Jednopolimerowe kompozyty POLIMEROWE —wytwarzanie, struktura, właściwości
Polimerowe materiały kompozytowe zalicza się do najpopularniejszej obecnie grupy tworzyw konstrukcyjnych o stale rozszerzających się obszarach zastosowań. Takimi materiałami zainteresowani są zarówno badacze, jak i użytkownicy, o czym świadczy znaczna liczba artykułów publikowanych w czasopismach naukowych. Szczególnie dynamicznie rozwija się dziedzina Nano kompozytów,
jednak jednocześnie prowadzi się intensywne badania dotyczące kompozytów polimerowych z napełniaczami klasycznymi, tzn. włóknistymi i proszkowymi. Powszechnie wiadomo, że fizyczna modyfikacja struktury i/lub morfologii polimeru stanowiącego osnowę kompozytów polimerowych prowadzi do zmiany ich właściwości, kształtowanych w celu uzyskania oczekiwanego efektu, np. wzrostu modułu sprężystości, wytrzymałości doraźnej bądź udarności. W procesie wytwarzania kompozytów polimerowych najczęściej stosowanymi dodatkami są włókna wzmacniające, w szczególności włókna szklane oraz węglowe. W wyniku ich użycia uzyskuje się co prawda odpowiednie właściwości mechaniczne, jednak następują jednocześnie pewne niekorzystne zmiany cech materiału, np. wzrost ciężaru właściwego. Poza tym gotowe wyroby z polimerów wzmacnianych włóknami szklanymi, po spełnieniu swej roli, z reguły nie mogą być ponownie wykorzystane.
Interesującą innowacją jest więc propozycja zastosowania jako wzmocnienia — włókien termoplastycznych wykonanych z tego samego materiału co osnowa; w wyniku tego uzyskuje się tzw. kompozyt jednopolimerowy (MPC — Monopolymer composites).
Pojęcie MPC obejmuje kompozyt zbudowany z włókna i osnowy, wykonanych z tego samego polimeru; obydwa składniki mogą się jednak różnić ciężarem cząsteczkowym, gęstością lub stopniem rozgałęzienia.
Tego typu termoplastyczne kompozyty, zwłaszcza polietylenowe bądź polipropylenowe, są odpowiedzią na zapotrzebowanie na materiały wzmocnione o korzystnej charakterystyce mechanicznej w połączeniu z ich wielką zaletą, tzn. łatwością, z jaką poddają się pełnemu recyklingowi materiałowemu po zakończonym użytkowaniu.
JEDNOPOLIMEROWE KOMPOZYTY POLIETYLENOWE
Wzmacnianie PE włóknami szklanymi nie tylko zwiększyłoby gęstość kompozytu, ale również wymagałoby obróbki powierzchniowej włókien, gdyż obojętna chemicznie osnowa polietylenowa nie tworzy połączeń adhezyjnych na powierzchni szkła, a odpowiednia adhezja na granicy faz jest warunkiem koniecznym do osiągnięcia efektu wzmocnienia danego kompozytu.
Układ składający się z termoplastycznego włókna wykonanego z polimeru A w osnowie polimeru A opisali po raz pierwszy Capiati i Porter [16]. Celem ich badań było uzyskanie ultralekkiego kompozytu polietylenowego, w wyniku wykorzystania PE o wysokim stopniu orientacji i o dużym module sprężystości wzdłużnej (PE-HM — high-modulus polyethylene).
Stwierdzono, że wartość powstającego na granicy faz pomiędzy włóknem PE a osnową PE (wynikającego z sił kohezji) naprężenia spajającego wynosi ok. 17 MPa, co stwarza możliwość uzyskania doskonałych właściwości mechanicznych kompozytu. W tym celu prowadzi się badania nad wytworzeniem włókien polietylenowych o dużej wytrzymałości oraz następnym ich wykorzystaniem jako napełniaczy w kompozytach typu MPC.
