Światowa produkcja tworzyw sztucznych rośnie nieprzerwanie od lat 80. XX wieku, uzupełniając lub wypierając materiały tradycyjne (w tym stal) w wielu sektorach przemysłu. Jednym z rodzajów tworzyw, który opracowano w celu zaspokojenia potrzeb przemysłu dotyczących zmniejszenia kosztów materiałowych bez utraty właściwości mechanicznych, są tworzywa porowate (pianki i gąbki). Mają one strukturę mikrokomórkową charakteryzującą się małą masą, dużą udarnością, sztywnością, wytrzymałością (w tym zmęczeniową), stabilnością termiczną, jak również małym współczynnikiem przewodności cieplnej. Pianki z tworzyw sztucznych są produktem o wszechstronnym zastosowaniu. Ich własności zależą od procesu wytwarzania, gęstości oraz budowy komórek. Pianka składa się z komórek zawierających gaz (powietrze) w ciągłym szkielecie polimeru. Komórki mogą być makro- lub mikroskopowe, otwarte oraz częściowo lub całkowicie zamknięte ze ściankami o różnej grubości. Komórki tworzą się przez ekspansję gazu lub lotnej cieczy wtryskiwanych do stopionego polimeru albo ekspansję gazu pochodzącego z chemicznego środka spieniającego. Najważniejszym parametrem określającym piankę jest jej gęstość – na rynku dostępne są wyroby o gęstości od kilku kg/m3 do ponad 1000 kg/m3 (pianki strukturalne).

Typy materiałów porowatych

Zależnie od struktury komórek rozróżnia się dwa podstawowe typy syntetycznych tworzyw porowatych:

• piankowe – o porach zamkniętych, odizolowanych od siebie, bardzo często o strukturze sztywnej,

• gąbczaste – o porach otwartych, łączących się między sobą, nasiąkliwe i często elastyczne.

Tworzywa porowate mogą mieć także strukturę pośrednią (mieszaną), tj. zawierać jednocześnie pory otwarte i zamknięte. Z kolei w zależności od zachowania się podczas ściskania w temperaturze pokojowej rozróżnia się tworzywa porowate sztywne i elastyczne, przy czym podział ten nie jest całkowicie ścisły, ponieważ istnieją tworzywa o właściwościach pośrednich, tj. półelastyczne czy półsztywne, o różnym stopniu elastyczności.

Właściwości poszczególnych tworzyw porowatych są ściśle związane z rodzajem polimeru i zastosowaną metodą spieniania. Tworzywa porowate odznaczają się najmniejszą gęstością spośród ogólnie stosowanych materiałów konstrukcyjnych, jak również najmniejszym przewodnictwem cieplnym spośród znanych materiałów termoizolacyjnych. Poważną wadą wielu tworzyw porowatych jest niewielka wytrzymałość mechaniczna, co uniemożliwia ich stosowanie w przypadku działania większych obciążeń. Istnieją jednak takie tworzywa porowate, które przy niskiej gęstości wykazują stosunkowo wysoką wytrzymałość mechaniczną.

Metody wytwarzania

Spienianie polega na rozprężeniu gazu wewnątrz uplastycznionego lub ciekłego tworzywa, które zostaje następnie zestalone. Spienione polimery mogą być wytwarzane w procesie wtrysku lub wytłaczania, za pomocą środków spieniających (poroforów) chemicznych lub fizycznych. Pierwsze stanowią zazwyczaj substancje stałe, natomiast fizyczne porofory to gazy lub ciecze. Proces porowania przy użyciu fizycznych środków spieniających jest bardziej korzystny ze względu na niższe koszty oraz możliwość uzyskania lepszej morfologii.

Porowanie może przebiegać w wyniku:

• mechanicznego lub pneumatycznego mieszania tworzywa z gazem,

• wprowadzenia gazu spieniającego do tworzywa przed jego ostatecznym uformowaniem,

• wydzielania się gazów w tworzywie stanowiących produkt reakcji komponentów użytych do jego wytwarzania lub będących produktem termicznego rozkładu poroforów wcześniej wprowadzonych do tworzywa.

Metoda mieszania polega na bezpośrednim wprowadzeniu gazu do lepkiej, uplastycznionej żywicy przez pneumatyczne mieszanie lub mechaniczne ubijanie. Ubita piana jest poddawana następnie utwardzaniu. Metodę tę stosuje się głównie do spieniania żywic mocznikowych. Spienianie tworzyw gazem może być prowadzone dwiema metodami:

• przez wprowadzenie gazu obojętnego (np. azotu lub dwutlenku węgla) pod zwiększonym ciśnieniem,

• przez wprowadzenie łatwo lotnej cieczy w niskiej temperaturze.

Po usunięciu ciśnienia lub ogrzaniu wydziela się gaz, tworząc komórkową strukturę tworzywa, która utrwala się po ochłodzeniu lub utwardzeniu. Proces spieniania w podwyższonej temperaturze, w którym wykorzystuje się energię gazu sprężonego w porach tworzywa, nosi nazwę ekspandowania. Spienianie tworzyw przez wprowadzanie do nich łatwo lotnych cieczy jest metodą stosowaną głównie do otrzymywania porowatego polistyrenu. Substancje wytwarzające pory wprowadzane są zwykle do tworzywa jako odrębny składnik. Istnieje również możliwość wydzielania gazu w wyniku reakcji zachodzącej między składnikami użytymi do wytwarzania tworzywa. Przykładem tworzyw porowatych otrzymywanych tą metodą są pianki poliuretanowe. Środkiem spieniającym i nadającym porowatą strukturę poliuretanu jest produkt reakcji izocyjanianów z wodą, czyli dwutlenek węgla.

Lekkie i wytrzymałe

Wszystkie polimery mogą być poddawane spienianiu, jednak najczęściej do tego procesu wykorzystuje się: poliuretany, polistyreny, PCW, polietyleny, polipropylen czy kauczuki. W celu uzyskania tworzyw konstrukcyjnych i specjalistycznych spienianiu poddaje się: polimetakryloimidy, silikony, polietery sufonowe i kompozyty.

Najważniejszą przyczyną, dla której stosuje się spienianie polimerów, to oszczędność materiału. Spienianie chemiczne pozwala na 2-3 krotne obniżenie masy materiału, a w przypadku spieniania gazowego możliwe jest obniżenie masy wyrobu nawet do 3-4% masy wyjściowej, więc ponad 30-krotnie. Innym ważnym aspektem ekonomicznym jest możliwość stosowania tworzyw spienianych jako alternatywy dla popularnych materiałów, takich jak aluminium czy drewno, które są droższe i trudniej obrabialne. Spienianie pozwala także modyfikować własności fizyczne i mechaniczne materiału. Dzięki temu można m.in. uzyskać lepszą izolacyjność termiczną oraz akustyczną w stosunku do materiału niespienionego. Obniżona gęstość materiału wpływa na obniżenie masy wyrobu, co poprawia na ogół jego walory użytkowe i obniża cenę produkcji.