Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów

Transkrypt

1 Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów Kompozyty polimerowe otrzymywanie i właściwości dr inż. Michał Strankowski Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Co to jest kompozyt? Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów różniących się rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie. Jest materiałem zewnętrznie jednolitym, jednakże z widocznymi granicami pomiędzy składnikami.

3 Dlaczego właśnie kompozyty? Zmniejszenie masy Zwiększenie sztywności i/lub wytrzymałości Podniesienie odporności korozyjnej Zwiększenie odporności na pękanie Zwiększenie stabilności rozmiarów Łatwość wprowadzania zmian konstrukcyjnych Duża swoboda projektowania Obniżenie kosztów produkcji krótkich serii

4 Ogólna klasyfikacja materiałów kompozytowych

5

6 Trochę historii W Mezopotamii i Babilonie już ok. 800 r. p.n.e. wytwarzano cegły gliniane wzmacniane słomą 1931 pierwszy patent na otrzymywanie włókien szklanych 1942 połączono żywicę z włóknem szklanym 1943 pierwsze próby zastosowania kompozytów dla celów wojskowych 1961 otrzymanie włókien węglowych 1972 otrzymanie włókien aramidowych

7 Skład kompozytu Składa się z osnowy i rozmieszczonego w niej drugiego składnika zwanego wzmocnieniem - o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych, lub większej twardości

8 Jak powstaje kompozyt? + = MATRYCA WZMOCNIENIE KOMPOZYT

9 OSNOWA KOMPOZYTU najczęściej polimer (poliepoksyd, poliester) może być to metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu) lub ich stopy bądź ceramika (np.al 2 O 3,SiO 2, SiC, TiO 2 ) Zlepia wzmocnienie Nadaje żądany kształt Silnie wiąże się ze wzmocnieniem Naprężenia są przenoszone na włókna Nadaje właściwości chemiczne i cieplne

10 Typy i charakterystyka ogólna materiałów osnowy i elementów wzmacniających w materiałach kompozytowych

11

12 Włókna wzmacniające materiały kompozytowe Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami najczęściej są stosowane w celu zapewnienia zwiększonej wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej oraz sztywności. uzyskuje się to przez wprowadzenie włókien wytrzymałych, sztywnych lecz zwykle kruchych do miękkiej lecz ciągliwej osnowy. Osnowa przekazuje jedynie przyłożone obciążenie do włókien, które w większości je przenoszą. Materiały kompozytowe tej grupy mogą przy tym wykazywać wysokie własności wytrzymałościowe zarówno w temperaturze pokojowej jak i podwyższonej.

13 Wielkości i kształt przekroju poprzecznego różnych faz wzmacniających kompozyty

14

15 Wytrzymałość włókien inaczej W bardzo poglądowy sposób wytrzymałość różnego rodzaju włókien ilustruje rysunek zamieszczony poniżej. Z lewej strony podano długość w km, przy której lina z określonego materiału zrywa się pod własnym ciężarem; z prawej - wytrzymałość i średnice lin z tych materiałów mających jednakowy tex równy

16 Włókna wzmacniające mogą tworzyć wiązki połączne w: Przędzę (yarn), utworzone z ponad razem skręconych włókien; Kabel (tow), zawierających kilkaset do ponad nieskręconych włókien; Niedoprzęd (roving) zawierający nieskręcone wiązki włókien, przędzy lub kabli; Mogą być także cięte (staples), a ich długość nie przekracza 10 mm.

17 Cena włókien jest zróżnicowana nawet o razy; Włókna szklane są stosowane bardzo powszechnie, przy wystarczającym wzmocnieniu materiałów kompozytowych, zwłaszcza o osnowie polimerowej; Włókna aramidowe, węglowe, ceramiczne tlenkowe i beztlenkowe dobre właściwości użytkowe wysoka cena decyduje o ich ograniczonym użyciu.

