PLASTINVENT, Ossa Hotel, 04/10/2012
Tworzywa kompozytowe i ich zastosowanie Przemysław POSTAWA, dr inż. Politechnika Częstochowska Zakład Przetwórstwa Polimerów Instytut Technologii Mechanicznych Nanotubes, The Nature, International Journal of Science PLASTINVENT Conference, Ossa Hotel, 04/10/2012
Plan prezentacji - Trochę historii, - Definicje. po akademicku - Składniki kompozytów, - Cele stosowania kompozytów, - Rodzaje osnowy i napełniaczy, - Kompozyty na osnowie tworzyw termoplastycznych, - Przykładowe aplikacje - Kompozyty na osnowie tworzyw chemoutwardzalnych, - Przykładowe aplikacje i technologie wytwarzania,
Trochę historii Izraelici (od XIII w. p.n.e.) przy wznoszeniu swoich domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) stosowali sklejkę drewnianą. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość. Powstanie nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się z rozwojem technologii wytwarzania włókien sztucznych. W latach 50-tych powstają włókna węglowe tzw. niskomodułowe, a w latach 60-tych wysokomodułowe. Kolejny etap rozwoju kompozytów spowodowało pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod nazwą handlową Kevlar.
Definicja trochę po akademicku Kompozyt - jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno oraz lepsze niż wynik prostego ich sumowania. Składniki kompozytów Fazy ciągłej zwanej osnową (matrycą) Fazy rozproszonej, zwaną także zbrojeniem, otoczona osnową. Wypadkowe własności kompozytu są zależne od: właściwości faz składowych, ich udziału objętościowego, sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w osnowie, cech geometrycznych fazy rozproszonej.
Cele stosowania kompozytów Najczęstszym celem tworzenia kompozytu jest podwyższenie własności mechanicznych: sztywności, wytrzymałości, odporności na pękanie, odporności na ścieranie ALE RÓWNIEŻ obniżenie ciężaru, obniżenie kosztów, obniżenie modułu sprężystości, np. pianki (polimer + powietrze), zmiana przewodności cieplnej i elektrycznej, zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej zwiększenie odporności na pękanie.
Kompozyty naturalne stworzyła przyroda (na drodze ewolucji) wszędzie tam gdzie warunkiem istnienia było przenoszenie dużych obciążeń, sztywność i wytrzymałość, - łodygi roślin, gałęzie i pnie drzew, - kości zwierząt, ptaków oraz człowieka, - mięśnie. ścianka bambusa
Rodzaje osnowy i napełniaczy Jako osnowa stosuje się ELASTOMERY TWORZYWA POLIMEROWE PLASTOMERY FUNKCJE OSNOWY: pozwala na przeniesienie obciążenia przez mocniejszą, bardziej wytrzymałą fazę oddziela od siebie włókna i zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć w przekroju kompozytu przeciwdziała zużywaniu ściernemu w przypadku stosowania włókien szklanych izoluje włókna od warunków atmosferycznych WULKANIZUJĄCE TERMOPLASTYCZNE - Amorficzne (PS, ABS.) - Semikrystaliczne (PP, PE, PA ) NIEWULKANIZAUJĄCE UTWARDZALNE - Termoutwardzalne - Chemoutwardzalne
Rodzaje osnowy i napełniaczy W zależności od rodzaju fazy rozproszonej materiały kompozytowe można podzielić na kompozyty: zbrojone cząstkami zbrojone dyspersyjnie zbrojone włóknami. napełniacze mineralne: - zmielona kreda, kamień wapienny, marmur, strącany węglan wapnia (< 0,7 mm), - mączka kwarcowa, kaolin, skaleń, wodorotlenek glinu, krzemionka, napełniacze kuliste (poprawiają płynięcie tłoczyw, zmniejszają skurcz, zwiększają trwałość kształtu), - pełne kulki szklane (< 50 mm) twardość - puste kulki popiołów lotnych (5 250 mm) duża odporność na ściskanie, zmniejszenie masy wyrobu
Rodzaje osnowy i napełniaczy PA + GF25
Rodzaje osnowy i napełniaczy NAJCZĘŚCIEJ SPOTYKANE RODZAJE WZMOCNIEŃ: SZKLANE - WĘGLOWE ARAMIDOWE - GRAFITOWE BAZALTOWE - NATURALNE
Rodzaje osnowy i napełniaczy Do żywic chemoutwardzalnych Do termoplastów a) rowing, b) mata, c) tkanina rowingowa d) tkanina e) krótkie włókna szklane (~ 0.22 mm dług.), f) długie włókna szklane (~ 0.5 mm dług.) Ehrenstein G.W., Polymeric Materials, Hanser Publishers, Munich 2001.
