Tworzywa sztuczne - polimery
1. Polimery (tworzywa sztuczne) związki wielkocząsteczkowe, z których składają się
tworzywa sztuczne, potocznie zwane plastikami, na dobre i złe wpisały się w nasze życie.
Są wszechobecne – znajdziemy je w szczoteczce do zębów, niemal w każdym opakowaniu, w
większości urządzeń i maszyn, w odzieży, obuwiu, lekach, materiałach konstrukcyjnych.
Przemysł chemiczny produkuje każdego roku niezliczone odmiany polimerów zdolnych
spełnić wszystkie niemal zachcianki człowieka.
2. Wykres wytrzymało
ści materiałów od temperatury:
3. Wła
ściwości materiałów stosowane jako kryteria ich doboru:
a) ogólne: -względny koszt; -gęstość
b) mechaniczne: -moduł sprężystości; -wytrzymałość; odporność na pękanie; -wskaźnik
zmęczeniowy;
c) cieplne: -przewodność cieplna; -dyfuzyjność; -pojemność cieplna; -temperatura zeszklenia
topnienia; -współczynnik rozszerzalności cieplnej; -odporność na pełzanie;
d) zużycie: -wskaźnik zużycia;
e) korozja: -wskaźnik korozyjny;
4. Polimer i tworzywo sztuczne:
Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi
w łańcuchach wielu atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.
Słowo polimer pochodzi od greckiego polymeros oznaczającego wiele części.
Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z prawego
górnego rogu układu okresowego.
Nazwy tworzywa sztuczne i polimery używane są często wymiennie, jako synonimy.
Ró
żnice w pojęciach:
Tworzywami sztucznymi nazywamy materiały, które oprócz polimeru, jako składnika
głównego, zawierają także dodatki w postaci napełniaczy, zmiękczaczy, stabilizatorów,
ś
rodków smarujących, barwiących itp.
5. Budowa chemiczna polimerów:
Polimery dzieli się na:
-Naturalne (np. kauczuk, gutaperka, celuloza, skrobia) przetworzone są chemicznie lub
fizykochemicznie)
-przetworzone polimery naturalne nazywane są to tzw. polimery półsyntetyczne lub polimery
sztuczne
-Polimery naturalne nie są używane w formie, w jakiej występują w przyrodzie.
Polimeryzacja addycyjna chlorku winylu C2H3Cl
Schemat prostoliniowego ła
ńcucha polietylenu
Definicja polimeru c.d.
Polimer można schematycznie przedstawić jako łańcuch powtarzających się jednostek
konstrukcyjnych (merów)
6. Polimery liniowe
-powstają z monomerów z dwoma aktywnymi wiązaniami.
-wiązania między merami są kowalencyjne.
-między merami różnych łańcuchów tworzą się wiązania Van der waalsa
7.Kopolimeryzacja
-reakcja polimeryzacji, w której uczestniczy więcej niż jeden rodzaj monomerów
-położenie merów poszczególnych składników wzdłuż łańcucha kopolimeru może być
*przemienne
*statyczne
*blokowe
8. Stopie
ń polimeryzacji
-liczba określająca z ilu merów jest przeciętnie zbudowany łańcuch danego polimeru
-np. polietylen
-wyznaczany przez dzielenie średniej masy cząsteczkowej polimeru pomniejszonej o masę
grup końcowych przez masę cząsteczkową jednego Meru
9.Wybrane polimery
-polietylen (PE) – rury, węże, butelki, kubki, izolacje elektryczne
-polichlorek winylu (PVC)- ramy okienne, wykładziny podłogowe, wyroby skóropodobne,
rury, węże
-polipropylen (PP)- wykładziny zbiorników i cystern, sznury, dywany, sprzęt domowy,
artykuły medyczne
-polistyren (PS) – pojemniki, artykuły elektroizolacyjne, artykuły elektryczne, części maszyn,
pianki
-policzteroflioro etylen (PTFE) – polimer wysokotemperaturowy o bardzo małym
współczynniku tarcia i małej przyczepności; łożyska, uszczelki, wykładziny garnków i patelni
