Upload
mateja-benjak
View
27
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Proizvodnja kompozitnih tvorevina
Citation preview
1
PROIZVODNJA KOMPOZITNIH TVOREVINA
Doc. dr. sc. Ana Pilipović
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Definicija kompozita
Kombinacije dvaju ili više faza (jednofaznih ili višefaznih), od kojih se svaki upotrebljava i kao samostalni materijal - osnovni materijal (matrica) i dodatni materijal (ojačavalo ili punilo).
Homogeni materijali dobiveni spajanjem dvaju ili više različitih materijala s ciljem postizanja specifičnih karakteristika i svojstava kakva ne posjeduje niti jedan sastojak sam za sebe.
2
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Kompoziti se dijele prema: Materijalu matrice
metalni kompoziti MMC (e. Metal matrix composite) polimerni kompoziti PMC (e. Polymer Matrix
Composite) keramički kompoziti CMC (e. Ceramic Matrix
Composite) Materijalu ojačavala, npr.
kompoziti sa staklenim vlaknima kompoziti s metalnim ojačanjem itd.
Obliku ojačavala, npr. vlaknasti kompoziti kompoziti sa česticama itd.
Podjela kompozita
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Rasporedu ojačavala kontinuirani kompoziti diskontinuirani kompoziti
Postupku izrade izravno prešani kompoziti namotavani kompoziti itd.
Primjeni konstrukcijski kompoziti elektrotehnički kompoziti itd.
Podjela kompozita
3
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ponašanje polimernih kompozita ovisi o: Svojstvima materijala i ojačala Veličini i rasporedu konstituenata Volumnom udjelu konstituenata Obliku konstituenata Prirodi i jakosti veza među konstituentima
Polimerni kompoziti
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Mehanizmi postizanja svojstava kompozita Adicijski efekt - doprinos pojedinog sastojka neovisan je o
doprinosu drugih (npr. gustoća kompozita je približnosrednja vrijednost gustoće njegovih sastojakaproporcionalno njihovim masenim udjelima)
Komplementarni efekt - svaki sastojak doprinosi ostvarenju samo određenog svojstva kompozita (npr. slojasti (sendvič) kompoziti - unutarnji sloj preuzima i prenosi opterećenja, a vanjski slojevi služe primjerice samo za poboljšanje postojanosti na atmosferske utjecaje)
Interakcijski efekt - određena svojstva kompozita bolja su nego pojedinačna svojstva njegovih sastojaka - dolazi do sinergističkog djelovanja sastojaka (npr. čvrstoća nekih staklenim vlaknima ojačanih polimernih kompozita znatno je viša od one kod bilo kojeg sastojka posebno).
4
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Polimerni kompoziti Najproširenija vrsta kompozita Zastupljeni u raznim granama industrijske proizvodnje,
gdje vrlo uspješno zamjenjuju klasične konstrukcijske materijale
U automobilskoj industriji, brodogradnji, građevinarstvu, elektrotehnici i elektronici, a sve više u zrakoplovstvu, vojnoj industriji, te u raznim svemirskim programima.
Kompoziti mogu istovremeno postići: visoku čvrstoću, visoku krutost i malu masu, postojanost na
različite medije i druge kombinacije svojstava. mogućnost izrade složenih oblika Smanjenje troškova naknadne obrade dijelova Mogućnost spajanja dijelova tijekom izrade Dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim uvjetima
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Povijesni razvoj
1907. - L. Baekeland - fenol/folmaldehidne smole ojačane azbestnim vlaknima, odnosno drvnim brašnom –bakeliti.
Razvoj staklenih vlakana i nezasićenih poliesterskih (UP) smola u razdoblju između 1930. i 1935.
Oko 1940. – proizvodnja tvorevina od UP-smole ojačane staklenim vlaknima za brodove, avione i aute - nagli rast tehničke primjene vlaknima ojačanih plastičnih materijala.
5
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Sastav polimernih kompozita
Osnovu jednofaznih polimernih kompozita čini polimerna matrica (dispergirajuća faza) u kojoj je na odgovarajući način raspoređeno ojačavalo (disperzna faza) najčešće u obliku vlakana različite duljine i od različitih materijala, te prianjala, tvari koja omogućuju funkcionalno povezivanje matrice i ojačala.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
MATRICA
OJAČAVALO
PRIANJALO
Shematski prikaz polimernih kompozita
6
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
kompoziti s vlaknastim ojačanjima – nositelji meh. svojstava su vlakna
kompoziti s dispergiranim česticama – nositelj meh. svojstava je matrica
hibridni kompoziti s vlaknima i dispergiranim česticama
Podjela prema vrsti ojačavala
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Polimerni kompoziti sa vlaknastim ojačanjima
Vlakna se razlikuju prema: vrsti materijala duljini promjeru orijentaciji i hibridizaciji
S obzirom na duljinu i orijentaciju vlakana dijele se na kompozite s: s kratkim vlaknima i česticama s dugim jednosmjerno orijentiranim vlaknima s dugim višesmjerno orijentiranim vlaknima – najveća
djelotvornost ojačanja
7
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Funkcije matrice i vlakana
Vlakna: nose opterećenje zbog visoke čvrstoće mogu zaustaviti širenje pukotine
Matrica: povezuje vlakna prenosi opterećenja na vlakna zaštićuje vlakna od okolnih utjecaja i oštećenja matrica ne smije kemijski reagirati s vlaknom i mora
dobro prijanjati uz vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Raspored vlakana
a) kontinuirana jednosmjerna vlaknab) slučajno usmjerena diskontinuirana vlaknac) ortogonalno raspoređena vlaknad) višesmjerno usmjerena vlakna
a) b)
c) d)
8
Tkanja Običan (e. plain) – poprečna vlakna prolaze naizmjenice
ispod i iznad uzdužnih vlakana Keper (e. twill) – jedno ili više poprečnih vlakana
naizmjenice prolaze ispod i iznad jednog ili više uzdužnih vlakana – dojam dijagonale
Saten tkanina – vlakna prolaze ispod svakih nekoliko vlakana
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Tkanja Košara (e. basket) – slična običnoj tkanini, samo što se
isprepliću dva ili više vlakana Leno – ispreplitanje u spiralu dva susjedna poprečna
vlakna oko uzdužnih. Primjenjuje se u kombinaciji s drugim tkanjem
Mock leno – slična običnoj, ali poprečna vlakna prolaze ispod i iznad svakih nekoliko uzdužnih.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
9
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlakna
Viskeri - vrlo tanke niti monokristala, posjeduju izvrsna meh. svojstva zbog pravilne kristalne strukture. Imaju velik omjer duljina/promjer. Mogu biti od ugljika (grafit), SiC, SN, Al2O3. To su štapići promjera 0,1 do 5 m i duljine 5 mm.
Niti (vlakna u užem smislu) -izvrsna mehanička svojstva, ali izrazito anizotropna (u smjeru vlakana čvrstoća materijala je vrlo često i do nekoliko puta veća nego okomito na vlakna).
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlakna
Anizotropni materijali - znatno bolja svojstva u smjeru vlakana
Pojava usmjerenosti mehaničkih svojstava uklanja se laminiranjem nekoliko slojeva kompozita od kojih svaki ima vlakna usmjerena u drugom smjeru.
Ukoliko je potrebno proizvesti materijal izotropnih mehaničkih svojstava, primjenjuju se vlaknasta ojačavala koja nemaju pravilnu usmjerenost.
10
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Laminati i hibridi
Laminati - polimerni kompoziti koji kao ojačanje imaju samo jednu vrstu vlakana, koja se ovisno o potrebi laminiraju u predviđenim smjerovima i slojevima.
