Transcript Fiberarmerade plaster – kompositer

Bearbetning från A–Ö
Fiberarmerade plaster – kompositer
En plasts styvhet och styrka ökar betydligt om man inför förstärkande
partiklar och framför allt styva fibrer. Den armerade plasten består av två
komponenter: en matris av termoplast eller härdplast och en förstärkande
komponent. Plastmatrisen har lägre styrka och är duktilare än det
förstärkande materialet.
matrisen. Glasfibrer är relativt billiga och
vanlig som förstärkningsmedel. I avancerade kompositer används dyrare fibrer av kol
(grafit), bor men även organiska fibrer som
aramidfibrer (Kevlar). Vid glasfiberarmeringen av plast används E-glas – ett borslikatglas, som ursprungligen utvecklades för
elektrisk isolering.
Det finns ett antal olika glasfibertyper
men ingen har visat sig bättre än E-glas vid
glasfiberarmering. Fibrer av S-glas utveck-
ARMERADE PLASTER
Fortsättning följer i nästa nummer
Blandningen av matris och det armerande
materialet kallas komposit och den är styvare än matrisen. Matrisens funktion är att
fungera som ett bindemedel och att överföra yttre laster till förstärkningen. En förutsättning är att det råder en god bindning
mellan det förstärkande materialet och
Kompositer
begreppet komposit representerar ett
bubblor i plast) skulle kunna betraktas som
kompositer. De ”äkta” kompositerna började utvecklas i slutet på 60-talet för att ge
stridsflygplan ett lätt och styvt material.
Man armerade epoxiplast med avancerade
fibrer med höga moduler. Det låg därför
nära till hands att även kalla glasfiberarmerad polyester, som utvecklats tidigare för en
komposit. Kompositer fås genom att införa
styva och starka fibrer i en mjuk och duktil
plast och det gäller både termoplaster och
härdplaster. Inom plastteknologin kallas
plaster, som förstärks med fibrer och även
partiklar för plastkompositer. Det förekom-
brett materialområde men det är svårt att ge
en precis definition av begreppet. Sammansättningar, egenskaper, kostnader och til�lämpningar varierar starkt mellan de olika
material, som brukar kallas kompositer.
Avsikten med kompositteknologin är emellertid att kombinera två eller flera material
till ett överlägset material.
Detta innebär att kompositens egenskaper skiljer sig helt från de ingående komponenternas. Men denna definition är troligen för bred eftersom även plastlegeringar,
sampolymerer och t o m cellplaster (gas-
Fig 1. Uppdelning av kompositer i olika typer
Figur 1. Uppdelning av
kompositer i olika typer.
Partikelförstärkta
Stora
partiklar
Små
dispergerade
partiklar
Kompositer
Fiberförstärkta
Kontinuerliga
fibrer
Riktade
Strukturella
Sandwich
paneler
Korta
fibrer
Slumpvis
orienterade
lade för bl a militärt bruk har extra hög styrka och modul men är dyrare än E-glas. Glasfibrer dras ur smälta och har diametrar mellan 5 μm och 25 μm. Glasfiberarmerad
esterplast fanns redan på 1940-talet. Den
dyra borfibern upptäcktes i början av 1960talet och följdes snart av kolfiber och organiska fibertyper. Dessa avancerade fibertyper ingick i kompositer främst med epoxiplast som matris. Borfibern är betydligt
tjockare (>100 μm) än kolfibern (ca 8 μm).
En avancerad kompositteknologi baserad
på bor-, kol- och aramidfiber utvecklades i
första hand för att vidareutveckla militära
flygplan. Teknologin blev snart kommersiellt tillämpad i civila flygplan, maskinelement, sportredskap, förrådstankar, och
mycket annat.
lars-eri k edshammar
mer emellertid också metalliska och keramiska kompositer.
matrisen kan således bestå av ett polymert (plast och elast), metalliskt eller keramiskt material. Matriserna förstärks med
fibrer av glas, kol (grafit), syntetiska polymerer, metaller eller keramiskt material.
