Polymermaterialer • • • • ”Plast- gummimaterialer” Relativt stort spekter av egenskaper Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer, myknere og hjelpestoffer Det er bare noen få grunntyper som står for de største bruksvolumene 2 Generelt.

Download Report

Transcript Polymermaterialer • • • • ”Plast- gummimaterialer” Relativt stort spekter av egenskaper Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer, myknere og hjelpestoffer Det er bare noen få grunntyper som står for de største bruksvolumene 2 Generelt.

Polymermaterialer

• • • •

”Plast- gummimaterialer” Relativt stort spekter av egenskaper Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer, myknere og hjelpestoffer Det er bare noen få grunntyper som står for de største bruksvolumene

1

• • • •

Generelt om konstruksjonsmaterialer

Metaller

–

Høy E-modul, ganske høy fasthet, er oftest duktile (bøyelige, brekker ikke), tåler sterk kulde (unntak karbonstål som får sprøbrudd), mange metaller tåler høy temperatur over lang tid (herdet Aluminium dog maks 150

C)

–

er krystallinske (har kornstruktur) Polymerer

–

gjennomgås i det følgende Glasser og keramer

–

Alltid sprø, noen er meget harde og slitesterke, noen tåler høy temperatur over lang tid

–

glasser er amorfe, keramer er krystallinske Kompositter

–

En kombinasjon av materialer for å bedre egenskapene, eks. glassfiber armert plast, betong armert med stål, vevplast (to typer polymer), tre (naturlig kompositt)

2

Polymermaterialer, plast og gummi

• • • • • •

høymolekylære (har store, oftest lange molekyler) der en (eller noen få) relativt enkle deler gjentas et stort antall ganger aldri strengt repetert romslig struktur (de har ikke egentlige krystaller, slik som metaller og keramer) alle plast- og gummimaterialer er organiske molekyler (inneholder karbon) vesentlige temperaturbegrensninger, de tåler belastninger i området fra en del titalls kuldegrader til 150 – 300

C (kun noen meget få kan belastes utenom dette området).

alle unntatt fluorplastene er brennbare (selv om mange er selvslukkende når de brenner alene) de blir stive og glassaktige under en viss temperatur (som varierer avhengig av type)

3

Polymer

• • • • • • •

bygget opp av monomer-enheter, som er koblet sammen i store molekyler, ofte kjeder monomerene er organiske stoffer dvs. har de karbon som grunnlagsatomer alltid kovalente bindinger internt i molekylene alle unntatt PTFE har hydrogen det er også vanlig med oksygen PVC har også klor

•

Forkortelsene er standardiserte for mange av plastene. Eks.:

–

PE: polyetylen, PP: polypropylen, PVC: polyvinylklorid, PTFE: polytetrafluoretylen som er generiske navn

•

I tillegg har plastene handelsnavn: ”Lakovyl” (PVC fra Elf Atochem), ”Geon” (PVC fra PolyOne),

4

Polymer, et enkelt eksempel

H C H = H C  H H C H H C H  H C H H C H H C H H C H etylen gass monomer polymerirsering gir polyetylen, (eten) (radikal) i reaktor     H C H H C H    

n n

    

n

2 2  n -CH 2 

Polyetylen (PE), en polymer med enkel molekylkjemi

Forskjellige måter å beskrive kjemien i polyetylen. Den repeterende enheten utgjøres av en reagert etylen-enhet ( E = -CH -CH 2 2 ).

n

 .