Przykładem takiego włókna jest występujące na rynku włókno „Spectra B®” charakteryzujące się modułem sprężystości ok. 170 GPa i wytrzymałością na rozciąganie ok. 3,1 GPa. Uzyskuje się je z polietylenu o bardzo dużym ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW — ultra--high-molecular-weight polyethylene) w przedziale (1—5). W literaturze na określenie tego typu polimeru stosuje
się również wspomniane już określenie PE-UHM lub PE-HP (high-performance polyethylene) JEDNOPOLIMEROWE KOMPOZYTY POLIPROPYLENOWE
W porównaniu z polietylenem, polipropylen charakteryzuje się dogodniejszym zakresem temperatury użytkowania oraz większym modułem sprężystości i znaczną wytrzymałością mechaniczną. Cechy te powodują ciągłe poszerzanie obszaru zastosowań tego polimeru i stały wzrost jego produkcji.
Ze względu na wymienione zalety, polipropylenowe kompozyty jednopolimerowe są interesującym obiektem badań. W 2002 r. firma British Petroleum wprowadziła na rynek kompozyt włóknisty złożony wyłącznie z polipropylenu.
Przyszłość polipropylenowych MPC zależy od rozwoju metod wytwarzania materiałów PP-UHMW
o wysokim stopniu orientacji. Laboratoryjnie wytworzono włókna charakteryzujące się wytrzymałością na rozciąganie ok. 1,6 GPa oraz modułem sprężystości 40 GPa. Wykorzystując takie włókna można uzyskać jednopolimerowe kompozyty polipropylenowe o module sprężystości dochodzącym do ok. 20 GPa. Warunkiem jest jednak co najmniej 50-proc. zawartość włókien w kompozycie oraz wytworzenie odpowiedniego połączenia składników na granicy faz.
PROCES WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW JEDNOPOLIMEROWYCH
Charakterystyczną cechą włókien polimerowych jest znaczny skurcz termiczny wywołany nawrotem sprężystym (w wyniku dostarczania ciepła podczas ogrzewania) oraz związana z tym zmiana właściwości mechanicznych. Stwierdzono, że włókna poddane naprężeniu rozciągającemu odznaczają się znacznie mniejszym skurczem [19, 20] oraz wyższą temperaturą topnienia niż analogiczne włókna nienaprężone. Wyższa temperatura topnienia włókien naprężonych jest efektem uporządkowania makrocząsteczek, prowadzącego do lokalnego wzrostu gęstości kompozytu w ukierunkowanych obszarach lamelarnych [21]. W przypadku naprężonych włókien PP maksimum na termogramie topnienia DSC może być przesunięte nawet o ok. 20 oC w kierunku wyższej temperatury, w stosunku do odpowiedniej temperatury dla włókien nie naprężonych [22], natomiast w odniesieniu do PE różnica taka może wynosić ok. 15 oC [23]. Omawiane przesunięcie temperatury topnienia skłania do tego, aby podczas formowania kompozytów jednopolimerowych, w trakcie ogrzewania i spajania włókien ze stopionym materiałem osnowy, unieruchamiać włókna w celu utrzymania stanu ich pierwotnej orientacji makrocząsteczkowej. W procesie wytwarzania kompozytu warstwowego naprężone włókna PE lub PP wprasowuje się pomiędzy folię [22], bądź też wcześniej impregnuje polimerem proszkowym [24, 25] a następnie prasuje. Inna opatentowana metoda otrzymywania takich kompozytów polega na prasowaniu samych włókien(hot compacting). W odpowiednio dobranych warunkach procesu następuje nadtopienie tylko zewnętrznych powierzchni włókien. W swoich publikacjach [26, 27]Wardi współpr. opisują metodę uzyskiwania kompozytów na drodze unieruchomienia włókien dzięki zastosowaniu podczas prasowania odpowiedniego ciśnienia w formie, co w określonej temperaturze umożliwia zahamowanie skurczu włókien. Powstały po schłodzeniu zestalon materiał składa się z fazy stopionych uprzednio włókien oraz ich fazy nie stopionej. Taka technika prowadzenia procesu pozwala na zachowanie w materiale wysokiego stopnia jednoosiowej makrocząsteczkowej orientacji.