Naturliga fibrer har sedan länge använts i
fenoplaster och gummi. Om matrisen förstärks av partiklar blir resultatet en partikelkomposit.
Exempel på kompositer som förstärks
med stora partiklar är betong och hårdmetall (hårdämnet WC i matrisen Co). Exempel på förstärkning med små partiklar är i
gummi. De flesta typer av gummi skulle ha
en begränsad användning om inte gummit
förstärktes med sotpartiklar (carbon black).
Bildäck är svarta och innehåller 15–30 vol%
sot. Partiklarna, som är extremt små (20–
50 nm), har en grafitisk struktur och grupperar sig i aggregat, som förhöjer brotthållfastheten, segheten och nötningsmotståndet hos gummit. Kompositer ges en
förenklad uppdelningen i figur 1.
plastforum 2 2007 59
Bearbetning från A–Ö
naturliga kompositer var de första
kompositer som människan kom i kontakt
med. De flesta material i naturen är en
blandning av beståndsdelar, som tillsammans bildar ett material, vilket kan prestera
mer än de enskilda komponenterna. Trä är
ett exempel. Med en förenklad beskrivning
är veden en blandning av 67–80 % starka
flexibla cellulosafibrer i en matris av 17–
30% lignin, som är en polymer. Ligninet är
ett bindemedel, som omger och skyddar
cellulosafibrerna.
Ben är också en naturlig komposit. Naturen ser till så att benet är både lätt och
starkt. Det starka men mjuka proteinet kollagen omger och skyddar det hårda och sköra mineralet apatit. Benet innehåller ca 43%
starka och styva apatitkristaller i kombination med ca 36 % av kollagen, som är en
naturlig polymer. Man har efterapat naturen genom att ta fram en biomedicinsk
komposit, som kan ersätta naturligt ben.
Kompositen består av tvåfasig keramik,
som innehåller hydroxiapatit och trikalciumfosfat i form av granuler i en blandning
med kollagen.
de äldsta syntetiska kompositerna är
troligen tegel som förstärktes med
halmstrån för att föhindra spricktillväxt
samt lerklining, som är en förstärkning av
lera i väggar med vidjor och grenar. Betong,
som är ett betydligt senare byggmaterial, är
en partikelkomposit, som innehåller aggregat av partiklar i en matris av cement.
Aggregaten består av sand (fina korn) och
grus (grövre korn). Cementet bildas då portlantcement reagerar med vatten. Den
mekaniska styrkan hos betongen kan byggas på ytterligare genom att införa armeringsjärn. Armerad betong är i sin tur också
en komposit. Ännu kraftigare material fås
då armeringsjärnet är förspänt.
perlitiskt stål betraktas ofta som en
metallisk komposit. Men denna komposit
bildas ”in situ” (på platsen). Perliten fälls ut
på ett naturligt sätt ur en smälta i tvåfassystemet Fe – Fe3C. Stålet har en mikrostruktur med alternerande lager av ferrit och
cementit, som man finner i vissa stål och
gjutjärn. Ferritfasen är mjuk och duktil
medan cementiten (Fe3C) är hård och
mycket bräcklig. Egenskaperna hos perliten, som har en hög duktilitet och styrka, är
överlägsen de ingående fasernas egenskaper. Perliten är mer lik en naturlig komposit
än en komposit, som är konstgjort uppbyggd som armerad plast. Perliten kan möjligen kallas en strukturell komposit (structural composite). Ett japanskt samurajsvärd
har en perlitliknande uppbyggnad. Svärdet
tillverkas genom att vika smidd stålplåt ett
oändligt antal gånger. Plåten uppkolas varje
gång den viks och resultatet blir en äkta
komposit. Svärdet är uppbyggt av lager med
Tabell 1. Jämförelse mellan förstärkning av en delkristallin (PA66) och en amorf termoplast (PC).
Plast
Draghållfasthet
Dragmodul
Brottförlägn.