5

Polymer, et enkelt eksempel

• • • • • •

Polyetylen, forkortelse: PE lange, lineære eller forgrenede kjeder (lages i flere varianter) høymolekylært, eks. på molekylvekt 28∙10000 = 280000 stor spredning i molekylvekt (280000 er gj.snitt) gjennom reaktorprosessen søker man å regulere

–

middelmolekyvekt

– –

spredningen av molekylvekten (standardavviket) graden av forgreninger dette av hensyn til produktets

– –

reologiske egenskaper (under utstøping) mekaniske egenskaper – som produkt

6

Polymertyper, kjemisk

•

Funksjonelle grupper

    X C X X C X    

n

X=H: polyetylen X=F: polytetrafluoretylen, PTFE      H C H X C H     

n

X=CH : polypropylen, PP 3 X=Cl: polyvinylklorid, PVC X=CN: polyakrylonitril X=OCOCH : polyvinylacetat, PVAc 3 X=C H (benzen), polystyren, PS 6 6

7

Polymertyper, kjemisk

•

Funksjonelle grupper

    H C H X C Y    

n

X=Y=CH , poly-isobutylen, bytulgummi 3 X=CH , Y=COOCH : polymetyl metakrylat, PMMA 3 3

8

H 2 C

Polymerisasjon I

Int H 2 C CH 2 + Int* H 2 C Int + H 2 C CH 2 H 2 C Int Int H 2 C Int + H 2 C CH 2 H 2 C Int CH 2 + H 2 C Int Int Int

PE dannes ved addisjonspolymerisasjon Det starter med at et initiator-radikal (Int*, delmolekyl med fritt elektronpar, som er meget reaktivt) reagerer slik at dobbeltbindingen åpnes. Derved oppstår et nytt radikal = en reaktiv ende, som så kobler et nytt etylenmolekyl, osv., inntil det tilfeldigvis skjer en terminering Gjennomsnittlig kjedelengde bestemmes av initiatortype, konsentrasjon og trykk/temperatur

9

Et eksempel på initiator

O O O O O O + O O

Benzoylperoksyd (difenylperoxyanhydrid) er et reaktivt stoff, spaltes av varming eller UV-bestråling til to frie radikaler (delmolekyl med et fritt elektronpar), som så initierer addisjonspolymerisasjonen. Spalting: Int-Int

Int* + Int*

10

Polymerisasjon II

OH R 1 OH

Polymerisasjon (forskjellige typer) kan finne sted i tørr kjemiske reaktorer eller vann/dispersjons reaktorer ---------------------

OH H O OH R 1 + O OH + O R 2 O O R 2 O H 2 O

11

Kondensasjon, kjemisk sammenkobling ved at et lite molekyl spaltes fra, her: esterdannelse, polyestertype.

(Forklar kjemien. R 1 og R 2 er organiske delmolekyler, hva skjer videre for å få en polymer?)

Kjemiske bindinger i polymerer

•

Internt i molekylkjedene er bindingen:

–

kovalent

–

evt. varianten polar kovalent

•

Fra molekylkjede til molekylkjede (eller til et annet sted på seg selv – ved buktninger, er det:

–

Van der Waalske krefter , bindinger, molekylbindinger

–

evt. forsterkede molekylbindinger pga. polarkovalente bindinger

–

evt. hydrogenbindinger (når det er H og N, O eller F)

12

Kjemiske bindinger i polymerer (Eks. PE) 13

Kovalente bindinger fra atom til atom internt i molekylet Molekylbindinger (Van der Waahlske bindinger) mellom molekylkjedene CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2

Bindingsmorfologi To hovedtyper av polymerer

• • •

Termoplaster Distinkte, men svært lange kjeder,

– –

uten forgreninger eller med forgreninger Disse kan i prinsippet smeltes, presstøpes, sveises

–

(en del av dem brytes dog ned samtidig med smeltingen, enkelte er svært tyktflytende)

• • •

Herdeplaster og elastomerer kortere kjeder som bindes sammen i herdereaksjonen, ”kryssbindinger” Herdeplaster og elastomerer en vesentlige kjemiske forskjell:

– –

Herdeplaster har svært mange kryssbindinger Elastomerer få kryssbindinger, med stor avstand

14

T. Meland

Termoplast, herdeplast og elatostomer 15

16 Herdeplast, et eksempel

O

.......

H O O H

G

CH 2 H 2 C CH C

P

OH H O C O H O H 2 C O

G

CH CH 2 O H C OH

P

OH C OH O O H O H O H 2 C

.......

G

CH CH 2 OH C OH OH

P

OH C

.......