-poliamid (PA) – części maszyn, liny, sznury, odzież
-poli(met akrylan metylu) PMMA – przemysł optyczny (szkła, soczewki)
10. Klasyfikacja Polimerów
Elastomery:
-polimery cechujące się skłonnością do dużych odkształceń sprężystyc
-przy małych odkształceniach wykazują wydłużenie >=100%
-po poddaniu dużemu odkształceniu w temp. pokojowej i po odciążeniu powracają do
pierwotnej postaci lub bardzo do niej zbliżonej
-mogą być modyfikowane w procesie wulkanizacji do stanu nierozpuszczalnego we wrzących
rozpuszczalnikach organicznych
-przykłady: kauczuk naturalny, wszystkie rodzaje kauczuku syntetycznego, poliizobutylen
-zastosowanie: opony, uszczelnienia, węże, spody obuwia, pasy, amortyzatory
Plastomery
-polimery charakteryzujące się wydłużeniem przy rozerwaniu (<=200%)
-nie odkształcają się elastycznie
-przy odpowiednio dużym naprężeniu ulegają mechanicznemu zniszczeniu
-rozróżnia się termoplasty i duroplasty
Termoplasty
-polimery termoplastyczne
-po podgrzaniu przechodzą w stan plastyczny, a twardnieją po ochłodzeniu
-zachowują zdolność do następnego uplastycznienia po ponownym podgrzaniu
-przykłady: polietylen, polipropylen, kopolimery etylen-propylen i etylen-winyl, polichlorek
winylu, polistyren, ABS, poliamidy, polimetakrylan metylu PMMA, poliwęglany, poliestry
termoplastyczne
Duroplasty
-złożone z mamo cząstek usieciowionych
-mają strukturę termicznie nieodwracalną, amorficzną o wysokim stopniu usieciowienia
-zwykle są nierozpuszczalne, lecz ulegają pęcznieniu
-dzielą się na termoutwardzalne i chemoutwardzalne
Polimery termoutwardzalne
-utwardzają się w podwyższonej temp. stając się nietopliwymi i nierozpuszczalnymi
-nie wykazują zdolności do uplastycznienia
-przykłady: fenoplasty i aminoplasty
Polimery chemoutwardzalne:
-ulegają utwardzeniu pod działaniem utwardzaczy w temp. pokojowej lub wyższej, co zwykle
przyspiesza proces
-przykłady: żywice poliestrowe i epoksydowe.
DREWNO
1. Drewno:
-surowiec otrzymywany ze ściętych drzew formowany przez obróbkę w różnego rodzaju
sortymenty
-techniczne właściwości drzewa zależą od jego budowy chemicznej, anatomicznej i
submikroskopowej
-dzięki porowatej budowie oraz systemowi przestrzenia kapilarnych drewno ma dużą
wytrzymałość przy małej gęstości (względna wytrzymałość drewna dorównuje wytrzymałości
stali)
-wykazuje małe przewodnictwo ciepła i dźwięku
-zaletą drewna jest łatwość obróbki
-do wad zalicza się dużą higroskopijność, pęcznienie, kurczenie się i pękanie oraz jego małą
trwałość
-wady te można wyeliminować lub ograniczać, produkując drzewne tworzywa
-cechy fizyczne i wytrzymałościowe drewna są różne w zależności od układu elementów
budowy anatomicznej (wzdłuż włókien, promieniowo, stycznie)
2. Struktura drewna
-drewno jest materiałem kompozytowym wzmacnianym włóknami złożonymi z długich
jednoosiowo zorientowanych rurowych komórek polimerowych w osnowie polimerowej
-pory tych komórek wypełnione są powietrzem i wodą w udziale zmieniającym się w
zależności od warunków otoczenia a głównie wilgotności
-układ ten zapewnia bardzo dobre własności wytrzymałościowe w kierunku wzdłużnym
3.Makrostruktura pnia drewna
Drewno jest złożone z licznych warstw:
-kora- zewnętrzna warstwa
-łyko
-miazga – tkanka rozmnażająca się
-biel- drewno wiosenne
- twardziel – drewno jesienne
-rdzeń
Biel i twardziel są najbardziej wartościowymi składnikami. Zamieniają żywicę, garbniki i
olejki eteryczne.