Hibridi - kao ojačanje imaju više vrsta vlakana, čime su na optimalan način iskorištene prednosti i svojstva svakog pojedinačnog ojačanja (npr. tkanje jeftinih staklenih i izrazito skupih ugljikovih vlakana - relativno jeftino ojačanje poboljšanih mehaničkih svojstava).
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlaknasti polimerni kompoziti
Prednosti: znatno više specifične čvrstoće i krutosti postojanost prema većini kiselina i lužina relativno niska cijena proizvodnje i preradbe velika mogućnost prigušenja vibracija i dobra tarna
svojstva
11
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlaknasti polimerni kompoziti
Nedostaci: osjetljivost na raslojavanje i mrvljenje neplastičnost mogućnost širenja pukotina duž vlakna napetosti izazvane skupljanjem matrice pri i nakon
proizvodnje tvorevine anizotropnost svojstava visoka cijena
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlaknasti polimerni kompoziti
Osnovne značajke: opterećenja nose vlakna, a matrica povezuje vlakna vlakna mogu biti beskonačno duga (kontinuirana vlakna)
ili kratka (diskontinuirana vlakna) promjeri vlakana (viskeri, niti, žice) su u rasponu od 1 m
do 1 mm volumni udio vlakna u kompozitu može iznositi i više od
70 %.
12
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Polimerne matrice Vrste polimernih matrica:
Duromerne (poliesterske, epoksidne, vinil-esterske, fenolne smole, itd.)
Plastomerne (PA, PE, PP, ABS, visokotemperaturni plastomeri (PEEK, poli(fenilen-sulfid) PPS, poli(eter-imid) PEI))
Funkcije: povezuje komponente i određuje termomehaničku
postojanost kompozita zaštićuje ojačavalo od trošenja/abrazije i okoliša pomaže pri raspodjeli nametnutog opterećenja budući
da djeluje kao medij za prijenos naprezanja daje trajnost, međuslojnu žilavost i
smičnu/tlačnu/poprečnu čvrstoću sustavu održava željenu orijentaciju vlakana i razmake u
kompozitu.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Duromerne matrice Epoksidne smole (EP)
izvrsna mehanička svojstva postojanost na atmosferilije - proširena primjena u
zrakoplovnoj industriji vrlo dobra postojanost na djelovanje agresivnih medija
i vode u laminatnim konstrukcijama - dobro prianjanje za
ojačavalo i dobra postojanost na utjecaj vlage - idealne u izradi plovila, za izradu kvalitetnijih brodskih trupova ili češće kao površinski, zaštitni sloj trupa načinjenog od, na vodu manje postojanog, poliesterskog kompozita
dobra električna svojstva dobra otpornost na zamor materijala
13
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Epoksidne smole (EP)
Nedostaci teško je dobiti proizvod koji je istovremeno žilav i
postojan pri visokim temperaturama; podložnost UV razgradnji; za visoku proizvodnost zahtijevaju umreživanje pri
povišenim temperaturama; visoka cijena (1,5 kg 250 kn (1 kg komponente A +
0,5 kg komponente B))
Primjena kod postupaka namotavanja filamenata avioindustrija, brodogradnja, elektroindustrija pri izradi kalupa
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Mikrostruktura kompozita s matricom od epoksidne smole ojačana staklenim vlaknima
Matrica od epoksidne smole ojačana aramidnim vlaknima
Epoksidne smole
14
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Epoksidna smola
Gustoća kg/m3
Tlačna čvrstoća
MPa
Modul elast.GPa
Smična čvrstoća,
MPa
Smični modul Gpa
Rasteznačvrstoća
MPa
Vol. udiovlakana
%
Ugljična vlakna/Epoksidna smola
1 600 570 70 90 5 600 50
E-staklenavlakna/epoksidna smola
1 900 415 - - - 490 50-60
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Duromerne matrice
Poliesterske smole (UP) najviše primjenjivana vrsta smole, posebice u
brodograđevnoj industriji niska cijena (1 kg 45 kn – obično se dodaje 2 %
katalizatora peroksida) mješavina poliestera i monomera, najčešće stirena dodatak stirena (do 50 %) snizuje viskoznost smole i
olakšava primjenu (stiren služi za povezivanje molekula poliestera i samim time i očvršćuje materijal)
poliesteri su makromolekule na bazi diabazičnih kiselina(ortoftalna, izoftalna, tereftalna kiselina itd.) i diola kaošto su etilen glikol, propilen glikol, neopentil glikol, bisfenol itd.
Struktura poliester/staklena vlakna kompozita →
15
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Poliesterske smole
Prednosti povišena rastezna i savojna čvrstoća snižena osjetljivost na krhki lom dobra kemijska postojanost i postojanost na koroziju dobra postojanost na atmosferilije lako se prerađuju
Nedostaci imaju ograničeni rok trajanja jer nakon nekog
vremena počinju gelirati (stoga se često u procesu proizvodnje dodaju male količine usporavala)
vrlo lako se razgrađuju
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ručni postupak sa štrcanjem uz primjenu poliesterske smole
16
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Poliesterske smole
Materijal Udio stakl. vlakana %
Tlačna čvrstoća
MPa
Tlačni modul, 10-3
Pa
Savojna čvrstoća,
MPa
Savojni modul, 10-3
Pa
Tlačna čvrstoća,
MPa
Ortoftalna smola
40 150 5,5 220 6,9 ….
Izoftalna smola
40 190 11,7 240 7,6 210
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Duromerne matrice
Vinil-esterske smole po svojoj molekulskoj strukturi slične su poliesterima
– nešto bolja mehanička svojstva čvršće su od poliesterskih, te su bitno postojanije na
vlagu i kemikalije (neke kiseline, lužine i druga otapala) od poliesterskih
često se primjenjuju kao završni premaz brodskih trupova i kao različiti dodaci čime se poboljšava postojanost na djelovanje UV zraka, te vatrootpornost
mogu se primjeniti do temperature ≈ 125 °C
Mikrostruktura kompozita s vinil-esterskommatricom i staklenim vlaknima →
17
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vinil-esterske smole
Gustoća, kg/m3
Tlačna čvrstoća,
MPa
Savojni modul,
GPa
Savojna čvrstoća,
MPa
Modul rastezljivosti, GPa
Rastezna čvrstoća,
MPa
Volumni udio
vlakana, %
Ugljična vlakna/vinil-ester
1500-1650 900-1100 65-85 800-1000 136 900-1200 55-60
Poliaramidnavlakna/vinil-ester
1200-1400 100-300 17-22 150-250 - 800-1000 50-60
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Duromerne matrice Fenolne smole
toplinski su postojane, samogasive, tvrde i imaju povišenu postojanost prema utjecaju organskih otapala i kiselina.
pri umreživanju otpuštaju veliku količinu hlapljivih tvari, što nepovoljno utječe na mehanička svojstva smole kao matrice. Relativno su krhke i slabijih mehaničkih svojstava od epoksidnih i poliesterskih smola.
