DIPLOMSKO DELO

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA

DIPLOMSKO DELO

JULIJA VERBUČ

LJUBLJANA 2021

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO

VPLIV RECIKLATA NA MEHANSKE LASTNOSTI POLIPROPILENA

DIPLOMSKO DELO

JULIJA VERBUČ

LJUBLJANA, september 2021

(3)

UNIVERSITY OF LJUBLJANA

FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY

EFFECT OF RECYCLED MATERIAL ON MECHANICAL PROPERTIES OF

POLYPROPYLENE

DIPLOMA WORK

JULIJA VERBUČ

LJUBLJANA, September 2021

(4)

iv PODATKI O DIPLOMSKEM DELU

Število listov: 57 Število strani: 44 Število slik: 45

Število preglednic: 23 Število literaturnih virov: 19 Število prilog:

Študijski program: Univerzitetni študijski program prve stopnje Inženirstvo materialov

Komisija za zagovor diplomskega dela:

Predsednik: prof. dr. Peter Fajfar Mentor: prof. dr. Milan Bizjak

Somentor: izr. prof. dr. Tomaž Pepelnjak Član: prof. dr. Aleš Nagode

Ljubljana,………

(5)

v ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Milanu Bizjaku, somentorju izr. prof. dr. Tomažu Pepelnjaku in delovni somentorici iz podjetja Plastika Skaza d. o. o. dr. Branki Viltužnik za pomoč pri izdelavi diplomske naloge.

Zahvaljujem se tudi zaposlenim v Laboratoriju za preoblikovanje na Fakulteti za strojništvo ter zaposlenim v Laboratoriju za mehanske preiskave na Naravoslovnotehniški fakulteti za pomoč pri izvedbi eksperimentalnega dela naloge.

Zahvaljujem se še svoji družini in prijateljem za potrpežljivost, pomoč in podporo tekom celotnega študija.

(6)

vi IZVLEČEK V SLOVENSKEM JEZIKU

Namen diplomskega dela je bil primerjati mehanske lastnosti glede na različen odstotek reciklata polipropilena pred in po staranju v toplotni komori Memmert UN110.

Na podlagi nateznega preizkusa in meritev indeksa tečenja taline se je primerjala razlika med 100 % reciklatom (črni reciklat), 47 % reciklatom (Eco Meplen) in pa svežim polipropilenom (PP 200 CA40), za katerega uporabljamo angleški izraz virgin.

Med izvajanjem nateznega preizkusa smo pridobili podatke o napetosti tečenja, natezni trdnosti, raztezku in modulu elastičnosti. Za primerjavo je bilo pripravljenih 5 nateznih preizkušancev iz 1. šarže in 5 nateznih preizkušancev iz 2. šarže. Za primerjavo lastnosti pred in po staranju je bilo po 5 nateznih preizkušancev vsakega materiala iz vsake šarže 18 dni v toplotni komori, nato pa se je ponovno opravil natezni preizkus.

Rezultati so pokazali, da je indeks tečenja taline najmanjši pri 100 % reciklatu in največji pri svežem, virgin polipropilenu. Raztezek je največji pri svežem polipropilenu, sledi mu 47 % reciklat in nato 100 % reciklat. Modul elastičnosti je največji pri 47 % reciklatu, sledi mu 100 % reciklat, najmanjši pa je pri svežem polipropilenu. Pri svežem polipropilenu do loma materiala ni prišlo. Prav tako je največja napetost tečenja pri 47

% reciklatu, najmanjša pa pri 100 % reciklatu. Natezna trdnost je za 47 % reciklat in svež polipropilen podobna, saj niha med 26 in 29 MPa, pri 100 reciklatu pa je manjša, med 22 in 23 MPa.

Napetost tečenja in natezna trdnost vseh preizkušancev sta bili po staranju večja, raztezek in modul elastičnosti pa sta bila večja pred staranjem.

Ključne besede: polipropilen, reciklat, natezni preizkus, indeks tečenja taline, staranje

(7)

vii ABSTRACT

The purpose of the thesis was to compare the mechanical properties with respect to different percentages of recycled polypropylene before and after heat treatment. Based on tensile testing and melting index measurements, we were comparing the difference between 100% recycled (black recyclate), 47% recycled (47 % reciklat) and non- recycled polypropylene virgin (PP200 CA40). During the tensile test, we obtained data on yield strength, tensile strength, elongation and modulus of elasticity. For comparison, 5 tensile specimens from the 1st and 5 tensile specimens from the 2nd batch were prepared. To compare the properties before and after aging, 5 tensile specimens of each material from each batch were placed in a heat chamber for 18 days and after that the tensile test was performed again.

The results showed that the melt flow index is the lowest with 100 % recyclate and highest with virgin polypropylene. Elongation is the highest with virgin polypropylene, followed by 47 % recyclate and then 100 % recyclate. Modulus of elasticity is the largest for 47 % recyclate, followed by 100 % recyclate, with the smallest modulus of elasticity for virgin polypropylene. In the case of virgin polypropylene, the material does not break. 47 % recyclate also has the highest yield stress and 100 % recyclate has the lowest. The tensile strength is quite similar for 47 % recyclate and virgin polyproylene, between 26 and 29 MPa and lower for black recyclate, between 22 and 23 MPa.

The tensile stress and tensile strength of all tests were higher after aging, but the elongation and modulus of elasticity were higher before aging.

Key words: polypropylene, recycling, tensile test, melt flow index, aging

(8)

viii VSEBINSKO KAZALO

1. Uvod ... 1

2. Teoretične osnove ... 1

2.1 Polimeri ... 1

2.2 Lastnosti polimerov ... 3

2.3 Razdelitev polimerov ... 6

2.3.1 Generalna razdelitev ... 6

2.3.2 Tehnološka razdelitev ... 7

2.3.2.1 Termoplasti ... 7

2.3.2.2 Polipropilen ... 8

2.3.3 Medsebojna urejenost molekul ... 9

2.3.4 Glede na strukturno obliko ... 10

2.3.5 Glede na kemično reakcijo, sintezo pri pridobivanju ... 11

2.3.6. Glede na število vrst monomerov ... 12

2.4 Reciklati... 12

2.4.1 Lastnosti reciklatov... 13

3. Eksperimentalni del ... 14

3.1 Materiali... 14

3.2 Brizganje nateznih preizkušancev ... 14

3.3 Indeks tečenja taline (MFI) ... 18

3.4 Natezni preizkus ... 19

3.5 Staranje ... 21

4. Rezultati in diskusija ... 23

4.1 Indeks tečenja taline ... 23

4.2 Natezni preizkus ... 25

4.2.1 Preizkušanec - 100 % reciklat ... 26

4.2.1.1 Pred staranjem ... 26

4.2.1.2 Po staranju ... 28

4.2.2 Preizkušanec - 47 % reciklat ... 30

4.2.2.2 Po staranju ... 32

4.2.3 Preizkušanec - svež polipropilen ... 34

4.2.3.2 Po staranju ... 36

(9)

ix 5. Zaključki ... 40 6. Viri ... 42

(10)

x SEZNAM SLIK

Slika 1: Formiranje molekule polipropilena ^[19] ... 2

Slika 2: Področja velike kristaliničnosti in amorfna področja ^[7] ... 4

Slika 3: Trdnost v odvisnosti od stopnje polimerizacije ^[7] ... 4

Slika 4: Napetost v odvisnosti od raztezka ^[5] ... 5

Slika 5: Natezna obremenitev materiala ^[5] ... 6

Slika 6: Tehnološka delitev polimerov ... 7

Slika 7: Racionalna formula polipropilena ^[1] ... 8

Slika 8: Strukturna formula polipropilena ^[3] ... 8

Slika 9: a) Linearna, b) Razvejana in c) Zamrežena oblika polimerov ^[4] ... 10

Slika 10: Razdelitev polimerov glede na število vrst monomerov ... 12

Slika 11: Granulat (I. šarža) ... 14

Slika 12: Brizgalni stroj KraussMaffei^[15] ... 15

Slika 13: Sestavni deli stroja za brizganje ... 15

Slika 14: Procesni koraki injekcijskega brizganja (L-prirejeno) ^[14] ... 16

Slika 15: Preizkušanec, brizgan po standardu ISO 527-1 ... 17

Slika 16: Natezni preizkušanec – 100 % reciklat ... 17

Slika 17: Aparat za merjenje indeksa tečenja taline ... 18

Slika 18: Odrezki, ki so bili pridobljeni po slabem čiščenju aparata ... 19

Slika 19: Naprava za izvajanje nateznega preizkusa ... 20

Slika 20: Natezni preizkušanec vpet v ogrodno čeljust ... 21

Slika 21: Komorna peč ... 22

Slika 22: Natezni preizkušanci v komorni peči ... 22

Slika 23: Odrezki 100 % reciklata ... 23

Slika 24: Odrezki 47 % reciklata ... 24

Slika 25: Odrezki svežega polipropilena ... 24

Slika 26: Natezna trdnost, napetost tečenja in točka, kjer pride do porušitve ... 25

