KOMPOZYTY POLIMEROWE

1. Wstęp

Kompozyty polimerowe są to lekkie i wytrzymałe materiały konstrukcyjne. W okresie ostatnich kilkudziesięciu lat dziedzina kompozytów była przedmiotem licznych badań naukowych i aplikacyjnych. Materiały te decydują obecnie o nowoczesności wielu konstrukcji, maszyn i urządzeń. Zastosowanie kompozytów w życiu codziennym i technice jest ogromne i wciąż jest poszerzane. Trudno sobie wyobrazić np. współczesny sport bez wykorzystania lekkich i wytrzymałych materiałów, jakimi są kompozyty polimerowe. O atrakcyjności kompozytów, jako materiału konstrukcyjnego decyduje różnorodność materiałów, które mogą być ze sobą łączone i sposobów, w jaki mogą być one połączone. Wszystko to przekłada się na strukturę, a w konsekwencji na właściwości kompozytów.

2. Kompozyty

Kompozyt jest to materiał utworzony, z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości - kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami między komponentami.

Kompozyty polimerowe stosowane są w technice, jako elementy nośne i konstrukcyjne. Zastosowanie tych materiałów pozwala na obniżenie wagi elementów w porównaniu z metalami, daje również spore oszczędności przy wytwarzaniu elementów. Materiały takie mają dużą trwałość, nie ulegają korozji, a konserwacja elementów i struktur konstrukcyjnych z kompozytów jest łatwiejsza niż elementów metalowych

Jednak konstruowanie elementów z użyciem kompozytów różni się od konstruowania z użyciem metali. Projektowanie części kompozytowych jest na ogół o wiele bardziej kompleksowe. Wystarczy podać tu przykład doboru ułożenia poszczególnych warstw wzmocnienia - do dziś zależy on w znacznym stopniu od doświadczenia projektanta i wykonawcy. Ale nawet mimo doświadczenia ekspertów odpowiedni dobór materiałów i ich ułożenia może zająć wiele czasu. Istnieje też wiele możliwych rozwiązań tego problemu.

Przy złożoności struktur, jakie obecnie przedstawiają materiały kompozytowe, w zasadzie nieograniczonej możliwości kombinacji komponentów oraz ilości parametrów mających wpływ na końcowe właściwości materiału, praktycznie niemożliwe staje się przeprowadzenie takiej ilości doświadczeń, która dawałaby pewność, że wybrano optymalną metodę wytwarzania materiału o optymalnych właściwościach do danego zastosowania.

3. Klasyfikacja kompozytów:

1.Podział w zależności od pochodzenia:

• „kompozyty naturalne”,

• kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka,

Należy zauważyć, że większość definicji eliminuje możliwości zaliczenia materiałów naturalnych do kompozytów.

2. Podział według przeznaczenia:

• kompozyty konstrukcyjne,

• kompozyty i szczególnych właściwościach fizycznych ( lub chemicznych).

3. Podział według rodzaju osnowy:

• kompozyty o osnowie niemetalicznej:

- polimerowej,

- ceramicznej,

- półprzewodnikowej]

• kompozyty o osnowie metalicznej.

4. Podział uwzględniający wpływ kształtu i wymiarów komponentu zbrojącego na mechanikę pracy kompozytów konstrukcyjnych:

• kompozyty zbrojone włóknem:

- ciągłym,

- krótkim (ciętym),

-wyrobami z włókien (tkaniny, maty itp.)

• kompozyty umocnione cząsteczkami,

• kompozyty umocnione dyspersyjnie.

Materiały stosowane do wytwarzania kompozytów polimerowych

Składnikami strukturalnymi kompozytów polimerowych są:

• polimery - zarówno duroplasty jak i termoplasty, rzadziej elastomery- stanowiące osnowę kompozytów,

• włókna wzmacniające - najczęściej składnikiem kompozytów polimerowych są włókna szklane ciągłe w postaci rovingu lub cięte, a także tkaniny lub maty i in., włókna węglowe oraz włókna organiczne i niekiedy włókna naturalne,

• napełniacze proszkowe - składniki kompozytów proszkowych.

Kompozyty polimerowe zawsze zawierają pierwszy z wymienionych składników strukturalnych oraz drugi lub trzeci. W niektórych kompozytach polimerowych występują wszystkie trzy składniki strukturalne jednocześnie.

Oprócz składników strukturalnych w skład kompozytów polimerowych wchodzą różne inne substancje, nazywane środkami pomocniczymi i modyfikującymi. Środki pomocnicze i modyfikujące są substancjami dodatkowymi, wprowadzanymi do kompozytów wraz z polimerami. Mogą one mieć postać ciała stałego, cieczy lub gazu. Są dodawane w ilościach ułamka do kilkudziesięciu procent masy w stosunku do masy polimeru.