18

19 Wytwarzanie włókien szklanych

20 Schemat procesu formowania włókien szklanych

21 POLIAMIDY AROMATYCZNE polimery zawierające w łańcuchu grupę CONH-, połączona z obydwu stron fragmentami aromatycznymi: fenylowymi, naftalowymi, heterocyklicznymi. Mogą one zawierać również inne grupy. które nie są bezpośrednio związane z grupą amidową Zastąpienie ugrupowań metylenowych CH 2 - w polimerach alifatycznych segmentami aromatycznymi powoduje znaczne zwiększenie wytrzymałości mechanicznej i odporności cieplnej polimeru Odznaczają się większą udarnością i odpornością na ścieranie oraz dużą zdolnością do tłumienia drgań Bardzo dobra jest także ich odporność na czynniki atmosferyczne i chemiczne Mogą być użytkowane w zakresie temp.: o C

22 Te najmocniejsze włókna świata otrzymywane są: w wyniku reakcji polikondensacji chlorowodorków kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi.

23 KEVLAR Otrzymywanie: - Włókna rozciąga się, stosując roztwór polimeru w 100% H 2 SO 4 - Powstaje półciekła faza krystaliczna - Włókna uzyskują optymalne wzajemne położenie

24 Struktura: KEVLAR

25 KEVLAR producent: DuPont, jednakże jest wytwarzane przez różnych wytwórców pod innymi nazwami aramidy są aromatycznymi poliamidami i z tego też względu są spokrewnione z nylonami, Kevlar to żółte włókno o budowie linearnej i z tego też względu jest niezmiernie wytrzymałe Konstrukcje z tworzyw wzmocnionych Kevlarem są 10-30% lżejsze aniżeli analogiczne elementy zbrojone włóknem szklanym lub węglowym Przy zetknięciu z ogniem Kevlar nie topi się, ale ulega rozkładowi w temp. ok. 500[ o C] bez wydzielania substancji toksycznych, nie podtrzymuje palenia i nie jest samogasnący

26 KEVLAR Struktura: w przypadku przyłożenia sił prostopadłych następuje zmiana konformacji z trans na cis Po ustaniu działania sił układ powraca do pierwotnego stanu

27 KEVLAR Struktura wpływa na właściwości materiału: Sztywny Odporny na rozrywanie Odporny na wysokie temperatury Materiał inteligentny dostosowuje się do bodźca zewnętrznego Lekki Słaba rozszerzalność termiczna Temperatura stosowania: [ o C]

28 NOMEX Włókna z kwasu izoftalowego i m-fenylenodiaminy nie jest to tak wytrzymałe mechanicznie włókno jak Kevlar jest jednakże odporne na wysokie temperatury i można je stosować w temperaturach powyżej 200 [ 0 C] znalazło zastosowanie w niektórych ubiorach strażackich i kierowców samochodów wyścigowych (tkaniny termo- i ogniotrwałe) powyżej temperatury rozkładu przekształca się w grafit, zachowując pierwotne właściwości ochronne

29 POLIAMIDY AROMATYCZNE

30 Ogólna charakterystyka materiałów polimerowych stosowanych na osnowę materiałów kompozytowych

31 Preimpregnaty i ich wytwarzanie Długie i ciągłe włókna stosowane w materiałach kompozytowych o osnowie polimerowej mogą być użyte do wytwarzania preimpregnatów, wstępnie impregnowanych niecałkowicie spolimeryzowanych żywicami polimerowymi, w postaci: Mat zawierających nietkane i przypadkowo zorientowane włókna luźno połączone; Tkanin dwu-lub trójwymiarowych; Oplotów dwu- lub trójwymiarowych; Dzianin dwu-lub trójwymiarowych.

32 Rodzaje splotów włókien w tkaninach (a-d) i oplotach (e) stosowanych do wzmacniania materiałów kompozytowych płócienny pięcionicielnicowy jednokierunkowy Trójosiowy oplot płócienny z krajką

33 Przykłady układu włókien w trójwymiarowych impregnatach biegunowym ortogonalnym krawędziowym wytworzonym z walcowego taśmowym quasi-izotropowym

34 Schemat procesu wytwarzania taśmy preimpregnowanej materiału kompozytowego o osnowie z polimerów termoutwardzalnych

35 Taśmy lub arkusze mogą być produkowane w procesie formowania tłoczywa arkuszowego (według PN-ISO 8604:1994) SMC (sheet molding compounds), głównie stosowanym do materiałów kompozytowych o osnowie z żywic poliestrowych wzmacnianych włóknami szklanymi. Schemat procesu technologicznego SMC formowania tłoczywa arkuszowego

