Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami
Kompozytem nazywamy tworzywo powstałe przez połączenie dwóch lub więcej materiałów, z których jeden jest wiążącym, a inne spełniają rolę wzmacniającą i są wprowadzane w postaci ziarnistej, włóknistej lub warstwowej. W wyniku tego uzyskuje się kombinację własności (zwłaszcza mechanicznych) niemożliwą do osiągnięcia w przypadku stosowania pojedynczych materiałów wyjściowych.
Istota wzmacniania tworzyw włóknami
Duża zaleta kompozytów wzmocnionych włóknami polega na tym, że użytkownik może opracować materiał dostosowany do swoich potrzeb, dzięki zastosowaniu odpowiednich włókien w materiale macierzystym. Z tego względu kompozyty znalazły szerokie zastosowanie we współczesnej technice i
Poszczególne rodzaje włókien mają swoiste zalety i wady. Na przykład włókna węglowe są wytrzymałe na rozciąganie i lekkie, zaś włókna aramidowe – lekkie, ale mające stosunkowo mniejszą wytrzymałość na ściskanie, włókna szklane mają dobre własności wytrzymałościowe, lecz większy od innych ciężar. Przy wyborze włókien należy brać również pod uwagę ich własności chemiczne, elektryczne, dielektryczne oraz cenę.
Kompozyty składają się z osnowy i rozmieszczonego w niej drugiego składnika o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych, zwanego zbrojeniem. Kompozyty stanowią połączenie dwóch lub więcej odrębnych nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi składowemu. Materiały kompozytowe znajdują zastosowanie m.in. w przemyśle elektromaszynowym, lotniczym, stoczniowym itd.
Osnową kompozytu jest bardzo często polimer, ale może nim być również metal (np. tytan, glin, miedź) lub ceramika (np. tlenek glinu). Wymienione materiały różnią się znacznie takimi właściwościami jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, odporność na kruche pękanie, temperatura użytkowania, a przede wszystkim mają inne ciężary właściwe. Najczęściej osnową są polimery ze względu na ich mały ciężar właściwy i łatwość kształtowania. Znajdują tu zastosowane wszystkie łatwo uplastyczniające się termoplasty i duroplasty wraz z elastomerami i zawiesinami. W przypadku termoplastów stosuje się przeważnie polipropylen (PP) i poliamid (PA), a oprócz tego poliwęglan (PC), polistyren (PS) i polietylen (PE). Ze względu na bardzo dobre właściwości mechaniczne i elektryczne oraz bardzo korzystne właściwości sieciujące, w przypadku duroplastów stosuje się zwłaszcza żywice epoksydowe (EP), jak również żywice poliestrowe, silikonowe albo żywice winylowo-estrowe. Niezależnie jednak od materiału osnowa spełnia w kompozycie następujące funkcje: zlepia zbrojenie, umożliwia przenoszenie naprężeń na włókna, decyduje o właściwościach chemicznych i cieplnych kompozytu, nadaje żądany kształt wyrobom, dobrze wiąże się ze zbrojeniem. Ponieważ niektóre włókna są bardzo kosztowne, więc stosuje się czasem kombinację dwóch lub więcej rodzajów włókien w jednej kompozycji, uzyskując w ten sposób bardzo dobre własności.
Zbrojenie może mieć postać proszku lub włókien. Dodawane jest do kompozytu w dużej ilości. Oddziałuje ono zazwyczaj tylko fizycznie na osnowę. Zbrojenie powoduje poprawę wytrzymałości, sztywności i twardości kompozytów i często zmniejsza koszt wsadu surowcowego (dotyczy to zwłaszcza napełniaczy proszkowych). Poza tym, w zależności od budowy kompozytu, można również polepszyć inne właściwości, np. przewodność cieplną i elektryczną, odporność na temperaturę i ścieranie. Wzmacniające działanie włókien oraz właściwości mechaniczne kompozytu są określone z jednej strony przez długość, średnicę i budowę chemiczną włókien, a z drugiej strony przez ich ilość i położenie.