Interijer zrakoplova načinjen od kompozita s fenolnom smolom
18
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Duromerne matrice
Poliimid može biti proziran ili mutan primjenjuje se umjesto stakla i metala zbog odličnih mehaničkih
svojstava i postojanosti na oksidaciju pri povišenim temperaturama (do 250 °C, nakratko čak i do 450 °C) →moguća upotreba za dijelove motora
nije zapaljiv nije osjetljiv na uobičajena otapala i ulja, (ugljikohidrate, estere,
etere, alkohole i freone) postojani su i na slabe kiseline, ali se ne preporučava dugo
izlaganje jakim anorganskim kiselinama primjenjuje se i u optici zbog visoke prozirnosti cijena je vrlo visoka
Panel od kompozita s poliimidnom matricom →
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Bismaleimidi – su poliimidi s modificiranom strukturom poznati su i kao adicijski poliimidi koji se dobivaju iz
imidnih oligomera sa nezasićenim funkcijskim skupinama poput olefina, acetilena itd.
razvijeni su zbog zahtjeva određenih industrija (aeronautika i svemirska tehnika)
Prednosti imaju slabu zapaljivost visoku čvrstoću zadržavaju mehanički i toplinski integritet u
agresivnim okolinama u dužem vremenskom razdoblju.
Nedostaci krhkost
Duromerne matrice
19
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice Prednosti
neograničeno dugo skladištenje preprega pri sobnoj temperaturi bez umreživanja
pogodni su za automatizirane postupke prerade mogućnost postizanja visoke kompaktnosti kompozita mogućnost recikliranja brz ciklus proizvodnje
Najčešća plastomerna matrica u kompozitima polipropilen (PP). PP ojačan uglavnom staklenim vlaknima je
žilav kompozit, s relativno visokom toplinskom postojanošću oblika (do 150 °C)
Glavna primjena u automobilskoj industriji (branici i dijelovi unutrašnjosti
automobila)
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice
Polipropilen (PP) Prednosti
niska gustoća staklište na 160 °C otporan na zamor materijala postojan na velik broj kemijskih otapala, lužina i kiselina
Nedostaci podložan degradaciji uslijed izlaganja UV zrakama
Primjena u automobilskoj industriji (odbojnici, unutrašnjost) izrada namještaja, čamaca
20
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice
Plastomerni poliesteri – aromatsko-alifatska skupina:
Poli(etilen-tereftalat) – PET krut, otporan na trošenje i abraziju otporan na puzanje materijala može biti proziran i mutan
Poli(butilen-tereftalat) – PBT može se prerađivati na nižim temperaturama od
PET-a, ali ima i niža mehanička svojstva, te nižu temperaturu staklišta
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice
Plastomerni poliesteri – aromatska skupina (poliarilati): dobra mehanička i električna svojstva postojani na kemikalije i otapala primjenjuju se za komponente elektromotora, u
elektronici (različiti konektori i slično), zamjenjuju nehrđajuči čelik u medicini i stomatologiji i pri izradi kirurške opreme.
Mikrostruktura kompozita s matricom od poliarilata →
21
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice Poliamid (PA) Prednosti
Visoka čvrstoća, elastičnost i žilavost Otporan na abraziju Nezapaljiv, dobar omjer mase i čvrstoće - (s aramidnim vlaknima)
Primjena Ležajevi, razna kućišta Usisni sustavi u motorima Pokrov motora Sportska oprema (dijelovi bicikla, reket)
Pedala bicikla načinjena od kompozita spoliamidnom matricom (vanjsko kučište)
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice Polisulfoni (PSU) Prednosti
Upotrebljavaju se na temperaturama do 160 °C Postojani na mineralne kiseline, slana otapala i alkale, ali kod
izlaganja organskim otapalima bubre, pucaju ili se otapaju Otporni na puzanje Visoka krutost
Primjena Optika Kućišta svjetla na automobilima Izrada biosenzora i membrana (u medicini)
Membrana za spriječavanje krvnog ugruška načinjena od kompozita s matricom od
polisulfona
22
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomerne matrice
Poli(amid-imid) (PAI), poli(eter-imid) (PEI), poli(aril-sulfon)(PAS)... visoka toplinska postojanost, čak u vrlo ekstremnim uvjetima vlage,
agresivnih atmosfera i slično mnogi od njih samogasivi su bez dodataka
Visokotemperaturni plastomeri: Poli(fenilen-sulfid) (PPS) (npr. izrada dijelova krila Airbus-a) - masa
krila smanjuje se za oko 20 % čime se smanjuje potrošnja goriva, poboljšava se otpornost na udarna opterećenja, te se poboljšava postojanost na agresivne medije (gorivo, sredstvo za odleđivanje..)
Poli(eter-eter-keton) (PEEK) – postojanost na otapala, visoko talište (290 °C), zadržava duktilnost pri 200 °C na neograničeno vrijeme, izvrsna mehanička svojstva (rastezna čvrstoća, krutost i otpor zamoru materijala), vrlo otporan na trošenje, abraziju i ima mali koeficijent trenja klizanja Nedostatak - visoka cijena
Mikrostruktura PEEK-a ojačanog s ugljičnim vlaknima →
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – vlaknima ojačani kompoziti
Staklena vlakna: najčešće upotrebljavana ojačavala u polimernim
kompozitima (95 %) upotrebljavaju se u obliku mata, tkanine ili struka
(roving), runa, itd staklena vlakna (filamenti) dobivaju se raznim
tehnološkim postupcima iz staklene taljevine. Na tako proizvedena vlakna nanosi se apretura (sredstvo za oplemenjivanje materijala koji daje konačna svojstva i izgled) koja vlaknima daje potrebna mehanička svojstva i specifičnu kompatibilnost s različitim smolama za postupke proizvodnje kompozitnih proizvoda
23
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – proizvodnja staklenih vlakana
Iz mješalice sirovina stakla se (kvarcni pijesak, soda, kaolin, vapnenac, kalcit, dolomit) prebacuje u peći za taljenje pri temperaturi 1600 C
Rastaljeno staklo prolazi kroz izolacijsku cijev do uređaja za izradu filamenata
Niti
Ojačavala - staklena vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Stakleni predoblik – vrsta prošivenog mata (između slojeva mata se nalazi spužvica kroz koju je prošiven mat)- Primjenjuje se najčešće za postupak podtlačnog oblikovanja, RTM, LRTM
24
Ojačavala - staklena vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Stakleni mat- Postoje dvije glavne vrste mata:
- Emulzioni – niti povezane s kapljevinom- Praškasti – niti su povezane s prahom(dosta je teško raditi s njim – primjenjuje se u brodogradnji(ima atest za brodogradnju))
Ojačavala - staklena vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Kontinuiran mat, vlakna su
slobodna, nema veziva
Isjeckani mat –vlakna dužine 50 mm, spojena su vezivom
Prošivenimat – na rovingse šiva mat, ali i
predoblik
Stakleni mat
25
Ojačavala - staklena vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Staklena tkanina -roving
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala Primjena Građevina (profili, cijevi) Brodogradnja (brodski trupovi)
Vrste staklenih vlakana E staklo (kalcij – aluminij – borosilikatna) – za
proizvode u elektroničkim uređajima (dobra izolacijska svojstva, omjer cijene i mehaničkih svojstava)
C staklo – primjenjuje se gdje se zahtjeva veća kemijska postojanost
S staklo – vlakna s povećanim udjelom silikata, primjenjuje se pri višim temperaturama od ostalih skupina
A (alkalna), D (borosilikatna), R (aluminatno-silikatna) i M stakla
26
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Kompoziti sa staklenim vlaknima imaju: povišenu rasteznu čvrstoću i modul rastezljivosti povoljnog su omjera čvrstoće i mase postojani su pri povišenim temperaturama i
korozijskim opterećenjima dimenzijski su stabilni imaju dobra električna svojstva postojani su na starenje relativno se jednostavno i jeftino prerađuju u gotove
proizvode niska cijena
Ojačavala
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
dobivaju se kontroliranom oksidacijom, karbonizacijom (1200 – 1500 C) i grafitizacijom ugljikom bogatih organskih prethodnika koji su u vlaknastom obliku. Najčešći takav prethodnik je poliakrilonitril (PAN) koji daje najbolja svojstva vlaknima
vlakna se još proizvode i od katrana i celuloze. podešavanjem parametara tijekom procesa grafitizacije
dobivaju se ili vlakna visoke rastezne čvrstoće (pri 2600 °C) ili vlakna visokog modula rastezljivosti.