Rodzaje osnowy i napełniaczy Rodzaj włókna Gęstość y [Mg m -3 ] Wytrzymałość R m [MPa] Moduł E [GPa] R m 3 /γ [MPa/Mg m -3 ] E/γ [GPa/Mg m -3 ] Szklane (typ E) 2,54 3600 72 1417 28 Węglowe (typ HT) 1,75 3430 230 1960 131 Kevlar 49 1,45 3200 125 2207 86 Włókna boru 2,64 3500-4200 470-420 1326-1591 178-159 SiC (SCS-9) 2,80 2900 330 1035 118 Al 2 0 3 ceramika 3,95 1380 379 349 96
termoplastycznych PP+30%GF
Kompozyty na osnowie tworzyw termoplastycznych Porównanie tworzywa czystego PA66 oraz wzmocnionego
termoplastycznych Belka skrętna samochodu osobowego metalowa i jej odpowiednik wykonany z PA z włóknem szklanym 50% [źródło PlastEurope] Elementy wyposażenie wnętrza WPC Wood Polymer Composite
termoplastycznych przepustnica silnika (Renault, Peugeot) PA6.6 + GF30 pokrywa rozrządu (VW Passat, Audi A4) PA6.6 + (GF25 + M15)
KOMPOZYTY NA OSNOWIE TWORZYW CHEMOUTWARDZALNYCH zastosowania i technologie
chemoutwardzalnych Zastosowanie kompozytów polimerowych MOTORYZACJA Felgi, nadwozia, podwozia, ubrania motocyklowe, kaski, rękawice, ochraniacze, podłużnice, pokrywy silników, kierownice, fotele sportowe,
chemoutwardzalnych SPORT Kije golfowe, rakiety tenisowe, tyczki, ramy rowerowe, wędki, narty, deski surfingowe i snowboardowe, łodzie, motorówki, jachty, skutery wodne, bolidy formuły 1.
chemoutwardzalnych BUDOWNICTWO Mosty, zbrojenia mostów, kładki, poręcze, bariery, podesty, konstrukcje hal, schodów przeciwpożarowych, panele elewacyjne, pokrycia dachów, maty antypoślizgowe
chemoutwardzalnych BUDOWNICTWO Kompozytowy most, trwałość 50lat, masa 80ton (Niemcy) Zbiorniki z włókna szklanego i żywicy poliestrowej stosowano w USA w latach 70, do dzisiaj bez śladów zużycia
chemoutwardzalnych Mata zwiększająca nośność gruntu i jego stabilność
chemoutwardzalnych Zbiorniki ciśnieniowe 50% mniejsza masa, dzięki stopniowemu rozszczelnieniu są bezpieczniejsze Kompozytowe kołki Zabudowa i zbiornika wody wozu bojowego wykonany z kompozytów
chemoutwardzalnych Kompozyt zbrojony szkłem: - duża odporność chemiczna - 25% ciężaru stali - niższy współczynnik przewodności cieplnej - niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej - brak przewodności elektrycznej - większa wytrzymałość właściwa - nie zakłóca fal radiowych - barwiony w trakcie produkcji KOMPOZYT (pultruzja) STAL
chemoutwardzalnych Oświetlenie ścieżki podejścia do pasa 22 lotniska La Guardia, New York - rok budowy 1990 r - konstrukcja kompozytowa - barwione na brązowo - pracują w słonej wodzie, odporne na spaliny - brak potrzeby konserwacji - nie zakłóca wskazań radarów - prawie 1000 metrów długości
chemoutwardzalnych
chemoutwardzalnych
chemoutwardzalnych Schemat technologii SMC (Sheet Moulding Compounds) formowania tłoczywa arkuszowego
chemoutwardzalnych Produkcja materiałów dachu do samochodów BMW
chemoutwardzalnych
chemoutwardzalnych Karoseria kompozytowa z włókna węglowego i Kevlaru np. Daimler McLaren SLR Roadster ok. 5 kg lżejsza (o ok. 37%) od klapy stalowej
chemoutwardzalnych
chemoutwardzalnych
Dziękuję za uwagę Przemysław POSTAWA, dr inż. Adiunkt, Kierownik Laboratorium Naukowo-Badawczego Politechnika Częstochowska Instytut Technologii Mechanicznych, Zakład Przetwórstwa Polimerów tel. 691 540 380 postawa@ipp.pcz.pl www.plastigo.pl