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

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,

przemian

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.

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 luźnego kożucha. Po jego dociśnięciu
do formy, podobnie jak w klasycznej
metodzie kontaktowej za pomocą pędzli i
wałków, powstaje skorupa wyrobu.

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.

Schemat procesu SMC

Roving

Nóż

Pasta żywicy
z dodatkami

Folia

termoplastyczna

Folia
termoplastyczna

Rolka

odbierająca

Wałki

Cięte

włókna

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
• przeźroczystość 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

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.

Przemysł lotniczy

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.

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