Ojačavala – ugljikova vlakna
27
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala
Postupak dobivanja ugljikovih vlakana
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ugljikova vlakna Nakon oblikovanja, vlakna se tretiraju (nanošenje
tzv. apreture) kako bi se poboljšalo njihovo prianjanje uz matricu.
Imaju: najveću krutost od svih komercijalno dostupnih vlakana vrlo visoku rasteznu i pritisnu čvrstoću odličnu postojanost na koroziju, puzanje i zamor
materijala primjenjuju se u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji,
za izradu sportske opreme itd.
Ojačavala
28
Ugljikova vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
sintetski organski polimeri (aromatski poliamid) proizvedeni predenjem kontinuiranog vlakna iz kapljevitesmjese. Tako dobivena vlakna imaju tipičnu zlatno-žutuboju, a karakterizira ih visoka rastezna čvrstoća i niskagustoća.
Primjena: vojna, zrakoplovna i automobilska industrija, sportska oprema.
Prednosti Visoka čvrstoća Visoki modul rastezanja Visoka postojanost puzanju Niža cijena od ugljikovih vlakana Niski faktor trenja i toplinskog rastezanja
Nedostaci Osjetljivost na UV zrake Teško se prerađuju
Ojačavala – aramidna vlakna
29
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Dijele se na temelju vrijednosti modularastezljivosti. Svi tipovi aramidnih vlakana imajudobru udarnu žilavost, a oni s nižim modulomrastezljivosti vrlo intenzivno se primjenjuju u balistici.
Poznati pod imenom Kevlar (trgovački naziv zavlakna američke tvrtke DuPont). Kevlar 29 – visoka žilavost Kevlar 149 – vrlo visoki modul rastezanja Kevlar 49 – visoki modul rastezanja
Ojačavala
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Svojstva Kevlar vlakana
Svojstva K 29 K 49 K 68 K 119 K 129 K 149
Gustoća (g/cm3) 1,44 1,45 1,44 1,44 1,45 1,47
Promjer (μm) 12 12 12 12 12 12
Rastezna čvrstoća (GPa)
2,8 2,8 2,8 3,0 3,4 2,4
Rastezni modul (GPa)
65 125 101 55 100 147
Koeficijent širenja (10-6 K-1)
- 4,0 - 4,9 - - - -
30
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Hibridna vlakna: vlakna sastavljena od dvaju ili više vrsti vlakana,
postižu se optimalna svojstva najčešće se primjenjuje hibrid ugljikovih/
aramidnih/staklenih vlakana - u brodogradnji i zrakoplovstvu
upotrebom hibrida proizvodu se poboljšava udarna žilavost, spriječava galvanska korozija i snizuje cijena.
Ojačavala
Hibridna vlakna
Kombinacija npr. aramidnih i ugljikovih vlakana
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
31
Hibridna vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Načini slaganja vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Borna vlakna ugljikova ili metalna vlakna ponekad se prevlače
slojem bora kako bi se poboljšala ukupna svojstvavlakna
ekstremno visoka cijena ograničava upotrebu tihvlakana samo za zrakoplovne konstrukcije s velikimtoplinskim opterećenjima i na specijalizirane sportskeproizvode
Prednosti Visoka čvrstoća i krutost Niska gustoća
Ojačavala – borna vlakna
32
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Bor/ugljikov hibrid u epoksidnoj matrici ima bolja mehanička svojstva nego bilo koje vlakno pojedinačno
Vlakna se odlikuju dobrim svojstvima obzirom na pritisna opterećenja, torziju i druga kombinirana opterećenja. Poteškoće se javljaju pri obradi zbog visoke tvrdoće tih vlakana.
Ojačavala
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – mineralna vlakna
Mineralna vlakna: glavni predstavnik skupine je azbest iako se odlikuju vrlo dobrim mehaničkim svojstvima i
niskom cijenom, zbog lošeg utjecaja na zdravlje čovjeka njihova primjena je u nekim državama u potpunosti zabranjena.
odlikuju se dobrom toplinskom postojanosti, postojanosti na različite kemikalije, prigušuju zvuk i niske su cijene. Zapaljiva su, pa se pri upotrebi za zaštitu od vatre često miješaju sa cementom, te se pletu u tkanine ili matove.
Azbestna vlakna (igličasta) →
33
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – keramička vlakna
Keramička vlakna vlakna anorganskog porijekla proizvode se od različitih vrsta keramičkih
materijala, najčešće aluminijevog oksida isilicijevog ugljika
Prednosti visoka toplinska postojanost, postojanosti na
djelovanje vlage i postojanost na koroziju visok modul rastezanja visoko talište
Nedostaci Visoka cijena
Keramička vlakna →
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vlakna biljnog porijekla: u drvno-plastomernim kompozitima ili kao zamjena za
neka od prije spomenutih vlakana najčešće se rabe drvna vlakna (bor, jasen, hrast),
konoplja, lan, juta, vlakna agave, ljuske riže i kukuruz u usporedbi sa staklenim vlaknima - postiže se manja
proizvodnost, imaju slabija mehanička svojstva, slabiju postojanost na vlagu i okolišne uvjete
prednosti su im niža gustoća, niža cijena, te lakše recikliranje
Ojačavala – vlakna biljnog porijekla
34
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Dimenzije nekih prirodnih vlakana
Izvor pulpe Duljina vlakana, mm Promjer vlakana, μm
Crnogorično drveće 3,0 30
Listopadno drveće 1,0 16
Pšenična slama 1,5 13
Rižina slama 1,5 9
Trska 1,5 13
Bambus 2,7 14
Pamuk 25,0 20
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Agava zbog mogućnosti recikliranja počela se primjenjivati kao zamjena za
azbestna i staklena vlakna i to pretežno u automobilskoj industriji, te za izradu sportske opreme. Vlakna se dobivaju iz listova agave, koji se trgaju i suše, a zatim se gnječe tako da na kraju ostanu samo vlakna. Iz jednog lista može se prosječno dobiti oko 1000 vlakana.
Bambus tekstilno vlakno, dobiva se od bambusove pulpe. Mekša su od
pamuka i posjeduju antibakterijska svojstva. Juta
jedna od najjeftinijih prirodnih vlakana. Mogu biti dužine 1 – 4 m, te su prljavo bijele do smeđe boje.
Konoplja U posljednjih stotinjak godina proizvodnja se smanjila, iako je prije
industrijske revolucije bila vrlo popularna zbog svoje čvrstoće i brzog rasta. Proizvodi čak do 250 % više vlakana nego pamuk. Mogu se izravno ili injekcijski prešati.
Crnogorica najčešće se primjenjuju vlakna bora. Kao matrica se često koristi PP.
Lan – dobrih akustičnih svojstava. Može se primjenjivati kod svih postupaka
Ojačavala - Vlakna biljnog porijekla
35
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Daska za surfanje s vlaknima agave
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prirodna vlakna
1950.-90. - Trabant - prvi automobil napravljen od prirodnih vlakana - poliester ojačan pamučnim vlaknima
1941. – Henry Ford proizveo jeprvi automobil od 70% konoplja, pšenične slame i 30% plastičnog veziva. Pokretan je etanolom dobivenim od konoplje, nikada nije otišao u proizvodnju. Automobil je bio za trećinu lakši od tadašnjeg čeličnog.
