עזבו אתכם מקרח, כל הסיפור זה למכור אוויר לאסקימוסים / עפר שורק

סקירה כימית, מכאנית וקצת היסטורית של הקצפת חומרים פלסטיים

אנשי שיווק טובים יכולים "למכור קרח לאסקימוסים", אבל אנשי מכירות מעולה, יכולים למכור אוויר! ואכן, מה שנכון לגבי חטיפים כמו במבה, נכון גם עבור מוצרים מפלסטיק מוקצף. אלו מאפשרים להוריד עלויות חומרי גלם ולהפחית משקל בתהליך הלוגיסטיקה. יתרונות אלו חשובים במיוחד בהיבט של קיימות, והופכים את הקצפת הפלסטיק לרלוונטית יותר מתמיד.

יישומים שונים לפולימרים מוקצפים 

הפיתוח של פולימרים מוקצפים החל מ-PS מוקצף 'מאקרו-סלולרי' אותו המציאה חברת DOW תחת השם "Styrofoam" ב-1941. PS מוקצף משמש בכוסות חד פעמיות, בידוד ואריזה. 96-98% ממנו אוויר ורק 2-4% הם פולימר. יישומים מוקצפים קשיחים של PP ו-PS משמשים במגוון רחב של יישומים בתעשיית הרכב. PE מוקצפים משמשים במגוון יישומים בענפי היריעות, הבידוד, הספורט וכד' תוך ניצול הצפיפות הנמוכה, האלסטיות, העמידות במים והעלות הנמוכה. לאחרונה נעשית עבודת מחקר נרחבת בהקצפה של PLA בתחומי ההשתלות הרפואית. הפורוזיביות הגבוהה של PLA מוקצף מאפשרת לעודד פעילות ביולוגית כבסיס ליישומים של הנדסת רקמות. 

פתוח, סגור ומה שביניהם

פולימר מוקצף הוא תערובת של פולימר וגז שמעניקה לחומר מבנה של חללים, תאים, פתוחים או סגורים. מבנה תאים סגורים יתאים לחליפת הצלה למשל, בעוד שמבנה תאים פתוחים יצבור את המים ויטביע את הלקוח. לעומת זאת, מבנה פתוח יתאים למזרוני יוגה, בידוד אקוסטי, ריהוט ומושבים לרכב, בזמן שהמבנה הסגור, שכולא אוויר בתוכו יתאים לבידוד תרמי, ויהיה על פי רוב קשיח יותר ויתאים לפתרונות של הפחתת משקל בתעשיית הרכב והחלל.  

הפולימרים המוקצפים יכולים להיות גמישים או קשיחים בהתאם לגיאומטריית התאים. גם חוזק ההיתך, רמת הגבישיות והצמיגות של החומר תלויות בגיאומטריה הזו. המוצרים השכיחים ביותר מבוססים על הקצפה בתאים סגורים של PP, PE, PS ולאחרונה גם PLA. תאים בקוטר קטן בצפיפות גבוהה במטריצה הפולימרית כמעט תמיד עדיפים. עם זאת, לא פשוט להגיע ליעד של תאים קטנים בכל סוגי החומר ותנאי הייצור. 

על תהליך ההקצפה וחשיבות השליטה על התאים

שיטות ההקצפה העיקריות כוללות שלבים של סטורציה או אימפרגנציה של הפולימר בחומר משפר הקצפה לקבלת תערובת פולימר-גז רוויה באמצעות העלאה חדה של הטמפרטורה או ירידה חדה בלחץ, התפתחות תאים והתייצבות. בתהליכי הקצפה תרמופלסטיים חשוב לקבל קצף עם מבנה תאים סגור ומעטפת דקה שמכסה כל תא ובועה. כדי להבטיח את המבנה הזה יש לשלוט על תהליך גדילת התאים לכל אורך הדרך. הגבלת הטמפרטורה היא קריטית אם רוצים לשמור על מבנה מיקרו-סלולרי. אם הטמפרטורה גבוהה מדי, חוזק ההיתך של הפולימר עלול הוביל לפריצה של מעטפת התאים. מנגד, טמפרטורה נמוכה מדי תוביל לזמני הקצפה ארוכים יותר והעלייה בצמיגות הפולימר שתגביל את התפתחות התאים ותוביל למוצרים עם הקצפה חלקית. 