4. Przyrost masy drzewnej
-przyrost masy drzewnej następuje w cyklach rocznych, przejawiających się koncentrycznymi
okręgami przyrostu
-drewno wczesne (wiosenne) charakteryzuje się dużymi, jasnymi komórkami wzdłużnymi
-drewno późne (jesienne) ma komórki wzdłużne mniejsze i ciemniejsze
-struktura taka umożliwia identyfikacje rocznego przyrostu lub wieku drzewa
5.Struktura komórek drewna
-drewno jest złożone z podłużnych komórek stanowiących ok. 95% materiału drewna
-ścianki komórek są złożone mikrofibryli (mikrowłókien)
-wyróżnia się trze ścianki komórek: zewnętrzna, środkowa i wewnętrzna
-celuloza jest głównym składnikiem drewna, który tworzy łańcuchy polimerowe w formie
długich włókien
-mikrofibryle
6. Budowa drewna
-drewno jest kongromenatem kilku wielocząsteczkowych związków organicznych: celulozy,
hemicelulozy i innych substancji, jak żywice, woski, tłuszcze, barwniki, garbniki, alkaloidy,
związki mineralne
-drewno jest zbudowane w 40-60% z celulozy powiązanej chemicznie i mechanicznie z
ligniną hemicelulozami, które stanowią ok. 15% masy suchego drewna
-udział ligniny zależnie od gatunku wynosi 25-30%
Główne składniki drewna:
7. Drewno mi
ękkie i twarde
-drewno iglaste i liściaste miękkie charakteryzują się komórkami wydłużonymi
-w drewnie liściastym twardym wydłużone komórki są stosunkowo krótsze
-gęstość drewna jest zależna od stopnia jego wilgotności oraz porowatości
-gęstość drewna podaje się dla drewna
*świeżo ściętego
*powietrzno- suchego (15%wilgotności)
*całkowicie suchego (0% wilgotności)
-ze względu na pochodzenie drewno dzieli się na iglaste i liściaste, które może być miękkie
lub twarde
8.Gatunki drewna
a)drewno iglaste
-sosna
-jodła
-świerk
-modrzew
-cedr
-cis
b)drewno liściaste miękkie
-lipa
-wierzba
-topola
-osiłka
-brzoza
-olcha
c)drewno liściaste twarde
-dąb, grab
-buk, orzech
-grusza, mahoń
-wiąz, jesion
-klon, jawor
-akacja, heban
Ogólna klasyfikacja wybranych gatunków drewna
9. Wła
ściwości drewna
-fizyczne i mechaniczne właściwości decydują o możliwości zastosowania drewna w
konstrukcjach budowlanych o przemyśle, są to: gęstość, całkowity skurcz, wytrzymałość na
ś
ciskanie, ścinanie, rozciąganie, zginanie stat.
-trwałość zależy od gatunku drewna i warunków zewnętrznych
-drewno budynków mieszkalnych ulega zniszczeniu w ciągu kilkudziesięciu lat, w warunkach
suchych i stałej wilgotności lub stale zanurzone w wodzie nie niszczeje w ciągu setek lat.
-trwałość drewna zwiększa się przez nasycenie go substancjami przeciwgnilnymi,
zabezpieczającymi od wilgoci lub ognioodpornymi.
Wybrane wła
ściwości niektórych gatunków drewna powietrzno suchego (o wilgotności
15%)
Materiały w
ęglowe i ceramiczne
1.Diament
-struktura sieciowa
-komórka elementarna sieci regularnej
-kryształy diamentów mają najczęściej kształt ośmiościanów, sześcianów, dwunastościanów
lub czworościanów
-krawędzie kryształów są zwykle zaokrąglone, a ściany wypukłe
-diamenty bezbarwne są rzadkie, częściej spotyka się odmiany zabarwione (zwykle żółtawe
lub brunatne)
-wśród zbitych drobnokrystalicznych skupień diamentów wyróżnia się odmiany bort i
karbonado
-największy ze znanych dotąd diamentów (tzw. Cullinan) o masie 3106 karatów (621g)
wydobyto w 1905 roku w kopalni Premier Mine w Pretorii (RPA)
-z kopalni południowo afrykańskiej pochodziły również inne wielkie diamenty np. Excelsior
(995,2 kr) i Janker (726kr) a z Brazylii – diament Prezydent Vargas (726,6kr)
- w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym diament jest metastabilną
odmianą alotropową węgla
-struktura krystaliczna diamentu – struktura regularna, którą charakteryzują się też inne
pierwiastki np. Ge, Si i Zn
-właściwości fizyczne:
*prawie najwyższa możliwa twardość
*bardzo mała przewodność elektryczna
*bardzo wysoka przewodność cieplna
*przezroczystość w zakresie światła widzialnego i podczerwieni
*wysoki współczynnik załamania światła
2. Grafen
-jedna z alotropowych form węgla, odkryta w 2004 roku przez brytyjsko – rosyjską grupę
fizyków
-zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących połączone pierścienie
sześcioczłonowe i może być uważany za ostatni element szeregu wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych
-ponieważ grubość materiału wynosi jeden atom, tę formę określa się jako dwuwymiarową
strukturę atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną
-długość wiązań węgiel-węgiel wynosi ok. 1,42 A=1,42*10^-10 m
-atomy węgla tworzą w grafenie płaską, praktycznie dwuwymiarową siatkę o sześciokątnych
oczkach, której struktura przypomina plaster miodu
-właściwości
*bardzo dobry przewodnik ciepła
*posiada niewielką rezystancję
*bardzo wysoka ruchliwość elementów w temp. pokojowej
*prędkość przepływu elektronów: 1/3000 prędkości światła
*niemal całkowita przeźroczystość
*nie przepuszcza atomów helu
*ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go rozciągnąć o