36
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – česticama ojačani kompoziti
Staklene čestice dodaju se kompozitima već
ojačanim staklenim vlaknima zbog poboljšanja kvalitete površine
spriječavaju skupljanje izradka u kalupu
povećavaju krutost matrice kompozita Šuplje staklene kuglice veličine
od 19 μm do 68 µm
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ojačavala – česticama ojačani kompoziti
Mineralne čestice povisuju krutost i snižavaju troškove pri
izradi imaju dobru toplinsku i kemijsku
postojanost, postojanost na vlagu i dobra izolacijska svojstva
nedostatci su im što snizuju mehanička svojstva i izazivaju varijacije u boji gotovih proizvoda
čestice pretežno imaju oblik malih pločica Vrste:
Kaolin, talk, feldspar, barij-sulfat
Kristali talka
37
Sustavi za ojačavanje i ispune Sustavi za ojačavanje:
Osmoljeni list SMC (e. Sheet Moulding Compound) –ojačani pripremci potrebni pri izravnom prešanju kapljevitih duromernih pretpolimera
Preprezi Plastomer ojačan staklenim matom – GMT (e. Glass
Mat-reinforced Thermoplastic) Kao ispune se najčešće primjenjuju PVC, PET i
balsa.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ispune
Kao ispune se najčešće primjenjuju PVC, PET, balsa (vrsta drveta). Služe za dobivanje debljine kompozitnih tvorevina.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
PVC
PET
Balsa
38
Ispune Soric je netkani poliester s heksagonalnom čelijastom
strukturom otpornom na stlačivanje. Čelije su odvojene kanalima koji olakšavaju protok smole i stvaraju šesterokutni uzorak umrežene smole s dobrim mehaničkim svojstvima. Same čelije ne upijaju smolu, što je dodana prednost da se smanji udio smole u konačnoj tvorevini.
Primjenjuje se kao: tanka jezgra (povećava krutost, a daje malu masu tvorevini) sloj između vlakana koji omogućuje protok smole – smanjuje
potrebu za primjenom drugih medija za protok smole kozmetički i završni slojevi
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ispune
Coromat – netkani poliester koji sadrži zatvorene mikrosfere i upija male količine smole.
Služi kao jezgra u kompozitnim tvorevinama za povećavanje debljine i krutosti, te smanjenje mase jer je puno lakši od same smole i vlakana kad bi se oni upotrebljavali za dobivanje željene debljine tvorevine.
Smanjuje masu za 30 % u usporedbi s kompozitima ojačanim staklenim vlaknima.
Može se primijeniti u kombinaciji s većinom smola. Cijena tvorevine je niža u usporedbi s primjenom samo
staklenih vlakana i smole Postoje debljine: 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
39
Ispune
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Soric Coromat
Osmoljeni listovi - SMC SMC je smjesa za izravno prešanje koja se pretežno
sastoji od nezasićene poliesterske smole, očvršćivala, mineralnih punila, vlaknastih ojačavala i ostalih dodataka.
Debljina osmoljenog lista je 2 do 3 mm, a vlakna duljine 12 do 50 mm koja mogu biti slučajno ili usmjereno raspoređena.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
1 – beskonačni struk, 2 – rezna naprava,3 – smola s punilom, 4 – noseća folija,5 – elementi za stlačivanje, 6 – svitak zanamotavanje
40
Preprezi Preprezi se prave najčešće od epoksidnih i fenolnih smola i
ojačavala, ali im se za razliku od SMC-a ne dodaju punila i ostali dodaci.
Nakon natapanja sa smolom tkanina prolazi kroz valjke gdje se odvaja višak smole i prolazi kroz peć gdje se isparavaju otapala i dolazi do prve faze očvršćivanja. Prepreg se zatim hladi da se spriječi daljnje očvršćivanje koje će se postići prilikom izrada proizvoda
Preprege je moguće prerađivati postupcima prešanja i postupcima kod kojih kompozit očvršćuje u autoklavima
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Plastomer ojačan staklenim matom GMT
GMT se natapa najčešće polipropilenom, ali moguće je i poliamidom
Izrada je moguća pomoću ekstrudera, pri čemu se u ekstruderu rastaljeni plastomer ekstrudira između dva sloja staklenog mata, plastomerne folije ili papira
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ekstruzijsko pravljenje GMT-a:1 – stakleni mat2 – plastomerna folija3 – mlaznica ekstrudera4 – dvovrpčana preša5 – područje vrućeg kaširanja6 – rashladna zona7 – gotovi plastomerni
pripremak (GMT)
41
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Primjena kompozita
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Postupci proizvodnje polimernih kompozita
42
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Postupci proizvodnje polimernih kompozita
ručni dodirni postupak laminiranja (e. Lay-up moulding)
dodirni postupak sa štrcanjem (e. Spray-up moulding)
pultrudiranje (40 – 70 % ojačala) namotavanje filamenata (e. Filament Winding) izravno prešanje SMC-a i BMC-a podtlačno oblikovanje laminata (e. Infusion) podtlačno oblikovanje vrećom (e. Vacuum baging) postupak RTM (e. Resin Transfer Moulding) postupak LRTM (e. Light Resin Transfer Moulding)
Ručni dodirni postupak laminiranja
Kalupi za ručno laminiranje otvoreni su i nastoje se graditi jednostavno i od jeftinog materijala, od drva ili nekoga polimernog materijala (npr. poliesterska smola), rjeđe od metala.
Matrice: svi materijali - poliesteri, vinil esteri, epoksidne smole, fenoli itd.
Svi tipovi vlakana (problemi se jedino mogu javiti u slučaju težih aramidnih vlakana koje je teže natopiti ručno).
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
43
Ručni dodirni postupak laminiranja
najprije se kistom nanosi sloj smole spremne za polireakciju uz umreživanje, ali bez ojačavala i punila (gelna prevlaka (e. gelcoat)).
Gelcoat je posebna vrsta poliesterske smole koja se nanosi na kalup u 3 sloja (1. sloj 0,2 mm, 2. sloj do 0,4 mm i 3. sloj do 0,9 mm). Tanki sloj je potreban da zrak uspije izaći, jer gelcoat ne reagira dobro s kisikom. Gelcoat se nanosi mokro na mokro i potrebno je 2-3 h da očvrsne i da se može nastaviti s radom.
Gelna prevlaka čini vanjsku površinu proizvoda, tj. služi za postizanje glatke površine visoke kvalitete
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ručni dodirni postupak laminiranja Zatim se redom nanose slojevi mata ili tkanine natopljeni
hladno umrežujućom smolom (smola pomiješana s umreživalom (npr. peroksid, amini) i ubrzavalom (npr. kobalt)), a valjkom se istiskuje zrak zadržan između slojeva. Postupak se ponavlja dok se ne dobije željena debljina materijala.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
44
Ručni dodirni postupak laminiranja
Polireakcija uz umreživanje smole može se odvijati u peći ili sobnoj temperaturi, a temperatura i vrijeme umreživanja ovise o smoli, umreživalu i ubrzavalu.
