Radia�n� sie�ovanie pre vy��iu kvalitu s�riovo vyr�ban�ch plastov�ch v�robkov

Význam radia�ního sí�ování

Vliv energeticky bohatého ionizujícího beta a gama zá�ení na inaktivaci škodlivých mikroorganizm�, vyu�ívaný pro procesy sterilizace, je relativn� známý. Schopnost beta a gama zá�ení zlepšovat vlastnosti termoplast� se zatím do pov�domí výrobc� tolik nedostala. P�i aplikaci energeticky bohatého beta nebo gama zá�ení na plastové díly se uvnit� materiálu, podobn� jako p�i vulkanizaci kau�uku, spouští �ada chemických reakcí, z nich� n�které vedou ke vzájemnému propojení molekul – k sí�ování. P�ímým výsledkem tohoto procesu je vyšší odolnost a �ivotnost takto zpracovaných produkt�.

Po ozá�ení vykazují plastové výrobky výrazn� lepší výsledky co do jejich stability a odolnosti v��i vysokým teplotám, abrazi a te�ení za studena (creep). S radia�ním sí�ováním tak získají výrobky z levných standartních a konstruk�ních plast� "upgragde" svých mechanických, tepelných a chemických vlastností. Po zpracování se zesí�ované plasty svými vlastnostmi vyrovnávají vysoce odolným termoplast�m a v ur�itých p�ípadech mohou tyto vysoce technologicky vysp�lé materiály i nahradit.

Fyzikální princip radia�ního sí�ování

V technické praxi se obvykle vysoce energetické beta zá�ení pou�ívá pro ú�ely fyzikálního zp�sobu sí�ování plastových výrobk�. Pro získání po�adovaných vlastností materiálu je p�i sí�ování molekul plast� vyu�ita p�esn� stanovená dávka zá�ení.

Beta zá�ení jsou urychlené elektrony generované akcelerátory elektron� srovnatelnými s Braunovou trubicí. �havená katoda emituje elektrony, jejich� pohyb je akcelerován vlivem vakua a silného elektrického pole. V tomto cyklicky prom�nlivém poli dosahují elektrony maximální energie 10 MeV (4,45e-19 kWh) v n�kolika fázích. Na výstupu z akcelerátoru je elektronový svazek ohnut st�ídavým magnetickým polem tak, aby zasáhl oza�ovaný produkt ve tvaru v�jí�kovitého paprsku (obrázek 1).

Obrázek 1: Schematické uspo�ádání elektronového urychlova�e

Pomocí automatizovaného dopravníkového systému projdou produkty radia�ním polem. Samotný proces ozá�ení, b�hem kterého materiály absorbují energii ionizujícího zá�ení, trvá pouze n�kolik sekund. Dochází k interakci, chemické vazby se naruší a vzniknou volné radikály. Tyto radikály se pak v další fázi rekombinací navá�ou do cílové molekulární struktury. Takto vzniká extrémn� odolná trojrozm�rná prostorová zesít�ná struktura polymeru (obrázek 2). 

Obrázek 2: Ilustrace procesu sí�ování makromolekulární struktury

Radia�ní sí�ování je v�tšinou vhodné pro všechny druhy plast�, u kterých lze provést chemické sí�ování pomocí radikálových iniciátor� (nap�íklad peroxid�). Na rozdíl od metody chemického sí�ování však radia�ní sí�ování – co� je fyzikální metoda – probíhá p�i nízkých teplotách. Kvalita výsledk� tohoto procesu je z vysoké míry reprodukovatelná. Podle spole�nosti BGS Beta-Gamma-Service, která se specializuje na radia�ní sí�ování, jsou hlavními materiály vhodnými pro sí�ování: polyetyleny (PE), polyamidy (PA) a polybutylentereftaláty (PBT). Termoplastické elastomery (TPE) se co do kvality dostávají stále víc do pop�edí zájmu.

Po zpracování metodou radia�ního sí�ování lze produkty pou�ívat za podmínek, kterým by jinak neodolaly. Radia�ní sí�ování se v�tšinou provádí a� po kone�ném tvarování výrobku. Výrobce m��e pro vst�ikování, extruzi, vyfukování i tepelné tvarování vyu�ít stejné suroviny jako obvykle. Rozsah vlastností, jich� lze docílit, závisí na p�íslušném základním polymeru. U n�kterých plast� je nutné pou�ít speciální aditiva. Tyto sí�ovací p�ísady mohou být p�idány b�hem výroby plastového granulátu (kompoundace) nebo p�ímo p�ed lisováním (v podob� masterbatche). Jedná se o �inidla, která zvyšují schopnost sí�ování a p�ispívají k optimalizaci vlastností plast�. Vyu�ívány jsou sí�ovací p�ísady (jako nap�. TAIC), které se ji� d�íve osv�d�ily v plastiká�ském a gumárenském pr�myslu. Po ozá�ení jsou provád�ny speciální testy materiálu, které ov��ují po�adované zm�ny vlastností.