Slika 27: Graf napetost-deformacija ... 25

Slika 28: Reztezek pri natezni trdnosti, 100 % reciklat, I. šarža - pred staranjem ... 26

Slika 29: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, II. šarža - pred staranjem ... 26

Slika 30: Natezni preizkušanci 100 % reciklata po nateznem preizkusu ... 27

Slika 31: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, I. šarža – po staranju ... 28

Slika 32: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, II. šarža – po staranju .... 28

Slika 33: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, I. šarža - pred staranjem . 30 Slika 34: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, II. šarža - pred staranjem 30 Slika 35: Natezni preizkušanci 47 % reciklata po nateznem preizkusu ... 31

Slika 36: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat,I. šarža – po staranju ... 32

(11)

xi Slika 37: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, II. šarža – po staranju ... 32 Slika 38: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, I. šarža - pred staranjem ... 34 Slika 39: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - pred staranjem ... 34 Slika 40: Natezni preizkušanci svež polipropilena po nateznem preizkusu ... 35 Slika 41: Natezni preizkušanec svežega polipropilena po nateznem preizkusu ob povečani razdalji med vhodno čeljustjo ... 36 Slika 42: Potek deformiranja preizkušanca ... 36 Slika 43: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - po staranju 37 Slika 44: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - po staranju 37 Slika 45: Rezultati nateznega preizkusa ... 39

(12)

xii SEZNAM PREGLEDNIC

Tabela 1: Termoplasti, elastomeri in duromeri... 10

Tabela 2: Preglednica polimerov glede na sintezo pri pridobivanju ^[10] ... 11

Tabela 3: Parametri brizganja 100 % reciklata ... 16

Tabela 4: Parametri brizganja svežega polipropilena ... 17

Tabela 5: Parametri brizganja 47 % reciklata ... 17

Tabela 6: Indeks tečenja 100 % reciklata ... 23

Tabela 7: Indeks tečenja 47 % reciklata ... 23

Tabela 8: Indeks tečenja taline svežega polipropilena... 24

Tabela 9: Rezultati nateznega preizkusa I. šarže 100 % reciklata - pred staranjem . 27 Tabela 10: Rezultati nateznega preizkusa za II. šaržo 100 % reciklata – pred staranjem ... 27

Tabela 11: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 100 % reciklata-po staranju ... 29

Tabela 12: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 100 % reciklata-po staranju ... 29

Tabela 13: Rezultati nateznega preizkusa – 100 % reciklat... 29

Tabela 14: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 47 % reciklata - pred staranjem ... 31

Tabela 15: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 47 % reciklata - pred staranjem ... 31

Tabela 16: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 47 % reciklata-po staranju ... 33

Tabela 17: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 47 % reciklata-po staranju ... 33

Tabela 18: Rezultati nateznega preizkusa - 47 % reciklat ... 33

Tabela 19: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo svežega polipropilena - pred staranjem ... 35

Tabela 20: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo svežega polipropilena - pred staranjem ... 35

Tabela 21: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo svežega polipropilena - po staranju ... 37

Tabela 22: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo svežega polipropilena - po staranju ... 38

Tabela 23: Rezultati nateznega preizkusa - svež polipropilen ... 38

(13)

xiii SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV

Lo merilna dolžina [mm]

L končna dolžina [mm]

ΔL sprememba dolžine [mm]

E modul elastičnosti [GPa]

F sila [N]

Rm natezna trdnost [MPa]

Rp napetost tečenja [MPa]

ε raztezek

MFI indeks tečenja taline/melt flow index [g/10 min]

PP polipropilen

PP 2131 90/04 100 % reciklat IC M20 C05 47 % reciklat PP 200-CA40 svež polipropilen

(14)

1

1. Uvod

Polimeri so danes zelo razširjeni, zato si vsakdanjega življenja brez njih skoraj ne moremo predstavljati. Majhna gostota, dobra kemijska odpornost in preoblikovalnost so lastnosti, ki jih delajo zelo uporabne. Zaradi okoljske ozaveščenosti in skrbi za varovanje okolja pa postaja njihova reciklaža vse bolj pomembna, saj gre za proces predelovanja odpadnih materialov v granulat za izdelavo novih izdelkov.

V sklopu diplomskega dela smo se osredotočili na izdelavo nateznih preizkušancev z različno vsebnostjo reciklata. Injekcijsko brizganim preizkušancem smo določili trdnostne in preoblikovalne lastnosti: napetost tečenja in natezno trdnost, raztezek in modul elastičnosti.

Lastnosti smo materialu določili pred in po staranju v toplotni komori na 75 °C, ki je potekalo 18 dni. Za injekcijsko brizganje nateznih preizkušancev smo uporabili ne-recikliran polipropilen in mešanice z različnimi deleži reciklata. Uporabili smo 100 % reciklat - PP 2131 90/04, 47 % reciklat (IC M20 C05) in svež polipropilen (PP 200-CA40). Osnovnim granulatom smo pred brizganjem izmerili indeks tečenja taline, saj je to podatek, ki je pomemben za nastavitve parametrov brizganja preizkušancev na stroju.

2. Teoretične osnove

2.1 Polimeri

Polimeri so molekule, ki so sestavljene iz ponavljajočih se manjših gradnikov-monomerov, ki so med seboj povezani s kovalentno vezjo. Poznamo tri glavne skupine: termoplaste, elastomere in duroplaste. Polimere lahko pridobivamo iz nafte s polimerizacijo, poznamo pa tudi naravne polimere, kot so protein, škrob in celuloza. Polimeri so z nami že od samega začetka, saj tvorijo osnovne gradnike življenja. Rastline, živali in vsa živa bitja so sestavljeni iz polimerov. Do pravega razumevanja polimerov je prišlo šele v 20. stoletju z razvojem plastike. Začetki plastične industrije so se pojavili leta 1868 z razvojem celuloznega nitrata, ki je pridobljen iz naravnega polimera celuloze. Do prve umetne mase pa je prišlo 41 let kasneje, leta 1909, z razvojem fenol-formaldehidne plastike. Kasneje v 20. stoletju je sledil razvoj polimerov, kot so celulozni acetat (zobne ščetke, glavniki), polivinil klorid (izolacija žic in kablov) in najlon (ščetine na zobnih ščetkah, nogavice, kirurški šivi). Polietilen (C2H4) n, zdaj ena najpomembnejših plastičnih mas na svetu in hkrati ena najpreprostejših polimernih struktur, je bil razvit za vojaške namene in potrebe po kakovostnejših izolacijskih materialih. Večina polimernih mas, ki jih človek uporablja dandanes, je pridobljenih sintetično [1, 5].

(15)

2 Poznamo tudi bioplastiko, obliko plastike, ki jo lahko izdelamo iz obnovljivih virov na biološki osnovi. Nekateri biopolimerni materiali so zasnovani tako, da so biološko razgradljivi, nekateri so lahko tudi kompostirani [20].

Danes imamo možnosti ustvarjanja polimerov iz različnih elementov in skoraj s kakršnokoli kakovostjo, ki jo želimo. Polimerni materiali so lahko v obliki trdne plastike, vlaken, elastomerov ali pene. Lahko so trdi ali mehki, lahko so folije, premazi ali lepila.

Beseda polimer je sestavljena in izvira iz grških besed »Poly« in »meres« (polymeres). Poly pomeni mnogo in meres pomeni delci, torej beseda polimer predstavlja besedno zvezo mnogo delcev. Večinoma so polimeri oblikovani iz ogljika, vodika, kisika, včasih pa so prisotni tudi fluor, klor, dušik in žveplo [1].