Zastosowanie Materiałów Konstrukcyjnych , zastosowanie metali nieżelaznych
Aluminium jest bardzo lekkim metalem, ma dobre własności plastyczne, dobrze przewodzi prąd elektryczny wykorzystywany jest do produkcji garnków, patelni, cedzaki, kubki, dzbanki, służy również do produkcji cienkich foli do opakowań
Miedź bardzo dobrze przewodzi ciepło i prąd odporna na czynniki atmosferyczne, pod wpływem kwasów i zasad tworzy silnie trujące związki używana w przemyśle gastronomicznym musi być powlekana powłoką cynkową – służy do wyrobu zbiorników , kotłów parowych, wodnych, destylatorów, pokryw do garnków
Charakterystyka materiałów konstrukcyjnych niemetalowych ( wyroby z ceramiki)
Wyroby z ceramiki cechuje mała przewodność cieplna, obojętność chemiczna w kontakcie z żywnością, a także z kwasami i zasadami, kruchość, łatwość pękania
Ceramika
Porcelana wyrabia się serwisy obiadowe, kolacyjne , śniadaniowe, filiżanki do kawy i herbaty, pisuary, sedesy
Porcelit do wyrobu j/w
Fajans j/w
Kamionka j/ w oraz do wyrobu armatury kanalizacyjnej i sanitarnej, baseny.
Szkło – wyroby ze szkła
Szkło kuchenne żaroodporne zaliczamy do nich szkło dmuchane – szklanki, filiżanki, dzbanki – szkło prasowane – garnki, patelnie, rondel, foremki do ciast, talerze
Szkło kuchenne stołowe – szklanki , kieliszki, literatki, Lustra, Termosy
Podział tworzyw sztucznych ze względu na zastosowanie
Konstrukcyjne – do wyrobu przedmiotów użytkowych
Powłokowe – używane w celach dekoracyjnych
Inpregracyjne – do uszlachetniania tkanin, papieru
Podział tworzyw sztucznych ze względu na możliwość przeróbki plastycznej
Koagulacyjne - z postaci ciekłej przechodzą w postać stałą pod wpływem temperatury
Termoplastyczne- pod wpływem ciepła stają się plastyczne, oziębienie powoduje twardnienie
Termoutwardzalne – pod wpływem temperatury przechodzą ze stanu plastycznego w stan utwardzony jest to stan nieodwracalny
Drewno – podział ze względu na twardość
Bardzo miękkie – jodła, świerk, topola
Miękkie – olcha, brzoza
Średniotwarde – lipa, orzech
Twarde – grusza, jesion, dąb, akacja
Bardzo twarde – heban, kokos
Charakterystyka drewna stosowanego do wyrobów w gastronomii: Bezwonne, Twarde, Bardzo twarde, Pozbawione słojów
Wyroby z drewna: Drobny sprzęt kuchenny, Beczki, dzieże, cebrzyki, wałki do ciasta, Stolnice, wałki, tłuczki, deski do krojenia, pnie do rąbania mięsa
Materiały metalowe:
-metale -stopy metali
Materiały niemetalowe:
-tworzywa sztuczne -ceramika (szkło) -mat. Naturalne ( drewno, bambus, juta)
Podział materiałów inżynierskich:
Metale i stopy metali
Stop- to mieszanina jednorodna metali stopionych w odpowiednich proporcjach lub metalu z dodatkiem stopowym.
Stopy metali:
-stopy żelaza -stopy metali nieżelaznych (Al,Cu,Zn,Sn,Ti)
Stopy żelaza:
-stal do przeróbki plastycznej: kucie, walcowanie, ciągnienie, tłoczenie
-odlewnicze:
a) staliwa b) żeliwa
Wady odlewów:
-porowatość -jama skurczowa -różnoosiowe ziarna -zanieczyszczenia na granicach ziaren
Stal:
Węglowe: Konstrukcyjne (ST5, Stal45), Narzędziowa(NC6, NC10), O szczególnych właściwościach( automatowa)
Stopowe: Konstrukcyjna( stal łożyskowa), Narzędziowa( stal szybkotnąca), O szczegółowych właściwościach(stal żaroodporna)
Stopy żelaza: Stal: Odlewnicze, Staliwa( węglowe, stopowe), Żeliwa( szare, białe, sferoidalne)
Stopy metali nieżelaznych(Al,Cu, Zn, Ti, Sn):Al: duraluminium Al+Cu, silumin Al+ Si
Cu: Brąz Al+Sn
Polimer- związek wielocząsteczkowy zbudowany z powtarzających się grup atomowych o jednakowej strukturze połączonych między sobą wiązaniami chemicznymi.
Mer- jednostka konstrukcyjna polimeru
Tworzywa sztuczne- materiały użytkowe otrzymane na bazie polimerów, powstałe w wyniku połączenia ich z różnymi dodatkami. Zadaniem dodatków polimerowych jest modyfikacja własności polimeru i wykreowanie nowego materiały użytkowego.
