Technologie wytwarzania laminatów z tworzyw sztucznych

1. Podstawowe pojęcia (tworzywa chemoutwardzalne, kompozyty, laminaty, żelkot)

tworzywa chemoutwardzalne -  tworzywa sztuczne (substancje z polimerów syntetycznych), należące do duroplastów, które pod wpływem czynników chemicznych tracą plastyczność i ulegają utwardzeniu (reakcja sieciowania), np. żywice epoksydowe, żywice poliestrowe

plastomery - tworzywa sztuczne, które pod niewielkim obciążeniem ulegają odwracalnym odkształceniom, pod wyższym — mechanicznemu zniszczeniu

elastomery - wykazują bardzo dużą odkształcalność, nie tracąc przy tym właściwości sprężystych

termoplasty - tworzywo sztuczne, które w określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć własności lepkiego płynu

duroplasty - przechodzące nieodwracalnie ze stanu plastycznego w stan utwardzony w wyniku działania podwyższonej temperatury (tworzywa termoutwardzalne), pod wpływem czynników chemicznych (tworzywa chemoutwardzalne), bądź w wyniku łącznego działania temperatury i czynników chemicznych

wulkanizacja – chemiczny proces sieciowania cząsteczek polimeru prowadzący do otrzymania gumy

kompozyty -  materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

laminaty -  rodzaj kompozytów: tworzywa powstające z połączenia dwóch materiałów o różnych właściwościach mechanicznych, fizycznych i technologicznych, w których składnik wzmacniający (tzw. zbrojenie) jest układany w postaci warstw, między którymi znajduje się wypełnienie, pełniące rolę lepiszcza. Warstwy wzmocnienia mogą być w postaci włókien ciągłych ułożonych jednokierunkowo (tzw. rovingu), tkanin lub mat z włókna ciętego. Laminat, ze względu na swoją strukturę, ma dobrą wytrzymałość w kierunku włókien, ale bardzo słabą wytrzymałość w kierunku prostopadłym do warstw.

W zależności od wykorzystanych żywic występują laminaty: fenolowe, melaminowe, melaminowo-mocznikowe.

Cechy charakterystyczne: wysoka wytrzymałość, mechaniczna, wysoka odporność na warunki atmosferyczne, wysoka twardość powierzchni, odporność na zabrudzenia, odporność na środki chemiczne, produkt naturalnego pochodzenia.

Zbudowane są z polimerów (żywic) chemoutwardzalnych i napełniaczy włóknistych połączonych siłami adhezji.

żelkot - przeznaczone są do stosowania jako zewnętrzna powłoka wyrobów z żywic poliestrowych. Żelkoty zabezpieczają powierzchnię produktu, tworząc trwałą powłokę, odporną na działanie czynników mechanicznych, atmosferycznych, agresywnych środków chemicznych, czynników starzeniowych. Chronią także produkt przed penetracją wody i innych mediów. Żelkoty transparentne pogłębiają wzór, strukturę powierzchni produktu  natomiast żelkoty białe lub kolorowe maskują wzór laminatu (maty szklanej, odlewu), nadając barwę i estetyczny wygląd.

1. Surowce do wytwarzania laminatów: żywice chemoutwardzalne, włókna,

• żelkot: stabilizowany roztwór żywicy poliestrowej w styrenie (30%) + środki tiksotropowe + barwniki

• włókna szklane (maty, tkaniny, matotkaniny, rowing ciągły, rowing cięty, taśmy rowingowe)

• żywice zawierające metakrylany (obniża prężność par - mniejsze parowanie składników)

• żywice powłokowe zawierające parafinę (redukuje emisję styrenu, eliminuje kleistość powierzchni utwardzonej)

• żywice epoksydowe (w cząsteczce więcej niż jedna grupa eposkydowa zdolna do polireakcji - utwardzania) - usieciowane, nierozpuszczalne i nietopliwe tworzywa

• żywica poliestrowa

• inicjatory polimeryzacji (katalizator procesu reakcji sieciowania), przyśpieszacze (reguluje czas twardnienia/żelowania, żrące), inhibitory (zatrzymuje, spowalnia reakcję), wypełniacze (kreda, wodorotlenek glinu)

• spoiwa: żywice poliestrowe, epoksydowe i akrylowe, fenolowe

• włókna: włókna szklane, węglowe, aramidowe, poliestrowe, rzadziej: borowe, krzemowe, fluorowe

1. Materiały stosowane na formy, rodzaje form i rodzaje środków rozdzielających

Materiały stosowane na formy:

tworzywa sztuczne (również laminaty), drewno, gips, cement, metal, ceramika

Rodzaje form:

• wewnętrzne (wklęsłe gniazdo formujące) - forma negatywowa,

• zewnętrzne (wypukłe gniazdo formujące) - forma pozytywowa.