Kompozyty można sklasyfikować według rodzaju i kształtu fazy umacniającej (zbrojenie kompozytu) oraz typu osnowy. Ze względu na pochodzenie kompozytu możemy wyróżnić kompozyty sztuczne (wytworzone przez człowieka) i kompozyty naturalne, np. drewno. Pod względem zbrojenia można wyróżnić kompozyty włókniste, proszkowe i porowate ciała stałe lub pianki. Kompozyty wzmacniane włóknami można podzielić na umacniane włóknami ciągłymi i krótkimi (ciętymi), a w zależności od kierunku ułożenia włókien mogą być kompozyty umacniane włóknami równoległymi, nierównoległymi, matami, tkaninami, plecionkami itp. Odrębnym rodzajem kompozytu jest laminat, czyli kompozyt warstwowy, umacniany warstwami papieru, drewna, tkanin, podczas gdy osnowę stanowi żywica syntetyczna. Są też stosowane laminaty typu
„plaster miodu” lub kompozyty warstwowe o osnowie metalowej. Kompozyty można dzielić według rodzaju materiału włókien (metalowe, ceramiczne węglowe, polimerowe) lub osnowy (metal, ceramika, węgiel, tworzywa sztuczne).W zależności od tego, jaka jest postać zbrojenia, otrzymujemy albo kompozyty proszkowe albo włókniste. Włókna mogą być ciągłe, ułożone jednokierunkowo bądź cięte zorientowane w jednym kierunku lub też rozmieszczone w sposób chaotyczny (losowy). Od rodzaju zbrojenia, jego kształtu i sposobu rozmieszczenia będą zależały właściwości kompozytu. Kompozyty zbrojone proszkami bądź z przypadkowo rozmieszczonymi włóknami ciętymi mają właściwości jednakowe w każdym kierunku. Natomiast kompozyty zbrojone włóknem ciągłym bądź zorientowanym włóknem ciętym mają wyższe właściwości wytrzymałościowe wzdłuż włókien niż w kierunku poprzecznym.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym składają się najczęściej z duroplastycznych żywic poliestrowych lub epoksydowych i włókien szklanych. Pojedyncze włókna szklane (o niewielkiej grubości) są trudne do stosowania, więc używa się ich w postaci pasm, a także jako tkaninę, maty lub włókninę. Przy wytwarzaniu kształtek tworzywo sztuczne jest płynne, a potem ulega utwardzeniu.
Właściwości tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym wynikają z zastosowanej żywicy oraz rodzaju włókien szklanych, ich zawartości w całkowitej objętości oraz rozmieszczenia. Wytrzymałość zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości włókien i ich ustawieniem w jednym kierunku.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym
W skład części wykonanych z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym wchodzą włókna określające wytrzymałość, o wysokiej twardości i stabilności temperaturowej na bazie węgla (komponenty wzmacniające), umieszczone w ciągliwym materiale macierzystym o małej odporności na temperaturę. Różne włókna węglowe mogą być przy tym w różny sposób połączone z możliwymi do zastosowania polimerowymi materiałami macierzystymi. Uzyskuje się w ten sposób dużą liczbę kombinacji materiałowych, częściowo znacznie różniących się właściwościami. Materiały te są określane ogólnym pojęciem jako tworzywa wzmocnione włóknem węglowym. W celu możliwie efektywnego wykorzystania korzystnego profilu właściwości włókna węglowe stosuje się w postaci włókien ciągłych, przy czym ich zawartość objętościowa wynosi 50-65%.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym znajdują zastosowanie w pierwszym rzędzie w lotnictwie (np. elementy usterzenia pionowego, usztywniające, płyty hamulcowe) albo w budowie maszyn, gdzie dąży się do zredukowania bezwładności masy albo dobrego tłumienia (części maszyn o wysokiej dynamice). Inną dziedziną zastosowania tych materiałów jest branża artykułów sportowych i rekreacyjnych.
