnosť plastov, následkom ktorej je zmrštenie zvaru pri ochladení. Zmrštením vznikajú v oblasti zvaru zostatkové napätia 42

43 zosilnené ešte zostatkovými napätiami spôsobenými výrobou polotovaru. Malá tepelná vodivosť - pôsobením malého vedenia tepla v materiáli prebieha dostatočná plastifikácia zváraných plôch pomaly. Tomu musíme prispôsobiť zahrievacie teploty a čas ohrevu. Príliš vysoká zahrievacia teplota však poškodzuje zvárané plochy bez toho, aby sa docielila dostatočne hlboká plastifikácia materiálu v oblasti zváraných plôch. Nečistota nástrojov a zváracích vykurovacích elementov. Nečistota spájacích plôch - aby sa zabránilo vzniku chýb je nutné ich dôkladne očistiť a chemicky odmastiť prostriedkami, ktoré nenarúšajú štruktúru plastu. Ľudský faktor - pracovná sila musí byť kvalifikovaná na proces zvárania. Mechanické zaťaženie zvaru po zváraní - to je možné až po prirodzenom ochladnutí, ak je zvar zaťažený skôr vzniká chyba zvaru. Správna voľba zváracieho procesu. Nesprávne nastavenie polohy a upnutie materiálu pred zváraním. Nekvalitná separácia pri recyklácii. Zanedbanie vplyvu okolitého prostredia - vplyv prostredia na kvalitu zvaru je veľký a nie je prípustné ho zanedbať. Túto podmienku nemožno ignorovať hlavne v exteriéri: o zrážky - pri zrážkach nie je možné zvárať, o vysoká vlhkosť vzduchu - tvorí sa kondenzát, hlavne v súvislosti s nízkymi teplotami, o nízke teploty (menšie ako 5 C) - tvorí sa kondenzát, zmenia sa zváracie podmienky, o vysoké teploty - vznikajú neprípustné zmeny rozmerov, o priame slnečné žiarenie - vznikajú zmeny rozmerov a tvarov nerovnomernou tepelnou rozťažnosťou, 43

44 o vietor a prievan - ich dôsledkom môžu byť nečistoty vo zvaroch, nedostatočná a nepravidelná plastifikácia zváranej zóny, nerovnomerná zváracia teplota, o rozdielne teploty zváraných dielov - spôsobuje zvýšenú a nepravidelnú tepelnú rozťažnosť, nerovnomernú teplotu zvárania, o komínový efekt u rúrok - vzniká nepriepustné ochladenie vykurovacích nástrojov a zváraných plôch v priebehu procesu zvárania. 4.3 Vplyv recyklátu na mechanické vlastnosti zvarových spojov Hodnoty mechanických vlastností materiálu s obsahom regranulátu a teda aj ich zvarov, závisia od spôsobu recyklácie, separácie odpadu, zaťaženia materiálu v životnom cykle pred recykláciou a počtu opätovného tepelného spracovania. Najkvalitnejší recyklát dokážeme získať primárnou recykláciou odpadu priamo z výroby, ktorého mechanické vlastnosti sa len veľmi málo líšia od vlastností nového materiálu. Ako je už vyššie uvedené, polypropylén s obsahom recyklátu je možné zvárať. Zvára sa zváracími postupmi a po jeho prirodzenom ochladnutí je skúšaný skúškami zváracích spojov. Dôležitou vlastnosťou je pevnosť zvaru, kvôli tomu, aby zváraná konštrukcia napr. potrubie, vydržala mechanické namáhanie. Pevnosť určíme skúškou ťahom, ktorú vykonávame podľa normy tak, že skúšobná tyč sa odoberá v priečnom smere zo zvarového spoja takým spôsobom, aby po mechanickom odobratí zostala os zvaru v strede skúšanej dĺžky skúšobnej tyče. Skúšobné teliesko sa podrobuje nepretržite zvyšujúcemu ťahovému zaťaženiu až do vzniku porušenia. Keďže ide o zvary polypropylénu so zmesným podielom recyklátu výsledky ťahovej skúšky týchto zvarov porovnávame s medzou pevnosti materiálu, ktorý predstavuje 100% nového granulátu. Pevnosť v ťahu skúšobnej tyče nesmie byť menšia ako zodpovedajúca minimálna pevnosť materiálu z 44