36 Schemat procesu technologicznego wytwarzania poszycia błotnika samochodowego z taśmy SMC

37 Znane są liczne odmiany procesu SMC:. SMC-R materiał kompozytowy wzmacniany jest włóknem ciętym, zorientowanym przypadkowo (random); SMC-C materiał kompozytowy jest wzmacniany włóknami ciągłymi (continuous) o wzdłużnej jednokierunkowej orientacji; SMC-C/R materiał kompozytowy jest wzmacniany w sposób kombinowany włóknami ciągłymi o wzdłużnej orientacji i ciętymi włóknami o przypadkowej orientacji; SMC-D materiał kompozytowy jest wzmacniany włóknami ciętymi lecz o orientacji ukierunkowanej (directional); XMC materiał kompozytowy w stanie płynnym podczas ściskania może mieć regulowaną objętość przez zastosowanie kierunkowo zorientowanych ciągłych włókien szklanych skrzyżowanych tak, że tworzą wzór X.

38 Oznaczenie preimpregnatów i tłoczyw wg PN-ISO 8604:1994

39 Tłoczywo arkuszowe SMC lub XMC, a także tłoczywo BMC poddawane są dalszemu przetwórstwu w procesach prasowania przetłocznego. W niskociśnieniowym procesie, w którym stosowane są zamknięte matryce, tłoczywo arkuszowe lub sypkie jest przetwarzane w produkty kompleksowe o złożonych kształtach i postaci o zróżnicowanej wielkości.

40 Schemat procesów prasowania tłoczywa arkuszowego SMC i sypkiego BMC

41 Zastosowanie taśm SMC do wytwarzania elementów samochodów a) Chevrolet Camaro (temp. 150 o C, przy naprężeniu 6,9 MPa przez 60-90s Ford Mustang

42 Wykonanie nawet pełnej karoserii samochodu sportowego jest możliwe dzięki procesowi HSRTM (high-speed resin transfer moulding)

43 Najprostsze ręczne metody wytwarzania materiałów kompozytowych Natryskiwanie Formowanie kontaktowe

44 Prasowanie ciągłe zautomatyzowany proces wytwarzanie materiałów kompozytowych w postaci ciągłych kształtowników o stałych przekrojach poprzecznych

45 Materiały kompozytowe warstwowe Łączenie adhezyjne stosowane do materiałów o osnowie polimerowej: - cienka warstwa niespolimeryzowanego materiału polimerowego jest nakładana pomiędzy poszczególne warstwy lub preimpregnaty; - stos jest prasowany na gorąco; - po zakończeniu polimeryzacji wszystkie warstwy są połączone w jeden kompozytowy materiał.

46

47 Schemat nowoczesnej dachówki z materiału kompozytowego Wytrzymałość rdzeń z blachy stalowej powlekanej antykorozyjnie ogniwo stopem cynku zaw. 41,5% Al i 15% Si Efekt estetyczny, kolorystyka warstwa naturalnego kruszywa skalnego

48 Laminaty z materiałów polimerowych

49 Porównanie żywic polimerowych stosowanych w laminatach

50 Porównanie własności materiałów polimerowych termoplastycznych i termoutwardzalnych w zastosowaniu na laminaty

51 Skład kompozytów Wyraża się podając procenty wagowe lub objętościowe składników tworzących fazę rozproszoną lub matrycę ułamek wagowy w: ułamek objętościowy : gdzie: w R ułamek wagowy fazy rozproszonej; m R, m - masa, odpowiednio: fazy rozproszonej i mieszaniny; R ułamek objętościowy fazy rozproszonej; v R, v - objętość, odpowiednio: fazy rozproszonej i mieszaniny.

52 Skład kompozytów Kompozyty stanowią najczęściej mieszaniny dwuskładnikowe, stąd: gdzie: w M ułamek wagowy matrycy; M ułamek objętościowy matrycy Niektóre właściwości kompozytów są addytywne i można je wyliczyć uwzględniając ich udziały Gęstość kompozytu wylicza się w oparciu o zależność: R, M gęstości składników kompozytu odpowiednio fazy rozproszonej i włókien

53 Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu włóknistego zależy od wytrzymałości włókien R i granicy plastyczności matrycy M : Moduł elastyczności kompozytu E wzdłuż włókien określa równanie: w którym: E R, E M oznaczają moduły elastyczności fazy rozproszonej i kompozytu.