Primer formiranja polimera je prikazan na sliki 1. Molekula propilena je monomer. Monomer je molekula, ki lahko v kombinaciji z istimi ali z različnimi molekulami tvori polimer, preprosto molekulo, ki temelji na ogljiku. Tak proces imenujemo polimerizacija. Polimer polipropilen vsebuje dvojno vez, ki se lahko z različnimi metodami preoblikuje v enojno, nato pa se lahko molekula poveže z ostalimi molekulami propilena. Molekula v oglatih oklepajih je ponavljajoča se enota. Pri nastanku polipropilena gre za razporeditev elektronov, saj se struktura monomera in struktura ponavljajoče se enote malo razlikujeta [1].

Slika 1: Formiranje molekule polipropilena ^[19]

Polimeri se največ uporablja v gradbeništvu, za embalaže in vozila (v enem avtomobilu je okoli 100 kg plastike). Kar 80 % polimerov v uporabi je termoplastov [9].

Polimere skupaj držijo primarne kovalentne vezi in sekundarne van der Waalsove ter vodikove vezi. Pri kovalentnih vezeh prihaja do delitve valenčnih elektronov v lupinah s in p, za dopolnitev skupine osmih elektronov okoli atomov. Polimerna veriga je sestavljena iz kovalentno vezane ponavljajoče se enote, ki se ponavlja, dokler polimer ne doseže želene molekulske mase. Intramolekularne vezi (primarne) imajo veliko energijo vezi, to pa posledično zahteva višjo temperaturo za ireverzibilno spremembo makromolekul.

Intermolekularne vezi (sekundarne) pa se zaradi manjše energije hitreje razklenejo pri višjih temperaturah. Vezave med verigami pa so šibke van der Waalsove vezi [4].

(16)

3 2.2 Lastnosti polimerov

Polimeri se med seboj razlikujejo, a vendar ima večina polimerov naslednje splošne lastnosti:

-Odpornost na kemikalije: Medtem ko lahko topila nekatere plastike raztopijo, je lahko druga vrsta plastike uporabljena kot varna embalaža za agresivna topila.

-Majhna električna in toplotna prevodnost-toplotni in električni izolatorji: Pojavljajo se kot ohišja električnih naprav v hiši (kabli in vtičnice so prekriti s polimernimi materiali), ročaji loncev in ponev, izolirane skodelice, mikrovalovne posode. V smučarskem svetu se polimeri uporabljajo za izdelavo termo spodnjega perila (polipropilen) in vlaken v zimskih jaknah (akril in poliester).

-Majhna gostota (nižja kot pri kovinah) in masa.

-Možnost predelovanja in preoblikovanja: Lahko se predelajo na različne načine in v različne izdelke (vlakna, cevi, filme, steklenice). Nekatere polimere lahko plastično deformiramo, saj se lahko močno raztezajo in ohranjajo svojo prvotno obliko. Nekateri polimeri so lahko penasti (polistiren- stiropor ™, poliuretan, polietilen). Polimere se uporablja za izdelavo materialov, ki nimajo nobenih drugih alternativ za izdelavo (npr. prozorni in nepremočljivi filmi).

-Spreminjanje barv in lastnosti: Z dodajanjem aditivov oz. dodatkov za razširitev uporabe lahko vplivamo na določene lastnosti polimerov. Polimeri lahko zamenjajo bombažna, svilena in volnena vlakna, porcelan in marmor ter aluminij in cink.

-Relativno nizke cene.

Kot pri vseh materialih pa imajo polimeri tudi nekaj slabih lastnosti, predvsem iz ekološkega vidika, saj niso popolnoma razgradljivi. Imajo majhno togost in ter slabšo toplotno obstojnost.

Slabosti lahko odpravljamo z dodatki oziroma z aditivi. Soočamo se tudi s problemi mikroplastike, saj gre za plastične delce v velikosti od 0,1 do 5 µm, do katerih pride z razpadom odpadkov pod vplivom različnih fizikalnih in kemičnih dejavnikov. Mikrodelci plastike so bili najdeni v želvah, morskih pticah, rakih, ribah, školjkah in črvih, prav tako pa so bili sledovi najdeni v vzorcih medu, piva in morske soli. Posledično lahko mikroplastika pride tudi v človeško telo [6, 21].

Lastnosti se spreminjajo glede na strukturo in so odvisne od:

-konstitucije (sestava, razporeditev): kemijska sestava, razporeditev, vezava atomov in atomskih skupin, zaporedje monomerov, dolžina vej, molska masa

-konfiguracije (oblika): posamezna lega atomskih skupin in razporeditev vzdolž verig -konformacije (prilagajanje): prostorska orientacija določenih atomskih skupin -stopnje polimerizacije

-kristaliničnosti: večja, kot je le ta, močnejši in bolj krhek je polimer. Višja stopnja kristaliničnosti pomeni, da so sekundarne vezi močnejše. Višjo stopnjo kristaliničnosti dosežemo pri počasnejšem ohlajanju ter pri enostavnejših polimerih in manj zapletenih verigah.

(17)

4 Z večanjem kristaliničnosti narašča specifična teža, gostota, modul elastičnosti, odpornost proti topilom ter neprepustnost za pline in pare [5,7,9].

Polimer je kristaliničen, ko so polimerne verige urejene v gosto zasedeno strukturo.

Kristalinični polimeri so manj fleksibilni kot amorfni polimeri. Primer: poliamidi, polietileni, polipropileni. Na sliki 2 so prikazana področja velike kristaliničnosti in amorfna področja [7].

Slika 2: Področja velike kristaliničnosti in amorfna področja ^[7]

Temperatura mehčanja in trdnost se povečujeta z naraščanjem stopnje polimerizacije.

Polimerizacija definiramo kot razmerje med številom molekul na začetku in številom molekul po določenem času polimerizacije. Stopnja polimerizacije nam pove kolikšno je število ponavljajočih se enot v polimerni verigi. Na sliki 3 je prikazano naraščanje trdnosti v odvisnosti od stopnje polimerizacije [7].

Slika 3: Trdnost v odvisnosti od stopnje polimerizacije ^[7]

Tako kot pri kovinah, mehanske lastnosti polimerov opisujemo z naslednjimi parametri:

Modulom elastičnosti, natezno trdnostjo, žilavostjo in togostjo. Spreminjajo se glede na temperaturo, hitrost deformacije in okolico. Temperatura ima na mehanske lastnosti obraten učinek kot hitrost deformacije. Modul elastičnosti in natezna trdnost se z nižanjem temperature

(18)

5 večata, zmanjšuje pa se duktilnost. Vrednosti mehanskih lastnosti polimerov so od 10- do 100- krat manjše kot pri kovinskih in keramičnih gradivih. Na vse te lastnosti lahko vplivamo z dodajanjem aditivov, ojačitvenih snovi, polnil ali z mešanjem polimerov [3].

Glede na mehanske lastnosti polimere delimo na tri glavne skupine, vsaki skupini pa lahko določimo značilno krivuljo, ki prikazuje napetost v odvisnosti od raztezka (σ – ε):

a) Krivulja A, krhki polimeri: velik modul elastičnosti, do zloma pride v elastičnem področju. Raztezki dosežejo le nekaj odstotkov.

b) Krivulja B, plastični polimeri: krivulja σ−ε je podobna krivulji kovin, deformacija se začne z elastičnostjo, nato pride do izrazite napetosti tečenja in konča s porušitvijo (do nje pride, ko napetost preseže kohezijsko trdnost).

c) Krivulja C, viskoelastični polimeri: elastični raztezek lahko doseže tudi 1000 %. Ob dovolj veliki elastičnosti napetosti se pretrgajo brez plastične deformacije [5].

Na sliki 4 so prikazane zgoraj omenjene krivulje, ki prikazujejo napetost v odvisnosti od raztezka [5].

Slika 4: Napetost v odvisnosti od raztezka ^[5]

Do plastične deformacije pride predvsem pri kristalnih plastomerih, kadar napetost preseže napetost tečenja. Pri teh materialih se v območjih med lamelami pojavljajo amorfne faze, kar pomeni, da verige iz kristalnega območja preidejo v amorfno in nato ponovno v kristalno.