איך אפשר בלי להכניס קצת ננו למשוואה

תרכובות פולימריות, חומרים מקשרים ושילוב של ננו-מלאנים יכול להשפיע על תוצר ההקצפה. השילוב בין ננו-מלאנים להקצפה מוצלח במיוחד שכן הוא פותר את אחת הבעיות הנפוצות בתוספי ננו – הצטברותם בצברים / אגרגטים. בין תוספי הננו שבשימוש: ננו-קלציט, ננו-סיליקט, צינוריות פחמן ו-  .nanomontmorillonite

הקצפה בהזרקה – כימית או פיזיקלית?

ההקצפה יכולה להגיע מהזרקה ישירה של הגז לפולימר (הקצפה פיזיקלית) או מתוספי הקצפה היוצרים גז כתוצאה מתגובה כימית אקסותרמית או אונדותרמית (הקצפה כימית). עם זאת, בהקצפה כימית חל שימוש בלחצי הקצפה נמוכים יחסית, ולכן היא פחות ישימה במוצרים דקי דופן. בנוסף, לתוספים עלות לא מבוטלת ולחלקם תוצרי-לוואי הנשארים בתבנית ובבורג. מנגד, בהקצפה פיזיקלית יש צורך בהסבות יקרות למכונות ההזרקה והניפוח, ונדרש בורג ייעודי שיאפשר פיזור הומוגני בהיתך. בנוסף לכך יש צורך בהתקנה של יחידת מינון גז בלחץ גבוה לשליטה מיטבית על הזרקת הגז.

מאחדים הקצפה פיזיקלית וכימית יחד בהזרקה

חברתLinde  פיתחה תהליך הקצפה בהזרקה שמשלב את היתרונות של הקצפה כימית פשוטה עם היעילות של הקצפה פיזיקלית. הטכנולוגיה מאפשרת הקצפה במכונות הזרקה רגילות. הגרגרים הפלסטיים סופחים CO2 תחת לחץ לפני שמזינים אותם אל מכונת ההזרקה. ה-CO2 מפעפע אל תוך ההיתך בזמן הפלסטיפיקציה והופך לבועיות גז מיקרו-סלולריות כשהלחץ שנבנה משתחרר וההיתך מוזרק אל התבנית. 

יחידת הקדם-הקצפה הניידת של חברת ProTec Polymer Processing מהווה מרכיב מרכזי בתהליך משום שהיא ניתנת להרכבה על מכונת הזרקה בסיסית ואף ניתנת להזזה ממכונה אחת לשנייה במפעל. השיטה החדשה מאפשרת להגיע לתנאי הפחתת חום וזמני מחזור של הזרקת מים מבלי להשאיר לחות על המוצרים או התבנית, כך שאין צורך בשלב נוסף של ייבוש. בנוסף, ל- CO2יש גם צפיפות גבוהה יותר מזו של גז החנקן ותכונות תרמיות שמאפשרות יכולת קירור משמעותית בזמן ההתרחבות שמאיצות את זמני המחזור בשיעור של 50% (בהשוואה להזרקת חנקן). 

תמונה 1: מבנה תאים סגור (a) ופתוח (b).

שיטות הקצפה

תהליכי ההקצפה השכיחים כוללים הקצפה מנתית (batch foaming), הקצפה בשיחול והקצפה בהזרקה. הקצפה מנתית מיושמת בשתי שיטות שונות: שיטה מושרית-לחץ ושיטה מושרית-טמפרטורה כאשר ירידת לחץ או שינוי טמפ' הם הסיבה להיווצרות הגז.