              O wyborze rodzaju formy decyduje żądana gładkość zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni wyrobu, ponieważ powstający laminat posiada tylko jedną powierzchnię gładką (od strony formy). Jakość tej powierzchni jest odzwierciedleniem jakości powierzchni formy. Przeciwległa powierzchnia (swobodna) charakteryzuje się dużą chropowatością, ale w czasie eksploatacji wyrobu jest najczęściej niewidoczna.

              Przykładem przedmiotów laminowanych w formach wewnętrznych są: kadłuby łodzi, kaski, nadwozia samochodowe, itp., natomiast - w formach zewnętrznych: brodziki, zbiorniki, zlewozmywaki, wanny, itp.

Rodzaje środków rozdzielających:
Formę do laminowania każdorazowo pokrywa się warstwą środka rozdzielającego. Zadaniem środka rozdzielającego jest zabezpieczenie wyrobu przed przyklejaniem się do formy (umożliwienie odformowania po zestaleniu).

Jako środki rozdzielające stosuje się woski, pasty woskowe, oleje, smary, tłuszcze, roztwór poli(alkoholu winylowego), lakiery silikonowe, a do płaskich powierzchni - folie polietylenowe, celofanowe, PVC.

1. Metody formowania wyrobów z laminatów (nawarstwienie, nawijanie, przeciąganie, natryskiwanie)

nawarstwienie

Metoda ta stosowana jest do wykonywania wyrobów o bardzo dużych wymiarach, których wytwarzanie innymi metodami byłoby często wręcz niemożliwe lub bardzo kosztowne. Przez nakładanie uzyskuje się kształtki warstwowe, czasem płyty. Przy ręcznym sposobie laminowania stosuje się wyłącznie żywice chemoutwardzalne.

              Nakładanie polega na ręcznym ułożeniu w formie, pokrytej środkiem rozdzielającym, pewnej ilości warstw nośnika nasyconego wstępnie lub nasycanego w czasie tego procesu płynną żywicą, a następnie zestaleniu jej w temperaturze otoczenia.

              Najczęściej jako pierwszą warstwę stosuje się cienka tkaninę szklaną, o splocie płóciennym i grubości 0,15-0,04 mm. Dla całkowitego przesycenia nośnika żywicą i usunięcia z niego powietrza nośnik do podłoża dociska się za pomocą rolki metalowej lub uderzeniami pędzla. Dociskanie zaczyna się od środka powierzchni nałożonego nośnika w kierunku jego obrzeża.  Na pierwsza warstwę nakłada się warstwy następne. Dla przesycenia kolejno nakładanych warstw nośnika wykorzystuje się wyciśnięty nadmiar żywicy oraz uzupełnia żywica w miejscach wyraźnie nie zwilżonych. Należy przy tym dążyć do użycia tylko takiej ilości żywicy, jaka jest niezbędnie konieczna do przesycenia nośnika. Zazwyczaj ilość użytej żywicy wynosi: przy tkaninie 1,25-1,5 ciężaru nośnika, przy macie 2,0-2,5 ciężaru nośnika.

              Sporządzając kształtkę, w której podczas obciążania naprężenia rozciągające występują w ostatniej warstwie, jako drugą warstwę stosuje się grubą matę szklaną, jako trzecią warstwę – cienką matę szklaną, a jako ostatnią – tkaninę szklaną o splocie atłasowym. Przy przeciwnym kierunku obciążeń należy odwrócić układ warstw w kształtce.

              Przy sporządzaniu kształtek poddanych działaniu znacznych obciążeń zamiast mat stosuje się tkaniny, zwracając przy tym uwagę, aby tkaniny o splocie atłasowym lub kierunkowym były nakładane w krzyżujących się kierunkach.

Ze względu na ciepło wydzielane podczas utwardzania, w miarę przyrostu ilości warstw, zmniejsza się stopniowo ilość środka utwardzającego. Po nałożeniu wszystkich warstw nośnika, formę odstawia się na okres 4-12 godz., celem całkowitego utwardzenia się żywicy. Dla przyspieszenia procesu utwardzania można formę naświetlać promiennikami podczerwieni.