P

P G G P P G G P P P G G O O H OH CH 2 CH H 2 C

G

OH P P G P P G P G P P

P .......

G P P G P G G G P G P G P P P P P G

Polymerisasjon og kryssbindingsdannelse av en herdeplastpolyester. Eksempel

 Den to-verdige ftalsyren (betegnet P) reagerer med glycerol (betegnet G), som er en tre-verdig alkohol.  Esterreaksjonen skjer oftere (lettere) med ende hydroksylgruppene (-OH) i glycerol enn med den midtstilte hydroksylgruppen.   Strukturen blir dermed kjeder av moderat lengde sammenkoblet noen steder med en kryssbinding. Reagensene kan danne ferdig polymer i ett trinn, men det er ofte praktisk å stoppe reaksjonen ved moderat molekylstørrelse mens blandingen fortsatt er flytende (tyktflytende), en såkalt ”harpiks” (harz eller resin).  Det meste av vannet er da ute av blandingen og tilstetting av litt mer reagens (ftalsyre (P) og et vannsugende (vannreagerende) stoff vil starte reaksjonen som binder alt sammen til et fast stoff uten at store vannmengder må fjernes.  Stoffblandingen som tilsettes for å få i gang stivne-prosessen betegnes da som en ”herder”. Brydson

Omvandlingstemperaturer for polymerer

•

Avhengig av temperaturen kan polymermolekyler

–

gli mot hverandre, hvis de ikke er kryssbundne

– – –

gli begrenset dersom det er kryssbindinger rotere om enkeltbindinger i kjedene ingen av delene, men være i stivnet tilstand

• • • • •

Følgende temperaturer skiller dette: T g : Glassomvandlingstemperaturen, et nok så snevert temperaturintervall med stor endring i E-modul T m : Smeltetemperaturen, oftest en gradvis smelting til tyktflytende væske (termoplaster). Nedbrytingstemeperaturen, dvs. ødeleggelse av polymerkjedene T m angis som smelteindeks, dvs. den temperaturen som gir en viss viskositet (termoplaster)

17

E-modulen og glassomvandling i polymerer

log

E

E-modulen faller kraftig ved T

g

E/modul 1 GPa 100 10 1 MPa

T

 

T g T m

18

V sp

  cm 3 g  

Glassomvandling i polymerer Termiske endringer avslører indre prosesser 19

Fritt volum hurtig meget langsom 1

T

 

T g

Påvisning av T g ved endringer i spesifikt volum, Hurtig og meget langsom avkjøling (T.Meland)

• • • • • •

Over T g øker varmeutvidelsen. Molekylene har bevegelighet og kan rotere om enkeltbindinger.

E-modulen faller kraftig ved overskridelse av T g Harde plaster (eks. plexiglass – PMMA – brukes ved temp. under sin T g .

Herdeplaster benyttes kun ved temp. under T g Myke plaster og gummi brukes ved temp. over sin T g Maling og lakk har også T g befinner seg under sin T herding / stivning g , de etter

Et eksempel, Omvandlingstemperaturer PMMA 20

PMMA, ”plexiglass” (en termoplast) E-modulen faller kraftig ved T g . Ved romtemperatur er langtids-e-modulen ca 1,5 GPa (10 8 s, ca 3 år), mens korttids-E-modulen (1 s) er 5-6 GPa. Materialet er ennå stivere ved slag (10 -2 s) Det er typisk for plast at det er stor forskjell på E-modulen for kortvarig og langvarig belastning.

PMMA er ubrukelig ved T>T g Ashby & Jones

En moderne termoplast

At Fakuma 2002 next month Victrex will showcase its recently introduced Victrex PEEK-HT polymer for extreme heat applications. With a glass transition temperature of 157C and a melting temperature of 374C, Victrex Peek-HT polymer extends the high temperature performance of the company's natural Peek polymer. Available in powder or granules, this latest addition to the Victrex Peek portfolio also offers the polymer's inherent exceptional toughness, strength, chemical resistance and low flammability.

http://www.engineeringtalk.com/news/vic/vic122.html

Hva nå?

