POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY

INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Instrukcja dla studentów

Temat:

KOMPOZYTY POLIMEROWE - WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIE, WYTWARZANIE

1. Wstęp

Kompozyty to materiały uzyskiwane przez połączenie z sobą co najmniej dwu różnych materiałów o różnym charakterze i postaci, w wyniku którego mają właściwości będące wypadkową właściwości składników (komponentów) i ich udziałów objętościowych.

Osnową materiałów kompozytowych mogą być zarówno materiały metaliczne, ceramika oraz tworzywa sztuczne. Polimerowe kompozyty tworzy się przez połączenie polimerowej osnowy z włóknami bardzo sztywnymi i wytrzymałymi, w przeważającej większości nieorganicznymi, wykazującymi właściwości niemal idealnej sprężystości.

2. Wiadomości podstawowe

1. Polimery

Polimery to materiały organiczne złożone ze związków węgla. Tworzone są przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne tj.: C, N, O, F, Si. W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy i innych.

Stosowane do produkcji kompozytów żywice posiadają krótkie łańcuchy o budowie liniowej. Dopiero w wyniku procesu utwardzania następuje ich sieciowanie. W przypadku zbrojenia włóknami o bardzo małej średnicy lepkość oraz napięcie powierzchniowe żywic decydują o wypełnieniu każdej pustej przestrzeni, o wypieraniu przez ciecz pęcherzyków gazowych. Pozostające w osnowie pomiędzy włóknami gazy tworzą pustki stanowiąc zarodki mikropęknięć, obniżając wytrzymałość kompozytu.

Polimery charakteryzują się:

• małą gęstością,

• izolacyjnymi własnościami cieplnymi i elektrycznymi,

• lekkością i odpornością na korozję,

• ciągliwością,

• giętkością i odkształcalnością.

1. Materiały osnowy kompozytów polimerowych

W kompozytach polimerowych jako osnowę wykorzystuje się:

• duroplasty - czyli polimery termoutwardzalne np.: fenoplasty, aminoplasty oraz polimery chemoutwardzalne np.: polimery epoksydowe, poliestrowe i silikonowe,

• termoplasty - poliamidy, polipropylen, poliestry termoplastyczne i poliwęglany.

Kompozyty termoutwardzalne swoje rozpowszechnienie zawdzięczają między innymi łatwości formowania wyrobów. Płynna postać żywicy ułatwia skutecznie zapełnianie przestrzeni pomiędzy włóknami w temperaturze otoczenia. Ich atutem jest w wielu przypadkach sztywność, ponieważ podwyższa wytrzymałość kompozytów na ściskanie. Wadą żywic termoutwardzalnych jest nasiąkliwość wodą, słaba odporność na uderzenie i małe wydłużenie.

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych określa się jako laminaty epoksydowe lub poliestrowe, zależnie od rodzaju osnowy. Wytwarza się je metodami ręcznymi i maszynowymi. Główną postacią zbrojenia są tu maty lub tkaniny.

Z grupy tworzyw termoplastycznych stosowanych do produkcji kompozytów wykorzystuje się przede wszystkim poliamidy, do których wprowadza się 20 lub 30% włókna szklanego. Wprowadzenie zbrojenia do termoplastów ma przede wszystkim podwyższyć ich właściwości wytrzymałościowe. Termoplasty niezbrojone wykazują stosunkowo niskie właściwości mechaniczne. Wprowadzenie do nich zbrojenia w postaci włókna krótkiego lub cząsteczek ceramicznych pozwala podwyższyć ich wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie. Pogarszają się jednak inne właściwości takie jak przewodność elektryczna czy palność.

1. Materiały wzmocnienia

Podstawą produkcji nowoczesnych kompozytów na osnowie polimerowej są włókna ceramiczne. Włókna te wytwarza się w postaci włókien ciągłych metodą wyciągania z fazy ciekłej, a następnie przerabia metodami tkackimi lub innymi w wygodną postać do stosowania w technologiach produkcji kompozytów.

Podstawowym surowcem do produkcji ciągłych włókien szklanych jest najczęściej specjalne, bezalkaliczne, glinowo-krzemowe szkło typu E. Szkło to zawiera mniej niż 1% alkaliów w postaci związanych tlenków sodu i potasu. Do najważniejszych właściwości włókien szklanych należą:

• duża wytrzymałość na zerwanie przy niskiej gęstości,

• duża odporność cieplna,

• mała hiroskopijność,

• dobre właściwości dielektryczne,

• dobre połączenie z polimerami.

Wszystkie włókna przeznaczone do zbrojenia kompozytów polimerowych mają nałożoną w procesie produkcji apreturę (powierzchniowo czynne związki silanowe). Pokrycia te zabezpieczają włókna przed zanieczyszczeniami, zabrudzeniami, oddziaływaniem z sąsiednimi włóknami (np.: sklejaniem się włókien).