Rozróżnia się dwie odmiany laminowania ręcznego:

- nawarstwianie metodą warstwy zżelowanej (powlekanie formy tzw. żelkotem);

              Na formę (pokrytą środkiem rozdzielającym) nanosi się pędzlem lub przez natryskiwanie mieszaninę płynnej żywicy z utwardzaczem i pigmentem, Stosowana na tę warstwę żywica ma dodatki zapobiegające spływaniu z pionowych ścianek (związki wywołujące tiksotropię) i jest żywicą elastyczną, odporną na uderzenia. W mieszaninie tej nie ma  nośnika. Grubość tak naniesionej i utwardzonej warstwy wynosi  0,3÷0,5 mm i ma na celu uzyskanie gładkiej, nieprzyjrzystej warstwy wierzchniej (licowej). Warstwa ta decyduje o wyglądzie zewnętrznym wyrobu i nosi powszechnie nazwę żelkotu.

              Wyroby z żelkotem są odporne na działanie czynników atmosferycznych i nieprzepuszczalne dla cieczy, par i gazów. Posiadają gładką, lśniącą powierzchnię (od strony formy) zabarwioną na dowolny kolor

- nawarstwianie metodą maty powierzchniowej:

              Na formę (pokrytą środkiem rozdzielającym) nanosi cienką warstwę żywicy z utwardzaczem i, nie czekając na jej utwardzenie, układa nośnik w postaci maty (lub tkaniny) i kontynuuje proces laminowania. Wyroby takie przepuszczają wodę, a na powierzchni licowej widoczne jest na ogół odwzorowanie faktury nośnika. Zaletą powierzchni bez żelkotu jest większa odporność na uderzenia.

nawijanie

Podczas nawijania następuje ułożenie (nawinięcie) potrzebnej liczby warstw nośnika, przesyconego żywicą z środkami utwardzającymi, na formę zewnętrzną, nazywaną rdzeniem, a następnie - utwardzenie nawiniętych warstw.

Nawijanie przeprowadza się na urządzeniach zwanych nawijarkami, które mają różne rozwiązania konstrukcyjne. W każdym jednak przypadku rdzeń wykonuje ruch obrotowy (stąd nazwa procesu).

Ze względu na ruch obrotowy rdzenia rozróżnia się nawijanie:

śrubowe,

planetarne.

Nawijanie śrubowe stosuje się przede wszystkim do nawijania rur oraz dużych zbiorników walcowych. Rdzeń walcowy wykonuje na ogół tylko ruch obrotowy wokół własnej osi, zaś głowica z której wyprowadza się taśmę z włókien przesyconą żywicą – ruch posuwisto-zwrotny.

Schemat procesu nawijania śrubowego rury z taśmy włókien:

α – kąt nawijania; β – kąt skrzyżowania,

1 – ruch obrotowy rdzenia; 2 – ruch posuwisto-zwrotny głowicy

Nawijanie śrubowe na obrotowo-przesywnym rdzeniu

1-głowica podająca przesycony nośnik; 2-uklad dociskający; 3-rdzeń; 4-wałki obracające rdzeń;
5-wózek przesuwający rdzeń

Właściwości tak nawijanego wyrobu zależą w sposób istotny od kąta nawijania α i od kąta skrzyżowania β, np. zmniejszenie kąta α powoduje wzrost wytrzymałości wzdłużnej, a zwiększenie - wytrzymałości obwodowej.

Nawijanie planetarne stosowane jest głównie do wykonywania zbiorników. Podczas tego procesu mamy do czynienia z dwoma ruchami obrotowymi.

Schemat procesu planetarnego nawijania zbiornika

Na przedstawionym schemacie (wersja a) rdzeń wykonuje jednocześnie ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej i osi odchylonej od poprzecznej o pewien kąt, a włókno układane jest na rdzeniu z nieruchomej głowicy. Szybkość nawijania wynosi V ≅ 3 m/s.

Możliwe jest również inne rozwiązanie konstrukcyjne nawijarki planetarnej (wersja b), gdzie rdzeń wykonuje tylko ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej, a włókno układane jest na rdzeniu na skutek ruchu obrotowego ramienia z głowicą.