Er det noen knagger her?

PEEK

Polyeter-eter-keton ICI 1977 – Nå Victrex ®

T g

 144 °C,

T m

 355 °C (Brydson) O O Termoplastisk? O n

21

22

Plast i bygg 23

Variasjoner i polymerer. Kjedelengde 24

Kjedelengde, molekylvekt

 Ved polymerisasjonen vokser og terminerer molekylkjedene tilfeldig ut fra hvordan reagensene kommer i kontakt med Relativ mengde (%) B     hverandre. I en polymer vil det derfor være både kortere og lengre kjeder. Enhver polymer kan karakteriseres ved

gjennomsnittlig molekylvekt

eller gjennomsnittlig antall monomerer i kjeden et

spredningsmål

for molekylvekt eller antall monomerer i A

M

A

M

B Molekylvekt kjedene, for eksempel standardavvik. Disse parametrene har også betydelig innvirkning på polymerens egenskaper, både

Molekylvektsfordeling (prinsipielt)

mht. støpbarhet / bearbeidbarhet og styrke. A: Lav molekylvekt, stor spredning B: Høyere molekylvekt, mindre spredning

Eksempel: Typer av PE

 Uforgrende kjeder eller forgrende kjeder  (mindre bredde på kurven) Kjedelengde (gjennomsnit) og variasjon (spredning i kjedelengde)   Lange og uforgrende kjeder: HDPE eller UHDPE (dyrere, bedre egenskaper) kortere og forgrende kjeder (billigere, plastposer, vanlige folier)

Variasjoner i polymerer, grad av Krystallinitet

• • • • • •

Polymermaterialer er

–

Enten amorfe

–

eller semikrystallinske Avhengig av polymertype (funksjonelle grupper, kjedelengde, forgreningshyppighet) kan polymermolekylene få en mer eller mindre regelmessig, spiralformet oppkveiling (sfærulitter) Dette betegnes krystallinitet. Krystalliniteten oppstår ved rolig avkjøling i polymerer med regelmessige molekylkjeder (dersom underkjølingen ikke passerer T g ) I HDPE (High Density PE, ganske lange, uforgrenede kjeder) kan opp til 80% av massen være ”krystallinsk” Høy krystallinitet gir økt E-modul og økt tetthet og (hvis den er smeltbar) et snevrere smelteintervall, samt bedre diffusjonstetthet.

Krystallinske polymerer er opake (matt-hvite), mens de amorfe er glassklare

25

Hva er krystallinitet?

ikke krystall i egenlig forstand http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm

sfærulitter i blanding av PVDF og PHB (Prof. Herve Marand, VPISU)

26

Variasjoner i polymerer. Flere forskjellige monomerer i samme polymerer, ”kopolymer” 27

• •

Det er laget en rekke blandede polymerer, disse kalles ”kopolymerer” Kopolymertyper: La A og B være to monomerer

–

..AABBABBAAAABBBAAAB.. :tilfeldig

–

..ABABABABABABABA...

:alternerende

–

..AAA..ABBB..BAAA..ABBB.B.. :blokk

–

BBBB..

..AAAA......AAAA......AAAA

BBBB..

BBBB..

:podet

Edward Goo, USC

28

T. Meland

Kopolymerer gir mulighet for å ”skreddersy” egenskapene

• •

Kopolymerer har mindre tydelige overgangstemperaturer blokk- og pode kopolymerer gir to-fasestruktur, som utnyttes til å få bedre kombinasjon av seig og stiv polymer over et bredere temperaturintervall, idet den ene fasen er under og den andre over T g

29

Mange polymermaterialer har tilsatsstoffer

• • • • • • • • • •

Stabilisatorer (antioksidanter = oksygenfangere, UV-filtre) Pigmenter (farge og lys/UV-beskyttelse) Antistatika Friksjonsreduserende Myknere (plasticisers – Med 30 - 40%ftalater el.a. oppnås i PVC E t ved 100% tøyning, bøybarhet ned mot -40