20%
-zastosowanie:
*grafen ma szanse zastąpić krzem
*eksperymentalnie wykorzystywany jako mnożnik
*nadaje się do wytwarzania przejrzystych częstotliwości zwijanych w rolkę wyświetlaczy
dotykowych, źródeł światła i baterii słonecznych
*czujniki z grafenu (potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej
substancji)
*jako dodatek do tworzyw sztucznych, może je przekształcić w przewodnik elektryczności,
podnosi też odporność na ciepło oraz wytrzymałość mechaniczną
*elementy budowy samochodów, samolotów lub pojazdów kosmicznych
-otrzymywanie:
*grafenu w stanie wolnym nie można otrzymać ze względu na jego nietrwałość i skłonność
do tworzenia struktur trójwymiarowych
*otrzymywany metodami miktomechanicznymi
*najłatwiej otrzymywany przez przyklejenie taśmy klejącej do cząsteczek grafitu, po
odklejeniu na jej powierzchni pozostaje warstwa grafenu
-każdy z atomów węgla w grafenie jest silnie połączony wiązaniami kowalencyjnymi z
trzema sąsiednimi ułożonymi w tej samej płaszczyźnie
-czwarty elektron uczestniczy w wiązaniach Van der Waalsa pomiędzy warstwami atomów
3. Klasyfikacja materiałów ceramicznych
Ceramika- grupa materiałów nieograniczonych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach
międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych
Produkty i materiały ceramiczne:
-materiały ogniotrwałe
-materiały węglowe, grafit
-materiały budowlane
-posadzki
-materiały ścienne
-narzędzia skrawające
-elementy konstrukcyjne
-szkło
-porcelana stołowa
-ceramika elektrotechniczna
Zastosowanie głównych grup materiałów ceramicznych
Wady budowy krystalicznej materiałów ceramicznych:
Wady budowy krystalicznej właściwe dla metali mogą występować także w materiałach
ceramicznych. Ponieważ materiały ceramiczne zawierają jony dwóch typów, więc wakanse
jak i jony międzywęzłowe mogą występować zarówno w postaci kationowej jak i anionowej.
Wakans kationowy wywołujący kation międzywęzłowy wiąże się z defektem Frenkla,
natomiast wakans kationowy wywołujący wakans anionowy nazywany jest defektem
Schottky’ego. Wkryształach jonowych mogą także występować wakanse kationowe
spowodowane niestechiometrycznością, np. w krysztale FeO obecność 2 kationów Fe3+
eliminuje jeden kation Fe2+. Ponadto w sieci krystalicznej mogą występować
zanieczyszczenia zarówno różnowęzłowe jak i międzywęzłowe.
Moduł spr
ężystości:
-tworzywa ceramiczne, podobnie jak metale (ale inaczej niż polimery) mają ściśle określony
moduł Younga E
-moduł E zależy od czasu i charakteru obciążenia (np. cykliczne)
-gęstość materiałów ceramicznych jest zwykle nie duża, gdyż składają się one z lekkich
atomów (O, C, Si, Al.) a ich struktura nie jest gęsto upakowana.
-stąd moduł właściwy E/
ρ
ma dużą wartość
Zastosowanie modułów wła
ściwych tworzyw ceramicznych i metali
Wytrzymało
ść, twardość i trwałość sieci krystalicznej
-tworzywa ceramiczne są najtwardszymi z ciał stałych
-są to korund (Al2O3), węglik krzemu (SiC) i diament (C)
-stosowane są do cięcia, szlifowania o polerowania prawie wszystkich innych materiałów
4. Ceramika kowalencyjna i jonowa
5.Wytrzymało
ść ceramik na pękanie
-cechą charakterystyczną ceramik jest ich kruchość – mała odporność na kruche pękanie
oznaczana jako K|c
-wartość K|c dla ceramik jest w przybliżeniu 50krotnie mniejsza od K|c metali
-przyczyną pęknięć ceramiki są defekty (pęknięcia) struktury
6. Model mikrostruktury ceramiki:
7. Ceramika kowalencyjna:
Wiązanie kowalencyjne – zlokalizowane
Przemieszczenie dyslokacji w ceramice kowalencyjnej – trudne; wiązania chemiczne muszą
być zerwane, a następnie ponownie utworzone
8. Ceramika jonowa:
Wiązanie jonowe – zlokalizowane
Przemieszczenie dyslokacji w ceramice jonowej – w pewnych płaszczyznach trudne, w
innych łatwe
9. Rozprzestrzenianie się pęknięć – rozciąganie
10. Rozprzestrzenianie się pęknięć – ściskanie
MATERIAŁY KOMPOZYTOWE
1. Polimerowe materiały warstwowe
-stosuje się je w celu lepszego dostosowania własności do wymagań praktycznych
-są one złożone z oddzielnych warstw różnych materiałów, np. folie, płyty, rury, węże,
konstrukcje użebrowane
-mogą być złożone z różnobarwnych składników prasowanych lub formowanych wtryskowo
oraz wyprodukowanych przez zaprasowanie i wyprasowywanie
-materiały te mogą być złożone z różnych materiałów polimerowych, a także z materiałów
polimerowych z innymi materiałami np. metalami, drewnem
-dzięki strukturze warstwowej zapewniają korzystne właściwości mechaniczne, estetyczne i
eksploatacyjne
2.Materiały kompozytowe
Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy
wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się
rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów
kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w
sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie. Zwykle
składniki te mogą być identyfikowane fizycznie i wykazują powierzchnie rozdziału między
sobą.
