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 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.

Porównanie właściwości włókien Kevlar z innymi włóknami 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 metal-polimer. 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 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 sodowo-wapniowy. 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 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 fenolowo-formaldehydowych 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 technologiczno-przetwórczych 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