Izod
HDT
(MPa) (GPa)
(%)
(J/m)
(ºC)
PA66,
delkristallin:
Ej förstärkt
77–84
2,0
60
53
90
30% glasfiber
172
9,0
4
107
252
30% kolfiber
227
20,7
3
85
263
40% mineral
40% glas+min.
92
5,5
3
48
249
124
7,6
3
64
246
PC,
amorf:
Ej förstärkt
56–67
2,1–2,4
7
801
132
30% glasfiber
131
9,0
2,5
160
143
30% kolfiber
152
17,2
1,8
107
149
hårda oxider och segt, duktilt stål. Kompositen är i detta fall skapad på hantverksmässigt sätt och inte ur en smälta.
plastkompositer blev efter andra världs-
kriget viktiga material och består huvudsakligen av fiberförstärkta plaster (RP, reinforced plastics). Det finns i dag troligen över
17 000 tillgängliga typer av plaster med
eller utan fiberförstärkning. Termoplaster
(TPs ,thermoplastics) – som nylon, polypropen, polykarbonat etc – förstärks ofta med
korta malda fibrer. Härdplaster (TSs, thermoset plastics) som polyestrar, epoxi, fenoplaster etc förstärks med längre eller kontinuerliga fibrer. Observera att polyestrar
förekommer både som termoplaster och
härdplaster. De senare går ofta under
benämningen omättade polyestrar. Fenoplasten, som var den tidigaste härdplasten,
fylldes med både trämjöl och naturliga fibrer.
fi berarmeri ng av termoplaster
innebär att plastens E-modul ökar väsentligt – även om man inför mycket korta glasfibrer och kolfiber. Både styvheten och styrkan ökar på bekostnad brottförlängningen
enligt tabell 1. Vanligast är förstärkning
med glasfiber men termoplasten kan också
förstärkas med mineralpartiklar som kaolin. Det förekommer även blandningar av
fibrer och mineralpartiklar.
Bland termoplaster är det huvudsakligen
konstruktionsplasterna, som är fiberförstärkta. Glasfibern har en E-modul av 70
GPa och är mycket styvare än matrisen. Emodulen för PA 66 är 2,0 GPa och för polypropen 1,52 GPa.
Glasfibern är spröd och bryts genom
skjuvning ned till fragment vid kompoundering och tillverkning av de granulat, som
tillförs formsprutan eller en extruder. Den
glasfiber man utgår från är ca 3 mm lång
innan den införs i plasten. Fortsatt nedbrytning sker i formsprutans plasticeringscylinder till längder med stor spridning kring
medellängden 0,5 mm. Glasfibrerna har en
diameter kring 10 μm och förhållandet mellan längden och diametern är upp till 100:1
(aspect ratio).
volymhalten av glasfi ber är begränsad
till 0,2 för att inte smältviskositeten skall bli
60 plastforum 2 2007
Bearbetning från A–Ö
för hög vid bearbetningen. Leverantörer av
material anger emellertid fiberhalten i
viktsprocent. Eftersom glaset har en densi3
tet av 2 700 kg/m medan tätheten för polymeren är 900 till 1400 kg/m3 motsvarar 30
viktsprocent glas en volymandel av 0,15.
Fiberförstärkningen beror på volymandelen fibrer, fiberlängdens fördelning och
hur fibrerna är orienterade, vilket beror på
deras läge i formsprutgodset. Fibrerna tenderar nämligen att rikta in sig i den smälta
plastens flödesriktning. Orienteringen
varierar från ett skikt närmast ytan där anisotropi dominerar mot mitten av formsprutgodset där isotropi dominerar. Av denna anledning är godsets mekaniska egenskaper ofta lägre än vad databladet anger för
det fyllda materialet. Fibrerna orsakar också
problem när det gäller krympning och skevning. Problem kan i viss mån avhjälpas
genom att tillsätta glassfärer. De mekaniska
egenskaperna försämras emellertid eftersom sfärernas har en mindre förstärkande
effekt än fibrerna.
