Transcript włókna aramidowe, HDPE, nieorganiczne

Materiały wzmacniające: włókna
aramidowe, HDPE, nieorganiczne,
bazaltowe, naturalne (roślinne),
napełniacze ziarniste
Jakub Gołojuch
Włókna aramidowe
Aramidy to rodzaje polimerów, z których
wytwarzane są różnego rodzaju włókna.
Typy włókien aramidowych: Nomex, Kevlar i
Twaron
Na rynku znajdują się 3 typy włókien Kevlar:
• Kevlar RI – włókno przeznaczone specjalnie do
wzmacniania gum, opon, pasów klinowych itp.,
• Kevlar 29 – włókno przeznaczone do różnych
zastosowań przemysłowych, jak: tkaniny i taśmy
powlekane, zamiana włókien azbestowych w różnych
wyrobach, wytwarzanie tłoczyw i termoplastów
wzmocnionych.
• Kevlar 49- włókno o dużym module i dużej
wytrzymałości przeznaczone do wyrobu kompozytów
konstrukcyjnych stosowanych w technice lotniczej,
morskiej, rakietowej i specjalnego sprzętu sportowego,
czyli tam , gdzie potrzebna jest duża sztywność i
wytrzymałość konstrukcji oraz jej lekkość.
Struktura włókna Kevlar 49 z poliamidami aromatycznymi;
1. krystality; 2. warstwy poprzeczne; 3. warstwa naskórkowa
Włókna Kevlar nie topią się i nie palą. Ich
odporność chemiczna jest duża z wyjątkiem
odporności na działanie mocnych kwasów
nieorganicznych i zasad. Wilgoć wpływa tylko
nieznacznie
na
ich
właściwości
fizykochemiczne. Wodochłonność jest jednak
spora (do ok.7%)więc przed nasyceniem
włókna polimerami (żywicami) należy je suszyć.
Są one jednak czułe na promienie UV, ale
dodatek stabilizatorów wpływ ten znacznie
redukuje.
1.) Wytrzymałość włókien w paśmie zaipregnowanym żywicą
Porównanie właściwości włókien
Kevlar z innymi włóknami
Włókna aramidowe zastosowanie:
Włókna bazaltowe:
Wytwarzane na drodze topienia i
formowania
stopionych
skał
bazaltowych. Charakteryzują się duża
odpornością chemiczną oraz mogą być
stosowane w szerokim zakresie
temperatur. Tkaniny wytworzone z
włókien bazaltowych stosuje się jako
elementy wzmacniające w osnowach
żywic epoksydowych , poliestrowych,
winyloestrowych i poliuretanowych.
Włókna polietylenowe o dużej
wytrzymałości:
• Wytwarzane są z polietylenu o szczególnie dużym
ciężarze cząsteczkowym. Łańcuchy tego
polietylenu są bardzo długie. Włókna te cechują
się dużą wytrzymałością na rozciąganie i dużym
modułem sprężystości
• Zastosowanie: elementy elektrotechniczne,
obudowy radarowe, hełmy ochronne
motocyklistów i sportowców, kamizelki
kuloodporne i tarcze ochronne, w produkcji lin
okrętowych, tkanin żaglowych, sieci i siatek.
Włókna nieorganiczne:
Włókna borowe
Uzyskuje się je w wyniku osadzania boru z fazy
gazowej na podkładce z włókna metalowego lub
na włóknach węglowych. Osadzanie realizowane
jest poprzez rozkład chlorku boru w
temperaturze 1300oC.
Mikrografia włókna
borowego
• Włókna borowe charakteryzują się, w
porównaniu z innymi włóknami największą
średnicą dochodzącą nawet do 150
mikrometrów.
• Włókna borowe mają bardzo wysokie
właściwości wytrzymałościowe, równocześnie
są dość drogie.
• Są one stosowane w przypadku gdy
wymagane są specjalne właściwości
wytrzymałościowe i sztywnościowe. Stosuje
się je głównie do zbrojenia kompozytów w
osnowie metalowej.
Włókna z węglika krzemu (SiC):
węglik krzemu jest bardzo twardy i podobnie jak
pierwiastkowy bor cechuje się dużą
wytrzymałością mechaniczną i nietopliwością.
SiC jest przy tym bardziej odporny chemicznie
niż bor.
Wyróżniamy 3 rodzaje włókien SiC:
• -włókna rdzeniowe,
• -włókna z samego SiC
• -włókna węglowe pokryte cienką warstewką
SiC
Włókna metaliczne:
Wytwarzane z metali i ich stopów. Ich
właściwości są zależne od metod wytwarzania,
składu oraz temperaturowych parametrów
procesu produkcyjnego.
