• Home
  • Features
  • Radiation crosslinking - an innovative way to improve the tribological properties of plastic products

Radiation crosslinking - an innovative way to improve the tribological properties of plastic products

  • 11.10.2017
  • Plastics Processing
Radiation crosslinking - an innovative way to improve the tribological properties of plastic products

The requirements for plastic parts, especially their tribological properties, are constantly increasing. This applies in particular to plastics used in machinery and other equipment and exposed to high loads. At the same time, the topic of replacing metals in light constructions is becoming increasingly important. Thanks to radiation crosslinking, the desired tribological properties can be achieved, increase the life of the products and reduce their downtime in operation. Moreover, it is possible to reduce their total weight as compared to the use of metals.

Oblasti využití plastových výrobků neustále přibývají a vytlačují často nákladná řešení z kovu. To je například případ téměř všech druhů pohonů – mimo jiné v automobilovém průmyslu, u E&E aplikací, v průmyslových zařízeních nebo v domácích spotřebičích. Plasty se při tom používají na ozubená kola, ložisková pouzdra nebo jiné kluzné prvky. Chemická odolnost a schopnost fungovat bez použití maziv a kluziv předurčují plastové díly k tomu, aby se využívaly především v lékařství a potravinářském průmyslu. Kromě toho je jejich hlavní výhodou nízká hmotnost ve srovnání s kovem, což přináší vysoký potenciál úspor u lehčených konstrukcí, které jsou v mnoha průmyslových odvětvích stále důležitější – hlavně s ohledem na zvyšující se požadavky na mobilitu v oblasti automobilového průmyslu (např. u elektromobilů a nebo s cílem snížit emise CO2), ale i u jízdních kol, v železniční dopravě či v letecké a kosmické technice.

Ale právě vysoké množství požadavků na plastové díly je často důvodem jejich poškození a defektů, které tak způsobují výpadky strojů a zařízení, což vede k prostojům a k navyšování nákladů v provozu. Pro vyloučení těchto možných problémů jsou nepostradatelné informace k vznikajícím procesům tření a opotřebení. Materiál se musí zvolit a upravit tak, aby vyhovoval všem těmto vlastnostem. V souvislosti s tím nabývá na významu optimalizace tribologických vlastností polymerních materiálů, které vycházejí z přesných požadavků kladených na použité plastové díly.

Při výběru výchozího materiálu pro daný výrobek záleží na tom, jaký plast splňuje požadavky na koeficient opotřebení, pevnost v tlaku, teplotní rozsah použitelnosti, případné rázové zatížení a potřebnou tvarovou stálost. Součástky – jako např. ozubená kola – se často vyrábějí vstřikováním. Díky velmi nízkému koeficientu tření vůči jiným materiálům (např. oceli) používají výrobci rádi jako ložiskový materiál polytetrafluorethylen (PTFE). Jsou-li požadavky kladené na díly pohonů vysoké, doporučují se vysoce výkonné polymery jako polyetheretherketon (PEEK), polyfenylensulfid (PPS) nebo duroplasty. Tyto materiály ovšem nejsou pouze mnohem dražší než technické termoplasty, ale kladou také vyšší požadavky na jejich zpracování. Existuje ale i cenově výhodnější alternativa.


Radiační síťování: Optimalizace, která zušlechťuje plasty a otevírá nové oblasti jejich použití 

Pomocí metody radiačního síťování lze optimalizovat technické plasty, které tak získají vlastnosti vysoce výkonných plastů. Technologie je velmi jednoduchá, levná a lze ji aplikovat u různých částí procesního řetězce. K radiačnímu zesíťování plastových výrobků se využívá vzniklé energie (ionizující záření) buď ve formě elektronového záření (beta záření), a nebo u složitých a velkých dílů lze také úspěšně využít gama záření, které se vyznačuje vyšší hloubkou pronikání. Působení ionizujícího záření vznikají ve struktuře ozařovaného polymeru volné radikály, jejíchž vzájemné reakce vedou k procesu síťování polymerních řetězců. Radiační síťování, které probíhá především v amorfních oblastech polymerů méně odolných proti opotřebení, tak vytvoří polymerní síť.

