Znaczenie i zastosowanie kompozytów o osnowie polimerowej

Od kilku dekad lotnictwo, transport, budownictwo, okrętownictwo i branża samochodowa pełnymi garściami czerpie z możliwości dostarczanych przez kompozyty o osnowie polimerowej. Dlatego też warto poświecić im więcej uwagi i przyjrzeć wnikliwie ich budowie, możliwościom użytkowym oraz sposobom przetwarzania.

Kompozyt to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów o różnych własnościach. Dysponuje lepszymi własnościami od tych, które możliwe byłyby do uzyskania w każdym z komponentów osobno. Jego cechy sa też lepsze od tych, które wynikałyby z prostego sumowania pojedynczych własności.

Największą grupą materiałów kompozytowych są kompozyty o osnowie polimerowej inaczej zwane też kompozytami z tworzyw sztucznych. Tego typu kompozyty polimerowe ze wzmocnieniem z włókna szklanego używane są już w przemyśle od wielu dekad i mają szerokie zastosowane w lotnictwie, transporcie, budownictwie, okrętownictwie i branży samochodowej.

Na osnowę kompozytów polimerowych stosuje się zwykle takie materiały jak żywice termoutwardzalne (fenoplasty i aminoplaty), żywice chemoutwardzalne (żywice poliestrowe, epoksydowe i silikonowe) oraz liczną grupę tworzyw termoplastycznych, a wśród nich przede wszystkim poliamidy, polipropylen, poliestry termoplastyczne i poliwęglan.

W wymienionych materiałach osnową są chemo i termoutwardzalne żywice epoksydowe i poliestrowe, żywice formaldehydowe, mocznikowe oraz termoplasty: poliamid i polipropylen. Jako wzmocnienie wykorzystuje się głównie włókna szklane jak również w mniejszym stopniu włókna węglowe lub organiczne. Stosuje się głównie w postaci siatki lub tkanin utkanych z włókien prostych lub skręconych o rozłożeniu uporządkowanym lub krzyżującym.

Podstawą produkcji nowoczesnych kompozytów na osnowie polimerowej są włókna ceramiczne. Włókna te wytwarza się w postaci włókien ciągłych metodą wyciągania z fazy ciekłej, a następnie przerabia sposobami tkackimi lub innymi w wygodną postać przeznaczoną już bezpośrednio do stosowania w technologiach produkcji kompozytów.

Jeśli chodzi o charakterystykę i rodzaje kompozytów to 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.

Porównując wytrzymałości różnych materiałów widzimy, że tzw. współczynnik wytrzymałości właściwej dla typowych materiałów konstrukcyjnych - zdefiniowany jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie do ciężaru właściwego - najwyższą swoją wartość przyjmuje dla kompozytów polimerowych, co jest jedną z podstawowych przyczyn szybkiego wzrostu ich produkcji i zastosowań. Dopiero na dalszych miejscach w tym zestawieniu są różne stopy tytanu, stal, stopy aluminium.

Tym samym więc w zastosowaniach konstrukcyjnych trudno byłoby się obejść bez powszechnego użycia kompozytów polimerowych. Wyróżnia je przede wszystkim mały ciężar właściwy; stosunkowo niska cena, która jak wiadomo ma w przemyśle dominujące znaczenie; odporność na tzw. zmęczenie materiałowe oraz być może najważniejszy czynnik w postaci możliwości prawie nieograniczonego kształtowania wyrobu.

Analizując kompozyty o osnowie tworzyw termoutwardzalnych należy zauważyć, że wytwarza się je dwuetapowo. Najpierw mamy do czynienia ze wytworzeniem tłoczywa, a następnie przetwarza się je na gotowe wyroby metodami prasowania.

Podstawą do produkcji tłoczyw są żywice tzw. aminoplasty (żywice fenolowo-mocznikowe i fenolowo-melaminowe) oraz fenoplasty (żywice fenolowo-aldehydowe).

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych określane są często jako laminaty - kompozyty o zbrojeniu warstwowym - epoksydowe lub poliestrowe. Podział jest zależny od rodzaju osnowy. Są one wytwarzane metodami ręcznymi i maszynowymi. Główną postacią zbrojenia są w tym przypadku maty, a zwłaszcza maty szklane i tkaniny.

Decydujący wpływ na właściwości wyrobu wywiera dobór rodzaju i postaci zbrojenia, jego udział objętościowy i sposób ułożenia w wyrobie. Wszystkie żywice wykazują wytrzymałość na podobnym poziomie, gdyż możliwości kształtowania się właściwości wytrzymałościowych wyrobów kompozytowych poprzez dobór żywicy są bardzo ograniczone. Jednakże największym czynnikiem, który decyduje o zastosowaniu żywic w życiu codziennym jest cena, a na samym końcu są jej właściwości.