Charakteryzują się
dobrymi właściwościami mechanicznymi, dużym
modułem sprężystości, dużym wydłużeniem przy
zerwaniu oraz dobra adhezją na granicy metalpolimer. Ich wada niewątpliwie jest wysoka cena
i duża gęstość (np. dla włókien stalowych wynosi
7,8 g/cm3).
Włókna monokrystaliczne (ang.
Whiskers):
• Whiskery są monokryształami metali , ich
tlenków, azotków, węglika krzemu i boru, grafitu ,
a także niektórych związków organicznych, np.
celulozy. Włókna te mają kształt
wydłużony(stosunek długości do grubości wynosi
co najmniej 10:1) i bardzo małe wymiary-grubość
poniżej 1 lub kilku mikrometrów. Ich
wytrzymałość mechaniczna jest bardzo duża i
odpowiada wytrzymałości wiązań
międzyatomowych w sieci kryształu o doskonałej
budowie.
Zależność wytrzymałości od grubości
whiskerów
Właściwości różnych włókien
monokrystalicznych
• Whiskery mają przekrój poprzeczny różny od
kołowego. Typowe przekroje są romboidalne,
trójkątne lub sześciokątne. (liczby oznaczają
stosunek powierzchni włókien o różnym kształcie
do jego objętości przy tej samej masie.)
Mikrowłókna:
Wyróżniamy:
• -włókna Fybex - pierwsze sztucznie otrzymywane mikrowłókna (początek
70 lat XX w.). Średnica mniejsza od 1 mikrometra, chemicznie jest to
tytanian potasu.
• -Dawsonit – te mikrowłókna mają charakter chemiczny alkalicznego
węglanu sodowo-glinkowego. W kompozytach wykazują oprócz działania
wzmacniającego także działanie uniepalniające.
• -włókna Franklina – zbudowane z siarczanu(VI) wapnia, maja średnice 2-3
mikrometrów. Charakteryzują się niezłymi właściwościami mechanicznymi,
dobrą stabilnością cieplną, całkowitą nieszkodliwością biologiczną. Wadą
jest ich podatność na działanie wody. Są stosunkowo tanie.
• -włókna fosforanowe – chemicznie jest to metafosforan sodowowapniowy. Włókna o średnicy 1-5 mikrometra, bardzo wytrzymałe,
niełamliwe, niepylące.
• -Mikrowłókna z żużla – tanie włókna o średnicy 2-5 mikrometra,
otrzymuje się je przez rozdmuchanie , np. żużla wielkopiecowego.
Posiadają strukturę amorficzną, pomimo słabych właściwości
mechanicznych znajdują zastosowanie do wzmacniania kompozytów
polimerowych zarówno z termoplastów, jak i polimerów
termoutwardzalnych.
Krótkie włókna mineralne z
materiałów naturalnych:
• - Włókna azbestowe – podstawowymi właściwościami tych
włókien są: duża wytrzymałość mechaniczna, odporność
cieplna, niepalność i dobre właściwości elektryczne. Były
one popularne do wytwarzania polimerowych kompozycji
ciernych, np. okładzin hamulcowych. Jednak stwierdzone
działania rakotwórcze azbestu spowodowały wycofanie go
ze stosowania w przemyśle( ich zamiennikami są obecnie
włókna kevlarowe)
• - Wollastonit – włóknisty materiał pochodzenia
naturalnego o składzie chemicznym metakrzemianu
wapnia. Biologicznie bezpieczny. Stosowany jako napełniacz
wzmacniający żywice m.in. Epoksydowe i poliestrowe.
Włókna azbestowe
Włókna cięte i mielone:
Ten typ wzmocnienia otrzymywany jest z włókien
ciągłych: szklanych, węglowych i metalicznych.
• Włókna cięte otrzymywane są zazwyczaj przez cięcie
pasm włókien ciągłych zawierających w pasmach wiele
monowłókien. Włókna cięte są stosowane jako
wzmocnienie tłoczyw termoutwardzalnych np.
poliestrowych i epoksydowych, a także różnych
termoplastów (poliamidów i polipropylenów).
• Włókna mielone, przeważnie szklane, są otrzymywane
przez mielenie włókien ciętych. Włókna te są używane
jako jeden z komponentów tłoczyw przerabianych
wtryskowo lub przetłocznie oraz jako wzmocnienie
termoplastów.