Změnou struktury se v porovnání s neozářeným materiálem dosahuje modifikovaných mechanických vlastností. Co se týká tribologických požadavků, znamenají účinky radiačního síťování jasnou výhodu (viz tabulku 1).[1]

 

Účinky ozáření elektrony

Vliv na tribologické vlastnosti

Vyšší stupeň zesíťování

Vyšší odolnost proti opotřebení

Zvýšení teplotní odolnosti a tvarové stálosti za tepla

Vyšší odolnost vůči teplu vzniklému třením, bez tavení kluzné plochy

Snížení koeficientu teplotní roztažnosti

Vyšší rozměrová stálost

Snížení náchylnosti k vzniku trhlin způsobených pnutím

Rozmanité možnosti mazání

Lepší pevnost a odolnost proti tečení za studena (creep)

Vyšší mechanické zatížení (přenositelné momenty / ozubená kola) v delším čase

Tabulka 1: Účinky ionizačního záření / na tribologické vlastnosti,  Zdroj: Carl Hanser-Verlag, Mnichov (viz poznámka pod čarou 1)


Například u mikrosoučástek a ozubených kol se vlivem složité geometrie vyskytuje nepříznivý poměr povrchu vůči objemu součástky pro vznik vhodné morfologie a krystalinity. Proto právě tyto tribologicky velmi namáhané okrajové oblasti výrobku vykazují amorfní struktury. Tyto struktury z radiačního síťování velmi profitují tím, že se zesíťováním výrazně zvýší otěruvzdornost a sníží koeficient opotřebení (viz obr. 2).

 

 

   Obr. 1: Oblast použití nezesíťovaného PA 6.6 pod tribologickým zatížením je 20 °C. Radiační síťování zabraňuje tání polymeru a zvyšuje teplotu trvalého použití až o 100 °C a zároveň redukuje koeficientem opotřebení. Díky vyššímu teplotnímu rozsah použitelnosti dosahuje míra opotřebení svého minima teprve při cca 170 °C. Zdroj: BGS

 

Zlepšení tepelných vlastností díky radiačnímu síťování

Termoplastické materiály získávají radiačním síťováním termoelastické vlastnosti. Reakcí vzniká síť, která inhibuje tečení plastu – při vyšších teplotách se materiál chová jako elastomer. Lepší teplotní stabilita a výrazně lepší mechanické parametry při vyšších teplotách jsou podstatnými znaky radiačního síťování. Následkem toho  klesají u nezesíťovaného PA 6.6 moduly nad teplotou tání krystalitů prakticky na nulu. Oproti tomu u zesíťovaného zaručují výrazně vyšší moduly dostatečně vysokou pevnost – i při teplotách vyšších než 350 °C. Kromě toho se snižuje koeficient délkové teplotní roztažnosti. Zesíťovaný PA 6.6 vykazuje o 20 °C lepší teplotní index (5 000 h; 60% pokles poměrného prodloužení při přetržení).

 

 

   Obr. 2: Ověření teplotní odolnosti a tvarové stálosti za tepla zesíťovaných součástek měřením hloubky vniku při testu horkým hrotem (vlevo: nezesíťovaný materiál, vpravo: zesíťovaný materiál PA-6 GF30, zatížení: 1 000 g, teplota: 350 °C). Zdroj: BGS


Vědecky podložený úspěch „upgradu plastu“

Potenciál využití plastů zesíťovaných technologií radiačního síťování (především polyamidů) v nejrůznějších oblastech a především v odvětvích s vysokými nároky na tribologické vlastnosti je rozmanitý a byl podložen četnými výzkumy vědeckých institucí, např. katedrou technologie plastů (Lehrstuhl für Kunststofftechnik) univerzity Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Radiačně zesíťovaný polyamid vykazuje vynikající odolnost proti opotřebení i při vyšších okolních teplotách a lze jej tak použít i v aplikacích, které byly dosud výhradně doménou nákladných (high-tech) vysoce výkonných termoplastů jako např. PEEK a PPS, nebo duroplastů. U komponent pohonů a motorů, jako např. v konstrukci a výrobě automobilů, které jsou vystaveny vysokým teplotám a četným tribologickým procesům opotřebení, přináší radiační síťování zároveň enormní potenciál úspor díky snížené hmotnosti nahrazením kovových materiálů (lehčené konstrukce). Protože hotové díly získají využitím technologie radiačního síťování fyzikální vlastnosti (high-tech) vysoce výkonných termoplastů, přináší to navíc výhody nižších nákladů na pořízení daného polymeru a na jeho zpracování. Tyto výhody se samozřejmě týkají všech průmyslových odvětví, ve kterých hrají důležitou roli užitné vlastnosti jako pevnost, teplotní odolnost, odolnost proti opotřebení i lehčená konstrukce.