Obrázek 3 zobrazuje plasty, u kterých lze technicky provést radia�ní sí�ování, ve tvaru pyramidy. Spodní �ást obsahuje levné standartní plasty nebo konstruk�ní plasty, jejich� mechanické, tepelné a chemické vlastnosti lze prost�ednictvím radia�ního sí�ování posílit na úrove� vysoce odolných plast�. Tyto plasty jsou pak umíst�ny na vrcholu pyramidy.

Obrázek 3: Polymery vhodné pro radia�ní sí�ování

Tabulka 1 obsahuje p�ehled polymer�, které lze zesí�ovat ozá�ením.

Tabulka 1: Polymery vhodné pro radia�ní sí�ování

Zlepšení tepelné odolnosti

Termoplastické materiály získávají procesem radia�ního sí�ování termoelasticitu. B�hem sí�ovací reakce se vytvá�í zesít�ná struktura, která potla�uje tekutost plastu – a p�i vyšších teplotách pak materiál reaguje jako elastomer. Klí�ovými p�ínosy radia�ního sí�ování jsou vyšší tepelná odolnost a výrazn� lepší mechanické vlastnosti. Jak vidíte na obrázku 4, torzní modul nad teplotou tání klesá u nezesí�ovaného PA66 prakticky a� na nulu. Naopak výrazn� vyšší k�ivka zesí�ovaného plastu poskytuje dostate�nou záruku vysoké pevnosti i p�i teplotách nad 350 °C. Krom� toho klesá sou�initel teplotní rozta�nosti. Zesí�ovaný PA66 vykazuje o 20 °C lepší teplotní index (5 000 h; o 60 % ni�ší ta�nost).

Obrázek 4: Tepelná odolnost zesít�ného PA66

Zlepšení mechanických vlastností

Radia�ní sí�ování zvyšuje mechanickou pevnost vyztu�ených plast� ji� p�i pokojové teplot�. K tomu p�ispívá zejména lepší propojení plniv s polymerní strukturou získanou díky aktivaci jejich povrch�. Odolnost sva�ených spoj� v��i vibracím, v�etn� pevnosti spoje mezi r�znými materiály (nap�íklad polymer/polymer a polymer/kov) jsou díky radia�nímu sí�ování vyšší. Po�adavky na materiály pou�ívané u p�evodových a posuvných sou�ástí, jako nap�íklad u ozubených kol, lo�iskových pouzder a kluzných lo�isek, se podstatn� zvýšily. Radia�n� zesí�ované komponenty mohou být úspornou alternativou ke kovovým materiál�m nebo drahým polymer�m (PEEK, PAI atd.).

Zlepšení tribologických vlastností

T�ení a další tribologické vlastnosti jsou d�le�itými kritérii pro výb�r plastových materiál� pro výrobu sou�ástí stroj�. Stále vyšší provozní teploty, t�ení a mechanické opot�ebení zkracují �ivotnost kluzných lo�isek a p�evodových kol. Zpravidla platí, �e vyšší koncentrace amorfních oblastí v materiálu nalezeném na povrchu plastových sou�ástí, ovlivn�ná procesem výroby, vede k vyššímu ne�ádoucímu opot�ebení. P�esn� tyto amorfní oblasti jsou obzvláš� vhodné pro radia�ní sí�ování, které výrazn� zvýší kluznou rychlost za sou�asného sní�ení koeficientu opot�ebení. Nap�íklad nezesí�ovaný polyamid vystavený t�ení má provozní limit 120 °C. Radia�ní sí�ování brání tavení materiálu a zvyšuje trvalou provozní teplotu a� o 100 °C p�i sou�asn� ni�ší rychlosti opot�ebení. Díky tomu mohou p�evodová kola vyrobená z plastu upraveného radia�ním sí�ováním nahradit kovové sou�ásti a jsou výrazn� leh�í.

Zlepšení chemických vlastností

Sí�ování plast� výrazn� sni�uje rozpustnost a náchylnost k bobtnání vlivem rozpoušt�del. Toho se nap�íklad vyu�ívá pro stanovení obsahu gelové fáze prost�ednictvím extrak�ního testu. Nam��ené hodnoty gelové fáze p�ímo korelují s hustotou vzniklé sít�. �ím vyšší je obsah gelové fáze, tím se sni�uje bobtnání daného polymeru. Radia�ní sí�ování rovn� zvyšuje odolnost v��i agresivním médiím (nap�. brzdová kapalina nebo elektrolyt) a hydrolýze. To se nap�íklad projeví vyšší odolností proti vzniku trhlin vlivem nap�tí a výraznou redukcí poklesu pevnosti po expozici v rozpoušt�dlech.

Ekonomické aspekty radia�ního sí�ování

P�ímé srovnání po�izovacích náklad� na vysoce odolné termoplasty a sí�ovatelné polymery odhaluje významný prostor pro úspory. Podle celkové výše �ástky po�izovacích náklad� na p�íslušné vysoce odolné termoplasty m��e jejich p�ímé nahrazení za zesí�ovaný materiál p�inést zna�né úspory.

