Materiały
kompozytowe o
osnowie
polimerowej
Podstawowe wiadomości
Kompozyt jest to materiał utworzony, z co
najmniej dwóch faz o różnych
właściwościach, nierozpuszczających się w
sobie, w taki sposób, że uzyskuje się
właściwości lepsze i (lub) właściwości
nowe w stosunku do komponentów
użytych osobno.
 Materiały kompozytowe o osnowie
polimerowej, jak sama nazwa wskazuje to
kompozyty, których osnowę stanowią
polimery. Wzmacniane są włóknami
szklanymi, węglowymi lub organicznymi.
Stosuje się je głównie w postaci siatki lub
tkanin utkanych w włókien prostych lub
skręconych o rozłożeniu uporządkowanym,
lub krzyżującym.
 Osnowa  ciągły składnik materiału
kompozytowego, który występuje w większej
ilości. W osnowie mieszczą się włókna
wzmacniające. Materiały kompozytowe
dzielimy ze względu na materiał osnowy.
Zadaniem osnowy jest:
" spajanie włókien wzmacniających
" przeniesienie obciążeń na włókna
" nadanie ogólnego kształtu
Rodzaje osnowy polimerowej:
" żywice termoutwardzalne
" żywice chemoutwardzalne
" tworzywa termoplastyczne
Polimery
Polimery to materiały organiczne złożone
ze związków węgla. Tworzone są przez
węgiel, wodór i inne pierwiastki
niemetaliczne tj.:
N, O, F, Si. Polimery powstają w wyniku
poddania syntezie chemicznej wielu
powtarzalnych jednostek strukturalnych
zwanych monomerami. W skład polimerów
wchodzą również dodatki barwników lub
pigmentów, katalizatorów, napełniaczy,
zmiękczaczy, antyutleniaczy i innych.
Polimery charakteryzują się:
" małą gęstością,
" izolacyjnymi własnościami cieplnymi i
elektrycznymi,
" lekkością i odpornością na korozję,
" ciągliwością,
" giętkością i odkształcalnością.
Struktura polimerów
Struktura polimerów jest najczęściej
amorficzna, ale mogą występować także
części krystaliczne.
 Nigdy jednak struktura polimerów nie
jest w 100% uporządkowana. Istnieją w
polimerze obszary o grubości 10nm
uporządkowane, na przemian z
nieuporządkowanymi.
Materiały osnowy
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.
Polimery
termoutwardzalne
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.
Polimery
chemoutwardzalne
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.
Polimery termoplastyczne
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.
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.
Włókno szklane
" 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.
Włókno węglowe
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.
Włókna organiczne
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 kevlarowe 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.
Sposoby wytwarzania
kompozytów polimerowych
Warunkiem uzyskania zamierzonych
właściwości kompozytu polimerowego
jest odpowiednie powiązanie ze sobą,
za pomocą spoiwa i zbrojenia w
procesie produkcji. Wyróżniamy
technologie od całkowicie zależnych od
czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do
prawie zupełnie niezależnych
(zautomatyzowanych).
Metoda kontaktowa
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.
Nadkole samochodu zrobione metodą kontaktową.
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. rovingu szklanego), które za
pomocą specjalnych urządzeń jest cięte i
równocześnie z kompozycją żywicy -
natryskiwane na formę, tworząc na niej
rodzaj luz
nego kożucha. Po jego dociśnięciu
do formy, podobnie jak w klasycznej
metodzie kontaktowej za pomocą pędzli i
wałków, powstaje skorupa wyrobu.
Natrysk warstwy kompozytu na formę
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. Podstawowymi
parametrami procesu formowania przez
prasowanie są: ciśnienie, temperatura i
czas prasowania.
Prasowanie tłoczne
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.
Prasowanie przetłoczne
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
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.
Metoda SMC
W metodzie 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.
