Az iparban felhasznált műanyagok mindamellett, hogy különleges, egyben érzékeny anyagok is. A nagymértékű hőterhelés, nyírás, hosszabb ideig való napfénynek kitettség, az oxigén vagy a megengedettnél nagyobb nedvességtartalom nagymértékben megváltoztathatják alapanyagaink vagy akár termékeink tulajdonságát is. A változás alatt leggyakrabban a mechanikai tulajdonságok módosulását értjük, de ide sorolandó a degradáció miatt bekövetkező elszíneződés is. Egy olyan egyszerű idegen anyag, mint például a víz jelenléte, a feldolgozás során számos gondot okozhat. Jelen cikkemben a nedvességtartalom műanyagokra gyakorolt hatását, lehetséges mérési módszereit és a műanyagok szárítási lehetőségeit tárgyaljuk.
A nedvességtartalom ismertetésekor minden esetben különbséget kell tennünk felületi illetve tömbfázisban jelen lévő nedvesség között. A kettő közötti legnagyobb eltérés az, hogy míg a felületi nedvességet viszonylag könnyen és gyorsan el tudjuk távolítani, ezzel szemben a tömbfázisban jelen lévő víz kinyerése a folyamat diffúziókontrollált jellege miatt hosszabb, idő- és energiaigényesebb folyamat. Általánosságban elmondható, hogy egyes polimerek esetében, apoláris jellegük miatt tömbfázisban jelen lévő nedvességgel gyakorlatilag nem kell számolnunk (például polietilén, polipropilén), így ezek feldolgozásakor leggyakrabban semmilyen szárítási lépést nem alkalmaznak. Ezzel szemben a polikondenzációs polimereket (például poliamidok, polietilén-tereftalát, polikarbonát), tulajdonságaik megőrzése érdekében, gyakorlatilag minden esetben szárítanunk kell, melyre az alapanyaggyártók a termékük adatlapján külön felhívják a figyelmet. Ezen anyagok nedvességérzékenysége két fő okra vezethető vissza. Egyrészt szerkezetük poláris jellege miatt könnyebben veszik fel a vizet és alakítanak ki tömbi nedvességtartalmat, ezáltal nagyobb teret engedve az esetleges káros hatások kifejtésének. A másik fő ok ezeknek a polimereknek az előállításában keresendő; a polikondenzáció folyamata során a polimer mellett víz keletkezik, ráadásul ezek a reakciók egyensúlyi folyamatok. Ha a kész polimerünkhöz vizet adagolunk és elkezdjük melegíteni azt, az előállítási folyamatot visszafordíthatjuk, mely a polimer molekulák molekulatömegének drasztikus csökkenéséhez, makroszkopikusan véve a tulajdonságok nagymértékű módosulásához (leggyakrabban romlásához) vezethet.
A víz jelenléte a molekulatömeg csökkenésén kívül több problémát is okozhat. A nem megfelelő nedvességtartalom a gyártott termékeken gyakran folyásnyomokat, vagy a felület nem megfelelő egyenletességét eredményezheti. Főként vizes poláris polimerek esetében – ahol tömbi nedvességtartalom is jelen van az alapanyagban – figyelhetünk habosodást. Ez már nem csak a korábbiakban említett esztétikai hibát okoz, hanem nagymértékben befolyásolja a készített termék mechanikai tulajdonságait (az esetleges degradáció mellett), geometriai paramétereit, felhasználhatóságát vagy akár gyárthatóságát is.
1. ábra: Ezen a terméken (számos egyéb problémán túl) jól megfigyelhetőek a nedvességtartalom okozta csíkozódások
A nedvességtartalom káros hatásainak tárgyalását követően térjünk át arra, hogy hogyan is kerülhet negatív hatást kifejteni képes nedvességmennyiség az alapanyagokba. Napjainkban a granulátumok előállítását igen nagy kapacitással rendelkező, vágófejes extruderekkel végzik, melyekben a granulátumok fejből való eltávolítását és hűtését vízzel végzik. Nem megfelelően beállított technológia esetében a granulátum a lehűlést követően is nagy mennyiségű vízzel érintkezik, mely felületi nedvességhez, rosszabb esetben pedig tömbi nedvességtartalomhoz vezethet. Sajnos az erőteljesen poláris polimerjeink gyakorlatilag magukba szívják a vizet, így ezek nem megfelelő helyen (levegőn) való tárolásakor is már kialakulhat a megengedettnél nagyobb nedvességkoncentráció. Ebből következően például a polietilén-tereftalátot (PET) vagy a polikarbonátot (PC) a feldolgozás előtt minden esetben szárítani kell.