Potenciál úspor je ješt� výrazn�jší zohledníme-li nejen cenu granulátu, ale také i náklady na proces výroby komponent. Na rozdíl od vysoce odolných plast� je výhodou materiál�, které lze radia�n� zesí�ovat, jejich snadn�jší zpracování. Zejména ni�ší teploty zpracování radia�n� sí�ovatelných polymer� v porovnání s vysoce odolnými termoplasty a nízké náklady na následné opracování výrobk� ve srovnání s reaktoplasty se p�ízniv� odrá�í v celkových výrobních nákladech, jak je patrné z tabulky 2 u radia�n� zesí�ovaného polyamidu.

Tabulka 2: Teploty pro zpracování jednotlivých polymer�

Ni�ší spot�eba energie, kratší doba výrobního cyklu a ni�ší náklady na výrobní nástroje spole�n� s delší �ivotností výsledného produktu se p�ímo a p�ízniv� projeví na jeho cen�. Plný potenciál radia�ního sí�ování lze vyu�ít, je-li radia�n� zesí�ovaný materiál ji� naplánován p�ímo od po�átku vývojového procesu daného dílu, nejen v rámci substituce stávajícího materiálu.

Vyu�ití v automobilové výrob�

Plasty jsou �ím dál d�le�it�jším výchozím materiálem pou�ívaným v automobilovém pr�myslu. Sou�asn� musí tyto materiály spl�ovat vysoké nároky na tepelnou, mechanickou a chemickou odolnost. V tomto sm�ru p�edstavuje tak radia�ní sí�ování velice atraktivní �ešení pro rozší�ení spektra pou�ívaných cenov� dostupných materiál�, v�etn� osv�d�ených materiál� (nap�íklad PA). Tím lze dosáhnout úspor v oblasti náklad� na výchozí suroviny a sou�asn� tak sní�it jejich rozmanitost, která neustále vzr�stá. Krom� odolnosti v��i vysokým teplotám, jim� jsou plasty vystaveny, agresivním médiím nebo vysoké mechanické zát�i zpomaluje radia�ní sí�ování také proces stárnutí koncového produktu. Také vlastnosti termoplastických elastomer�, jejich� vyu�ití je �asto omezené kv�li nedostate�ným parametr�m trvalé deformace, lze pomocí radia�ního sí�ování optimalizovat do té míry, �e vyhovují vysokým po�adavk�m automobilové výroby. Další oblastí mo�ného vyu�ití jsou nap�íklad radia�n� zesít�ná elastomerová t�sn�ní vyráb�ná metodou dvoukomponentního vst�ikování plast�. Za p�edpokladu vhodné kombinace materiál� mohou být v jediném kroku zesí�ovány nap�. výlisek spolu se zast�íknutým TPE t�sn�ním.

Lehké konstrukce vyu�ívající plasty místo kov�: U upev�ovacích prvk�, jako jsou šrouby s maticemi, dr�áky nebo svorky, lze kov nahradit radia�n� sí�ovaným polyamidem. Velký po�et upev�ovacích prvk� uvnit� vozidla i na vozidle umo��uje sní�it jeho hmotnost v této oblasti, dosahující faktoru > 5. Tím lze sní�it celkovou hmotnost a sou�asn� také výrobní náklady (zpracování kov� versus vst�ikování plast�). Uva�ovat lze také i termoplastických vláknových kompozitech, které mohou být pou�ity nap�íklad p�i výrob� nosných konstrukcí.

Hybridní organické desky: Multi-materiálová výroba by mohla být �ešením na spln�ní po�adavk� na minimální hmotnost. Termoplastické hybridní organické desky sehrávají v tomto sm�ru stále d�le�it�jší úlohu v širokém spektru sériové výroby. Radia�n� zesí�ované komponenty, které jsou siln�jší a mají vyšší teplotní deformaci, urychlují proces 3D tepelného tvarování.

Technologie LED: Z d�vodu kompaktního designu a výkonové elektroniky je teplota v LED sv�tlometech vyšší ne� u obvyklého systému sv�tlomet�. Po�adovaný profil kryt� a jejich sou�ástí, zejména pro výrobu reflektor�, prochází podstatnou zm�nou a vzniká zde prostor pro uplatn�ní radia�ního sí�ování.

Elektrický pohon vozidel: Ur�ité elektromobily jsou vybaveny akumulátory s nap�tím p�es 800 volt�, které mohou být nabíjeny na rychlodobíjecích stanicích výkonem a� 350 kW. P�i stejnosm�rném proudu m��e kapacita dosáhnout a� 500 ampér�. P�enos energie z akumulátoru do pohonu vy�aduje kabelovou soustavu široko profilových vodi�� a tepeln� odolné izola�ní materiály.

Autonomní �ízení: Základem funkcí automatického �ízení jsou asisten�ní systémy. V jejich rámci zde zajiš�ují spoustu funkcí aktuátory. Pou�ívají se u systém� výstrahy p�ed vybo�ením z jízdního pruhu, ETC adaptivních tempomat�, v elektronických brzdných soustavách nebo u automatických p�evodovek. Motory musí být kompaktní, lehké, tiché a odolné, respektive zcela bezúdr�bové.

Formulá� White paper - Radia�ní sítování: Od plastu k vysoce odolnému materiálu