Elementy wtryskiwane wzmocnione długimi włóknami
W ostatnim okresie nasilają się liczne się próby zastąpienia technologii wzmacniania matami szklanymi metodą wzmacniania długimi włóknami detali z tworzyw termoplastycznych bezpośrednio w procesie przetwórstwa, technologią wtryskiwania tworzyw wzmocnionych długimi włóknami lub przez bezpośrednie mieszanie. W porównaniu z klasycznym procesem wzmacniania matami szklanymi wtryskiwanie ślimakowe granulatów wzmocnionych długimi włóknami jest znacznie prostsze, ponieważ eliminuje docinanie, układanie i podgrzewanie mat. Tworzywa wzmocnione długimi włóknami są przetwarzane metodą wtryskiwania w produkcji elementów o podwyższonych własnościach mechanicznych. Jest to możliwe dzięki opracowaniu specjalnych ślimaków o odpowiedniej geometrii (niepowodującej niszczenia włókien), odpowiednich zaworów zwrotnych oraz dysz i systemów gorących kanałów. Opracowanie metody bezpośredniego mieszania na wtryskarkach zostało podyktowane przede wszystkim względami ekonomicznymi. Głównym celem tej technologii jest uzupełnienie (lub zastąpienie) procesu wtryskiwania tworzyw wzmocnionych długimi włóknami. Obecnie proces ten nabiera coraz większego znaczenia, ponieważ daje przetwórcom możliwość opracowywania indywidualnych form współpracy z klientem. Produkcja jest w stanie bardziej elastycznie
W procesie bezpośredniego mieszania nośniki polimerowe oraz włókna wzmacniające (np. pocięte włókna szklane) są podawane bezpośrednio do wtryskarki, gdzie następuje wymieszanie i podanie materiału kompozytowego do gniazda formy. Pozwala to przetwórcom na dostosowanie składu mieszaniny (np. zawartości procentowej włókien i ich długości) dokładnie do konkretnych wymagań technicznych danego wyrobu. W ten sposób bardzo długie włókna mogą znacznie poprawić właściwości użytkowe wyrobu końcowego.
Metoda bezpośredniego mieszania znacznie zwiększa możliwości przetwórców. Czasami jednak okazuje się, że samo wzmocnienie długimi włóknami nie jest wystarczające, zwłaszcza w przypadku elementów poddanych dużym obciążeniom. W takim przypadku obszary najbardziej obciążone należy dodatkowo wzmocnić poprzez wprowadzenie tkaniny wzmacniającej. Techniki przygotowywania, przenoszenia i pozycjonowania takich wkładów w formie są ciągle doskonalone. Zdecydowaną zaletą tego jednoetapowego procesu jest znaczna redukcja odciążenia cieplnego przetwarzanego materiału. W wielu przypadkach jest to jedyna metoda przetwarzania wrażliwych termicznie materiałów i komponentów. Nowoczesne materiały konstrukcyjne powinny być odporne i wytrzymałe oraz pozwalać na możliwie największą swobodę w zakresie projektowania. Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami stanowią dobrą odpowiedź na te wyzwania.
Aspekty ekologiczne stosowania tworzyw wzmocnionych włóknami
Jednym z istotnych problemów dotyczących ochrony środowiska naturalnego jest gromadzenie i segregacja odpadów stałych z tworzyw sztucznych, które w większości nie ulegają degradacji w krótkim okresie. Odpady z tworzyw są uciążliwe także z tego względu, że zajmują dużą objętość przy stosunkowo małym udziale masowym w ogólnym bilansie odpadów. Ochrona środowiska przed odpadami z tworzyw polega m.in. na usprawnieniu procesów ich likwidacji. Polimer lub tworzywo powinno nadawać się do wielokrotnego przetwarzania lub powinno ulegać samodegradacji, a w najgorszym przypadkach powinna istnieć możliwość jego usuwania przy jak najmniejszym koszcie. W związku z tym w ostatnich latach zwrócono uwagę na przyjazne dla środowiska degradowalne i biodegradowalne polimery naturalne i ich mieszaniny, które stanowią alternatywę dla tworzyw sztucznych.