Glassmälta ca 1300°C
Figur 3. Framställning av E-glasfibrer – ”strand” och roving.
den van ligaste härdplastkompositen är
glasfiberarmerad polyester. Kompositen
brukar på svenska benämnas AP, armerad
plast. Glaset är av typen natrium-borsilikatglas, E-glas (electroglas), som ger en billig
fiber. Det finns också en starkare och styvare fiber av S-glas men den används särskilt i
militära tillämpningar på grund av det höga
priset. R-glas är en civil variant av S-glas. Cglas är framför allt beständig i sur miljö.
Cemfil är handelsbeteckningen för en fibertyp som klarar den alkaliska miljön i
cement. Sammansättningen hos olika typer
av glas framgår av figur 2.
i tabell 1 görs en jämförelse mellan för-
stärkningen av en delkristallin och amorf
termoplast. I båda fallen ökar draghållfastheten och E-modulen vid normala temperaturer genom införande av förstärkande fyllmedel. Slagsegheten ökar vid införande av
förstärkningsmedel i den delkristallina
plasten PA 66 men minskar drastiskt i det
amorfa polykarbonatet. En viktig egenskap
är att HDT ökar kraftigt för delkristallina
plaster medan effekten är mycket liten för
amorfa plaster d v s användningstemperturen ökar kraftigt genom införande av förstärkande fyllnadsmedel i en delkristallin
termoplast men inte i en amorf termoplast.
glas är en blandning av i varandra lösliga
oxider, som blir sega då den kyls från smälta
utan att kristallisera. I de tekniska glasen
ingår kiselsyra (kvarts) som huvudbeståndsdel. Kvartsen har en hög smältpunkt
(1713 °C) och de övriga oxiderna tillsätts bl a
för att sänka smältpunkten. Den kontinuerligt framställda E-glaset fanns redan i slutet
av 30-talet men blev aktuell som armeringsmaterial i plast först 1942 då den började
användas tillsammans med omättad poly-
ester. En militär användning E-glasförstärkt
polyester under andra världskriget var som
skyddande radomer kring radarutrustningar.
e-glasfi brer tillverkas genom att spinna
smält glas genom fina dysor av platina
(spinnerets). Det smälta glaset har en temperatur av 1250°C. Glasfiberns diameter
varierar mellan 5 och 25 μm men är vanligen 9 till 13 μm för armering av härdplast.
Fibrernas diametrar bestäms av draghastigheten och smältans temperatur. Dysorna i
glasugnens botten ger 100 till 250 fibrer,
som förenas till ett rågarn (strand) som
påförs en appretur (size) enligt figur 3.
Appreturen fungerar som ett bindemedel,
som håller ihop och skyddar fiberknippet
då det t ex används vid vävning. Det bundna
fiberknippet (rågarnet) kyls och spolas upp
med hög hastighet på en spole, som brukar
kallas kaka. Fiberknippen kan vidare föras
samman i en s k roving, som spolas upp i
en större spole. Rovingen kan bestå av 50
sammanförda fiberknippen innehållande
200 glasfibrer enligt figur 3.
Figur 2. Kemisk sammansättning för olika glasfibrer.
Beteckning
Egenskap och
SiO2
tillämpning A-glas Vanligt glas
72
Al2O3
CaO
+ Fe2O3
-
10
MgO
Na2O
K2O
B2O3
TiO2
-
14
-
-
-
ZrO2
-
E-glas
Elektriskt och i AP
54
15
17
5
-
-
8
-
-
S-glas
Högmodul och styrka
65
25
-
10
-
-
-
-
-
C-glas
Korrosionsresistent
65
4
13
3
8
2
5
-
-
AR-glas
Alkaliresistent i betong
61
-
5
-
14
3
-
7
10
plastforum 2 2007 61
Bearbetning från A–Ö
Appreturen håller ihop fibrerna och innehåller bl a smörjmedel, antistatmedel och
adhesionsmedel. Appreturens sammansättning beror på vad fiberknippet ska
användas till. Adhesionsmedlet (coupling
agent) varierar med typen av matris men är
vanligen en silan med aktiva grupper i
ändarna. Den ena gruppen kopplas till glasfibern och den andra till den aktuella plasten.