3.Cel wytwarzania MK
- Materiały kompozytowe są zwykle sztucznie wytwarzane dla uzyskania własności, które nie
mogą być uzyskane oddzielnie przez żaden z występujących składników.
-Materiały kompozytowe są stosowane nie tylko w celu zapewnienia odpowiednich własności
mechanicznych, lecz również elektrycznych, cieplnych, trybologicznych, związanych z pracą
w różnych środowiskach i innych.
-Materiały kompozytowe najczęściej zawierają włókna lub cząsteczki faz i są sztywniejsze i
bardziej wytrzymałe niż ciągła faza osnowy.
4. Klasyfikacja MK
Dwa poziomy klasyfikacji:
-ze względu na materiał osnowy
-ze względu na rodzaj składników wzmacniających
Typy i charakterystyka ogólna materiałów osnowy i elementów wzmacniaj
ących
Przykłady elementów wzmacniaj
ących MK
a) cząstkami dyspersyjnymi,
b) płatkami,
c) włóknami nieciągłymi,
d) włóknami ciągłymi w postaci tkaniny,
e) szkieletowo,
f) warstwowo w laminatach
MK wzmacniane cz
ąstkami faz – utwardzane dyspersyjnie
-MK o osnowie metalowej zawierają cząstki dyspersyjne o średnicy 10-250nm
-są to zwykle tlenki metali w metalach,
-mechanizm wzmocnienia i wzmocnienie osnowy poprzez blokowanie ruchu dyslokacji
PRZYKŁADY DOBORU MATERIAŁU
1.Dobór materiału na belkę o określonej sztywności i minimalnej masie
*najczęstsze wymagania- belka, na którą działa siła F nie powinna zginać się więcej niż o
wartość
δ
*w przypadku środków transportu, np. samochodu, samolotu, czy pociągu – masa belki
powinna być jak najmniejsza
2. Analiza belki o przekroju kwadratowym jednostronnie zamocowanej
Masa belki o sztywności F/
δ
będzie minimalna dla materiału o najmniejszej wartości
stosunku
E
2
δ
3. Dane liczbowe dla belki o okre
ślone sztywności
GFRP - polimery wzmacniane włóknem szklanym
CFRP - polimery wzmacniane włóknem węglowym
Wnioski:
-drewno i beton są najtańszymi materiałami na belkę o określonej sztywności
-stal jest droższa, ale w kształcie dwuteownika (poprzez walcowanie) stosunek sztywności do
ciężaru jest znacznie lepszy niż dla belki o przekroju kwadratowym
-to samo dotyczy aluminium
-aluminium jest 3 razy droższe od stali
-belka z CFRP- najlepsza o 200 razy droższa od drewna: to wyklucza ten materiał ze
wszystkich konstrukcji w wyjątkiem specjalistycznych elementów samolotów, sprzętu
sportowego, elementów samochodów F1.
4. Profile walcowe:
-dwuteownik równoległościenny
-teownik
-ceownik normalny
-kątownik równoramienny
Beton i asfalt jako materiały kompozytowe
1.Beton
-najpowszechniej stosowany w świecie materiał kompozytowy w którym zarówno osnowa jak
i cząstki wzmacniające są materiałami ceramicznymi
-zarówno piasek jak i pozostałe kruszywa (np. żwir) są rozmieszczone w osnowie z cementu
portlandzkiego lub innych jego rodzajów
-cement tworzący osnowę warunkuje w reakcjach składników mineralnych z wodą, w wyniku
czego cząstki kruszywa są utrzymywane w ustalonym miejscu
-wykazuje dużą wytrzymałość na ściskanie – 20-30 MPa
-materiał powstały ze zmniejszenia cementu, kruszywa grubego i drobnego, wody oraz
ewentualnych domieszek i dodatków
-uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratyzacji cementu
-jeden z najbardziej powszechnie stosowanych materiałów budowlanych we współczesnym
budownictwie
-w celu właściwego pokrycia cząstek kruszywa cementem, (co zapewnia wzajemnie
połączenie między nimi) konieczny jest wystarczający udział objętościowy cementu w suchej
masie betonowej lub zaprawie murarskiej (>= 15%)
-czas wiązania betonu 28 dni, natomiast nawet do roku mogą trwać niektóre dodatkowe
procesy związane z tymi reakcjami
-wykazuje małą wytrzymałość na rozciąganie ze względu na pęknięcia i pory
Schematyczna struktura betonu składaj
ącego się z kruszywa ( żwiru i piasku) w osnowie
hydratyzowanego cementu:
Zale
żność wytrzymałości na ściskanie betonu od czasu reakcji hydratacji
2.
