Plasty

20. dubna 2015 00:44

Charakteristika kompozitných materiálov na polymérnej báze

Kompozitné materiály sú tvorené z dvoch alebo viacerých chemicky rozdielnych zložiek. Minimálne jedna zo zložiek je označovaná ako matrica (z angl. „matrix“), je kontinuálna. Druhá zložka je v matrici dispergovaná a označuje sa ako plnivo (z angl. „filler“).

Vzhľadom na širokú škálu kompozitných materiálov je dôležité poznať vlastnosti kompozitných materiálov. Tie závisia od rôznych faktorov. Medzi najvýznamnejšie patria:

  • vlastnosti vlákien a polymérnej matrice,
  • obsah vlákien v kompozite,
  • orientácia a dĺžka vlákien,
  • charakter medzifázového rozhrania a
  • spôsob výroby kompozitov. [1, 7]

Jednosmerne orientovanými vláknami v kompozitných materiáloch sa dosiahne jednoznačne najväčšie zlepšenie vlastností, čo je znázornené na nasledujúcom obrázku č. 1.

Obr. 1: Grafické zobrazenie porovnania polymérnych kompozitných materiálov s kovmi [4, 6]

Z hľadiska výberu vlákien je dôležité, aby mechanické vlastností vlákien (σf, εf) boli podstatne vyššie ako vlastnosti matrice (σm, εm). Pri výbere polymérnej matrice (obr. 2) je dôležité, aby predĺženie matrice (σm) bolo väčšie ako predĺženie vlákna (σf).

Celkove musí teda platiť:

σ f >> σ m (1)
E f >> Em (2)
σf < σm (3)

Vplyv obsahu vlákien je rovnako dôležitý ako výber samotných vlákien. Pre konkrétny typ kompozitu je preto veľmi dôležité stanoviť najnižší obsah vlákien, označovaný ako (nf a nkrit), pri ktorom sa dosiahne zlepšenie mechanických vlastností. Je preto veľmi dôležité, aby nf > nkrit. Samotná orientácia vlákien v kompozite je rozhodujúca nielen z hľadiska výsledných aplikačných vlastností, ale aj z výberu vhodnej spracovateľskej technológie. Príslušná výrobná technológia je tým technologicky náročnejšia, čím vyššie kritéria sú kladené na samotnú orientáciu vlákien. [5, 6, 8] Preto je nevyhnutné špecifikovať, v akom smere vo vzťahu k orientácii vlákien budú výrobky namáhané, a to pri dimenzovaní výsledných aplikačných vlastností kompozitov. Pevnosť v smere longitudálnom sa označuje indexom 1 alebo X. S1 a závisí predovšetkým od obsahu vlákna v kompozite. Spravidla platí, že S1 je priamo úmerná obsahu vlákna v kompozite. O transverzálnej pevnosti (s2, sY) rozhoduje pevnosť polymérnej matrice a pevnosť medzifázového rozhrania, zatiaľ čo pevnosť vlákna nemá na túto veličinu prakticky žiadny vplyv. Šmyková pevnosť závisí predovšetkým od uhla pôsobenia sily. [4, 7]

Dôležitú úlohu pri kompozitných materiáloch zohráva aj orientácie vlákien (obr. 3). V závislosti od orientácie vlákien sa polymérne kompozity rozdeľujú na:

  1. kompozity s dlhými jednosmerne orientovanými vláknami,
  2. kompozity s dlhými plošne (lamináty) orientovanými vláknami,
  3. kompozity s priestorovo orientovanými vláknami,
  4. kompozity s krátkymi neorientovanými, alebo prednostne orientovanými vláknami. [3, 7]

Obr. 2: Kompozitný materiál s polymérnou matricou počas ťahovej skúšky [3]

Obr. 3: Kompozitný materiál na polymérnej báze vystužený uhlíkovými vláknami [4]

 