C ) = 7,5 MPa Ekstendere (Billigere stoffer som kan erstatte noe av mykneren) Fyllstoffer (F.eks. kalkmel som drøyer PVC og øker slitasjemotstanden) Lubrikanter (Ofte stearater i PVC, hindrer verktøyklebing) Armeringsmaterialer – for kompositter Blåse- /skummingsmidler – for skumstoffer

30

PVC uten mykner

Polyvinylklorid (PVC) er et av de polymermaterialene som produseres i størst tonnasje. C-Cl –bindingen er polar, det gir ladningsseparasjon (merket C +   Cl  ) Molekylbindingene blir derfor ganske sterke pga. at ladningene tiltrekker hverandre, PVC er en helt stivt og sprø plast. Cl Cl Cl + CH 2 H C + CH 2 H C + CH 2 H C CH 2 CH 2 H C + CH 2 H C + CH 2 H C + CH 2 H C CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl + CH 2 H C Cl CH 2 Cl Cl Cl Cl Polariserte kovalente bindinger mellom C og Cl i PVC fører til relativt sterke bindinger mellom PVC-molekylene

+ + + + + + + + + +

31

PVC er i praksis alltid tilsatt mykner 32

+ + + + + + + +

O

+

O + CH 3 + CH 3

+ + + + -

Mykneren stedvis bryter opp bindingene melom PVC - molekylene Mykneren bryter stedvis opp den polare tiltrekningen mellom molekylkjenene Når PVC brukes i praksis tilsettes den alltid mykner (her vist dimetylftalat). Mykneren er lavmolekylær og polar. Den legger seg mellom PVC-molekylene og gir bevegelighet slik at PVC’en blir myk. 10 – 40 % mykner, E-modul kan senkes fra 3 GPa til ned mot 5 MPa

Polymerer har viskoelastisitet, gir siging, belastningstiden må tas i betraktning 33

Figur 1. Spenning-tøyningskurver for en termoplast (polyamid PA612-type).

Handelsnavn ”Vestamid D” (et polykondensasjonsprodukt av en diamin og en dikarboksylsyre, ”Nylon”-type), produsent: Degussa AG. Leveres som granulat for bla. sprøytestøping. /1/, /2/ 1 CampusPlastics, www.CampusPlastics.com 2 Degussa AG: http://www.degussa-hpp.com

Skadeutvikling i polymerer

”Crazing” = krakelering, plasten blir hvit-matt, eller gråhvit

34

Strekking, høymodul-polymerfibre

Ved varming til litt under T m kan termoplastiske polymerer strekkes til fibrer med høy E modul. PE kan oppnå E-modul over 30 GPa ved strekking.

Utnyttes i fibere (fiskesnøre, tauverk, vevplast)

35

Et 0,2 mm fiskesnøre har bruddstyrke 2 kg Hva er bruddspenningen? Eksempel: Trilene®, XT (Berkeley) Navnet Trilene brukes om flere forskjellige polymerer, polypropylen, polyetylenkopolymerer og EPDM. (Navnet er registrert for forskjellige polymertyper forskjellige steder i verden)

Ashby & Jones

Termoplaster

• • •

Fås ofte som granulat mange kan smeltes og dermed støpes (eks. rotasjonsstøping) Termoforming er også vanlig. Det må da benyttes trykk eller formepress etter en oppvarming til litt under T m . Egenskapsanisotropi er vanlig pga. retting av molekyler (bla. sterkt økt E-modul langs rettede molekyler)

36

Amorf termoplast

• •

Typisk T g omkring 80

C Eks. polymetylmetakrylat (PMMA) – ”pleksiglass”, polystyren (PS), akrylnitril-butadien-styren (ABS)

• •

Disse er ofte billige, ikke god slagfasthet, god sigefasthet, lavt støpekrymp de fleste har dårlig kjemikaliebestandighet

•

Svarte eller fargede rør, avløpsrørsystemer, bøtter, kar (PE eller PP kopolymer). Grunnmursplast (ABS). Gulvbelegg (PVC – overtrukket med PE-hinne)

37

Krystallinske termoplaster

• • • • • • • • •

40 – 90% krystallinitet typisk T g under 0

C Eks. polyetylentereftalat (Langsom størknet PET – termoplastisk polyester) og polykarbonat (PC), polyetylen (PE) og polypropylen (PP) God seighet og slagfasthet Gode utmattingsegenskaper Dårligere sigeegenskaper God kjemikaliebestandighet Lavere avkjølingshastighet gir høyere krystallinitet Lavere molekylvekt gir høyere krystallinitet

•

Mekanismer, motordeler – obs: skal ikke stå med varig last!