Cilj ručnog laminiranja je načiniti kompozitnu tvorevinu sa što manje udjela smole.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ručni dodirni postupak laminiranja
45
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prednosti vrlo jednostavan postupak koji se primjenjuje već dulje vrijeme malen trošak izrade alata veliki izbor vrsti materijala i dobavljača udio vlakana je veći i vlakna su dulja nego u slučaju polaganja
naštrcavanjem mogućnost izrade komplicirane geometrije i velikih volumena
Nedostaci kvaliteta postupka u velikoj mjeri ovisi o radniku dugotrajnost postupka prilikom umreživanja smole mogu se razviti visoke temperature (npr.
od 20 °C do 110 °C) pa treba paziti prilikom rukovanja.
Ručni dodirni postupak laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ručni dodirni postupak laminiranja
46
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
POLIESTERSKI KOMPOZITNI DIO ZA GRAĐEVINSKE STROJEVE (Razvoj Katedra za preradu polimera, 2003.)
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
47
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Krojenje vlakana prema kalupu, nanošenje odvajala i gelne prevlake na kalup
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Miješanje smole, umreživala i ubrzavala
48
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Stavljanje 1. sloja vlakna na kalup i lijevanje smole
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Nanošenje smole po cijelom kalupu i istiskivanje zraka valjcima
49
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Slaganje 2. sloja i ponavljanje postupka
Faze izrade kod ručnog laminiranja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Umreživanje, te nakon toga vađenje gotove tvorevine iz kalupa
50
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Dodirni postupak sa štrcanjem
Proces ručnoga dodirnog laminiranja može se ubrzati djelomičnim mehaniziranjem postupka ako se nanosi na ravnu ploču ili u kalup s pomoću stlačenoga zraka smjesa smole i isjeckanih staklenih vlakana.
Smola se nalazi u dva spremnika, u jednome pomiješana s umreživalom, u drugome s ubrzavalom. Te se dvije smjese štrcaju odvojene iz dvostrukog pištolja, a istodobno se štrca i vlakno u obliku struka, pa se sve te komponente spoje i očvršćuju tek na površini kalupa. Pri tome se uključeni zrak mora istiskivati valjkom.
Kao materijal matrice se uglavnom koriste poliesteri, dok se za ojačanje koristi isključivo stakleni roving.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Dodirni postupak sa štrcanjem
51
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prednosti široka primjena postupka već niz godina vrlo jeftin način taloženja vlakna i smole mali trošak izrade alata visoka brzina
Nedostaci sadrže nešto veću količinu smole tako da imaju veću masu za ojačanja se koriste samo kratka i sječena vlakna, tako da
konačni proizvod ima ograničena mehanička svojstva smole moraju imati malu viskoznost kako bi se mogle
naštrcavati, a to najčešće ide na štetu mehaničkih i toplinskih svojstava
problem može predstavljati i udio stirena koji je u nekim slučajevima i zakonom ograničen
teže postizanje jednolične debljine
Dodirni postupak sa štrcanjem
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Dodirni postupak sa štrcanjem
52
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Izrada glisera ručnim laminiranjem i štrcanjem
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Pultrudiranje Klasični postupak povlačnoga ekstrudiranja,
pultrudiranja, prikladan je za masovnu proizvodnju jednoosnih punih ili šupljih beskonačnih profila.
Struk i stakleno pletivo natapaju se smolom, prolaze kroz mlaznicu za praoblikovanje, zagrijavaju se u protočnoj stazi i uz polireakciju i umreživanje očvršćuju.
Povlačni valjci izvlače izradak, koji se zatim reže na potrebnu duljinu.
Karakteristike postupka: ujednačen presjek kontinuirana duljina anizotropnost mogućnost izrade kompliciranih oblika profila hibridna ojačala
53
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
1 – natični kalem (stakleno pletivo), 2 – kada sa smolom, 3 – alat za praoblikovanje, 4 – reakcijski (zagrijani) alat za očvršćivanje (polireakciju i umreživanje), 5 – povlačni valjci, 6 – kružna pila, 7 – izradak
Pultrudiranje
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Pultrudiranje
54
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Pultrudiranje Prednosti
Neograničena duljina profila Dobra kvaliteta površine Kemijska postojanost Dimenzijska stabilnost Visoka čvrstoća Dobra mehanička svojstva u smjeru vlakana
Nedostaci Velika ulaganja Dobra mehanička svojstva samo u uzdužnom smjeru Isključivo izrada profila Ograničena veličina u poprečnom smjeru
Primjena automobilska industrija, građevinarstvo, zrakoplovna industrija,
proizvodnja sportske opreme, te proizvodi široke potrošnje
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Pultrudirani profili od polimernih kompozita u graditeljstvu
55
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ostali postupci pultrudiranja
povlačno oblikovanje (e. Pullshaping) - pomoću njega se mogu proizvoditi profili nelinearnih oblika
Postoje dva načina proizvodnje: Kod prvog načina vlakna se natapaju smolom te
prolaze kroz alata za praoblikovanje i zatim prolaze kroz dvije mlaznice. Te dvije mlaznice nalaze se na okvirima koji se mogu rotirati, te se upravo njihovim rotiranjem dobiva zakrivljeni oblik
Kod drugog načina obje mlaznice su fiksne, te također druga mlaznica ima šupljinu u obliku željene krivulje po cijeloj svojoj duljini
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ostali postupci pultrudiranja
Proizvodi dobiveni postupkom povlačnog oblikovanja
56
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Namotavanje filamenata
Postupak obodnoga (prstenastog) namotavanja primjenjuje se u proizvodnji cilindričnih šupljih tijela različite duljine, od proizvoda dugačkih nekoliko centimetara do uličnih rasvjetnih stupova.
Vlaknaste tvari u obliku struka ili traka prolaze kroz kadu i natapaju se smolom, a zatim se namotavaju na rotirajuću jezgru, koja se poslije može rastaviti ili uništiti. Kut namotavanja može se prema potrebi različito namjestiti, namotavati se može i oko polova jezgre i sl. Namotani oblik zatim očvršćuje uz polireakciju i umreživanje.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Namotavanje filamenata
57
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Vrste namotavanja
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Namotavanje filamenata
58
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prednosti vrlo brza i ekonomična metoda može se regulirati udio smole na vlaknima troškovi su manji zbog toga što se rabe pojedinačna vlakna, a ne
tkanja mogu se dobiti odlična mehanička svojstva kompozita ako se
vlakna poslažu u smjeru djelovanja opterećenja.
Nedostaci oblici proizvoda koji se dobivaju su ograničeni smještaj vlakana na različite oblike nije uvijek lagan troškovi dijela na koju se namotava mogu biti visoki u slučaju
izrade velikih dijelova vanjska površina proizvoda nije uvijek estetski prihvatljiva.
Namotavanje filamenata
59
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Primjeri polimernih kompozita napravljenih namotavanjem
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Izravno prešanje (e. Compression Moulding)
Postoje dva postupka: hladno i toplo prešanje
Kod hladnog izravnog prešanja, kalup se najprije premazuje odvajalom i gelnom prevlakom. Nakon toga, ulaže se predoblik tkanine koji služi kao ojačavalo. Poslije se u kalup ulijeva odgovarajuća količina smole, nakon čega se kalup zatvara i smola umrežuje pri sobnoj temperaturi.
Prednosti Nema grijanja kalupa Sile držanja kalupa su niske Jefitnija proizvodnja
Nedostaci Niža proizvodnost
60
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Izravno prešanje (e. Compression Moulding)
Kod toplog izravnog prešanja vlaknasti preprezi ulažu se u grijani kalup preše. Povišenom temperaturom i tlakom postiže se tečenje smjese smole i vlakana. Nakon što je kalupna šupljina popunjena slijedi umreživanje pri čemu je kalup još uvijek pod tlakom. Nakon dovoljnog stupnja umreživanja, vade se otpresci iz kalupa i umreživanje se može nastaviti u pećima.
