Kompozyty polimerowe na osnowie termoplastów

2006-06-22

Poszukując materiałów na wyroby konstrukcyjne coraz popularniejsze stają się kompozyty polimerowe, które są lżejsze, a jednocześnie bardziej wytrzymałe. Inżyniera materiałowa daje możliwość uzyskiwania nowych, nieznanych materiałów jak i modyfikowania tradycyjnych materiałów, przystosowując je do nowych zastosowań. Napełniając termoplasty włóknami szklanymi, talkiem czy innymi napełniaczami uzyskujemy materiały na elementy konstrukcyjne spełniające nawet najsurowsze wymagania. Jednocześnie, aby wybrać właściwy kompozyt dla danej aplikacji należy przewidywać możliwość zmęczenia materiału.

Kryteria doboru materiałów na elementy konstrukcyjne Wiodącym współcześnie kryterium doboru materiałów jest obok ceny wykonanego gotowego wyrobu, jest także możliwość jego masowej produkcji, przy zapewnieniu wysokiej wytrzymałości oraz obniżeniu masy i energochłonności technologii jego wytwarzania. Powszechnie stosowane materiały konstrukcyjne, takie jak stal, aluminium, tytan i kompozyty polimerowe z włóknami węglowymi czy szklanymi - tak różne pod względem wytrzymałości, sztywności, odporności na korozję, próbuje się wykorzystać do tego samego celu – zaprojektowania optymalnego wyrobu o niskiej masie i cenie, przy wykorzystaniu niskoenergetycznych technologii. Nie można jednak zapominać o istotnych dla tych materiałów różnicach. Na przykład, gdyby zbudować ramę tytanową lub aluminiową z rur o takiej samej średnicy jak analogiczna rama stalowa, to wprawdzie byłaby ona zdecydowanie lżejsza, ale jednocześnie zbyt elastyczna. Dlatego w trakcie projektowania wyrobów należy dostosowywać geometrie wyrobu do rodzaju materiału, z którego zostanie on wykonany.

Na wykresie poniżej porównano tzw. współczynnik wytrzymałości właściwej dla typowych materiałów konstrukcyjnych, zdefiniowany jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie do ciężaru właściwego. Widzimy, iż najwyższą wartość przyjmuje on dla kompozytów polimerowych, co jest jedną z podstawowych przyczyn szybkiego wzrostu ich produkcji i zastosowań.



Zaawansowane technologicznie kompozyty polimerowe (na osnowie żywic utwardzalnych z matami z włókien węglowych) mogą mieć ten współczynnik jeszcze wyższy oraz wytrzymałość i sztywność równą metalom (przy dużo mniejszym ciężarze), niemniej technologia ich wytwarzania jest zdecydowanie droższa i trudniejsza w zastosowaniach dla dużych serii. Dodatkowo takie kompozyty są anizotropowe, co oznacza, że ich sztywność i wytrzymałość zależą od sposobu ułożenia włókna w osnowie, ale dzięki temu można wpływać na kształtowanie właściwości wyrobów z kompozytu - zmieniając kąt zaplotu nitek oraz ilość warstw. W ten sposób wytwarza się konstrukcje, które muszą spełniać wysokie wymagania odnośnie bezpieczeństwa, takie jak elementy mostów czy skrzydła samolotów, przy jednoczesnej redukcji ich masy. Współcześnie rozwija się również technologia umożliwiająca wtrysk lub wytłaczanie dużych elementów ze specjalnego granulatu napełnionego długim włóknem szklanym (o długości od 20-30 mm). Pewnym ograniczeniem jest jednak duża wielkość wyrobu końcowego i silna anizotropia właściwości spowodowana ukierunkowaniem włókien.

Dla wielu wyrobów, szczególnie wytwarzanych wielkoseryjnie, alternatywą jest zastosowanie termoplastycznych kompozytów polimerowych napełnianych krótkimi włóknami i cząstkami. Kompozyty takie są praktycznie izotropowe, co z kolei umożliwia kształtowanie elementów przestrzennych w jednej operacji technologicznej wytworzenia (np. metodą wtrysku) gotowego wyrobu. Ogromną zaletą takich kompozytów jest łatwość ich przetwarzania metodami stosowanymi w przetwórstwie termoplastów, co znacznie obniża ich cenę i nie generuje odpadów.