38

Herdeplaster

• • • •

Oppstår kjemisk i formen Eks.

–

umettet polyester (UP en ”resin”, ”harpiks” tilsettes små mengder reaksjonsinitiator ”herder”)

–

epoxy (EP, to-komponent, to forskjellige stoffer danner en kryssbundet struktur under herdingen, som kan initieres kjemisk eller ved oppvarming)

– –

Aminoplast (urea, melamin mm) fenolplast lav bruddtøyning, likevel relativt god slagfasthet meget god sigemotstand (som plast betraktet)

39

•

El kontakter og komponenter, ”finere” plastkopper/tallerkener, taper dog terreng til nyere termoplaster

Elastomerer

• • • • • •

Meget lav T g , typisk -80

C, har kryssbindinger Eks

– –

polyisopren (PI – naturgummi, kryssbindes med svovel – (Goodyear), ”vulkanisering”). polyisobutylen (PIB – butylgummi) svært god utmattings- og slagfasthet bruddtøyning ofte flere hundre prosent Bearbeides ved pressforming før herding (kryssbinding) ofte lysfølsomme, tilsettes da svarte stoffer (carbon black (= ”sot”) eller grafitt)

•

Det lages nå en del elastomerer med reversible kryssbindinger, dvs. de er smeltbare (særlig polyuretan, PU, eks. skosåler, slanger, pakninger, ruller/valser.

40

Polymerer, kategorier - oppsummering

• • • • • • • • •

Generelle parametere: Molekylvekt, molekylvektfordeling (M min , M max , M snitt , M median , standardavvik, OBS: monomerantalls- eller massefraksjonsberte tall ! ) Lineære, amorfe Forgrenede (amorfe) Krystallinske (lineære), krystallinitetsgrad Rettede molekylkjeder, fibere Flytende krystall polymerer Kryssbundne, tetthet i kyssbindinger Kopolymerer Polymerblandinger

•

Spesialvariant: kryssbundet PE (PEX), for eksempel i vannledninger (rør i rør)

41

Polymerers egenskaper, oppsummering

• • • • • • •

Lav Densitet Strekkfastheten er lav - moderat Lav E-modul uten spesielle tiltak 800 – 2000 kg/m 3 10 – 100 MPa under 4 GPa Snevert brukstemperatur under belastning -50 – +200

C (silikoner -100

C, bildekk -80

C, Høytemperaturpolymerer +270

C) Svært varierende materialpris fra 3 x oljeprisen (PVC, PP) til kostbare spesialmaterialer.

Alle polymermaterialer er viskoelastiske, dvs. bruddstyrkes er avhengig av belastningstid. Altså, tillatt spenning er avhengig av

–

polymertype, temperatur, belastningstid og kjemisk miljø

42

komposittmaterialer

• • •

Partikkelkompositter Fiberkompositter Laminater, sandwich

•

To faser: den diskontinuerlige (fiber, kort fiber, partikler) og den kontinuerlige fasen, ”matriks” (matrisen)

• • •

Generelt: Metallmatriks, MMC Kerammatriks, bla. betong Plastmatriks

43

Plastkompositter

• • • •

Partikkelfylte Kalk, andre mineraler, trespon Bedre slitasjesegenskaper, høyere E-modul nedsatt strekkstyrke – brukes ofte i kraftig gods Gummipartikler gir lavere E-modul, bedret seighet og økt slagfasthet

44

Firberarmert plast, AP, (GRP og CFRP)