Díky radiačnímu síťování lze zlepšit profil vlastností technických plastů nově vytvořenými  kovalentními vazbami makromolekul. Také výzkumy dokazují, že se tato technologie úspěšně využívá u tribologicky zatěžovaných dílů: To umožnilo hlavně zlepšení mechanických vlastností i zvýšení tvarové stálosti při působení vyšších teplot, které jinak urychluje opotřebení výrobku. Především v méně krystalických, tribologicky namáhaných okrajích se radiačním síťováním výrazně zvyšuje odolnost proti otěru. Celkově se radiačním síťováním jednoznačně rozšiřuje teplotní rozsah použitelnosti polyamidů při daných zatíženích (drsnost, kluzná rychlost, povrchové tlak, zkušební teplota).[2] Výrobcům plastů nevznikají další investice. Delegují poslední stupeň zušlechtění plastového výrobku před dodáním na dodavatele ozařovacích služeb jako BGS – se závody v městech Wiehl, Bruchsal a Saal.

 

BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG

 
Sídlozastoupení pro ČR, SR
Fritz-Kotz-Strasse 16,Ing. Michal Daněk, Ph.D.
Wiehl, DE-51674Masarykova 378
NěmeckoStrážnice, CZ-69662
Tel.: 0049 2261 78 99 0   

Tel.: 00420 739 087 336

info@bgs.eudanek@bgs.eu

www.bgs.eu

 

 


[1] Viz: Dipl.-Ing. Zaneta Brocka, Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Erlangen-Nürnberg (2006): Strahlenvernetzung von Polyamid zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens. In: Kunststofftechnik 2 (2006), s. 5, Carl Hanser-Verlag, Mnichov.

[2] Viz: Dipl.-Ing. Zaneta Brocka, Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Erlangen-Nürnberg (2006): Strahlenvernetzung von Polyamid zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens. In: Kunststofftechnik 2 (2006), s. 27, Carl Hanser-Verlag, Mnichov.

  • autor:
  • BGS Beta-Gamma-Service GmbH & Co. KG


You might also be interested

  • New: Pre-hardened HASCO steel 1.2714HH

    New: Pre-hardened HASCO steel 1.2714HH

    • 17.04.2018

    As a strong, leading international supplier of modular standard components and accessories, HASCO is constantly working on new solutions for mould-makers. An important area of innovation concerns the steel used to make the tools and...

  • High-end injection molding for in-vitro diagnostics

    High-end injection molding for in-vitro diagnostics

    • 28.03.2018

    The BioSciences division of Sony DADC in Salzburg/Anif was taken over by the German laboratory equipment manufacturer STRATEC Biomedical AG in 2016 and has since continued as STRATEC Consumables GmbH. Sony DADC's partially acquired injection molding and development capacities are used to...

  • Advanced simulations of CNC virtual machining to increase productivity

    Advanced simulations of CNC virtual machining to increase productivity

    • 15.02.2018

    CNC machining of form-complex parts, as they typically represent molds, represents complex tasks that meet the requirements for productive production while simultaneously meeting high requirements for surface quality and accuracy. Good preparation of NC data, machine check and machining are the...

  • MCAE Systems brings new printing materials to 3D printers Stratasys

    MCAE Systems brings new printing materials to 3D printers Stratasys

    • 12.02.2018

    MCAE Systems, s.r.o., specializing in 3D technology, has brought new printing materials to the 3D printers Stratasys, Agilus 30 ™ and Nylon 12 ™. Materials are crucial for the successful production of prototypes. The core of each application is the right material, the one that meets the...



  • Injection method for technical viscous curve - Scientific Molding Method

    Injection method for technical viscous curve - Scientific Molding Method

    • 25.04.2017

    Method of injection molding of technical viscous curve was developed by John Bozzelli, a former employee DOW Detroit. This is a practical application of knowledge viscous behavior of the plastic material and the method is available to anyone with an injection molding machine and mold. Viscosity is...

  • Airtec - plastic leaks under control

    Airtec - plastic leaks under control

    • 15.03.2017

    Airtec system could be easily visualized as a system that prevents the complete systems leaking into the hot and / or...

  • Extruindustrie CR s.r.o. gives plastics a sense

    Extruindustrie CR s.r.o. gives plastics a sense

    • 13.03.2017

    Extruindustrie company is well run company with a rich history. For the past 30 years of our existence we have built a close and lasting relationships with many satisfied...