Żelbeton:
-beton zbrojony prętami lub siatką stalową
-wykazuje większą wytrzymałość na rozciąganie niż beton
-można spotkać konstrukcje ze „sztywnym zbrojeniem”, tzn. takie w których elementy
stalowe o dużych przekrojach (np. dwuteowniki, ceowniki) są wykorzystywane jako rdzeń
np.. w słupie kompozytowym.
-właściwa współpraca betonu i stali w konstrukcji możliwa jest dzięki przyczepności betonu
do stali oraz zbliżonej rozszerzalności termicznej obu materiałów,
-żelbeton jest niewłaściwą nazwą, prawidłowe nazwy: żelbet, stalobeton, żelazobeton,
-zalety żelbetu (jako materiału konstrukcyjnego):
*ogniotrwałość
*odporność na znaczne obciążenia styczne i dynamiczne
*swoboda w kształtowaniu elementów
*duża odporność na korozję (przy zachowaniu właściwej otuliny wkładek stalowych i
poprawnym zagęszczeniu układanej mieszanki betonowej)
-zastosowanie:
*fundamenty
*ściany
*płyty
*powłoki
*ściany oporowe
-zasada działania: w pracy zginanej belki żelbetonowej pod stopniowo zwiększonym
obciążeniem można wyróżnić 3 fazy:
* I – kiedy naprężenia w betonie nie przekraczają wytrzymałości na rozciąganie, przekrój
pracuje jak przekrój betonowy bez zbrojenia
* II – zaczyna się po przekroczeniu wytrzymałości betonu na rozciąganie, pojawiają się rysy
w strefie rozciąganej, co pozwala pracować prętom stalowym
* III – faza niszczenia elementu, kiedy obciążenie przekracza wytrzymałość
3. Beton spr
ężony:
-beton zbrojony, w którym zbrojenie główne (struny, kable, liny) zostało wstępnie
naciągnięte, aby uzyskać w betonie naprężenie, które powoduje zwiększenie jego
wytrzymałości podczas przenoszenia obciążeń użytkowych
-pręty stalowe są poddane naprężeniom rozciągającym w czasie zalewania i wiązania betonu,
następnie usuwanym
-proces usuwania obciążenia zbrojenia wywołuje w betonie naprężenia ściskające,
umożliwiające przenoszenie przez beton większych naprężeń rozciągających równych sumie
dopuszczalnego naprężenia rozciągającego oraz wstępnie wywołanego naprężenia
ś
ciskającego
- naprężenia ściskające w betonie można również wywołać przez napięcie rozciąganych
prętów stalowych umieszczonych w rurach zalanych w betonie
-zbrojenie wykonane jest ze stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (stale
wysokogatunkowe)
-ze względu na sposób wprowadzenia naprężeń sprężających rozróżnia się:
*strunobeton
*kablobeton
4. Asfalt
-materiał kompozytowy złożony z kruszywa (najczęściej piasek i drobny żwir) oraz osnowy,
którą jest bitum (polimer termoplastyczny, uzyskiwany najczęściej z ropy naftowej)
-stosowany na nawierzchnie dróg i ulic
-do modyfikowania osnowy asfaltu używane są benzyna lub nafta, ułatwiające mieszanie w
stanie płynnym i skracające czas tężenia asfaltu
-w typowym asfalcie występuje objętościowo 5-10% bitumu, a ok. 2-5% stanowią pory
decydujące o uszkodzeniach i pękaniu asfaltu oraz o przełomach związanych z wnikaniem
wody w te pory i następnym jej zamarzaniem w warunkach zimowych
-potocznie asfaltem nazywa się asfaltobeton, czyli mieszankę mineralno-asfaltową używaną
do budowy nawierzchni dróg, w której asfalt używany jest jako lepiszcze wiążące kruszywa
-w okresie międzywojennym nosił nazwę „smołowiec”
-nie należy mylić że smołą, która jest produktem odgazowania węgla lub drewna, a nie
frakcją ropy naftowej
-bitum- mieszanka substancji organicznych stałych lub ciekłych o dużej lepkości, zwykle
czarna lub brunatno czarna, zawierająca bituminy naturalne lub sztuczne, bitumy są
stosowane w drogownictwie, budownictwie, górnictwie itp. jako środki spajające, izolacyjne,
uszczelniające itp.