• • • •

Fibertyper Strukne termoplaster

–

E-modul 25-30 GPa, lav densitet

–

Brukseksempel: vevplast E-glass, R-glass, S-glass

–

E-modul 50 85 GPa, høy densitet 2500 kg/m 3

–

Bruk: plastbåter, industritanker, ski, bokser – ikke spesielt dyrt Karbonfiber

–

E-modul 200-600 GPa, lav densitet, sprø fiber, anisotrop fiber

–

Bruk: ”Avanserte” kompositter, flydeler, spesielle seilbåter, romteknologi, fiskestenger. Dyre ting.

Aramid (”kevlar”)

–

E modul 130 GPa, lang bruddtøyning

–

Bruk: Slagfaste kompositter, dyre ting

45

Plastkompositt, matriks

• •

Termoplaster – må impregneres på fiberen. Fiberen kan veves (rowing) og materialet oppstår ved sammenpressing og varming Herdeplaster

– –

Umettet polyester. Smøres eller sprøytes på fiberen mot en form. Fiberen kan også hogges og sprøytes sammen med polyesteren. Herding starter med det samme.

Epoxy. Kan smøres på, fiberen kan trekkes gjennom et epoxy bad og vikles på formen, eller epoxy kan være for-impregnert på fibermatten (”prepreg”). Må varmes til herding. (Prepreg varmes til 160

C)

46

Fiberarmert plast, egenskaper

• • • • • • • •

Høy E-modul Sterkt i ønsket retning, fibrene kan legges det er ønskelig Overordnet dimensjoneringskriterium: max tøyning ca 0,2% pga faren for mikroriss og fiberslipp Matriks bestemmer

–

Stivhet og fastheter ut av planet, brukstemperatur og kjemikaliefasthet Fibere bestemmer

– –

Stivhet og fastheter i planet Forskyvningsegenskaper

–

Varmeutvidelser Laminater legges opp for eksempel 0/90

, ±45

, -60/0/60

ønskede egenskaper Profiler kan lager ved “pultrusion” ut fra Sammenføyninger er alltid en utfordring

–

det er vanlig å lime, limet er alltid mye mykere enn kompositten, det er viktig å designe med lave spenninger I sammenføyningene

47

Sandwichkonstruksjoner

•

To tynne hudplater holdes i en viss avstand av fyllmateriale, ”kjerne”.

• •

Hud: Metall, GAP-plater, trefiber etc Kjerne: skum, ”honeycomb” (6-kanter i aluminium eller papp), balsa

•

Virkemåte: Økt steghøyde gir bøye- og vridningsstivhet

•

Kritisk: Alle spenninger ut av planet, dvs. innfestinger, hjørner og alle sidelaster.

48

http://www.msm.cam.ac.uk/mmc/research/steelshee t/sandwichbase/principlesofsandwiches.htm

Honeycomb Sandwichkonstruksjoner 49

•

To tynne hudplater holdes i en viss avstand av fyllmateriale, ”kjerne”.

• •

Hud: Metall, GAP-plater, trefiber etc Kjerne: skum, ”honeycomb” (6-kanter i aluminium eller papp), balsa

•

Kritisk: Alle spenninger ut av planet, dvs. innfestinger, hjørner og alle sidelaster.

http://www.mtm.kuleuven.ac.be/Research/C2/poly/FoldHex.htm

Silikoner (Siloksaner)

H 3 C R Si CH 3 CH 3 Silan-monomer H 3 C R Si O CH 3 O Si R Si O CH 3 O Si R Si CH 3 CH 3 R CH 3 R CH 3 R kan være ammin, carboksy, hydroksy etc.