כמו בהזרקה – גם באקסטרוזיה קיימת הקצפה פיזיקלית או כימית. כאשר החומר עדיין באקסטרודר, הלחץ הגבוה מונע את התהליך. עם יציאתו חלה ירידת לחץ פתאומית ובעקבותיה – הקצפה. בשיטה זו ניתן לייצר יריעות, צנרת וגלילים מתרחבים. 

בהזרקה ההקפצה מצריכה שינוי בבורג העיבוד וחיבור יחידת גז למכונת ההזרקה לביצוע הקצפה פיזיקלית. הטכנולוגיות המוכרות ביותר הן MuCell של חברת Trexel האמריקאית, Optifoam של Sulzer Chemtech השוייצרית וה-ErgoCell של Demag הגרמנית.     

תמונה 2: הקצפה מנתית מושרית-לחץ (Pressure-induced batch foaming).

תוסף להקצפה נהדר, עד שמגלים שיש בו בעיה קטנה

תוסף ההקצפה הנפוץ ביותר הוא האזו-די-קרבונאמיד (ADCA) שמייצר הקצפה אקסותרמית. הוא פותח ב-1959, וכבר בתחילת שנות השמונים היה ברור ליצרנים בענף הפלסטיק, וגם ליצרנים בתחום האפייה בו היה לו שימוש, שהגבישים הצהובים גרמו לעובדים שנחשפו אליהם באופן קבוע לתופעות כמו אסתמה ובעיות אחרות בנשימה. מאחר והחומר לא פגע בבריאות של משתמשי הקצה, המשיכו מיטב רשתות המזון המהיר בארה"ב להשתמש בו כמשפר אפייה מועדף. עצומה שפרסמה Vani Hari, בלוגרית מזון ידועה ב-2014, שבה העבירה ביקורת על חברות כמו מקדונלדס, סאבווי, וונדיס ו'ווייט קסטל' על שימוש ב"תוסף שמשמש לייצור מזרוני יוגה" בלחמניות שלהם, גרם לחברות להפסיק להשתמש בו ולעבור לאבקת אפייה.    

ADCA משחרר אל תוך הפולימר כמות גדולה של גז חנקן יחד עם כמות מצומצמת של CO2. התהליך זול, וניתן לשליטה בקלות. אולם, תוצרי הלוואי הרעילים של ה-ADCA גרמו לכניסתו לרשימת ה-SVHC (חומרים מחשודים כסכנה לבריאות). 

תמונה 3: הקצפה בשיחול.

מה הקשר בין עוגות בחושות לחלקים לרכב?

הסיווג של ה-ADCA כבעייתי הוביל יצרנים להעדיף תוספים אנדותרמיים שמבוססים על סגסוגות של סודיום-בי-קרבונט, הסודה לשתייה המוכרת לכולנו מהקצפה באפייה. חברת SOLVAY, שמייסדה ארנס סולבי פיתח ב-1869 שיטת ייצור לסודה לשתייה, חנכה השנה את מפעל הסודה בי קרבונט הגדול בעולם בבולגריה בעוד הביקוש העולמי למקציף הכפיל עצמו בעשור האחרון. לחברה 11 אתרי ייצור שונים לסודה לשתייה המגלגלים 2 מיליארד דולר בשנה.

תמונה 4: הקצפה בהזרקה.

אז מה היה לנו בסקירה הזאת? 

מקציפים של Ernst Solvay שנולד לפני 184 שנים מביאים להקצפה ידידותית לסביבה, בלוגרית מזון שגורמת לתאגידים להתעלם מאישורים של ה-FDA ולעבור להשתמש בשיטות יקרות יותר ויעילות פחות, אלפי עובדים שניצלו מאסתמה בזכות העברת ה-ADCA לרשימה ה-SVHC וחדשנות שבאה לידי ביטוי בשילוב תהליכים כימיים ופיזיקליים על ידי מערכות קדם-הקצפה ניידות.

למידע נוסף,

סורפול: עפר שורק, [email protected]