Włókna węglowe otrzymuje się przez pirolizę związków organicznych, którymi najczęściej są: włókno poliakrylonitylowe PAN czy syntetyczne włókno celulozowe. W zależności od prędkości nagrzewania, czasu i temperatury karbonizacji uzyskuje się włókna węglowe o różnych właściwościach. Włókna te wykazują minimalną, czasami ujemną rozszerzalność cieplną i są stosowane przede wszystkim do otrzymywania kompozytów o dużej wytrzymałości i sztywności oraz dużej odporności chemicznej i cieplnej.

Często na zbrojenie kompozytów polimerowych wykorzystywane są włókna organiczne. Obecnie produkowane są dwa typy włókien poliaramidowych: włókna typu nomex i włókna kevlar. Włókna nomexowe stosuje się do celów filtracyjnych, elektroizolacyjnych i izolacji cieplnej. Włókna kewlarowe stosuje się jako materiały wzmacniające tworzywa sztuczne. Produkuje się je w postaci rovingowej, tkanin i mat, często również w połączeniu z innymi typami włókien jako tzw. tkaniny hybrydowe.

Najnowszym osiągnięciem przemysłu chemicznego są włókna polietylenowe. Do zalet tych włókien należą: mała gęstość, duża energia zniszczenia, mała nasiąkliwość wodą, duża odporność na ścieranie. Włókna polietylenowe mogą być stosowane do temperatury 130°C.

1. Właściwości kompozytów polimerowych

Właściwości kompozytów polimerowych zależą głównie od gatunku włókien i żywicy osnowy. O ich wyborze decydują wytrzymałość, sztywność, trwałość i inne własności wynikające z potrzeb określonego zastosowania konstrukcyjnego.

Przy wyborze żywicy uwzględnia się zarówno walory eksploatacyjne jak i technologiczne. Żywica o wyższym module sprężystości sprzyja otrzymaniu tworzywa mniej podatnego na odkształcenia. Natomiast żywica bardziej elastyczna podwyższa zdolności tłumienia drgań mechanicznych i powstrzymuje propagację pęknięć zmęczeniowych.

Najwyższą wytrzymałość kompozytów polimerowych uzyskuje się w przypadku rozciągania wzdłuż osi włókien, wówczas udział osnowy żywicznej jest pomijalnie mały.

Wpływ temperatury dotyczy głównie żywic osnowy. W miarę jej obniżania żywice stają się bardziej wytrzymałe i sprężyste, ale równocześnie bardziej kruche. Maleje również zdolność tłumienia drgań mechanicznych. Podwyższanie temperatury powoduje stopniowe pogorszenie wytrzymałości i sprężystości.

Zalety tworzyw sztucznych zbrojonych włóknami to m.in.:

• dobry wygląd zewnętrzny,

• możliwość kształtowania w temperaturze pokojowej,

• wysoka odporność chemiczna,

• dobre właściwości izolacyjne,

• możliwość klejenia,

• przenikalność dla fal elektrycznych,

• przeźroczystość dla światła widzialnego,

• możliwość produkcji jednostkowej.

Do wad kompozytów polimerowych zaliczamy:

• łatwość uszkodzenia powierzchni

• niedostateczna odporność cieplna,

• niska wytrzymałość zmęczeniowa,

• długi czas formowania wyrobów.

1. Sposoby wytwarzania kompozytów polimerowych

Metoda kontaktowa

Formowanie ręczne, nazywane kontaktowym stosuje się głównie do wykonywania laminatów. Polega ono na ułożeniu w formie zbrojenia w postaci maty lub tkaniny i nasączeniu go mieszanką żywicy i utwardzacza za pomocą pędzla oraz zagęszczaniu wałkiem gumowym. Po dokładnym nasączeniu jednej warstwy zbrojenia mieszanką żywicy i utwardzacza, można nałożyć kolejną warstwę.

Metoda ta jest wykorzystywana do produkcji wyrobów jednostkowych o prostych, nieskomplikowanych kształtach. Jej zaletą jest to, że nie wymaga stosowania zbyt skomplikowanych form i oprzyrządowania. Do wad tej metody zaliczyć można dużą pracochłonność i materiałochłonność. Nie nadaje się ona do produkcji masowej.

Metoda natryskowa

Odmianą metody kontaktowej jest metoda natrysku. W metodzie tej nie stosuje się włókien wzmacniających w postaci mat i tkanin, lecz włókno ciągłe (najczęściej w postaci tzw. rowingu szklanego), które za pomocą specjalnych urządzeń jest cięte i-równocześnie z kompozycją żywicy - natryskiwane na formę, tworząc na niej rodzaj luźnego kożucha. Po jego dociśnięciu do formy, podobnie jak w klasycznej metodzie kontaktowej za pomocą pędzli i wałków, powstaje skorupa wyrobu. W metodzie tej wykorzystuje się urządzenie natryskowe, składające się z pistoletu i agregatu z pojemnikami na żywicę z utwardzaczem i włókna oraz sprężarki powietrznej.

Metoda ta w porównaniu z formowanie m kontaktowym, jest bardziej ekonomiczna, pozwala na wykonanie wyrobów o dużych gabarytach oraz wykładzin w zbiornikach itp.