Prednosti Otpresci visoke krutosti i čvrstoće Visoka kvaliteta površine Postupak pogodan za masovnu proizvodnju.
Nedostaci Potreba za pripremom i pravilnim umetanjem pripremaka Skupi strojevi i kalupi
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Podtlačno oblikovanje Ručno se slažu vlakna (tkanine) u donju polovicu kalupa. Vlakna se
postavljaju suha, te nakon čega se na njega stavlja polimerna folija Pomoću podtlačne pumpe uklanja se zrak i podtlak kojim se
poboljšava spajanje elemenata kompozita. Te smola kroz crijeva (koja su najčešće s malim rupicama) natapa vlakna.
Matrice: fenolne i epoksidne smole, zato što kod poliestera i vinil estera problem može predstavljati povećana ekstrakcija stirena
Mogu se upotrijebiti sve vrste vlakana
61
Podtlačno oblikovanje - oprema
Odvodnik smole – spriječava usisavanje smole zajedno s zrakom, jer prilikom popunjavanja proizvoda smolom, smola ulazi u cijevi za zrak
Spiralna cijev za odvod zraka i viška smole – dovod smole uobičajeno se postavlja na sredinu kalupa, dok cijevi za odvod zraka postavljaju se na rub kalupa. Cijev ima propusnost po cijeloj duljini pa zrak izlazi jednoliko po rubovima kalupa. Ona se može primjeniti i za dovođenje smole, tada otvori za propusnost služe za natapanje površine kalupa
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Podtlačno oblikovanje - oprema Odvojiva folija – stavlja se kad su vlakna postavljena u
kalup. Najčešće se izrađuje od gusto pletenog poliamida impregniranog odvajalom. Folija se zalijepi za vlakna, ali se lagano kasnije skine. Njezina propusnost omogućava prolaz smole. Upotreba nije obavezna, ali se primjenjuje zbog izgleda unutrašnjeg sloja
Film za odjeljivanje – film se stavlja na odvojivu foliju ili izravno na vlakna i ne lijepi se na njih
Vreća kojom se brtvi i zatvara kalup – vreća je završni dio. Prvo se postavlja na jednu stranu kalupa gdje se brtvi trakom i zatim postavlja na suprotnu stranu kalupa
Gumeno/PVC crijevo za prijenos smole sa sitnim rupicama po sebi – kad se crijevo u potpunosti napuni sa smolom, tek tada počinje teći i natapati vlakna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
62
Podtlačno oblikovanje – faze postupka Priprema kalupa (čišćenje i
nanošenje odvajala (npr. silikon, vosak))
Lijepljenje trake za brtvljenje i spiralne cijevi
Postavljanje vlakana ili pjene (npr. PVC, PET ili PE) ako je potrebna veća debljina u kalup. Prije postavljanja svakog sloja potrebno je nanijeti adhezijsko sredstvo (najčešće naštrcavanjem) da se izbjegne međuslojno pomicanje vlakana prilikom stvaranja podtlaka
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
PVC pjenaUgljična vlakna isačasta struktura
pjena
1
2
3
Podtlačno oblikovanje – faze postupka Postavljanje odvojive folije Postavljanje filma za odjeljivanje Postavljanje crijeva za prijenos smole
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
4 5 6
63
Podtlačno oblikovanje – faze postupka Postavljanje vreće za brtvljenje kalupa Smješavanje smole, ubrzavala, umreživala Podešavanje podtlaka (npr. 0,2 – 0,3 bara) Nakon natapanja cijelog kompozita, dotok smole se
zatvara, a podtlak se održava dok se ne odvoji višak smole u odvodnik i do potpunog očvršćivanja smole
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
7 8
Podtlačno oblikovanje
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
64
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prednosti proizvodnja kompozita s većim udjelom vlakana manje pukotina u materijalu bolje je vlaženje vlakana i protok smole kroz ojačanja zbog
djelovanja povišenog tlaka podtlačni pokrov smanjuje količinu ishlapljenih štetnih tvari
tijekom skrućivanja
Nedostaci proces je nešto skuplji i zahtjeva prilično veliku vještinu
operatera (vrlo bitno kod kontrole miješanja i udjela smole)
Podtlačno oblikovanje
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Injekcijsko-posredno prešanje kapljevite smole s uloženim trodimenzionalnim ojačavajućim
predoblikom - RTM
Predoblik od vlakana se postavlja u kalup (mogu se stvoriti različiti oblici koji se drže vezivom)
Kalup se zatvara te se u njega ubrizgava smola (može se upotrijebiti i podtlak)
Nakon što je kalup popunjen zatvaraju se mjesta nakojima je ubrizgana smola i dolazi do skrućivanja(umrežavanja) pri povišenim ili sobnim temperaturama
Mogu se upotrijebiti gotovo sve vrste matrica i vlakana
65
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
RTM
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Prednosti proizvodnja kompozita s visokim udjelom vlakana i s niskim
udjelom pukotina u materijalu budući da je smola zatvorena u kalup, ne predstavlja opasnost
za okoliš puno bolji izgled površine
Nedostaci vrlo skup i težak alat proizvodnja je ograničena na manje komade mogu se pojaviti mjesta na proizvodu koja nisu popunjena
smolom, što može dovesti do velikog škarta
RTM
66
Lako podtlačno injekcijsko prešanje kapljevite smole s uloženim trodimenzionalnim ojačavajućim predoblikom - LRTM
LRTM (e. Light Resin Transfer Moulding) - postupak oblikovanja u zatvorenom kalupu. Postupak je kombinacija RTM (e. Resin Transfer Moulding) i podtlačnog injekcijskog prešanja (e. VI –Vacuum Infusion) s krutim ili fleksibilnim kalupima.
Odlika postupka je gornja polovica kalupa izrađena od lakših materijala
Postupak se općenito sastoji od sljedećih koraka: priprema kalupa (opcija: s ili bez gelne prevlake) postavljanje ojačavala u donji kalup zatvaranje kalupa ubrizgavanje smole u kalup (predtlakom ili podtlakom) zasićenje ojačavala smolom umreživanje smole razdvajanje polovica kalupa i vađenje proizvoda iz kalupa.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
LRTM Oprema za LRTM:
Pumpa za ubrizgavanje smole – mora biti u mogućnosti postizanja tlaka od 1 bar
Gornja polovica kalupa (najčešće načinjena od nekih materijala male mase)
Donja polovica kalupa Obodna brtvila za kalupe – spriječavaju izlazak smole izvan kalupa Obodni kanal – povezuje dvije polovice kalupa djelovanjem podtlaka,
te se nalazi između vanjskog i unutarnjeg obodnog brtvila kalupa Odvodnik smole – posuda u kojoj se skuplja višak smole prije gašenja
rada pumpe Ojačavalo (tkanina, vlakna i sl.), smola, katalizator
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
67
LRTM
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
LRTM – faze postupka Sve dijelove opreme koja dolazi u kontakt sa smolom
premazati s odvajalom (gornju i donju polovicu kalupa, posudu za odvod smole, unutranje brtvilo, kanal za ubrizgavanje smole)
Odabir materijala, rezanje kroja, slaganje ojačavala u donju polovicu kalupa. Tkanina ne smije prelaziti rubove donje polovice kalupa
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
68
Pri zatvaranju kalupa paziti da ne dođe do savijanja ojačavala, pomicanja slojeva, itd.