Pri jednosmerne a plošne orientovaných vláknach je charakteristickým znakom anizotropia vlastností (anizotropia, t.j. závislosť fyzikálnych vlastností látok od smeru pôsobenia sily). Je známe, že pevnosť kompozitov v smere orientácie vlákien, t.j. pozdĺžnom (longitudálnom) je podstatne vyššia ako v smere kolmom na os vlákna, v kompozitoch s plošne orientovanými vláknami je longitudálna pevnosť rovnaká ako transvenzálna. V prípade plošne orientovaných vlákien (laminátov) sú vlastnosti kompozitov v jednotlivých individuálnych rovinách izotrópne, avšak v smere kolmom na os vlákien sú podstatne nižšie. Izotrópne vlastnosti sa dosiahli v kompozitoch s priestorovo orientovanými vláknami. Pri výbere matrice pre danú aplikáciu je potrebné zohľadniť aplikačné a výrobné vlastnosti polyméru. V prípade reaktoplastických matríc má z hľadiska aplikačných vlastností kompozitov významnú úlohu pevnosť, predĺženie v ťahu, húževnatosť, tepelná odolnosť, odolnosť voči UV žiareniu, chemická odolnosť, navĺhavosť, horľavosť a dielektrické vlastnosti. Z hľadiska výberu výrobnej technológie sú to predovšetkým viskozita, zmáčateľnosť vlákien, skladovateľnosť, rýchlosť vytvrdzovania, obsah prchavých produktov, vedľajšie produkty pri vytvrdzovaní uvedené v tabuľke 1 [1, 2, 6].

Tab. 1: Porovnanie vlastností reaktoplastov a termoplastov [3]

Vlastnosť Reaktoplasty Termoplasty
Viskozita malá vysoká
Modul pružnosti nízky vysoký
Pevnosť malá vysoká
Skladovateľnosť obmedzená neobmedzená
Produktivita nízka vysoká
Recyklovateľnosť zlá dobrá

 

Záver

Pred samotnou výrobou kompozitného materiálu je potrebné poznať východiskové podmienky vzniku jednotlivých zložiek potrebných k výrobe. Najjednoduchšou metódou na výrobu kompozitu je miešanie jednotlivých zložiek kompozitného materiálu. Miešaním polymérov sa pripravujú zmesi dvoch alebo viacerých polymérov, s nepolymérnymi prísadami, napr. plnivá, zmäkčovadlá a pod. Aby kompozitné materiály vykazovali stanovenú pevnosť je potrebné poznať ich mechanické vlastnosti a možnosti ako tieto vlastnosti zvýšiť, aby boli použiteľné v rôznych oblastiach priemyslu.

Použitá literatúra:
[1] BEAUMONT, L.: Successful Injection Moulding, Carl Hanser Verlag, 2002
[2] CRAWFORD, R. J.: Plastics Engineering, Pergsmon Press, England. 1987 Barry, C.M.F.-Orroth, S.A.:Processing of thermoplastics, In: Harper, CH. A.: ModernPlastics Handbook, USA, 2000, ISBN 0-07-026714-6
[3] KNAPČÍKOVÁ, L.: Optimalizácia technologických procesov pri zhodnocovaní plastov, Dizertačná práca, TUKE FVT, s. 186, 2011
[4] KNAPČÍKOVÁ, L., BECKMANN, S., HERZOG, M.: Faserauszugverhalten von Hochleistungsfasern aus Thermoplastischer Matrix, 12. Schwarzheider Kunststoffkolloquium, 19. 09. 2012–20. 09. 2012, Schwarzheide, Deutschland
[5] KREBS, J.: Teorie zpracování nekovových materiálů, VŠST Liberec, 1991
[6] KUTA, A.: Technologie a zařízení pro zpracování kaučuků a plastů, VŠCHT Praha, 1999 (skripta)
[7] LIPTÁKOVÁ, T., ALEXY, P. a kol.: Polymérne technické materiály, Vysokoškolská učebnica, 2009
[8] MICHAELI, K.: Training in Injection Moulding, Carl Hanser Verlag, 2001

Ing. Lucia Knapčíková, PhD.


Fakulta výrobných technológií
TU Košice so sídlom v Prešove,
Bayerova 1, 080 01 Prešov
lucia.knapcikova@tuke.sk, knapcikova.lucia@gmail.com
www.tuke.sk


 

Mohlo by se Vám líbit

Mezinárodní strojírenský veletrh ukáže cestu k chytrému a efektivnímu průmyslu

Inovativní technologické novinky, téma energetické efektivity i digitální řešení pro průmysl budoucnosti. To vše nabídne již 63. Mezinárodní strojírenský veletrh, který se uskuteční od 4. […]

Obrábění a tváření na MSV a IMT 2022

Obrábění a tváření je tradičně stěžejním oborem Mezinárodního strojírenského veletrhu. Letos bude navíc zvýrazněn prostřednictvím mezinárodního veletrhu IMT, který je organizován v úzké spolupráci se […]

Siemens na MSV představí řešení pro flexibilní, odolnou a energeticky úspornou výrobu

Rostoucí ceny energií, nejistota jejich dostupnosti, měnící se potřeby a požadavky zákazníků a nutnost udržet výrobu v chodu za všech okolností. České průmyslové firmy si […]