Av rågarn och roving vävs standardiserade typer av tyg eller dukar. Garn eller roving
huggs också till kortare eller längre glasfiberknippen, som används i produker för
armering av härdplaster. Glasfiberprodukterna kan indelas i:
1. Korta fibrer
2. Huggna glasfiberknippen
3. Huggna glasfiberknippen i mattor
4. Vävar av roving eller garn
5. Ytmattor
Korta fibrer indelas i tre grupper: malda fibrer, korta fibrer och långa fibrer. Den första
gruppen är malda fibrer med längder mellan 0,03 mm och 3 mm. Dessa fibrer
används i härdplastmaterial som skall
formsprutas. Korta huggna glasfiberknippen har en längd av 6 mm. Fiberlängder,
som används i DMC och SMC är 3 till 12
mm och vid sprutning av AP används fibrer
som är 50 mm långa. De aktuella processerna kommer att beskrivas senare i denna
serie.
glasfibermattor tillverkas av huggna
fiberknippen, som binds ihop av ett med
matrisen kompatibelt hartssystem eller är
mekaniskt bundna i form av s k nålade mattor. Mattan är i det närmaste tvådimensionell med fibrerna slumpartat fördelade.
Fiberknippenas längd är normalt 50 mm.
Denna typ av armeringsmaterial är billigare
än vävar av glasfiber men matta och väv
förekommer även i kombination. Mattor
betecknas med vikten/ytan med värden
mellan 250 till 900 g/cm2. Vanligast är 450
g/cm2 i AP-konstruktioner.
rovi ngvävar används i laminat då man
önskar styrka i en viss riktning. Det finns
enkelriktade rovingvävar, som ger hög styrka i armeringsriktningen. Dubbelriktade
62 plastforum 2 2007
Glasfiber är gjort
av extremt fina
fibrer av glas, och
används ofta som
förstärkning i olika
plaster.
vävar ger styrka i ortogonala riktningar. Det
är svårt att åstadkomma en jämn ytstruktur
med vävar och det förekommer interlaminär svagheter i laminaten.
blir ojämnt eftersom längd och diameter
varierar. Fibertjockleken hamnar i området
1–20 μm. Stapelfibrer används bl a vid tillverkning av ytmattor.
garnvävar tillverkas som motsvarande
glasfi berarmerad polyester började
textilvaror. Man kan således tillverka glasfibertyger som inte brinner. Tunna vävar ger
laminat med hög draghållfasthet men är
dyrare att använda än de grövre rovingvävarna.
användas i på 1940-talet vid tillverkning av
skalkonstruktioner för mindre flyg och för
vissa detaljer i större flygplan. Den glasfiberarmerade polyestern var enklare att forma än aluminium men när det gällde styvheten var den jämförbar med aluminium.
Hela skalet hos små flygplan kunde visserligen byggas i glasfiberarmerad polyester
men i större flygplan blev materialet för
tungt och otympligt i jämförelse med aluminium. Man begränsade tillverkningen
till delar i större flygplan t ex roder och
spoilers.
ytmattor är mycket tunna glasfibermattor, som ofta tillverkas av ett kemiskt
beständigt glas. Mattan utgör tillsammans
med gelcoaten ytterskiktet i ett laminat.
Ytterskiktet ger en jämn yta utan genomslag av underliggande fibrer och med en
viss en kemisk resisten. Ytmattor har sällan
en vikt över 100 g/m2.
Förutom kontinuerlig glasfiber tillverkas
också s k stapelfiber genom att luft eller
ånga med högt tryck och hastighet riktas
mot en glassmälta, som spinns. Resultatet
Artikeln fortsätter i nästa
nummer, med bl a: Specifika
E-moduler och avancerade fibrer