45 nového polypropylénu. Z obrázka 4.1 je zrejmé, že pevnosť polypropylénu s podielom recyklátu má len malé oslabenie mechanických vlastností. Obr. 4.1: Grafické znázornenie pevnosti v ťahu materiálu s obsahom recyklátu 0-100% 11 Pevnosť ťahu sa však mierne so zvyšujúcim podielom recyklátu zmenšuje. To znamená, že zvary s vyšším obsahom regranulátu majú menšiu pevnosť ako materiály s menším obsahom. 45

46 Záver V bakalárskej práci sa analyzoval problém vplyvu recyklátu polypropylénu na zvariteľnosť a mechanické vlastnosti zvaru. Z teoretických poznatkov vieme, že s rastúcim obsahom recyklátu v materiáli sa menia jeho vlastnosti. Pre zvar je potrebné, aby mal požadovanú pevnosť, ktorá sa skúša skúškami podľa predpísanej normy. Pevnosť recyklovaného materiálu vzhľadom na zväčšujúci sa objem recyklátu klesá len minimálne. Z toho vyplýva, že ak máme zaručenú alebo podmienenú zvariteľnosť polypropylénu so zmesným podielom recyklátu zvary, budú mať pevnosť len o málo menšiu ako zvary z nového PP. Toto však platí v prípade zvarov bez chýb a pri použití regranulátu s primárnou recykláciu, najlepšie z odpadu priamo z výroby. Aj v tomto prípade môže nastať degradácia materiálu vplyvom počtu recyklácií. Takýto použitý materiál stráca svoju pevnosť a nie je vhodný na výrobu zvarov, hlavne za predpokladu použitia 100% regranulátu. Organizácie nezaručujú zvariteľnosť výrobkov vyrobených po sekundárnej recyklácii, z dôvodu separácie odpadu. Táto separácia nemusí byť dostatočná a k polypropylénu sa môže primiešať i iný druh termoplastu. Ak má takýto výrobok aj vhodný index toku taveniny a zvarí sa, môže prísť k chybám zvaru ako napr. prímeskom. Pre získanie kvalitného zvaru polypropylénu zo zmesným podielom recyklátu, potrebujeme, aby regranulát bol odpadom z výroby recyklovaný primárne a musíme odstrániť ďalšie vplyvy zapríčiňujúce chyby zvarov. Podľa požadovanej pevnosti zvaru volíme množstvo recyklátu v základnom polypropyléne, aj keď pevnosť recyklovaného PP klesá len minimálne. 46

47 Bibliografické odkazy [1] STN Plastikárske a gumárenské názvoslovie. [2] ( ) [3] Ducháček, V.: Polymery - výroba, vlastnosti, zpracování, použití, Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, ISBN [4] Kozický, M.: Vplyv množstva kontaminátu ABS na zmenu vlastností polypropylénu - Diplomová práca, STU Bratislava, 2009 [5] Spotřeba a recyklace plastu rostou: Plasty a kaučuk, 3/2002 [6] Šályová, M.: Vplyv množstva recyklátu na zmenu vlastností ABS - Diplomová práca, STU Bratislava, 2009 [7] ( ) [8] Loyda, M., Šponer, V., Ondráček, L., kolektív: Svařovaní termoplastů, Praha: UNO Praha, ISBN [9] Sejč, P., Benko, B., Gondár, E.: Vybrané technológie - Zváranie a príbuzné procesy, Bratislava: Vydavateľstvo STU, ISBN [10] ( ) [11] Lendár, M.: Hodnotenie vlastností primárneho recyklátu kopolyméru polypropylénu - Diplomová práca, STU Bratislava, 2004 [12] STN EN :2005 Chyby zvarových spojov z termoplastov. Klasifikácia 13 ( ) 14 ( ) 47

48 PRÍLOHY

49 Príloha 1: STN EN :2005 Chyby zvarových spojov z termoplastov. Klasifikácia Číslo Označenie Opis Zobrazenie 1AAAA Trhlina Prerušenie celistvosti materiálu 1AAAK Trhlina vo zvarovej húsenici v polohe začiatok/ koniec Trhlina medzi začiatkom a koncom zvarovej húsenice 1AAJA Skupina oddelených trhlín Súbor skupín navzájom neprepojených trhlín rôznej orientácie 1ABAA Pozdĺžna trhlina Trhlina, ktorej hlavný smer je rovnobežný s osou zvaru 1ACAA Priečna trhlina Trhlina, ktorej hlavný smej je viac-menej kolmý na os zvaru 1AFAA Rozvetvená trhlina Súbor navzájom prepojených trhlín v rozvetvenom tvare 2AAAA Dutina Otvorená alebo uzavretá bublina