Właściwości i rodzaje kompozytów

Właściwości kompozytów polimerowych na osnowie termoplastów zależą od ilości, kształtu i rodzaju użytego napełniacza oraz wzajemnych oddziaływań pomiędzy nim a polimerem. Cząstki z niskim współczynnikiem kształtu (np. kulki czy bryłki) wpływają na wzrost modułu sprężystości, ale generalnie nie zwiększają wytrzymałości, natomiast cząstki takie jak włókna czy płytki (o rozwiniętej powierzchni) powodują równoczesny wzrost sztywności i wytrzymałości kompozytu.







Powszechnie stosowanymi napełniaczami są różnorodne związki chemiczne (talk, kreda, minerały wulkaniczne, proszki metali i inne), włókna węglowe, szklane czy polimerowe oraz włókna naturalne (celuloza, mączka drzewna itp.). Poliolefiny (szczególnie polipropylen), poliamidy, poliacetale, polichlorek winylu, poliwęglan i ostatnio politeraftalen etylenu są najczęściej napełnianymi polimerami termoplastycznymi. Największe znaczenie techniczne, ze względu na wysoką wytrzymałość i sztywność, mają kompozyty na osnowie poliamidu i poliacetalu.

W Polsce wiodącym producentem kompozytów na osnowie termoplastów są Zakłady Azotowe SA w Tarnowie, które produkują szeroka gamę modyfikowanych poliamidów (Tarnamid) i poliacetali (Tarnoform) – barwionych, wzmacnianych włóknem szklanym, uniepalnionych, napełnianych (kulki szklane, minerały), udarnościowych, stabilizowanych termicznie i ślizgowych. W ofercie firmy Xenon w Łodzi można znaleźć modyfikowane gatunki polipropylenów - Xenopren (typy napełniane napełniaczami mineralnymi, wzmacniane włóknem szklanym) oraz poliamidów - Itamid (typy napełniane talkiem, wzmacniane włóknem szklanym, stabilizowane, uniepalnione). Firma Polimarky z Rzeszowa jest producentem polipropylenów, poliwęglanów, poliamidów i poliacetali napełnianych talkiem, barytem, włóknem szklanym lub kulkami szklanymi oraz modyfikowanych udarnościowo, jak i poprzez zawartość antyutleniaczy i stabilizatorów.

„Odbiorcy” kompozytów”

Jednym z największych konsumentów kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami jest przemysł motoryzacyjny. Duże koncerny decydują się na zastępowanie w budowie samochodów osobowych części metalowych kompozytami poliamidowymi i innymi kompozytami polimerowymi, co niewątpliwie przyczynia się do zmniejszenia całkowitej masy pojazdu. Już dzisiaj takie elementy nadwozia jak: drzwi, pokrywy komory silnika i bagażnika oraz inne części, jak miski olejowe, resory, wykonywane są często z tych materiałów.

Całkowita masa elementów z kompozytów polimerowych stosowanych w typowym samochodzie osobowym waha się od 15 do 60 kg w zależności od modelu i producenta. Kompozyty takie stosowane są także do wyrobu części maszyn (koła zębate, łożyska ślizgowe, gniazda przegubów, korpusy i obudowy w elektrotechnice), w budownictwie, przemyśle meblowym, na części wyrobów AGD oraz w sporcie i rekreacji.

Wpływ obciążeń dynamicznych

Wiele technicznych aplikacji wykorzystujących kompozyty polimerowe na osnowie termoplastów poddawanych jest w czasie eksploatacji długotrwałemu działaniu obciążeń dynamicznych. Nakładanie się na badany materiał zmiennych w czasie obciążeń (np. sinusoidalnych) prowadzi do tzw. zjawiska zmęczenia materiału, które zostało opisane w XIX wieku dla określenia zniszczenia części metalowych przy naprężeniach znacznie niższych niż wyliczanych dla statycznych naprężeń zrywających. Wytrzymałość zmęczeniowa kompozytowych materiałów polimerowych zależna jest od parametrów takich jak: wartość naprężeń średnich i ich amplituda w cyklu, forma drgań (sinusoidalne, tętniące) oraz częstotliwość występowania. Istnieją dwa podstawowe mechanizmy zniszczenia zmęczeniowego:

1. Poprzez propagację pęknięcia (np. metale i polimery wykazujące kruche zachowanie jak poliwęglan czy polimetakrylan metylu). Materiały polimerowe zawierają różne mikroskopijne defekty (mikrokawitacja, nieciągłość materiału, linie płynięcia, linie spoiny, itp.), które pod działaniem obciążenia mogą spowodować miejscową koncentrację naprężeń, a w konsekwencji wzrost szczeliny i jej propagacje, aż do pęknięcia. Długość szczeliny zwiększa się wraz z liczbą cykli, a propagacja pęknięcia jest tym większa im większa jest amplituda naprężenia. Można wyróżnić trzy etapy propagacji pęknięć: pierwszy – szybki i gwałtowny wzrost prędkości rozwoju pęknięcia, drugi – stabilizacja i stała prędkość oraz trzeci – niekontrolowany rozwój aż do pojawienia się dekohezji materiału.

2. Nagrzewanie lepkosprężyste (histerezowe - szczególnie częste dla materiałów polimerowych). Lepkosprężyste zachowanie materiałów polimerowych powoduje, iż podczas deformowania naprężenia i odkształcenia nie są w jednej fazie, lecz występuje określone opóźnienie. W konsekwencji czego powstaje pętla histerezy mechanicznej, której rezultatem jest rozproszenie ciepła. Zjawisko to prowadzi do akumulacji energii wewnętrznej i wzrostu temperatury samowzbudnej materiału oraz do jego termicznego zniszczenia zmęczeniowego.

Przejście od zniszczenia zmęczeniowego termicznego do mechanicznego zależy przede wszystkim od budowy materiału, amplitudy naprężenia oraz od częstotliwości i charakteru wymuszenia. Dla wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na osnowie termoplastów (takich jak poliamid czy poliacetal) napełnianych krótkimi włóknami szklanymi lub węglowymi decydującymi są trzy występujące równocześnie zjawiska:

- nagrzewanie się lepkosprężystej matrycy polimerowej i postępujące procesy zmęczenia termicznego - objawiające się pełzaniem całego kompozytu,

- utrata adhezji pomiędzy osnową i włóknem wskutek cyklicznych naprężeń stycznych na ich granicy,

- pękanie i rozdrobnienie włókien - długość ich maleje osiągając wartości poniżej tzw. długości krytycznej - zmniejsza się zdolność do wzmocnienia kompozytu.

Wiadomo również, iż sam wzrost temperatury ma wpływ zarówno na podstawowe właściwości mechaniczne (np. naprężenia przy plastycznym płynięciu czy moduł sprężystości) jak i przemiany fazowe polimeru (temperatura zeszklenia) oraz charakter i cechy jego mikrostruktury. Wszystkie te czynniki należy uwzględnić przy projektowaniu elementów narażonych na długotrwałe działanie obciążeń zmiennych.

Podsumowanie

Dla prawidłowego doboru materiału na elementy konstrukcyjne musimy uwzględniać nie tylko ekonomiczne aspekty zastosowań czy podstawowe właściwości wytrzymałościowe, ale również przewidywać możliwość zmęczenia materiału. Nowe możliwości stworzone przez inżynierię materiałową pozwalają na poszukiwanie nowych materiałów, o nieznanych dotąd właściwościach, a także modyfikowanie tych już znanych w celu dostosowania ich do nowych zastosowań i obniżenia kosztów produkcyjnych i materiałowych. Przyczyniają się również do zwiększenia niezawodności działania elementów z nich wykonanych. Jednocześnie z czynnikami ekonomicznymi i technologicznymi należy uwzględniać również czynniki ekologiczne. Właściwy wybór materiału i konstrukcji materiałooszczędnych to skuteczne metody wpływające na ekonomikę produkcji i ekologiczne stosowanie tworzyw sztucznych.

Źródło: Stanisław Kuciel, Aneta Liber-Kneć - Politechnika Krakowska - Katedra Mechaniki Doświadczalnej i Bio