Nakon zatvaranja kalupa, postavlja se posuda za odvod viška smole, spajaju se crijeva na pumpu, zaštitnu posudu i crijevo za dovod smole
Zaštitna posuda služi kako smola prilikom usisavanja iz kalupa ne bi završila u pumpi.
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
LRTM – faze postupka
LRTM – faze postupka Prije mješanja smole i
umreživala, potrebno je na kratko upaliti pumpu i izvući sav zrak iz kalupa (npr. 5 min ovisno o dimenzijama kalupa).
Slijedi mješanje smole i umreživala
Crijevo se postavlja u posudu sa smolom i otpušta se stezaljka, te pumpa povlači smolu u kalup i natapa ojačavalo (vlakna)
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
69
LRTM – faze postupka Kako dolazi do punjenja kalupa smolom, višak se skuplja
u posudu i u njoj se javljaju mjehurići sve dok sav zrak nije izašao iz kalupa
Dovod smole se može zaustaviti kad smola u posudi za višak smole počinje očvršćivati
Pumpu ostaviti da radi toliko vremena dok smola ne očvrsne (određeno prema uputama proizvođača za umreživanje smole)
Ostavljanje da smola potpuno umrežuje – prilikom umreživanja smole, temperatura unutar kalupa se može razvijati i do 120 C
Zatim slijedi micanje posude, otvaranje kalupa, vađenje gotove tvorevine i čišćenje svih dijelova
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
LRTM
Prednosti postupka LRTM su: visoka produktivnost i smanjeni troškovi rada poboljšana dimenzijska stabilnost (točnost) kalupi izrađeni od kompozitnih materijala (npr. polimer
ojačan staklenim vlaknima) ili od aluminija i čelika smanjene emisije stirena zbog odvijanja postupka u
zatvorenom kalupu mogućnost proizvodnje dviju glatkih površina zbog
gelne prevlake na obje površine kalupa čišći proizvodni pogon zbog odvijanja postupka u
zatvorenom kalupu
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
70
LRTM
Nedostaci postupka LRTM su: oblik kalupa utječe na protok smole poravnavanje predoblika i ojačavala je kritično –
ograničenja oblika (polumjeri, kutevi) potreba za nepropusnim i dimenzijski točnim kalupima
radi međusobnog spajanja viši troškovi kalupa i alata (potrebna dvije kalupne
polovice) viši troškovi ojačavala (upotrebljavaju se složene
tkanine i rovinzi (strukovi), te njihove kombinacije) neispunjenost predoblika smolom mogući zaostali zrak u kalupu
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
LRTM
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
71
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Podtlačno ulijevanje (RI) i podtlačni injekcijski postupak (VI)
Pri RI postupku predoblik se natapa djelovanjem podtlaka koji povlači smolu
Za VI postupak potrebno je stvoriti viši ili niži podtlak i blag gravitacijski nadtlak zraka. Brzine ubrizgavanja mnogo su niže, a time i vrijeme geliranja, što produljuje ciklus.
Debljina stijenke proizvoda nije ravnomjerna
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
RI i VI
Prednosti proizvodnja ekološki prihvatljivih kompozita s velikim udjelom vlakana dobra mehanička svojstva koja se pripisuju krutom inicijalnom stanju
polimera manji troškovi nego u slučaju preprega manja je mogućnost pojave područja koja nisu ispunjena smolom.
Nedostaci potrebna je peć i podtlačno pakiranje alat mora izdržati temperature od 60-100 °C.
72
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Recikliranje kompozitnih tvorevina
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
1. Spriječitinastanakotpada
2. Ponovnokorištenje proizvoda
3. Recikliranje materijala
4. Energijska oporaba
5. Odlagalište otpada
Zašto reciklirati?Strategija upravljanja
otpadom u EU
Ponovna upotreba proizvoda -Primjena raznih starih komponenata u istim primjenama
Recikliranje – postupak ponovne primjene materijala
Energijska oporaba – primjena otpada za proizvodnju energije
73
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Otpad nastao u proizvodnji Otpad nastao zbog dotrajalosti proizvoda
Vrste kompozitnih otpada
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Otpad nastao u proizvodnji rubovi laminata, izrezani dijelovi, prašina nastala od
brušenja zaostali materijal (umrežena smola i ojačani dijelovi) zastarjeli preprezi prenaštrcana staklena vlakna i smole škart razna otapala, dodaci i dr.
Vrste kompozitnih otpada
74
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Otpad nastao zbog dotrajalosti proizvoda predug vijek trajanja proizvoda nehomogena smjesa materijala mali volumeni u usporedbi s ostalim otpadom skupo sakupljanje i razvrstavanje teško je predvidjeti količine takvih otpada kontaminirani i degradirani materijal
Vrste kompozitnih otpada
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Poteškoće prilikom recikliranja kompozitnih tvorevina
Sakupljanje, sortiranje, transport, rastavljanje od ostalih proizvoda, potrebno smanjenje dimenzija
Manji volumeni u usporedbi sa ostalim otpadom
Nejednoličan sastav materijala Mala potražnja za recikliranim
kompozitnim tvorevinama
75
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Postupci recikliranja kompozita
Mehanička oporaba tj. recikliranje - usitnjavanje kompozitnih tvorevina i njihovo pretvaranje u materijal ili primjena kao anorganska vlakna i punila
Energijska oporaba – spaljivanje kompozitnog otpada
Kombinacija energetske oporabe i mehaničkog recikliranja – primjena ostatka pepela nastalog energetskom oporabom
Kemijsko recikliranje - postupci razgradnje usitnjenih kompozitnih smola pomoću postupaka hidrolize i pirolize
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Ciljevi postupaka recikliranja kompozita: Ponovna uporaba u novim proizvodima sa sličnim
svojstvima Ponovna upotreba u novim manje zahtjevnijim
proizvodima Razgradnja otpada u osnovne kemikalije pomoću
pirolize, hidrolize i postupka pretvaranja u plin Spaljivanje otpada i iskorištenje energije za npr.
grijanje
Postupci recikliranja kompozita
76
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Kod mehaničkog recikliranja potrebno je: Sakupljanje i razvrstavanje otpada Identifikacija materijala Usitnjavanje (usitnjeni materijal se može iskoristiti
kao punilo ili kao ojačalo u izvornom materijalu). Reciklirani materijal nanosi se posebnim uređajem za štrcanje
Smola mora biti potpuno umrežena
Postupci recikliranja kompozita
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Energijska oporaba: Iskorištenje energije otpada Anorganska ojačala staklenim vlaknima i mineralna punila ostati će u preostalom pepelu
Potrebno je smanjenje dimenzija proizvoda U kombinaciji sa mehaničkim recikliranjem bolja je provedivost
energetske oporabe
Postupci recikliranja kompozita
RTM na 700 °C 17 % O2
RTM na 1000 °C 17 % O2
Ugljična vlakna/epoksidna
smola nakon 20 min na 700 °C 4 % O2
Ugljična vlakna/epoksidna smola nakon 3 h
na 700 °C 4 % O2
77
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Postupci recikliranja kompozita – sadržaj energije
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Kompozitni otpad - Otpad u automobilskoj industriji
Izvor: European Alliance for SMC
78
Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera
Potrebno je napraviti novi koncept upravljanja otpadom prema EU standardima
Industrija se sve više okreće novim upravljanjima otpadom (mehaničkim recikliranjem i energetskoj oporabi)
U budućnosti se očekuje porast sakupljanja kompozitnih tvorevina
Troškovi upravljanja otpadom značajno će porasti Potaknuti proizvođače na upotrebu kompozitnog reciklata Potaknuti potrošaće na odvojeno sakupljanje
Zaključak recikliranja kompozita