Verige se raztegnejo, rotirajo, razpletajo in tako povzročijo trajno deformacijo (ne povzroči je

(19)

6 gibanje dislokacij). V plastičnem območju pride do zmanjšanja napetosti (vidno na krivulji).

Na sliki 5 je prikazana postopna natezna obremenitev materiala [7].

Slika 5: Natezna obremenitev materiala ^[5]

1. Začetno stanje.

2. Začetek natezne obremenitve in razpenjanje zvitih makromolekulskih verig v amorfnem območju.

3. Kristalna področja z lamelami se poravnajo v smeri natezne obremenitve.

4. Drsenje in ločevanje lamel v manjše enote, ki so usmerjene v smeri delovanja natezne obremenitve.

5. Porušitev oz. zlom [5].

2.3 Razdelitev polimerov

2.3.1 Generalna razdelitev

Najbolj osnovna delitev polimerov je delitev na naravne in sintetične polimere. Naravni polimeri so celuloza, naravna svila, volna, beljakovine, škrob, naravni kavčuk in naravna smola.

Sintetični polimeri pa so vsi polimeri, ki so umetno pridobljeni [5].

(20)

7 2.3.2 Tehnološka razdelitev

Gledano iz tehnološkega vidika polimere delimo na:

a) termoplaste (plastomere): Plastomere sestavljajo dolge linearne, rahlo razvejane, verige, povezane s šibkimi sekundarnimi vezmi. Ob segretju na višje temperature se zmehčajo in postanejo plastični, to pa pomeni, da jih lahko preoblikujemo.

b) elastomere: Elastomeri so sestavljeni iz šibko zamreženih verig. Elastomeri se lahko močno elastično deformirajo, saj se verige ob delovanju sil odvijajo in raztezajo in ponovno zvijejo. Lahko jih deformiramo brez trajne spremembe njihove začetne oblike.

c) duromere: Pri duromerih gre za polimerne verige povezane z močnimi kovalentnimi vezmi in tvorjenje tridimenzijske mrežaste zgradbe. Večja kot je stopnja zamreženosti (tvorjenje primarne kemijske vezi med makromolekulami), bolj krhek in trd postaja material. Stopnja zamreženosti je večja kot pri elastomerih. Ob segrevanju tridemenzijska zgradba prej razpade, zato duromerov ne moremo preoblikovati ali reciklirati [5, 9].

Na sliki 6 so prikazane zgoraj omenjene skupine polimerov in njihova razvejanost [5].

Slika 6: Tehnološka delitev polimerov

[5]

2.3.2.1 Termoplasti

Termoplasti so svoje ime dobili zato, ker se lahko pri povišani temperaturi preoblikujejo poljubno, beseda »thermos« pa pomeni toplo. Ko termoplastičen polimer zamrzne, postane podoben steklu in se lahko zlomi. Če je temperatura taljenja prekoračena, polimer preide v tekoče stanje in je lahko vbrizgan v kalup, katerega obliko obdrži po ohladitvi. Lastnosti se ob ponovnem taljenju ne spreminjajo, saj je to fizikalni proces brez kemične pretvorbe. Lahko so

(21)

8 delno kristalinični ali amorfni. Najpogostejši primeri termoplastov so polistiren, polietilen, polivinilklorid, polipropilen in polikarbonat [10,11].

2.3.2.2 Polipropilen

Polipropilene uvrščamo med poliolefine. Poliolefini so družina termoplastov iz polietilena in polipropilena, ki se proizvajajo predvsem iz zemeljskega plina ter nafte s postopkom polimerizacije etilena ali polipropilena. Zaradi vsestranskosti je njihova uporaba zelo obsežna.

Splošna formula poliolefinov je CnH2n, kjer Cn predstavlja število ogljikovih atomov in H2n

število vodikovih atomov. Polipropilen je narejen s polimerizacijo propilenskega plina visoke čistosti, pridobljenega v olefinskih obratih in rafinerijah nafte. Pri polimerizaciji gre za nizkotlačni postopek (območje od 5 do 25 MPa in od 50 °C do 80 °C) in uporabo Ziegler-Natta katalizatorjev (aluminijevi alkili in titanovi halogenidi). Za lažji prenos toplote se katalizator razprši v mešanico ogljikovodikov. Na sliki 7 je racionalna formula, na sliki 8 pa strukturna formula polipropilena [13].

Slika 7: Racionalna formula polipropilena ^[1]

Slika 8: Strukturna formula polipropilena ^[3]

Lastnosti polipropilena so:

-dobre električne in izolacijske lastnosti -visoka kemična in toplotna odpornost -nizka gostota (med 0,89 in 0,92 g/cm³)

-visoka natezna trdnost, togost in trdota (zaradi velike kristaliničnosti) -odpornost na večino kemikalij in topil [1,3].

(22)

9 Uporaba:

-avtomobilska industrija -preje za preproge in tkanine

-tkanine in podloge za plenice (za enkratno uporabo) -brisače za večkratno uporabo

-prevleke za pohištvo -vrvi

-srajce -cevi

-ovoji za cigarete, prigrizke, fonografske plošče -črpalke, ventili, tesnila

-embalaža za detergente

-embalaža za hrano: skodelice, pladnji -zamaški [1,3].

2.3.3 Medsebojna urejenost molekul

Glede na medsebojno urejenostjo molekul jih delimo na amorfne in kristalinične polimere.

Karakteristike amorfne strukture materialov (a):

-Dimenzijska stabilnost do Tg (temperatura steklastega prehoda) -Odpornost proti plazenju in tlačnim obremenitvam

-Občutljivost na vpliv zareze -Visoka transparentnost

Karakteristike delnokristalinične strukture materialov (b):

-Kemična odpornost

-Odpornost na utrujanje in proti lomu -Slabša odpornost na tlačne obremenitve -Dobre lastnosti tečenja [9].

(23)

10 V tabeli 1 so predstavljeni primeri termoplastov, elastomerov in duromerov.

Tabela 1: Termoplasti, elastomeri in duromeri

2.3.4 Glede na strukturno obliko a) Linearni

b) Razvejani c) Zamreženi

Slika 9: a) Linearna, b) Razvejana in c) Zamrežena oblika polimerov ^[4]

Termoplasti Elastomeri Duromeri

Amorfni Delno

kristalinični

Amorfni Amorfni

-PVC (polivinilklorid) -PS (polistiren)

-ABS (akrilonitril butadiene stiren) -PMMA (polimetil metakrilat)

-PC (polikarbonat)

-LDPE

(nizkogostotni polietilen) -HDPE

(visokogostotni polietilen)

-PP (polipropilen) -PA (poliamid) -PET

(polietilentereftalat)

Fenolna smola Poliester Epoxid smola Poliuretan Melamin

Kloroprenkavčuk Stirolbutadienkavčuk

(24)

11 2.3.5 Glede na kemično reakcijo, sintezo pri pridobivanju

-Verižna polimerizacija:

Povezovanje enakih monomerov z dvojnimi vezmi, kjer pri ustreznih razmerah prihaja do razbitja dvojnih vezi in nadomestitvijo le-teh s kovalentno vezjo (enojno). Atomi ogljika imajo zato delno zasedeno orbitalo in neparni elektron. Konci monomerov, ki so postali prosti radikali, lahko s povezovanjem z drugimi radikali tvorijo verige. Takšno reakcijo imenujemo verižna polimerizacija, kot produkti pa nastajajo homopolimerizati in kopolimerizati [10].

-Polikondenzacija ali stopenjska polimerizacija:

Gre za proces polimerizacije dveh različnih vrst monomerov, ki traja, dokler se ne vzpostavi kemijsko ravnotežje (ko se odcepi stranski produkt, najpogosteje je to voda) med reaktanti in produkti. Prostorsko zamreženi polimeri (duromeri) nastajajo, kadar pri procesu polimerizacije sodeluje več funkcionalnih skupin. Možen je tudi nastanek vmesnih tekočih produktov, ki so le delno kondenzirani (surovine za lak in lepila) [10].