Kąt α zawarty pomiędzy osią wzdłużną rdzenia a kierunkiem ruchu włókna, może być zmieniany od wartości α_max do prawie zera, przez co można regulować stosunek wytrzymałości wzdłużnej do poprzecznej.

przeciąganie

 Przeciąganie polega na ciągłym przesycaniu włókien długich (np. rovingu) ciekłą mieszaniną żywicy z środkami utwardzającymi, uformowaniu przedmiotu, utwardzeniu i ewentualnym pocięciu na odcinki. Za pomocą tej metody otrzymuje się długie profile o przekroju kołowym, pierścieniowym, płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, płyty itp.

Urządzenie do przeciągania w układzie poziomym

1-szpule z włóknem szklanym; 2-prowadnice włókien; 3-żywica ze związkami utwardzającymi; 4-rynna ściekowa; 5-przeciagadło z układem grzewczym żelujacym; 6-piec utwardzający; 7-chlodzenie; 8-wały ciągnące; 9-krajalnica

 

Nośnik odwijany z rolek przechodzi przez wanny z mieszanina przesycającą, a następnie przepuszczany jest przez układ „grzebieni”, które wyciskają powietrze oraz nadmiar żywicy.

Formowanie profilu następuje w narzędziu przetwórczym zwanym przeciągadłem. Głównym jego elementem jest dysza formująca o kształcie i wymiarach odpowiadających kształtowi wykonywanego profilu. Dysza od wewnątrz pokryta jest środkiem antyadhezyjnym zapobiegającym przywieraniu żywicy. W przypadku formowania płyt środkiem rozdzielającym jest najczęściej folia celofanowa, odwijana z dodatkowych wałków. Folia ta zabezpiecza również wypływanie żywicy na boki przed jej utwardzeniem.

Proces przeciągania może odbywać się w układzie poziomym lub pionowym. Korzystniejszy jest układ pionowy, ze względu na równomierniejsze rozłożenie żywicy w stosunku do napełniacza na przekroju profilu. W układzie poziomym może następować spływanie żywicy w dolne części przekroju poprzecznego formowanego kształtownika.

Technologia ta pozwala na otrzymywanie wyrobów o znacznej zawartości napełniacza włóknistego (szklanego), dlatego profile przeciągane maja bardzo dużą wytrzymałość w kierunku wzdłużnym.

natryskiwanie

Metoda ta polega na równoczesnym nakładaniu na powierzchnię formy mieszaniny żywicy i krótkich włókien nośnika. Do laminowania natryskowego stosuje się urządzenie składające się z dwóch części:

•         pistoletu natryskowego trójdyszowego - środkowa dysza do włókna, skrajne dysze: jedna do żywicy z inicjatorem (utwardzaczem), druga do żywicy z aktywatorem (przyspieszaczem),

•         zespołu podawania żywicy i nośnika – jest to zespół przewoźny montowany na wózku, w skład którego wchodzą: 2 pojemniki do żywicy (osobno z inicjatorem i osobno z aktywatorem), szpula z nośnikiem oraz sprężarka powietrza.

Mieszanina żywicy podawana jest przewodami do pistoletu na skutek ciśnienia powietrza wytworzonego za pomocą sprężarki. Do pistoletu podawane jest również włókno długie, najczęściej szklane w postaci rovingu. Włókno zostaje cięte na odcinki o odpowiedniej długości, za pomocą krajarki wmontowanej w pistolet. Żywica i włókno mieszają się wzajemnie w czasie lotu i osądzają na powierzchni formy, gdzie następuje proces utwardzania.

Laminowanie natryskowe stosuje się w produkcji masowej do wytwarzania przedmiotów o znacznych rozmiarach, a przede wszystkim w budownictwie do natryskiwania izolacji dachów, tuneli, ścian kanałów, zbiorników itp.

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. Kierunki przemysłowego zastosowania kompozytów polimerowych

- elementy konstrukcyjne wykorzystywane budowie: nadwozi samochodowych, łodzi, zbiorników na benzynę, szybowców (laminat poliestrowy);

- części elektrotechniczne;

- dekoracyjne płytki okładzinowe, meble (laminat aminowy z nośnikiem papierowym);

- tuleje łożyskowe;

- materiały elektroizolacyjne oraz konstrukcyjne w sprzęcie elektronicznym zabezpieczające przed wilgocią (laminat aminowy z włóknami szklanymi);