Nóż
Pasta żywicy
z dodatkami
Roving
Pasta żywicy
z dodatkami
Folia
termoplastyczna
Cięte
Folia
Wałki
włókna
termoplastyczna
Rolka
odbierająca
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 mieszane są razem. Tak
ujednorodnioną mieszanką przechowuje się
(sezonuje) 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.
Zalety materiałów
kompozytowych w osnowie
polimerów:
" łatwość w formowaniu
" możliwość kształtowania w temperaturze pokojowej
" wysoka odporność chemiczna
" dobre właściwości izolacyjne
" możliwość klejenia
" przenikalność dla fal elektrycznych
" przez
roczystość dla światła widzialnego
" możliwość produkcji jednostkowej
Wady materiałów
kompozytowych w osnowie
polimerów:
" słaba odporność na zużycie i mniejsza
twardość w stosunku do metali i ceramiki
" mała odporność na wysokie
temperatury
" łatwość uszkodzenia powierzchni
" niska wytrzymałość zmęczeniowa
" długi czas rozkładu
Zastosowanie kompozytów
o osnowie polimerowej
Ze względu na wysoki współczynnik
wytrzymałości właściwej, kompozyty o osnowie
polimerowej znalazły zastosowanie w wielu
dziedzinach, m.in.:
" aeronautyce
" przemyśle kosmicznym
" przemyśle motoryzacyjnym
" okrętownictwie
" budownictwie
" jako elementy maszyn
" w akcesoriach sportowych
Przemysł lotniczy
W przemyśle lotniczym kompozyty
polimerowe znalazły zastosowanie w
śmigłowcach, płatowcach, szybowcach i
różnych maszynach wojskowych.
Polimerowe kompozyty w śmigłowcach i
płatowcach zastosowane są w łopatach
wirnika głównego i pomocniczego, jako
elementy kadłuba i poszycia oraz
wyposażenia.
A
opata wirnika śmigłowca
Kadłuby szybowców w całości są wykonane z kompozytu
polimerowego, a dokładnie z włókna szklanego w osnowie żywicy
epoksydowej.
Bombowiec wojskowy B-2  Stealth
W technice kosmicznej kompozyty polimerowe znalazły
zastosowanie na płyty baterii słonecznych, anteny satelitów,
zbiorniki ciśnieniowe.
W przemyśle motoryzacyjnym
kompozyty polimerowe znalazły
zastosowanie głównie jako opony oraz
elementy karoserii samochodowej.
Karoserie obu samochodów
zostały wykonane z
kompozytów polimerowych.
W budownictwie kompozyty polimerowe znalazły
zastosowanie jako powłoki powierzchni
betonowych, zabezpieczając je na przykład przez
substancjami chemicznymi. Przykładowym
zastosowaniem są: tamy zabezpieczające, zbiorniki
wodne, rynny, przelewy spływowe, tereny
załadunku, składowania i przeładunku chemikaliów.
Domowym zastosowaniem tych kompozytów są
popularne laminaty podłogowe.
Jako elementy maszyn, kompozyty w osnowie polimerowej
najczęściej stosowane są jako łożyska ślizgowe.
Sport
W sporcie kompozyty polimerowe znajdują
zastosowanie w wielu miejscach, m.in. jako:
-kadłuby łodzi i kajaków
- sprzęt narciarski
- akcesoria sportów siłowych i fitness
Bibliografia
" Śleziona J.  Podstawy technologii kompozytów ,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998
" Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i
metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z
podstawami projektowania materiałowego, WNT,
Warszawa, 2002
" Hyla J.  Wybrane zagadnienia z inżynierii
materiałów kompozytowych , WNT, Warszawa 1996
" Wilczyński A.P.  Polimerowe kompozyty włókniste ,
WNT, Warszawa 1996
Autorzy:
Kostyra Paweł
Jokiel Patryk
Hura Tomasz
Herl Mateusz
MiBM, sem II, gr. 4
Dziękujemy za
uwagę