5.Glasasfalt
-kruszywem jest kruszone szkło, nierzadko właśnie w ten sposób utylizowane po zakończeniu
eksploatacji (szyby, butelki itp.)
6. Asfalt sztuczny
-asfalt ponaftowy
-produkt otrzymywany z ropy naftowej bezparafinowej (asfaltowej) lub mieszanej, jako
powstałość podestylacyjna jako produkt uboczny rafinacji (odasfaltowania) olejów ciężkich
-w zależności od przeróbek technologicznych, którym asfalt zostaje poddany, otrzymywany
produkt dzieli się na podstawowe grupy
*asfalt drogowy- stosowany do wykonywania nawierzchni drogowych asfaltowanych
(dywaniki asfaltowe) i asfalto-betonowych, remontu nawierzchni, spryskiwania świeżo
wykonanych nawierzchni itp.
*asfalt izolacyjny- stosowany do wytwarzania mas potrzebnych przy produkcji papy, emulsji,
lepików, kitów, mas do wykonywania powłokowych izolacji wodochronnych
7.Asfalt naturalny
-osadowa skała pochodzenia organicznego
-składa się głównie z mieszaniny wielocząsteczkowych węglowodorów
-skała czarna lub brunatna
-zestalona szklista masa
-kruchy
-mięknie w temp. 20-50
°
C
-temp. topnienia 50-60
°
C
-powstaje wskutek przeobrażenia ropy naftowej (bezparafinowej) w wyniku utraty przez nią
składników lotnych oraz częściowego utlenienia składników pozostałych
-występuje w przyrodzie na ogół w pobliżu złóż ropy naftowej w postaci:
*złoża bitumicznego- o zawartości 55-98 % czystego asfaltu
*skał bitumicznych- najczęściej są to wapienie, dolomity, czasem piaskowce, skały o
porowatej strukturze nasycone asfaltem, zawartość czystego asfaltu – 10-15%
-zbyt twardy, aby mógł być stosowany jako samodzielne lepiszcze
-stosowany jako dodatek do asfaltów ponaftowych (sztucznych) w ilości 5-15% w celu
ponowienia ich właściwości
-największe złoża występują w Wenezueli, Albanii i na Trynidadzie
Włókna wzmacniaj
ące materiały kompozytowe
1.Włókna szklane:
-z and. glass chords, fibreglass
-włókna chemiczne, otrzymywane ze szkła wodnego I czasami też ze stopionego szkła
-uzyskiwane przez wyciskanie ciekłego szkła przez oczko o średnicy 0,793 – 3,175 mm
następnie szybkie ciągnienie, końcowa średnica: 3-20
µ
m
-metody wytwarzania:
Wśród włókien szklanych można wyróżnić włókna o wysokiej odporności na korozję ECR, o
wysokiej wytrzymałości S, R i Te, o niskiej stałej dielektrycznej D oraz włókna o bardzo
wysokiej wytrzymałości z czystej krzemionki lub kwarcu, które mogą być stosowane w
wysokiej temperaturze. Ponadto stosowane są włókna klasy A i C, włókna otworowe i
dwuskładnikowe. W tablicy 8.78 przedstawiono główne własności różnych włókien
szklanych.
Włókna szklane uzyskuje się ze szkła stopionego w piecu. Włókna szklane mogą być
stosowane pojedynczo lub jako rowing do wytwarzania tkanin i mat stosowanych do
wzmacniania materiałów kompozytowych. Włókna szklane mogą być także wykorzystywane
w materiałach kompozytowych w postaci skrętki, a w niektórych materiałach także po
operacji teksturowania, czyli pokrywania skrętki rozpyloną substancją, która ułatwia
połączenie z osnową polimerową w materiale kompozytowym. Włókna szklane podlegają
cięciu na odpowiednią długość bezpośrednio w trakcie ich wykonywania (rys. 8.161) lub
proces ten następuje po rozwinięciu włókna szklanego uprzednio nawiniętego na szpuli.