Biodegradacja jest to proces niszczenia materiału spowodowany działaniem enzymów i/lub organizmów żywych, wśród których najważniejszą rolę odgrywają mikroorganizmy (grzyby, pleśnie i bakterie) ze względu na powszechność ich występowania, szybkość rozmnażania i różnorodność gatunków. Jest to skomplikowany i wielostopniowy proces rozpoczynający się od rozdrobnienia materiału polimerowego i osłabienia jego spoistości. Biodegradacja wiąże się z degradacją łańcucha polimeru, tzn. zmniejszeniem masy cząsteczkowej. Pękanie wiązań chemicznych w łańcuchu zachodzi pod wpływem ataku enzymów według mechanizmu utleniania lub hydrolizy. W drugim etapie procesu zachodzi mineralizacja, w wyniku której następuje przemiana polimeru w biomasę, minerały, sole, wodę oraz takie gazy jak dwutlenek węgla, metan i azot. Istnieje szereg czynników, które decydują o tym, że włókna roślinne stanowią ekologiczną alternatywę dla włókien szklanych i sztucznych przy wytwarzaniu tworzyw wzmacnianych – łatwa ich dostępność i odnawialność, niska cena, mała gęstość i w miarę dobre własności mechaniczne. Właściwości mechaniczne są dowodem na to, że włókna roślinne (zwłaszcza lnu, juty, konopi, sizalu) mogą konkurować z włóknem szklanym pod względem wytrzymałości i modułu w przeliczeniu na gęstość. Większość włókien naturalnych ma budowę porowatą, która może być czynnikiem ułatwiającym przesycanie ich żywicami. Ta porowata struktura jest także przyczyną zwiększonej chłonności
wody.Włókna naturalne ulegają degradacji pod wpływem promieniowania UV, kwasów i zasad. Tworzywa wzmocnione włóknami naturalnymi można więc przetwarzać takimi metodami, jak: wytłaczanie 1- i 2-ślimakowe, kalandrowanie, mieszanie i prasowanie, powlekanie, wtryskiwanie, laminowanie ręczne, przesycanie pod- i nadciśnieniowe.
Jedną z łatwiejszych metod otrzymania takiego tworzywa jest metoda laminowania ręcznego, która realizowana jest przez warstwowe nakładanie mat lub tkanin z włókien wzmacniających na prostą jednostronną formę i przesycanie ich kompozycją żywicy, np. za pomocą pędzla. Jest to tani i prosty sposób, ponieważ gotowy wyrób powstaje bez stosowania wysokich temperatur i ciśnienia. Natomiast w procesie ciekłego wytłaczania ciekłe żywice są tłoczone do zamkniętej przestrzeni, która jest wypełniona suchym wzmacniaczem. Po napełnieniu żywicą laminat jest utwardzany aż do otrzymania stałego tworzywa o optymalnych właściwościach.
Od wielu lat wytwarza się materiały kompozytowe z termoplastów (głównie z polietylenu i polipropylenu), napełniane materiałami organicznymi, np. mączką drzewną lub włóknami lignino-celulozowymi. Najczęściej jednak stosuje się włókna naturalne w celu wzmocnienia polimerów termoutwardzalnych z żywic poliestrowych, epoksydowych, fenolowych i melamino-fenolowych. Tworzywem takim jest na przykład kompozyt wytwarzany już od 1974 r., z którego po raz pierwszy wykonano rury nawijane z włókna sizalowego i żywicy epoksydowej.
Roślinne włókna naturalne są stosowane jako napełniacze termo- i duroplastów w kompozytach używanych w przemyśle samochodowym, meblarskim i budownictwie. W wielu krajach włókna łodygowe różnych roślin (sizal, agawa, kokos, słonecznik, trzcina cukrowa czy gałęzie drzew) są stosowane jako wzmocnienie tworzyw i cementu i stanowią tanie, lekkie, a jednocześnie wytrzymałe materiały budowlane.
Walory włókien naturalnych doceniono w przemyśle samochodowym. W 1994 r. opisano możliwość wykonywania różnych części samochodowych z polimerów wzmocnionych włóknem lnu zamiast szklanego (np. na okładziny hamulców lub sprzęgieł, zderzaki). Wykonane z lnu wnętrze samochodu (z małą ilością polimeru) ma wiele zalet w porównaniu z wykładzinami z włókien syntetycznych, np. tworzy korzystny mikroklimat o właściwej wilgotności, bez substancji o szkodliwym działaniu lub nieprzyjemnym zapachu, lepiej wygłusza dźwięki i pochłania drgania. Wymiana włókna szklanego na charakteryzujące się mniejszą gęstością włókno naturalne może przyczynić się do zmniejszenia masy gotowego wyrobu nawet o 30%. Jeżeli uwzględni się cenę, a także dostępność różnego rodzaju włókien wtórnych lub odpadowych, to okazuje się, że włókna roślinne mogą stanowić tanie i wygodne uzupełnienie włókien wzmacniających w stosowanych dotychczas w kompozytach polimerowych.