Kryssbindinger er mulig til elastomerer (silikongummi) Oksygen-kobling til silikon-polymer (siloksaner) n  1000

50

Silikoner

• •

Har større temperaturområde enn vanlige polymerer Hydrofobe (og dermed vanntette), men ikke gasstette

51

http://www.dowcorning.com/content/rubber/silicone-rubber.asp

Adhesiver (lim)

• • •

Epoxy adhesiver

– – –

Varmeherdende film eller to-koponent pasta oftest OK -50 – 90

C Mange typer – El. Isolerende, el. ledende, termisk ledende etc. samt høytemperatur-tolerante (170

C) Silikon

– –

For adhesiver og tetting Tg -75

C (dimetyl-silikoner) -120 silikoner)

C (metyl-fenyl Polyuretan

–

To-komponent pasta adhesiver, herder ved 80

C

–

Finnes i høy- og lav Tg

52

Bestandighet av polymerer

•

Nedbryting av lys, særlig UV-lys

–

Epoxy er spesielt utsatt. Plaster brytes ned kjemisk av fotonets energi. Molekylkjedebrudd gir svakere materiale. Det kan også oppstå økt antall kryssbindinger, som fører til økt sprøhet.

–

Motvirkes av pigmenter, jfr. carbon black i gummi eller en pigmentrik hinne av mer bestandig plast

–

Det finnes også egen UV-absorberende stoffer

53

Bestandighet av polymerer

• •

Nedbryting av oksygen og ozon

–

Bryter molekylkjeder gjennom oksidasjon. Ozon, O 3 , er mye kraftigere enn vanlig oksygen, O 2 . En del gummiarter er spesielt utsatt når de er utstrekte.

Temperatur, degradering ved oppvarming

–

Generelt øker alle kjemiske rasjoner med en 2-3 faktor for hver 10 grader økt temperatur. I tillegg kommer den økte viskoelastisiteten, dvs. siging.

54

Bestandighet av polymerer

•

Nedbryting pga. av vann

–

Bryter ned plaster ved hydrolyse, dvs. spalting av molekylkjeder.

–

Rent alifatiske plaster (PE, PP) er hydrofobe og tar ikke til seg vann. De er også diffusjonstette.

–

Plaster med polare bindinger (polyestere, PVC mfl.) er mer hydrofile og brytes ned av ved hydrolyse. De er dessuten ikke diffusjonstette.

55

•

Kombinasjon ”vær og vind” kan gi akselererte effekter, synergieffekter.

Bestandighet av polymerer

• • • •

Andre forhold Nedbryting av løsemidler:

– –

PE og PP er meget bestandige.

PVC, PS og gummier påvirkes sterkt (”sveller”) av f.eks. xylen (”tynner”, ”lynol”) og aceton, men langt mindre av alifatiske løsemidler (som ”white sprit”) eller alkoholer (”rødsprit”). PVC er tilsatt myknere, som kan vaskes ut, hvoretter materialet blir sprøtt.

Gasser. NOx vil over tid gi kjemiske nedbrytning Smuss. Mange partikler forsterker virkningen av UV-lys Sopp og bakterier. Kan ikke nyttiggjøre seg de vanlige plaststoffene, men stoffskifteprodukter kan gi kjemiske nedbryting.

56

Bestandighet av polymerer

•

Polyetylen, PE

–

Har meget god bestandighet mot vann, løsemidler og betong.

–

Brytes dog ned over tid av UV-lys. Beskyttes gjerne med carbon black.

–

Brukes i diffusjonssperre, vannrør, takrennesystemer mm.

57

•

Polypropylen, PP

–

Mer utsatt for UV-lys. Meget god bestandighet mot vann og løsemidler

–

Brukes i avløpssystemer

Plast og brann 58

Plast og brann Hva med dette?

59

Under diskusjon: ”Bruk av skumplastisolasjon på korrugert stålplatetak, kan benyttes dersom stålplatetaket tolkes dekt av veiledningens krav til ”ubrennbart underlag”…”

http://www.spartech.com/product_transformations/construction.html

Erstatning for tre?

60

Hvilken plast?

Benytt ”Plastic-lumberyard” og sammenlign med tre: Mekaniske egenskaper? (1000 psi = 1 ksi = 6.895 MPa) Temperaturfasthet?

Værbestandighet?

Brannmotstand?

Vekt / tyngde?

Pris?

http://www.plasticlumberyard.com/