-główne właściwości włókien szklanych
2. Włókna w
ęglowe
-włókna karbonizowane
-z ang. carbon firce
-wytwarzane z różnych materiałów, w tym z polimerów naturalnych i sztucznych, smoły,
ż
ywic fenolowych i fenolowo – formaldehydowych
-włókna węglowe z polichlorku winylu
*moduł sprężystości wzdłużnej ok. 50GPa
*wytrzymałość na rozciąganie 1800MPa
-włókna z poliakrylonitrylu
*moduł sprawności wzdł. 700GPa
*wytrzymałość na rozc. 1800MPa
-składają się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie
do grafitu
-nietopliwe i odporne chemicznie
-stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach
-włókna węglowe dzieli się na dwa rodzaje:
*właściwe włókna węglowe 80-90% węgla, grafitowa struktura jest słabo rozwinięta i mało
zorientowana
*włókna grafitowe 99% węgla z dobrze wykształconą i ??? grafitową strukturą krystaliczną
-zastosowanie:
*zarojenie laminatów opartych na żywicach epoksydowych wysokiej jakości
*stosowanie tam gdzie wymagana jest duża wytrzymałość w połączeniu z małym ciężarem
*przemysł energetyczny: produkcja łopat elektrowni wiatrowych
*przemysł lotniczy: śmigła i komponenty wzmacniające strukturę kadłuba i skrzydeł
*produkcja jachtów: stery, miecze, maszty kadłuby, wzmacniacze żagli
*sporty ekstremalne: bolidy F1
-metody wytwarzania włókien węglowych:
Thomas Edison w roku 1880 opracował technologię nawęglania włókna bawełnianego lub
bambusowego, a wytworzone w ten sposób włókna węglowe stosował w żarówce. Praktyczne
znaczenie komercyjne włókna węglowe zyskały jednak pod koniec lat 50-tych XX wieku. W
wyniku pirolizy następuje zwęglenie tzw. prekursorów, którymi jak stwierdzono głównie w
latach 60-tych i 70-tych XX wieku może być poliakrylonitryl PAN, smoła (rys. 8.163 i
8.164), ale także sztuczny jedwab, fenol, lignina, imidy, amidy, polimery winylu i różne
naturalne pochodne celulozy. Do typowych zastosowań włókien węglowych należą materiały
kompozytowe stosowane w lotnictwie, na produkty sportowe, m.in. kije do gry w golfa, ramy
rowerów oraz liczne artykuły powszechnego użytku, w tym w technice komputerowej.
Schemat wytwarzania niedoprz
ędu (rowingu) z włókien szklanych
Schemat procesu technologicznego otrzymywania włókien w
ęglowych z
poliakrylonitrylu PAN oraz smoły
3. Zastosowanie MK zbrojonych oplotami wytworzonymi z włókien wzmacniaj
ących
-czasza radarów
-obudowy silników rakietowych i odrzutowych
-kopułki anten radiolokacyjnych
-deski surfingowe
-tyczki do skoków
-rakiety do tenisa
-kajaki wyczynowe
-szybowce
-ramy lotni
-łopatki wirników
-modele samolotów
-narty, snowboard
-kije narciarskie, golfowe
-elementy konstrukcji karoserii
-sztuczne kończyny, ścięgna, kości, zęby
-płaskowniki
-lekkie łodzie podwodne
-elementy samochodowe
4. PREIMPREGNATY I ICH WYTWARZANIE
Długie i ciągłe włókna stosowane w materiałach kompozytowych o osnowie polimerowej
mogą być użyte do wytwarzania preimpregnatów, wstępnie impregnowanych niecałkowicie
spolimeryzowanymi żywicami polimerowymi, w postaci:
-mat zawierających nietkane i przypadkowo zorientowane włókna luźno połączone,
-tkanin dwu- lub trójwymiarowych,
-oplotów dwu- lub trójwymiarowych,
-dzianin dwu- lub trójwymiarowych.
5. Glare
-kompozyt składający się z kilku cienkich warstw metalu (zazwyczaj aluminium)
-rozwiązanie hybrydowe złożone z 2-6 warstw aluminium (o grubości 0,2-0,5 mm) i warstw
włókien o grubości (0,125-0,5) które usytuowane są na przemian
-wytwarzany jest technologią preimpregnatu, zorientowanie włókien zależy od zastosowania
wyrobu
-Glare charakteryzuje się doskonałymi właściwościami zarówno metalu jak i kompozytu
polimerowego
-coraz częściej używane są do wytwarzania konstrukcji lotniczych (głównie elementów
poszycia) gdyż są one nawet ok. 10% lżejsze od aluminium (dla próbki o tej samej grubości)
-główne zalety w porównaniu ze zwykłym aluminium:
*większa odporność na uderzenia
*lepsza odporność na przenikanie
*lepsza odporność korozyjna
*większa odporność
*mniejsza asa
Schemat budowy kompozytu / laminatu Glare