Do środków pomocniczych należą:

• Utwardzacze - substancje stosowane, jako substraty do otrzymywania polimerów z substratów monomerycznych,

• środki antyadhezyjne - zapobiegające przywieraniu kompozytu do formy,

• zagęszczacze chemiczne - stosowane w celu zwiększenia lepkości mieszanki,

• środki upłynniające i smarujące - zmniejszające tarcie wewnętrzne polimerów i ich przyczepność do powierzchni kanałów przepływowych w urządzeniach przetwórczych,

• dodatki zmniejszające parowanie styrenu

Do środków modyfikujących zaliczyć można:

• barwniki i pigmenty - dodawane w celu zwiększenia estetyki wyrobów przez nadanie im odpowiedniej barwy,

• uniepalniacze ( antypiryny) - substancje lub grupy chemiczne dodawane w cwelu podwyższenia odporności na palenie,

• środki przeciwskurczowe - dodawane głównie do poliestrów i termoplastów charakteryzujących się dużym skurczem,

• środki antyelektrostatyczne - zmniejszające gromadzenie się ładunku elektrostatycznego na powierzchni wyrobów przez trwałe obniżanie oporności powierzchniowej, np. sadza,

• dodatki elektroprzewodzące - dodawane w celu umożliwienia przewodzenia ładunku elektrycznego, np. proszki metali,

• spieniacze (porofory) - substancje wydzielające w podwyższonej temperaturze produkty gazowe, np.: N₂ , CO₂ ­, NH₃, powodujące spienieniu polimeru,

• dodatki przeciwcierne - dodawane w celu obniżenia współczynnika tarcia, np. siarczek molibdenu,

• antyutleniacze i stabilizatory - dodawane w celu powstrzymania degradacji polimerów i zwiększenia odporności polimerów na starzenie,

• elastomerowe dodatki antyudarowe - podwyższające udarność polimerów, np. epoksydowych,

• rozcieńczalniki - związki trudno lotne o małej lepkości, polarnej budowie i dobrze rozpuszczalne, np. ftalen butylowy lub eter butyloglicydowy, dodawane w celu zmniejszenia lepkości polimerów.

Wybór środków pomocniczych i modyfikujących zależy od rodzaju polimeru, metod wytwarzania kompozytów, kształty i właściwości wyrobu itp.

4. Produkcja kompozytów polimerowych

Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości kompozytu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za pomocą spoiwa, zbrojenia w procesie produkcji. Im większy jest stosunek objętościowy zbrojenia w kompozycie, tym lepiej. Jest to jedno z podstawowych kryteriów przy ocenie przydatności technologii wytwarzania kompozytów polimerowych, których jest bardzo dużo - od technologii całkowicie zależnych od czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do prawie zupełnie niezależnych (zautomatyzowanych). Wyróżnia się metody:

• formowania ręcznego,

• formowania ręcznego z przesycaniem próżniowym,

• wtryskową,

• wyciskania na mokro,

• wyciskania na sucho (preimpregnaty),

• formowania w autoklawie (preimpreganty)

• nawijania,

• pultruzji.

Z punktu widzenia zastosowań w mostownictwie w zasadzie ta ostatnia zasługuje na największa uwagę. Automatyzacja procesu pultruzji, przy zachowaniu odpowiedniej jakości kontroli, gwarantuje mniejszy rozrzutu właściwości (z powodu mniejszego wpływu czynnika ludzkiego) oraz możliwość szybkiej produkcji dużej liczby powtarzalnych elementów. W pewnym stopniu takie efekty daje też technologia nawijania (druga metoda pod względem zautomatyzowania), ale z uwagi na uzyskanie niższych parametrów określających różne właściwości materiałowe, w praktyce jest stosowana bardzo rzadko w przypadku produkcji elementów konstrukcyjnych.

Pultruzja przeznaczona jest do produkcji profili o stałym przekroju poprzecznym. Zbrojenie, a w dalszym etapie gotowe elementy, przeciąga się przez kolejne urządzenia. To właśnie przeciąganie decyduje o ich belkowym, prostoliniowych charakterze (nie można w ten sposób uzyskać elementów zakrzywionych w planie).

Ręczne technologie, choć czasami pozwalają uzyskać lepsze charakterystyki materiałowe w pojedynczych elementach czy nawet w całych konstrukcjach, niestety nie sprzyjają szybkiej produkcji masowej. Rachunek ekonomiczny prowadzi do wniosku, że w przypadku produkcji dużych partii materiału nie są one konkurencyjne w porównaniu z procesami o charakterze przemysłowym.