50 Číslo Označenie Opis Zobrazenie 2BAAA 2BCAA 2BJAA 2BEAB Plynová dutina Dutina vyvolaná tvorbou alebo uzavretím plynu (plynov) Táto dutina sa môže identifikovať na základe toho, že má podobnú farbu ako okolitý materiál. Môže byť: Guľovitá Podlhovastá Rúrkovitá 2BAFA Zhluk pórov Skupina plynových dutín 2BGGB Rovnomerné rozloženie pórov Guľovité plynové dutiny pravidelne rozložené v zvare 2BAMF Povrchový pór Malé plynové dutiny vytvorené na povrchu 2BIHB Lineárna pórovitosť Plynové dutiny rozložené pozdĺž línie rovnobežnej s osou zvaru 2CAAA Vtiahnutina Dutina spôsobená zmrštením zvaru pri tuhnutí Táto dutina sa môže odlíšiť tým, že je tvárna, alebo tým, že pri namáhaní zbledne

51 Číslo Označenie Opis Zobrazenie 2DAAA Popraskanie Oblasti podobné trhlinám v materiáli obsahujúcim mikrodutiny spôsobené namáhaním a (alebo) chemikáliami, vyvolávajúcimi miestne zbelenie materiálu 3AAAA Primesok Cudzí materiál zachytený vo zvare Nie je potrebný obrázok 3JAAA Prímesok základného materiálu Úlomok základného materiálu zachyteného vo zvare (napr. trieska) 3KAAA Degradovaný polymér Prímesok rozkladu produktu 4BAAA 4CAAG 4DAAG Nedostatočné pretavenie Neprevarený koreň zvaru Nadmerne prepadnutý koreň zvaru Studený spoj Nedostatočné pretavenie okolo odvalu spoja pri polyfúznom a elektrofúznom zváraní Prievar zvarového spoja je menší, ako je stanovená hodnota pri zváraní horúcim plynom a pri zváraní extrudérom Nadbytok materiálu v koreni zvaru

52 Číslo Označenie Opis Zobrazenie 4EAAF Okrajový vrub Nedostatok materiálu na okraji zvaru 4GBAF Drážka vo výrončeku alebo zvarovej húsenici Nadmerná hĺbka drážky vo zvarovej húsenici alebo vo zvare 4QCJB Drážka vo výrončeku alebo v zvarovej húsenici 4RAAA Stlačené konce rúr Priečna drážka vo zvarovej húsenici, na zvarovej línii na vstrekovanom prvku Príliš ďaleko zasunutá rúra do objímky Nie je potrebný obrázok 4SAAA Nedostatočné zasunutie Nedostatočné zasunutie rúry (rúr) od objímky pri elektrofúznom a polyfúznom zváraní 4TAAA Posunuté vinutie Nadmerné zasunutie vinutia počas cyklu tavného zvárania 4UAAA Porucha indikátora zvárania 5AAAA Nedokonalý zvar Odchýlka od stanoveného tvaru zvaru 5DAAA Pretečený povrch zvaru Nadbytok materiálu, ktorý sa rozprestiera nad povrchom základného materiálu bez toho, aby bol s ním spojený Nie je potrebný obrázok Nie je potrebný obrázok

53 Číslo Označenie Opis Zobrazenie 5EJAA 5EKAA 5GAAA Lineárne vychýlenie Uhlové vychýlenie Nepravidelná šírka Odchýlka od stanovených tolerancií v rovnobežnosti dvoch zváraných dielov Odchýlka od stanoveného uhla medzi dvomi zváranými dielmi Nadmerné zmeny šírky zvaru alebo zvarovej húsenice 5HAAA Nepravidelný povrch Nadmerné zmeny na povrchu zvaru (drsnosť, zvlnenie) 6AAAA 6BAAA Nesprávne rozmery zvaru Nadmerné zvýšenie zvaru Odchýlka od stanovených rozmerov zvaru Nie je potrebný obrázok 6EAAA Nadmerný výronček Nadmerný rozmer zvarovej húsenice 6FAAA 6HAAA 7BAAA Nedostatočne vyplnená drážka Nadmerná asymetria zvaru Tepelné poškodenie mimo oblasti zvárania Miestny alebo kontinuálny nedostatok zvarového materiálu asymetrická zvarová húsenica asymetrický zvarový uhol Povrchové zmeny vyplývajúce z náhodného pôsobenia zdroja tepla Nie je potrebný obrázok