-Poliadicija:

Povezovanje dveh različnih monomerov brez odcepitve stranskega produkta. Vodikov atom za potrebe združevanja monomerov prehaja iz enega na drug monomer. Na koncu ustvari prosti radikal in se nato povezuje v verige z ostalimi monomeri. Proces je stopenjski, a ni vezan na doseganje kemijskega ravnotežja, saj je reakcije konec ob porabi enega izmed monomerov[10].

Tabela 2: Preglednica polimerov glede na sintezo pri pridobivanju ^[10]

Polimerizacija Polikondenzacija Poliadicija

-PE (polietilen) -PP (polipropilen) -PS (polistiren) -BS (polibuten) -PVC (polivinilklorid)

-PMMA (polimetil

metaakrilat)

-PTFE (politetrafloroetam)

-PC (polikarbonat) -PET

-PA (poliamid)

-PF (fenol formaldehidna smola)

-PUR (poliuretan) -EP (epoxy)

(25)

12 Od stopnje polimerizacije je odvisna dolžina verige, definiramo pa jo kot:

𝑁𝑝 = 𝑀𝑝 𝑀𝑚

(1)

Mp … molska masa polimera

Mm … molska masa ponavljajoče se enote [10]

2.3.6. Glede na število vrst monomerov -Homopolimeri: ena ponavljajoča se molekula

-Termopolimeri: razvejani, pri povišani temperaturi se zmehčajo

-Kopolimeri: vsaj dve različni ponavljajoči se molekuli. Delimo jih na naključne, izmenične, blokovne ter vcepljene kopolimere.

Slika 10: Razdelitev polimerov glede na število vrst monomerov

[7]

2.4 Reciklati

Polimerni izdelki so za ljudi nepogrešljivi zaradi lastnosti, kot so odpornost na kemikalije, majhna gostota, možnost hitrega preoblikovanja in predelovanja, ekonomičnost proizvodnje, nižja teža, dolga življenjska doba ter majhna električna ter toplotna prevodnost. Slaba lastnost polimerov pa je njihovo ogrožanje življenje na zemlji in povzročanje škode okolju. Velik razlog za to je, da še vedno veliko ljudi polimerne izdelke dojema kot izdelke za enkratno uporabo. V zadnjih letih pa so potrebe po boljših življenjskih pogojih privedle tudi do večje porabe polimerov in s tem do odlaganja v oceane, nepravilnega zbiranja, zastrupljanje živali in voda.

Ob zavzemanju za boljše okolje in manj onesnaževanja se vedno več dela na recikliranju

(26)

13 polimerov. Recikliranje ter ponovna uporaba sta najboljši možnosti za trajnostno okolje, saj recikliranje tudi zmanjšuje potrebe po surovinah in zahteva manj energije in nam tako pomaga ohranjati naravne vire.

Mehansko recikliranje-primarno recikliranje:

Recikliranje odpadnega materiala v obratu. Pri tem gre za recikliranje odpadnega materiala, ki nastane med proizvodnjo (slabi kosi, dolivki). Takšni odpadki imajo enake lastnosti kot prvotni izdelek. Postopek je enostaven in poceni, uporaben pa je le za čiste in neonesnažene vrste odpadkov. Število ciklov recikliranja ni neomejeno, prav tako pa moramo biti previdni pri dodajanju količine recikliranega materiala v ponoven postopek brizganja, saj moramo razmerje uskladiti s količino čistega materiala, da bodo končne lastnosti izdelkov ustrezne [13].

Mehansko recikliranje-sekundarno recikliranje:

Mehansko recikliranje je ena izmed najpogosteje uporabljenih metod za recikliranje. Predelava odpadnih materialov poteka tako, da se polimer najprej loči od onesnaževal, nato pa je s postopki mletja, ekstrudiranja in granuliranja predelan v granulat. Velikosti delcev nastalega granulata so po postopku recikliranja različne in bolj neenakomernih oblik. Takšen granulat se lahko kasneje zopet uporabi za izdelavo novih izdelkov. Mehansko se lahko reciklira le termoplaste, saj se lahko talijo in predelajo v nove izdelke. Med fazami mletja in brizganja se lahko recikliran material meša s čistim materialom z namenom doseganja boljših končnih lastnosti [13].

Kemijsko recikliranje (terciarno):

Gre za postopek, ki vodi do popolne ali delne depolimerizacije. Plastični materiali se spremenijo v manjše molekule, ki so uporabne kot surovina za proizvodnjo novih polimerov oz. ponovne polimerizacije. Pride do spremembe kemijske strukture polimera.

Kvartarno recikliranje – sežig:

Sežig je najučinkovitejši način za zmanjšanje količine organskih snovi, hkrati pa tudi močno sporen z ekološkega vidika zaradi velike količine strupenih snovi v zraku. Sporno pa je to, da pride do uničenja surovine [13].

2.4.1 Lastnosti reciklatov

Pri recikliranju lahko prihaja do sprememb pri izgledu, togosti, trdnosti in kemijski odpornosti.

Pojavlja se degradacija materiala zaradi predelave in staranja (svetloba, kisik, vlaga …), to pa lahko vpliva na lastnosti, kot so: togost, krhkost, obarvanje, nižja trdnost in raztezek [13].

(27)

14

3. Eksperimentalni del

3.1 Materiali

Uporabljali smo material, ki ga podjetje Plastika Skaza d. o. o. uporablja za brizganje svojih produktov. Testirali smo različne polipropilene z različno vsebnostjo reciklata: 0 %, 47 % in 100 %. Za boljšo primerjavo smo uporabili po dve šarži istega materiala. Med različnimi šaržami lahko prihaja do manjših razlik v lastnostih materiala, saj posamezne šarže niso narejene v istem časovnem ciklu.

Uporabljali smo:

- sveži polipropilen PP 200 CA40 (proizvajalec Ineos)

- 47 % reciklat 47 % reciklat IC M20 C07 (proizvajalec Mepol)

- 100 % 100 % reciklat PP 2131 (proizvajalec MBA Polymers Austria)

Slika 11: Granulat (I. šarža)

3.2 Brizganje nateznih preizkušancev

Natezne preizkušance polipropilena smo brizgali na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani na stroju KraussMaffei CX500 (slika 12). Na sliki 13 so predstavljeni deli stroja za brizganje, na sliki 14 pa je proces brizganja predstavljen po korakih. Pri tem procesu se granulat skozi lijak ter s pomočjo polža dovaja v ogrevani cilinder in pomika proti koncu (korak 1 in korak 2). Ob zadostni količini staljenega polimera ga polž potisne naprej skozi brizgalno šobo (korak 3), kjer

(28)

15 granulat zavzame obliko kalupne votline. Ko se material ohladi in strdi, se orodje odpre in izvrže strjeni izdelek [14].

Slika 12: Brizgalni stroj KraussMaffei^[15]

Slika 13: Sestavni deli stroja za brizganje

(29)

16 Slika 14: Procesni koraki injekcijskega brizganja (L-prirejeno) ^[14]

Za ustrezno izdelavo so zelo pomembni parametri brizganja, saj so lahko posledice neustrezno nastavljenih parametrov vidne kot napake na izdelkih.

Glavni parametri so:

- Temperatura cilindra [°C]

- Čas brizganja [s]

- Hitrost polža [mm/s]

- Čas cikla [s]

- Temperatura orodja [°C]

- Naknadni tlak [MPa]

- Temperatura orodja [°C]

Parametri brizganja, ki smo jih nastavili za brizganje preizkušancev, so predstavljeni v tabelah 3, 4 in 5.

Tabela 3: Parametri brizganja 100 % reciklata Parametri orodja za brizganje 100 % reciklata

Temperatura cilindra [°C] 240, 240, 230, 230

Čas brizganja [s] 1,5

Naknadni tlak [MPa] 360 (3 s), 300 (6 s)

Hitrost polža [mm/s] 15

Čas cikla [s] 41

Temperatura vode v orodju [°C] 30

(30)

17 Tabela 4: Parametri brizganja svežega polipropilena

Parametri orodja za brizganje svežega polipropilena

Čas cikla [s] 41

Tabela 5: Parametri brizganja 47 % reciklata Parametri orodja za brizganje 47 % reciklata

Čas cikla [s] 41

Natezni preizkušanci so bili narejeni po standardu ISO-27-1. Lo predstavlja začetno merilno dolžino, Lu končno dolžino, a debelino in b širino. Skica je predstavljena na sliki 15, na sliki 16 pa je natezni preizkušanec s 47 % vsebnostjo reciklata. Začetno merilno dolžina je bila za vse preizkušance 75 mm, končna dolžina, debelina in širina pa so bile za vsak vzorec različne.