5. Zastosowanie kompozytów

Jednym z większych konsumentów kompozytów polimerowych jest przemysł samochodowy i innych środków transportu lądowego. Podstawowym włóknem zbrojącym jest tu włókno szklane, ale także włókno węglowe i organiczne. Stosowane są również zbrojenia hybrydowe. Włókno szklane jest stosowane zarówno w produkcji kompozytów o niższych, jak i wysokich wskaźnikach wytrzymałościowych, pozostałe - kompozytów o wysokich wskaźnikach. Czołowe osiągnięcia w zakresie kompozytów polimerowych ma przemysł lotniczy. Wiele części płatowca i śmigłowca wykonywane jest aktualnie z tych materiałów. Równie ważnym obszarem wykorzystywania kompozytów polimerowych jest budowa okrętów, zbiorników i rurociągów. Zupełnie nowym zastosowaniem tych kompozytów są konstrukcje mostowe.

6. Problemy techniczne i ekonomiczne recyklingu kompozytów polimerowych

Coraz szersze stosowanie materiałów polimerowych, a w tym i kompozytów polimerowych, w użyciu codziennym i gospodarce stwarza konieczność globalnego rozwiązania problemy zagospodarowania ich odpadów poprodukcyjnych i zużytych wyrobów w sposób ekonomicznie uzasadniony i ekologicznie dopuszczalny. Wśród działań podejmowanych w celu przynajmniej częściowego rozwiązania tego problemu są:

• materiałowy recykling odpadów poprodukcyjnych i zużytych wyrobów,

• projektowanie wyrobów ułatwiające ich późniejszy recykling,

• zmniejszenie ilości odpadów poprodukcyjnych,

• zastępowanie tam gdzie jest to możliwe dotychczas stosowanych materiałów polimerowych nowymi typami polimerów biodegradowalnych,

• bezpośrednie energetyczne wykorzystywanie odpadów poprodukcyjnych, jako paliwa stałego(recykling termiczny)

• surowcowy recykling prowadzony metodami chemicznymi i termicznymi.

W najbliższych lata przewiduje się wzrost recyklingu, i to zarówno materiałowego, surowcowego, jak i termicznego w całkowitym zagospodarowaniu tworzyw sztucznych.

Kompozyty polimerowe jak i w zasadzie wszystkie rodzaje tworzyw sztucznych podawane są recyklingowi surowcowemu, który polega na degradacji makrocząsteczek na frakcje o mniejszej masie cząsteczkowej (metodą np. hydrolizy, alkoholizy, uwodornienia czy pirolizy), które mogą być ponownie użyte, jako monomery lub surowce do wytwarzania innych lub takich samych produktów chemicznych, z jakich je otrzymano. W tego rodzaju recyklingowi nie zachodzi potrzeba wstępnej segregacji odpadów ani tez ich mycia lub usuwania elementów innych substancji organicznych (papierowe naklejki, resztki olejów i produktów spożywczych itp.) Kompozyty polimerowe podlegają również recyklingowi materiałowemu, który możemy podzielić na recykling tworzyw czystych i recykling tworzyw mieszanych. Recykling materiałowy polega na powtórnym wykorzystania odpadów, jako surowców wtórnych do wytworzenia nowych produktów o właściwościach użytkowych. Pod względem ekonomicznym tańszą metodą recyklingu jest recykling tworzyw mieszanych, ponieważ nie wymaga on sortowania odpadów i tym samym obniża jego koszty, jednakże otrzymane surowce nie są tak wysokowartościowe jak w przypadku recykling tworzyw czystych. Kompozyty podawane są recyklingowi termicznemu, czyli spalenie odpadów z odzyskiem wytwarzanej w tym procesie energii. Używanie w tym kontekście pojęcia recykling nie jest do końca poprawne gdyż termiczne przekształcenie odpadów w celu odzyskania energii jest definiowane, jako odzysk. Celem procesu spalania jest zmniejszanie masy i objętości odpadów i odzyskiwanie zawartej w nich energii w specjalnie do tego przystosowanych zakładach.

Nadzieje ekologów na przyszłość stanowią „polimery degradowane”. Pojęcie to określa polimery ulegające degradacji w środowisku znacznie szybciej niż dotychczas stosowane polimery syntetyczne. Rozkład polimerów może zachodzić pod wpływem promieniowania UV, mikroorganizmów, enzymów czy niektórych związków chemicznych. Szybki rozkład polimeru jest możliwy jedynie wtedy, gdy zawiera on wrażliwe na te czynniki fragmenty łańcucha, od których rozpadu zaczyna się degradacja polimeru. Polimery biodegradowalne są głównie wykorzystywane do produkcji folii opakowaniowych, naczyń jednorazowych, worków na odpady organiczne itd.

Przykładem biodegradowalnych kompozytów polimerowych są materiały o osnowie z polimeru syntetycznego z napełniaczem w postaci polimeru biodegradowalnego, który podczas rozkładu zostaje przyswajany przez mikroorganizmy, a pozostała część kompozytu zostaje rozproszona w środowisku. Przykładem takiego kompozytu jest poli(metakrylan metylu) (PMMA) lub polistyren (PS), modyfikowane skrobią ziemniaczaną.

---