Prasowanie

Rozróżnia się trzy podstawowe warianty technologii prasowania: prasowanie tłoczne, prasowanie przetłoczne i prasowanie płytowe. Produktem procesu prasowania tłocznego i przetłocznego są wypraski, natomiast płytowego - płyty lub wstęgi, często nazywane laminatami fenolowymi.

W technologii prasowania tłocznego tłoczywo wprowadza się do ogrzanej formy w odpowiedniej ilości i zamyka formę. Tłoczywo w formie ogrzewa się i przechodzi w stan plastyczny. Pod wpływem działającego ciśnienia jest ściskane i zagęszczane w formie, a pod wpływem ciepła utwardza się.

Proces prasowania przetłocznego polega na uplastycznieniu tłoczywa w oddzielnej komorze, a następnie przetłoczeniu do gniazda formującego. Tłoczywo równomiernie wypełnia formę i utwardza się. Zaletą tego prasowania jest wytwarzanie wyrobów jednorodnych w całym przekroju, znacznie szybciej niż podczas prasowania tłocznego.

Prasowanie płytowe realizowane jest pomiędzy ogrzewanymi płytami. Polega na uplastycznieniu żywicy naniesionej na zbrojenie w postaci arkuszy tkanin, papieru lub mat między płytami prasowalniczymi. Produktem procesu są laminaty płytowe.

Podstawowymi parametrami procesu formowania przez prasowanie są: ciśnienie, temperatura i czas prasowania.

Metoda SMC

W metoda SMC (ang. Sheet Moulding Compounds) włókna w postaci rovingu cięte są przez nóż obrotowy na odcinki o długości od 12 do 50 mm i podawane pomiędzy dwie folie, na których rozprowadzana jest cienka warstwa mieszaniny żywicy ze środkami pomocniczymi. Mieszanina ta ma dużą lepkość, dzięki czemu nie spływa z folii. Następnie całość przepuszczona jest przez układ wałków powodujących sprasowanie produktu, który w postaci pasma nawijany jest na rolki lub składany w sterty. Rysunek 1 przedstawia schemat procesu SMC.




Rys.11. Schemat procesu SMC

Metoda BMC

BMC (ang. Bulk Moulding Compounds) jest kompozytem składającym się w głównej mierze z polimeru, włókien ciętych, napełniaczy proszkowych i substancji dodatkowych.

W procesie BMC wszystkie składniki ciekłe mieszane są razem. Składniki proszkowe również mieszane są razem. Następnie składniki ciekłe i proszkowe miesza się ze sobą i z włóknem ciętym. Tak ujednorodnioną mieszanką napełnia się pojemniki z tworzywa sztucznego i całość przechowuje się. Sezonowanie trwa przynajmniej siedem dni. Po tym czasie mieszankę wykorzystuję się w procesie wtrysku. Jest ona rozgrzewana w głowicy wtryskarki i wtryskiwana do gorącej formy. Lepkość mieszaniny BMC jest niewielka, dlatego z łatwością wypełnia ona wszystkie miejsca formy, nawet gdy wykonywane wyroby mają skomplikowane kształty. Rysunek 2 przedstawia schemat wytwarzania kompozytów metodą BMC.




Rys 2. Schemat procesu BMC

3. Przebieg zajęć

• Sprawdzian wiadomości studentów z zakresu podstawowych informacji dotyczących materiałów kompozytowych

• Realizacja tematu laboratorium:

- Oglądanie prezentacji multimedialnej,

• Omówienie podstawowych wiadomości o kompozytach polimerowych,

• Dyskusja na temat budowy i właściwości kompozytów na podstawie katalogu zdjęć,

• Rozmowa na temat zastosowania kompozytów polimerowych,

- Podsumowanie omówionych treści.

4. Pytania kontrolne

1. Jakie tworzywa stosowane są na osnowę kompozytów polimerowych?

2. Jakie włókna stosowane są do zbrojenia kompozytów polimerowych?

3. W jakim celu nakładana jest apretura na włókna?

4. Jak otrzymywane są włókna węglowe?

5. Omów własności kompozytów polimerowych.

6. Opisz wielkoseryjne metody wytwarzania kompozytów polimerowych ( BMC, SMC).

7. Omów podstawowe rodzaje technologii prasowania.

8. Wymień zalety i wady kompozytów polimerowych.

9. Scharakteryzuj metodę natryskową wytwarzania kompozytów.

5. Literatura

1. Śleziona J. „Podstawy technologii kompozytów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998

2. Wilczyński A.P. „Polimerowe kompozyty włókniste”, WNT, Warszawa 1996

3. Leda H. „Współczesne materiały konstrukcyjne i narzędziowe”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996

4. Hyla J. „Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych”, WNT, Warszawa 1996

5. Leda H., „Kompozyty polimerowe z włóknami ciągłymi”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 200

6. Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S. „Kompozyty”, WPW, Warszawa 2000

---