Włókna roślinne:
Rodzaje włókien roślinnych:
Budowa włókien roślinnych:
• włókna roślinne zbudowane są z trzech różnych
substancji chemicznych: celulozy, hemicelulocy i ligniny,
a także z małym dodatkiem pektyn , substancji
żywicznych, tłuszczów i soli mineralnych.
• Włókna roślinne do wytwarzania kompozytów stosuje
się w postaci krótkich włókien ciętych, włóknin, mat i
tkanin, masy włókien celulozowych oraz specjalnych
papierów. Jako matryce do kompozytów stosowane są
zarówno termoplasty, jak i żywice termoutwardzalne.
• Stosowane w elektrotechnice i przemyśle
maszynowym, a także samochodowym.
Schematyczna budowa celulozowych
włókien roślinnych
Obraz REM powierzchni przełamu pojedynczego
włókna lnu. Widoczne różne warstwy struktury i
lumen (pusta przestrzeń) w środku.
Właściwości włókien naturalnych
Produkty i włókna z drewna:
• Skład chemiczny materiałów drewnianych jest
podobny do składu włókien roślinnych z upraw,
różnią się znacznie mniejsza zawartością celulozy.
Mączka drzewna z drzew liściastych i iglastych ma
podobny skład:
• celuloza do 50% masy,
• hemiceluloza do 25% masy,
• lignina do 30 %masy;
• żywice, tłuszcze, woski, sole mineralne do 1,5 %
masy; wilgoć do ok. 6 % masy.
Schemat złożonej
struktury ścianek
komórek drewna
Mączka drzewna:
Materiał nierozpuszczalny w wodzie, ma
właściwości hydro- i lipofilowe. Mączka
drzewna stosowana jest w produkcji
tłoczyw przede wszystkim fenolowoformaldehydowych oraz kompozytów
wytłaczanych z termoplastów, głównie PP,
PE i PVC. Ten typ materiałów
kompozytowych coraz częściej stosowany
jest w budownictwie i meblarstwie.
Włókna drewna:
Wytwarzane są przez rozwłóknianie kawałków
drewna kilkoma metodami:
• metodą periodyczną
• metodą defiblyracji parowo-mechanicznej
• procesem termomechanicznym
Napełniacze drzewne zyskują rosnące znaczenie
techniczne z uwagi na istotny wzrost zastosowań
wytwarzanych z ich użyciem profilowanych
wyrobów z kompozytów termoplastycznych,
stosowanych głównie w budownictwie.
Mata z włókien drewna
Celuloza:
Do produkcji kompozytów wytwarza się i
stosuje również wysokokrystaliczną celulozę
proszkową. Otrzymuje się ją zarówno z drewna
jak i z innych surowców roślinnych w procesie
siarczanowym. Składa się ona z pojedynczych
mikrowłókienek długości ok. 120 mikrometrów
i średnicy ok. 1,8 mikrometra. Z celulozowej
pulpy (czyli zawiesiny wodnej włókien)
siarczanowej wyizolowuje się celulozowe
nanofibryle o średnicy 20-100 nm i długości
kilku mikronów. Cechuje je więc duży
współczynnik kształtu (l/d) co zapewnia
znaczny efekt wzmacniający w wytwarzanych
nanokompozytach polimerowych.
Celuloza
Napełniacze ziarniste:
Cechy charakterystyczne:
• Umożliwiają stosowanie metod przetwórczych , które bez ich udziału nie
byłyby możliwe(np. wytwarzanie i wtrysk tłoczyw z żywic
termoutwardzalnych).
• Obniżają cenę masy materiału polimerowego, ponieważ są zwykle tańsze
od wielu polimerów.
• Umożliwiają nadanie odpowiedniego kształtu wyrobu.
• Powodują zmiany właściwości fizycznych polimeru, np. twardości i modułu
E.
• Wpływają na wygląd wyrobu (kolor, gładkość, połysk).
• Mogą wprowadzać właściwości specjalne, np. ślizgowe (dodatek grafitu),
elektroprzewodzące lub antyelektrostatyczne, zmniejszać palność i
gęstość.
Napełniacze mogą stanowić samoistnie fazę rozproszoną lub być
stosowane łącznie z włóknami wzmacniającymi .
• Teoretycznie max. Stopień napełnienia polimeru
napełniaczem o kształcie kulek wynosi ok. 90%
obj. Zwykle jednak ze względów technologicznoprzetwórczych i właściwości kompozytu stopień
napełnienia wynosi od 25 do 60% obj.
Bibliografia:
• W. Królikowski „Polimerowe kompozyty
konstrukcyjne” Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa 2012
• J. W. Kaczmar „Wytwarzanie, właściwości i
zastosowanie elementów z materiałów
kompozytowych” Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013