Izmerjene vrednosti naših nateznih preizkušancev so predstavljene v poglavju 3.4.

Slika 15: Preizkušanec, brizgan po standardu ISO 527-1

Slika 16: Natezni preizkušanec – 100 % reciklat

(31)

18 3.3 Indeks tečenja taline (MFI)

Meritve indeksa tečenja taline (MFI - Melt Flow Index) smo izvedli z aparatom DONGGUAN LIYI TEST EQUIPMENT CO., LTD, model LY-RR skladno s standardom ISO 1133, na sedežu podjetja Plastika Skaza d. o. o. Aparat je prikazan na sliki 17.

Slika 17: Aparat za merjenje indeksa tečenja taline

Indeks tečenja taline je količina, izmerjena v gramih, ki pod določeno obremenitvijo in pri določeni temperaturi v 10 minutah preide skozi šobo. Enota je g/10 min. Granulat se skozi šobo potiska s pomočjo bata in uteži. Material se tali pri konstantni temperaturi. Na koncu šobe naprava odrezuje iztisnjen material glede na vnaprej nastavljene nastavitve. Nižji kot je indeks tečenja taline, večja je viskoznost [16].

Postopek smo začeli z nasipanjem 6-10 g granulata v aparat, skupna teža bata in uteži pa je bila 2,16 kg. Material smo segreli na 230 °C. Čas odrezovanja smo nastavili na 15 sekund in dobili 10 odrezkov. S pritiskom na tipko ''Run'' smo začeli meritve. Stehtali smo maso vseh 10 odrezkov in jo delili z 10, maso enega pa smo vnesli v aparat, ki nam je nato izpisal indeks tečenja taline. Po 10 odrezkih smo meritve ustavili. Opravili smo 10 meritev ene šarže, torej 20

(32)

19 meritev za en material. Po vsaki meritvi smo aparat in njegove dele očistili, da ni bilo nobenih ostankov prejšnjega materiala. Na sliki 18 je vidno, kaj se zgodi, če aparat po meritvah 100 % reciklata ni dobro očiščen, saj je le-ta črne barve. Zaradi tega je svež polipropilen na nekaterih delih obarvan rahlo črno in takšnih odrezkov ne moremo upoštevati za izračun indeksa tečenja taline.

Slika 18: Odrezki, ki so bili pridobljeni po slabem čiščenju aparata

3.4 Natezni preizkus

Z nateznim preizkusom določamo trdnostne in preoblikovalne lastnosti materialov. Natezni preizkus smo izvajali na napravi INSTRON 8802 (LMP-MI-06) po standardu ISO 527-1. Na preizkušancih smo označili merilno dolžino, ki je znašala 75 mm. Po zlomu preizkušanca smo izmerili končno dolžino in tako dobili podatek o spremembi dolžine.

∆𝐿 = 𝐿 − 𝐿o (2)

Pri čemer je:

ΔL [mm] - sprememba dolžine Lu [mm] - končna dolžina

Lo [mm] - začetna merilna dolžina.

(33)

20 Iz podatkov o dolžini in spremembi dolžine pa lahko izračunamo tudi raztezek po pretrgu ε:

𝜀 =∆𝐿 𝐿o

(3)

σ - natezna napetost [Pa]

F - sila [N]

E - modul elastičnosti [Pa]

ε - raztezek [%]

Natezna napetost σ je definirana kot sila F na začetni presek Ao:

𝜎 = 𝐹 𝐴o

(4)

Ao - začetni presek [mm²]

Na sliki 19 je prikazana naprava za izvajanje nateznega preizkusa, na sliki 20 pa natezni preizkušanec, vpet v ogrodno čeljust naprave.

Slika 19: Naprava za izvajanje nateznega preizkusa

(34)

21 Slika 20: Natezni preizkušanec vpet v ogrodno čeljust

3.5 Staranje

V komorno peč Memmert UN110 smo dali 10 nateznih preizkušancev vsakega materiala (5 iz prve in 5 iz druge šarže) in jih tam pustili 18 dni. Temperaturo smo nastavili na 75 °C. Zaradi izpostavljenosti višjim temperaturam pri staranju prihaja do degradacije polimerov in slabšanja njihovih lastnosti. Glavna parametra staranja sta temperatura in čas. Opazovali smo spremembe mehanskih lastnosti pred in po staranju. Na sliki 21 je komorna peč, na sliki 22 pa preizkušanci v njej. Preizkušance smo postavili na pladnje tako, da se drug drugega niso dotikali.

(35)

22 Slika 21: Komorna peč

Slika 22: Natezni preizkušanci v komorni peči

(36)

23

4. Rezultati in diskusija

4.1 Indeks tečenja taline

Rezultati MFI meritev so predstavljeni v tabelah 6,7 in 8.

Tabela 6: Indeks tečenja 100 % reciklata

100 % reciklat I. šarža II. šarža

Meritev ^1. ^2. ^1. ^2.

Povprečna masa enega odrezka [g]: 136 215 199 235

MFI [g/10 min] 8,2 8,6 7,96 9,4

Povprečje MFI [g/10 min] 8,4 8,68

MFI na tehnični listi [g/10 min] 9 ± 15 %

Indeks tečenja taline je bil po podatkih tehnične liste proizvajalca 9. Povprečne izmerjene vrednosti I. šarže so od te vrednosti odstopale za 6,67 %, povprečne izmerjene vrednosti II.

šarže pa za 3,56 %. Izmerjen indeks je bil višji pri reciklatu iz II. šarže. Na sliki 23 so odrezki 100 % reciklata.

Slika 23: Odrezki 100 % reciklata

Tabela 7: Indeks tečenja 47 % reciklata

47 % reciklat I. šarža II. šarža

Meritev 1. 2. 1. 2.

Povprečna masa enega odrezka [g]: 547 482 485 0,523

MFI [g/10 min] 21,88 19,28 19,4 20,92

MFI na tehnični listi [g/10 min] 20-25

Indeks tečenja taline je bil za obe šarži 47 % reciklata med vrednostima, ki sta na tehnični listi podani kot zgornja in spodnja meja. Na sliki 24 so odrezki 47 % reciklata.

(37)

24 Slika 24: Odrezki 47 % reciklata

Tabela 8: Indeks tečenja taline svežega polipropilena

Svež polipropilen I. šarža II. šarža

Meritev ^1. ^2. ^1. ^2.

Povprečna masa enega odrezka [g]: 311 322 187 198

MFI [g/10 min] 37,32 38,16 20,4 19,44

Pričakovan MFI na tehnični listi [g/10 min] 40 ± 15 %

Indeks tečenja taline je bil po podatkih tehnične liste proizvajalca 40. Povprečne izmerjene vrednosti I. šarže so od te vrednosti odstopale za 5,65 %. Izmerjene vrednosti II. šarže so bile pod pričakovano mejo, saj so odstopale za 49,8 %. Na sliki 25 so odrezki svežega polipropilena, ki je bil najbolj tekoč.

Slika 25: Odrezki svežega polipropilena

Iz meritev lahko razberemo, da je svež polipropilen najbolj tekoč, sledi mu 47 % reciklat, najmanj pa je tekoč 100 % reciklat. Povprečne vrednosti le malo odstopajo od vrednosti na tehničnih listah dobaviteljev, izjema je le II. šarža čistega polipropilena, kjer je odstopanje kar 49,8 %.

(38)

25 4.2 Natezni preizkus

Za vsak material, pred in po staranju, smo s petimi preizkušanci opravili natezni preizkus.

Preizkus smo opravljali s preizkušanci obeh sarž. Izračunali smo povprečje vseh 5 meritev in jih nato med seboj primerjali. Primerjali smo rezultate nateznega preizkusa I. in II. šarže vseh treh polipropilenov in rezultate nateznih preizkušancev pred ter po staranju.