A polimerek nedvességtartalmának meghatározását számos módszerrel végezhetjük. Egy speciális analitikai módszer segítségével (Karl-Fischer titrálás) nagy pontossággal határozhatjuk meg a mintánk víztartalmát. A módszer alapját egy szelektív reakció képzi, melynek során a jód, bázis jelenlétében a kén-dioxidot szulfittá alakítja. A reakció lejátszódásához víz szükséges; 1 mol jód átalakításához 1 mol vízre van szükség. A reakció jól alkalmazható mind volumetriás (nagyobb nedvességtartalmak esetén), mind pedig coulometriás mérési módszerként (nyomnyi mennyiségek esetén). A Karl-Fischer módszer automatizálásáról, a polimerek nedvességtartalmának ezzel a módszerrel való meghatározásáról egy korábbi cikkünkben már értekeztünk.
2. ábra Karl-Fischer automata titrátor (Mettler Toledo)
A Karl-Fischer eljáráson alapuló titrátorok legnagyobb előnye, hogy akár 1 ppm mennyiségű nedvességtartalmat is képesek kimutatni. A készülék kezelése egyszerű, a mérés gyors, de nem szabad elfelejtenünk, hogy ezek a berendezések viszonylag magas költségvonzattal rendelkeznek. Éppen ezért leggyakrabban mind a mai napig termogravimetriás méréseket alkalmaznak az iparban. A mérés rendkívül egyszerű: a meghatározni kívánt minta tömegét lemérjük, majd tömegállandóságig szárítjuk, majd ismét megmérjük a tömegét. A két mért érték különbsége megadja számunkra a keresett nedvességtartalmat. Fontos megjegyezni, hogy az előbbi állítás sajnos nem minden esetben érvényes; egyes polimerek esetében a hosszabb távú melegítés hatására az illékony adalékanyagok egy része is elpárolog, melyet szintén belemérünk a nedvességtartalomba. Ezzel a módszerrel, nagy biztonsággal, a Karl-Fischer módszerhez képest csak nagyságrendekkel nagyobb nedvességtartalmak határozhatóak meg (~0,1%, 1000ppm). Megemlítendő, hogy a manapság már nagy mérési pontosságú automatizált termogravimetrikus mérőberendezések állnak rendelkezésre, melyek kezelése egyszerű és gyors, bár a kis mintamennyiség miatt számolnunk kell a mintavételezés helyének és módjának eredményeinkre gyakorolt hatásával.
3. ábra Régebbi, meleg levegős szárítótorony
Az iparban a szárítás megvalósítására számos lehetőség kínálkozik. Leggyakrabban nagyobb méretű tartályokban, meleg vagy száraz levegős átfúvatással végzik a szárítást. A meleg levegő előállítását valamilyen fűtőszál közbeiktatásával végszik, míg a száraz levegős technológia esetében a tartályon történő átfúvatás előtt a levegőt egy regenerálható adszorbensen vezetik át, mely erősen higroszkópos tulajdonságának köszönhetően nagy hatékonysággal köti meg a nedvességet. A meleg- és szárazlevegős szárítóberendezéseket legnagyobb hatékonysággal felületi, illetve kis mennyiségben tömbfázisban kötött nedvességtartalom eltávolítására alkalmazhatjuk. Nagyobb mennyiségben jelen lévő nedvességtartalom, és energetikailag hatékonyabb szárítás igénye esetében vákuumszárítókat alkalmazhatunk, melyek az alacsonyabb nyomáson történő forráspontcsökkenést használják ki. Általánosságban elmondható, hogy egy-egy szárítóberendezést csak ritkán használnak önmagában, hiszen a folyamatos technológiák igényelte folyamatos alapanyag ellátás megfelelő szinten történő biztosítása csak több, párhuzamosan működő szárítóval elégíthető ki.
4. ábra Korszerű vákuumszárító
Rövid áttekintésemben láthattuk milyen komoly gondokat okozhat a polimerek nem megfelelő előkészítése által visszamaradó nedvességtartalom. Áttekintettük az alapanyagok nedvességtartalmának meghatározási lehetőségeit és leggyakrabban alkalmazott szárítási módszereit is. Bár szárítás lépése sokszor energia- és költségigényesnek tűnik, nem szabad elfelejtenünk, hogy egyes polimerek esetében csak ezzel az előkészítő lépéssel garantálható a megfelelő minőségű és esztétikájú termék gyártása.
Források:
http://www.bpf.co.uk/plastipedia/processes/Drying_of_Polymer.aspx
http://seaskytooling.com/wp-content/uploads/Moisture-streak.jpg
http://ww1.prweb.com/prfiles/2008/10/13/166431/03C30SideOLTP.jpg
http://www.polymeralliance.com/images/home/pas_img1.jpg
http://www.hosokawa.co.uk/wp-content/uploads/2014/05/hmbv-Vrieco-Nauta-vacuum-dryer-12-VDC.01.jpg