W tym miejscu warto się zatrzymać i przywołać zjawisko pultruzji. Pultruzja to nic innego jak wyciąganie. Chodzi tu o proces, który przebiega w sposób odwrotny do powszechnie znanego procesu wytłaczania. Proces pultruzji został zastosowany do produkcji półwyrobów (prętów, kształtowników) z żywic wzmocnionych włóknami szklanymi już w latach 50. ubiegłego wieku. Produkowanie tych półwyrobów wymusiły potrzeby militarne a później sportowe.

Stosowane tu metody wytwarzania są różnorakie. Do najważniejszych z nich zaliczyć należy tzw. metodę kontaktową.

Kiedy znajduje ona zastosowanie?

Formowanie ręczne, nazywane kontaktowym stosuje się głównie do wykonywania laminatów. Polega ono na ułożeniu w formie zbrojenia w postaci maty lub tkaniny i nasączeniu go mieszanką żywicy i utwardzacza za pomocą pędzla oraz zagęszczaniu wałkiem gumowym. Po dokładnym nasączeniu jednej warstwy zbrojenia mieszanką żywicy i utwardzacza, można nałożyć kolejną warstwę. Metoda ta jest wykorzystywana do produkcji wyrobów jednostkowych o prostych, nieskomplikowanych kształtach. Jej zaletą jest to, że nie wymaga stosowania zbyt skomplikowanych form i oprzyrządowania. Do wad tej metody zaliczyć można dużą pracochłonność i materiałochłonność. Nie nadaje się ona do produkcji masowej.

Odmianą metody kontaktowej jest metoda natrysku. Nie stosuje się w niej włókien wzmacniających w postaci mat i tkanin, lecz włókno ciągłe najczęściej w postaci tzw. rowingu szklanego, które za pomocą specjalnych urządzeń jest cięte i - równocześnie z kompozycją żywicy - natryskiwane na formę, tworząc na niej rodzaj luźnego kożucha. Po jego dociśnięciu do formy, podobnie jak w klasycznej metodzie kontaktowej za pomocą pędzli i wałków, powstaje skorupa wyrobu. W metodzie tej wykorzystuje się urządzenie natryskowe, składające się z pistoletu i agregatu pojemnikami na żywicę z utwardzaczem i włókna oraz sprężarki powietrznej.

Ważną metodą wytwarzania jest tez prasowanie, z tym zastrzeżeniem, że w tej metodzie wyróżnia się trzy podstawowe warianty: prasowanie tłoczne, prasowanie przetłoczne i prasowanie płytowe. Produktem procesu prasowania tłocznego i przetłocznego są wypraski, natomiast płytowego – płyty lub wstęgi, często nazywane laminatami fenolowymi.

W technologii prasowania tłocznego tłoczywo wprowadza się do ogrzanej formy w odpowiedniej ilości i zamyka formę. Tłoczywo w formie ogrzewa się i przechodzi w stan plastyczny. Pod wpływem działającego ciśnienia jest ściskane i zagęszczane w formie, a pod wpływem ciepła utwardza się.

Z kolei proces prasowania przetłocznego polega na uplastycznieniu tłoczywa w oddzielnej komorze, a następnie przetłoczeniu do gniazda formującego. Tłoczywo równomiernie wypełnia formę i utwardza się. Zaletą tego prasowania jest wytwarzanie wyrobów jednorodnych w całym przekroju, znacznie szybciej niż podczas prasowania tłocznego.

Ostatni z typów prasowania, czyli prasowanie płytowe realizowane jest pomiędzy ogrzewanymi płytami. Polega na uplastycznieniu żywicy naniesionej na zbrojenie w postaci arkuszy tkanin, papieru lub mat między płytami prasowalniczymi. Produktem procesu są laminaty płytowe.

Dwie pozostałe metody wytwarzania kompozytów to tzw. technologia SMC oraz BMC.

Pierwsza polega na tym, że włókna w postaci rowingu cięte są przez nóż obrotowy na odcinki o długości od 12 do 50 mm i podawane pomiędzy dwie folie, na których rozprowadzana jest cienka warstwa mieszaniny żywicy ze środkami pomocniczymi. Mieszanina ta ma dużą lepkość, dzięki czemu nie spływa z folii. Następnie całość przepuszczona jest przez układ wałków powodujących sprasowanie produktu, który w postaci pasma nawijany jest na rolki lub składany w sterty.

W procesie BMC wszystkie składniki ciekłe mieszane są razem. Składniki proszkowe również mieszane są razem. Następnie składniki ciekłe i proszkowe miesza się ze sobą i z włóknem ciętym. Tak ujednorodnioną mieszanką napełnia się pojemniki z tworzywa sztucznego i całość przechowuje się. Sezonowanie trwa przynajmniej siedem dni. Po tym czasie mieszankę wykorzystuję się w procesie wtrysku. Jest ona rozgrzewana w głowicy wtryskarki i wtryskiwana do gorącej formy. Lepkość mieszaniny BMC jest niewielka, dlatego z łatwością wypełnia ona wszystkie miejsca formy, nawet gdy wykonywane wyroby mają skomplikowane kształty