Na sliki 26 so predstavljene tri pomembne točke grafov, ki smo jih pridobili med opravljanjem nateznega preizkusa: natezna trdnost, napetost tečenja in napetost ob porušitvi, kjer pride do zloma nateznega preizkušanca. Napetost tečenja je meja, kjer pride do prvega trajnega raztezanja, natezna trdnost pa je maksimalna napetost materiala, ki jo material še lahko prenese.

Dokler se material nahaja v elastičnem območju, se po koncu obremenitev povrne v prvotno obliko. Material se trajno deformira, ko doseže območje plastičnosti (slika 27).

Slika 26: Natezna trdnost, napetost tečenja in točka, kjer pride do porušitve

Slika 27: Graf napetost-deformacija

(39)

26 4.2.1 Preizkušanec - 100 % reciklat

4.2.1.1 Pred staranjem

Na slikah 28 in 29 ter v tabelah 9 in 10 so predstavljeni rezultati nateznega preizkusa preizkušancev z vsebnostjo 100 % reciklata. Na začetku krivulja hitro narašča, dokler ne doseže točke natezne trdnosti. Napetost nato pada, dokler ne pride do porušitve. Vrednost napetosti tečenja niha med 12 in 13 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je pri vseh preizkušancih 22 MPa.

Prišlo je do manjših razlik med rezultati I. in II. šarže. Napetost tečenja je bila pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,5 % manjša od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže, prav tako je bil raztezek preizkušancev II. šarže za 6,45 % manjši. Izmerjena natezna trdnost in modul elastičnosti sta bila enaka za preizkušance obeh šarž.

Slika 28: Reztezek pri natezni trdnosti, 100 % reciklat, I. šarža - pred staranjem

Slika 29: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, II. šarža - pred staranjem

(40)

27 Tabela 9: Rezultati nateznega preizkusa I. šarže 100 % reciklata - pred staranjem

100 % reciklat, I. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Merilna dolžina [mm] 75 75 75 75 75 75

Končna dolžina [mm] 87,23 81,73 81,44 81,49 82,05 82,78 Širina [mm] 9,96 9,97 96,96 9,96 9,95 9,96 Debelina [mm] 3,94 3,96 3,95 3,96 3,95 3,95 Napetost tečenja [MPa] 13 13 13 12 13 12,8

Natezna trdnost [MPa] 22 22 22 22 22 22

Raztezek [%] 16,3 9 8,6 8,7 9,4 10,4

Modul elastičnosti [GPa] 1,5 1,5 1,49 1,6 1,61 1,54

Tabela 10: Rezultati nateznega preizkusa za II. šaržo 100 % reciklata – pred staranjem 100 % reciklat, II. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Končna dolžina [mm] 81,16 81,93 81,73 84,37 / 82,3 Širina [mm] 9,96 9,96 9,94 9,94 9,94 9,96

Debelina [mm] 75 75 75 75 75 75

Napetost tečenja [MPa] 12 12 12 12 12 12

Raztezek [%] 8,2 9,2 9 12,5 / 9,73

Na sliki 30 lahko vidimo, kako izgledajo preizkušanci po porušitvi.

Slika 30: Natezni preizkušanci 100 % reciklata po nateznem preizkusu

Dokler se material nahaja v elastičnem območju, se deformira brez trajne spremembe oblike, po prekinitvi pa se material povrne v prvotno obliko. Po prehodu v plastično območje se material trajno deformira.

(41)

28 4.2.1.2 Po staranju

Na slikah 31 in 32 ter v tabelah 11 in 12 ter so predstavljeni rezultati nateznega preizkusa za preizkušance s 100 % vsebnostjo reciklata po staranju. Vrednost napetosti tečenja je nihala med 12 in 13 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je bila v vseh primerih 22 MPa.

Po staranju je bila napetost tečenja pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,45 % manjša od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže, natezna trdnost II. šarže pa je bila enaka kot pri I. šarži. Modul elastičnosti je bil za 2,23 % manjši pri II. šarži. Raztezek II. šarže je bil za 10 % manjši od raztezka I. šarže.

Slika 31: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, I. šarža – po staranju

Slika 32: Odvisnost napetosti od raztezka, 100 % reciklat, II. šarža – po staranju

(42)

29 Tabela 11: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 100 % reciklata-po staranju

100 % reciklat, I. serija 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Začetna dolžina Lo [mm] 75 75 75 75 75 75

Končna dolžina [mm] 79,52 82,64 80,77 82,63 77,93 80,7 Širina [mm] 9,92 9,92 9,92 9,92 9,92 9,92 Debelina [mm] 3,95 3,94 3,94 3,95 3,95 3,94 Napetost tečenja [MPa] 14 13 14 14 14 14

Razteznost [%] 6 10,2 7,7 10,2 3,9 7,6

Tabela 12: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 100 % reciklata-po staranju 100 % reciklat, II. serija 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Začetna dolžina Lo [mm] 75 75 75 75 75 75

Končna dolžina [mm] 80,02 79,8 78,96 81,98 79,9 80,13 Širina [mm] 9,92 9,92 9,92 9,92 9,92 9,92 Debelina [mm] 3,93 3,92 3,93 3,93 3,92 3,93 Napetost tečenja [MPa] 14 13 14 14 13 13,6

Razteznost [%] 6,7 6,4 5,3 9,3 6,5 6,84

V tabeli 13 so prikazane povprečne vrednosti nateznega preizkusa za 100 % reciklat. Po staranju se je napetost tečenja pri preizkušancih prve sarže povečala za 8,21 % in za 13,33 % pri preizkušancih druge, natezna trdnost pa se je pri preizkušancih obeh šarž povečala za 4,5 %.

Modul elastičnosti se je zmanjšal za 12,34 % in 14,29 %, prav tako se je za 26,93 % (I. sarža) in 29,71 % (II. sarža) zmanjšal raztezek.

Tabela 13: Rezultati nateznega preizkusa – 100 % reciklat

100 % reciklat

Pred staranjem Po staranju I. šarža II.

šarža I.

šarža II. šarža Napetost tečenja

[MPa] 12,18 12 13,8 13,6

Natezna trdnost [MPa] 22 22 23 23

Raztezek [%] 10,4 9,73 7,6 6,84

Modul elastičnosti

[GPa] 1,54 1,54 1,35 1,32

(43)

30 4.2.2 Preizkušanec - 47 % reciklat

Rezultati nateznega preizkusa za 47 % reciklat pred staranjem so predstavljeni na slikah 33 in 34 ter v tabelah 14 in 15. Prišlo je do manjših razlik med rezultati I. in II. šarže. Vrednost napetosti tečenja je nihala med 14 in 15 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je nihala med 26 in 28 MPa. Na sliki 36 vidimo natezne preizkušance 47 % reciklata po nateznem preizkusu.

Napetost tečenja je bila pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,41 % večja od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže, prav tako je bil raztezek preizkušancev II. šarže za 6,45 % večji od raztezka I. šarže. Izmerjena natezna trdnost II. šarže je bila za 5,76 % manjša od izmerjene natezne trdnosti I. šarže, modul elastičnosti pa je bil za 1,58 % manjši pri II. šarži.

Slika 33: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, I. šarža - pred staranjem

Slika 34: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, II. šarža - pred staranjem

(44)

31 Tabela 14: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 47 % reciklata - pred staranjem

Končna dolžina [mm] 75 85,93 90,47 85,4 90,67 88,12

Širina [mm] 9,96 9,96 9,96 9,96 9,97 9,96

Debelina [mm] 3,94 3,96 3,94 3,96 3,97 3,95

Napetost tečenja [MPa] ¹⁴ ¹⁴ ¹⁴ ¹⁴ ¹⁴ ¹⁴

Natezna trdnost [MPa] ²⁸ ²⁸ ²⁸ ²⁸ ²⁷ ^27,8

Raztezek [%] 0 14,6 20,6 13,9 20,9 17,5

Tabela 15: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 47 % reciklata - pred staranjem 47 % reciklat, I. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Merilna dolžina [mm] ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵

Končna dolžina [mm] 88,66 94,04 89,07 85,62 94,95 90,45

Širina [mm] 9,96 9,97 9,96 9,97 9,97 9,97

Debelina [mm] 3,94 3,95 3,96 3,96 3,94 3,95

Napetost tečenja [MPa] 14 14 14 15 14 14,2

Natezna trdnost [MPa] ²⁷ ²⁶ ²⁶ ²⁶ ²⁶ ^26,2

Raztezek [%] ^18,2 ^25,4 ^18,8 ^14,2 ^26,6 ^20,64

Na sliki 35 vidimo natezne preizkušance z vsebnostjo 47 % po porušitvi. Opazno je, da je kontrakcija večja kot je bila pri 100 % reciklatu.