54 KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW Dobór składników (rodzaj osnowy i zbrojenia) Postać składników (proszek, włókna ciągłe lub cięte) Ilość i sposób rozmieszczenia zbrojenia Metody wytwarzania pożądane właściwości zastosowane materiały Proces wytwarzania

55 PRZEWIDYWANIE WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW Dane dla kompozytów sa zawarte m.in. w: Engineering Guide to Composite Materials (ASM)

56 Zastosowanie kompozytów 1 Sprzęt gospodarstwa domowego odporność temperaturowa stabilność wymiarów izolacyjność

57 Zastosowanie kompozytów 2 Budownictwo mała masa łatwość w montażu odporność korozyjna nie wymaganie konserwacji łatwość w utrzymaniu

58 Zastosowanie kompozytów 3 Lotnictwo wytrzymałość mechaniczna mała masa sztywność

59 Polymer Matrix Composites Shown here is a diagram of a military transport jet, the Air Force C-17, illustrating part locations which have been manufactured from polymer matrix composites. The parts have been replaced where corrosion protection and weight reduction is possible and cost effective. The composites used here are various mixes of carbon, aramid, glass, and DuPont Nomex fibers.

60 Zastosowanie kompozytów 4 Motoryzacja zmniejszenie masy łatwość zmian konstrukcyjnych swoboda projektowania odporność na korozję stabilność wymiarów sztywność i wysoka udarność powtórne przetwórstwo obniżenie kosztów produkcji prototypów i krótkich serii

61 Zastosowanie kompozytów 5 Transport zmniejszenie masy stabilność wymiarów sztywność, wytrzymałość odporność na korozję

62 Zastosowanie kompozytów 6 Sport wytrzymałość mechaniczna nieduża masa

63 Materiały balistyczne Do produkcji hełmu użyto wysokiej jakości tkanin paraaramidowych ostatniej generacji KEVLAR HT oraz TWARON CT. Zastosowanie włókien T tex do produkcji tkaniny kevlarowej zapewnia uzyskanie wysokich paramentrów bezpieczeństwa We współczesnych kamizelkach kuloodpornych stosowane są miękkie wkłady balistyczne z tkanin kewlarowych oraz sztywne wkłady kompozytowe, ceramiczno-aramidowe lub stalowe podnoszące stopień ochrony balistycznej i chroniące określone fragmenty ciała, np. serce, wątrobę, krocze. W zależności od konstrukcji i powierzchni chronionej wyróżniamy kamizelki wewnętrzne o powierzchni chronionej około 0,3-0,35 m 2, kamizelki zewnętrzne o powierzchni chronionej około 0,5 m 2 oraz ciężkie kamizelki taktyczne o powierzchni chronionej około 0,75 m 2.

64 Przykłady kompozytów: HONKER zapewnia ochronę niewielkim oddziałom, które muszą dokonać szybkiego przemieszczenia. Jako elementy opancerzenia zastosowano materiały kompozytowe: - elementy zabezpieczające załogę przed przeciwpancernymi pociskami małokalibrowymi oraz odłamkami min przeciwpiechotnych i granatów Podstawową zaletą opancerzenia z kompozytów jest poprawa warunków bezpieczeństwa przy zachowaniu właściwiej wagi pojazdu, co gwarantuje zachowanie dotychczasowej jego szybkości i zwrotności.

65 Przykłady kompozytów: NOTEBOOKI IBM Nowe serie notebooków IBM wykorzystujące tytanowe kompozyty Stanowią one część wzmocnionej włóknami węglowymi obudowy, dzięki czemu ThinkPad y należą do najcieńszych i najlżejszych rozwiązań Tytanowe kompozyty charakteryzują się wysoką wytrzymałość i małą wagę, a także naturalnym efektem tłumienia drgań i wstrząsów.

66 Drewno jako materiał kompozytowy Należy do najstarszych materiałów stosowanych przez człowieka; Drewno może być traktowane jako kompleksowy materiał kompozytowy wzmacniany włóknami, złożony z długich, jednoosiowo zorientowanych komórek w osnowie polimerowej; Pory są wypełnione powietrzem i wodą w udziale zmieniającym się w zależności od warunków otoczenia.

67 Struktura drewna Przekrój pnia Słój roczny Struktura ścianki komórki drewna Schemat mikrofibryli

68 Główne składniki drewna

69 Dziękuję!!!