Slika 35: Natezni preizkušanci 47 % reciklata po nateznem preizkusu

(45)

32 4.2.2.2 Po staranju

Na slikah 37 in 38 ter v tabelah 16 in 17 so predstavljeni rezultati nateznega preizkusa 47 % reciklata po staranju. Vrednost napetosti tečenja je nihala med 15 in 17 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je nihala med 27 in 29 MPa.

Napetost tečenja je bila pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,41 % večja od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže, prav tako je bil raztezek preizkušancev II. šarže za 6,45 % večji od raztezka I. šarže. Izmerjena natezna trdnost II. šarže je bila za 5,76 % manjša od izmerjene natezne trdnosti I. šarže, modul elastičnosti pa je bil za 1,58 % manjši pri II. šarži.

Slika 36: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat,I. šarža – po staranju

Slika 37: Odvisnost napetosti od raztezka, 47 % reciklat, II. šarža – po staranju

(46)

33 Tabela 16: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo 47 % reciklata-po staranju

Končna dolžina [mm] 92,92 82,64 80,21 83,42 83,76 84,59 Širina [mm] 9,95 9,96 9,96 9,95 9,95 9,95 Debelina [mm] 3,94 3,95 3,94 3,94 3,95 3,94 Napetost tečenja [MPa] 15 17 17 16 16 16,2 Natezna trdnost [MPa] 29 29 29 29 29 29 Razteznost [%] 23,9 10,2 6,9 11,2 11,7 12,78 Modul elastičnosti

[GPa] 1,64 1,43 1,51 1,61 1,64 1,57

Tabela 17: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo 47 % reciklata-po staranju 47 % reciklat, II. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Končna dolžina [mm] 85,55 87,24 87,04 84,96 84,7 85,9 Širina [mm] 9,97 9,97 9,97 9,97 9,97 9,97 Debelina [mm] 3,96 3,95 3,95 3,96 3,95 3,95 Napetost tečenja [MPa] 15 15 15 15 15 15 Natezna trdnost [MPa] 27 27 27 27 27 27 Razteznost [%] 14,1 16,3 16,1 13,3 12,9 15,54 Modul elastičnosti

[GPa] 1,64 1,76 1,73 1,8 1,73 1,73

V tabeli 18 so predstavljene povprečne vrednosti rezultatov nateznega preizkusa za 47 % reciklat pred in po staranju. Pri 47 % reciklatu je bila napetost tečenja preizkušancev za 1,43 % (I. šarža) in 5,63 % (II. šarža) večja po staranju, natezna trdnost pa je bila prav tako za 4,32 % (I. šarža) in 3,1 % (II. šarža) večja po staranju. Raztezek se je po staranju zmanjšal za 26,97 % (I. šarža) in 24,71 % (II. šarža), modul elastičnosti pa se je zmanjšal za 17,37 % (I. šarža) in 7,49 % (II. šarža).

Tabela 18: Rezultati nateznega preizkusa - 47 % reciklat

47 % reciklat

Pred staranjem Po staranju I. šarža II.

šarža I.

šarža II. šarža Napetost tečenja

[MPa] 14 14,2 14,2 15

Natezna trdnost [MPa] 27,8 26,2 29 27

Raztezek [%] 17,5 20,64 12,78 15,54

Modul elastičnosti

[GPa] 1,9 1,87 1,57 1,73

(47)

34 4.2.3 Preizkušanec - svež polipropilen

Na slikah 39 in 40 ter v tabelah 19 in 20 so predstavljeni rezultati nateznega preizkusa svežega polipropilena po staranju. Vrednost napetosti tečenja je nihala med 12 in 13 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je nihala med 26 in 27 MPa.

Prišlo je do manjših razlik med rezultati I. in II. šarže. Napetost tečenja je bila pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,56 % manjša od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže, natezna trdnost II. šarže je bila za 0,75 % večja od izmerjene natezne trdnosti I. šarže. Modul elastičnosti je bil za 3,91 % večji pri II. šarži. Do loma materiala ni prišlo, zato podatkov o raztezku nismo mogli pridobiti.

Slika 38: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, I. šarža - pred staranjem

Slika 39: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - pred staranjem

(48)

35 Tabela 19: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo svežega polipropilena - pred

staranjem

Svež polipropilen, I. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Končna dolžina [mm] / / / / / /

Širina [mm] 9,96 9,96 9,97 9,95 9,95 9,96

Debelina [mm] 3,96 3,96 3,97 3,97 3,96 3,96 Napetost tečenja [MPa] 13 13 13 12 13 12,8

Natezna trdnost [MPa] 27 27 27 26 27 26,8

Raztezek [%] ^/ ^/ ^/ ^/ ^/ ^/

Modul elastičnosti [GPa] ^1,32 ^1,27 ^1,26 ^1,24 ^1,29 ^1,28

Tabela 20: Rezultati meritev nateznega preizkusa za II. šaržo svežega polipropilena - pred staranjem

Svež polipropilen, II. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Merilna dolžina [mm] ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵ ⁷⁵

Končna dolžina [mm] ^/ ^/ ^/ ^/ ^/ ^/

Širina [mm] 9,94 9,96 9,95 9,94 9,94 9,95

Debelina [mm] 3,97 3,94 3,95 3,96 3,96 3,95 Napetost tečenja [MPa] 13 13 12 12 13 12,6

Raztezek [%] ^/ ^/ ^/ ^/ ^/ ^/

Na sliki 40 so natezni preizkušanci svežega polipropilena po nateznem preizkusu. Svež polipropilen ima visok MFI in posledično visok raztezek, zato do zloma ni prišlo.

Slika 40: Natezni preizkušanci svež polipropilena po nateznem preizkusu

(49)

36 Slika 41 je dober primer prikaza zoževanja vratu svežega polipropilena. Ob povečaneni razdalji med vhodno čeljustjo se je vrat preizkušanca le še bolj zožal in podaljšal, še vedno pa ni prišlo do loma.

Slika 41: Natezni preizkušanec svežega polipropilena po nateznem preizkusu ob povečani razdalji med vhodno čeljustjo

Pri prehodu iz homogenega v nehomogeno področje plastične deformacije pride do lokalne zožitve oz. nastanka vratu. Na mestu lokalne zožitve se preizkušanec pri lomni napetosti poruši.

Med deformiranjem prihaja do podaljševanja vratu, mehanizem poteka deformiranja pa je prikazan na sliki 42.

Slika 42: Potek deformiranja preizkušanca

4.2.3.2 Po staranju

Na slikah 43 in 44 ter v tabelah 21 in 22 so predstavljeni rezultati nateznega preizkusa za svež polipropilen po staranju. Vrednost napetosti tečenja je nihala med 15 in 17 MPa, vrednost natezne trdnosti pa je nihala med 27 in 29 MPa.

Prišlo je do manjših razlik med rezultati I. in II. šarže. Napetost tečenja je bila pri nateznih preizkušancih II. šarže za 1,51 % manjša od napetosti tečenja nateznih preizkušancev I. šarže.

Izmerjena natezna trdnost je bila za obe sarži enaka, modul elastičnosti pa je bil za 3,39 % večji pri II. šarži.

(50)

37 Slika 43: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - po staranju

Slika 44: Odvisnost napetosti od raztezka, svež polipropilen, II. šarža - po staranju

Tabela 21: Rezultati meritev nateznega preizkusa za I. šaržo svežega polipropilena - po staranju

Svež polipropilen, I. šarža 1. 2. 3. 4. 5. Povprečje

Končna dolžina [mm] ^/ ^/ ^/ ^/ ^/ ^/

Širina [mm] ^9,94 ^9,94 ^9,94 ^9,94 ^9,94 ^9,94

Debelina [mm] 3,94 3,94 3,95 3,94 3,95 3,94

Napetost tečenja [MPa] 14 13 13 13 13 13,2

Razteznost [%] / / / / / /