Wybrane metody badań tworzyw polimerowych:
Badanie udarności:
Metoda gdzie jest materiał kruchy i ciągliwy
Udarność- odporność tworzywa na złamanie przy uderzeniu.
Stosunek pracy potrzebnej do dynamicznego złamania znormalizowanej próbki z karbem do jej przekroju poprzecznego w miejscu złamania.
Metoda ta polega na określenieu pracy potrzebnej do złamania próbki
Wyrażamy w kJ/m2
Próbki: wszystkie (poza laminatami) ale muszą mieć karb.
Udarność materiałów polimerowych silnie zależy od temperatury otoczenia.
Materiał poniżej temp. Zeszklenia jest kruchy, a powyżej tej temp. Materiał jest ciągliwy.
Czynniki materiałowe wpływające na udaność:
-stopień krystaliczności
-średnia masa cząsteczkowa
-stopień usieciowania
-struktura
Sposoby zwiększenia udarności:
-wprowadzenie napełniaczy elastomerowych lub zmiękczaczy(plastyfikatory)
-wprowadzenie napełniaczy włóknistych
-mieszanie tworzyw polimerowych o różnej charakterystyce
Pomiar Ścieralności
Ścieralność- to strata objętości próbki wywołana jego ścieraniem w określonych warunkach
Zużycie ścierne to odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się względem siebie powierzchni, spowodowane wstępującymi nierównościami lub obecności twardych cząstek.
Rodzaje zużycia:
-zacieranie (zużycie w skutek przylegania)
-ścieranie (mikroskrawanie, bruzdowanie)
-niszczenie korozyjne
-niszczenie zmęczeniowe (związane z obciążeniami cyklicznymi)
Ścieralność: X= m1-m2/ρ*L
M1- masa próbki przed procesem
M2- masa próbki po procesie
ρ- gęstość pozorna próbki
L- droga ścierana
Im większa twardość to mniejsza ścieralność
Właściwości użytkowe gumy
Właściwości gumy: do produkcji opon, odporna na niską lub wysoką temperaturę, odporna na działanie olejów, materiałów pędnych, rozpuszczalników itp., trudno palna, odznaczająca się właściwościami wymaganymi od materiałów stosowanych w przemyśle spoż., w medycynie
Rozdzierania gumy- może nastąpić w przypadku występowania wad wyrobu.
Wzrasta temperatura i odporność na zmęczenie przy ściskaniu.
Elastomery głównie pracują na ściskaniu !!
Zachowanie się polimerów w płomieniu:
polimer pali się w płomieniu, po odjęciu płomienia podtrzymuje palenie
polimer pali się w płomieniu, po odjęciu płomienia gasną (samo gasnący), drogi, ale ma gorsze właściwości mechaniczne
w płomieniu się nie pali
Cechy szczególne ujawniane w trakcie palenia się:
-kolor płomienia
-charakter płomienia (iskry, strzelający płomień)
-zapach
-wydzielanie dymu
-szybkość palenia się
-stan powierzchni po ustaniu płomienia (zwęglenie)
Identyfikacja mat. Polimerowych:
-według przeznaczenia (mat. Konstrukcyjne, dekoracyjne)
-według oznaczenia (kody na opakowaniach)
-zachowanie się w rozpuszczalniku
- dyfrakcja promieni rentgenowskich
-mat. Termiczne- oznaczane przez temp. Topnienia
-mat. Płomieniowa (spalanie)
Ceramika konstrukcyjna
Materiały ceramiczne dzielimy na:
-szkła- wszystkie na bazie SiO2 z dodatkami obniżającymi temp. Topnienia lub poprawienie innych właściwości
-tradycyjne tworzywa wielofazowe z dużym udziałem fazy szklistej lub gliny, używane na: naczynia domowe, dodatki cegły.
-Cement i beton- wielofazowa mieszanina ceramiczna, która jest jednym z trzech podstawowych materiałów budowlanych
-Skały i minerały (w tym również lód)
-Nowoczesne tworzywa ceramiczne o szczególnych właściwościach, obecnie stosowane w narzędziach skrawających, narzędziach do obróbki plastycznej, częściach silników oraz maszyn i innych wyrobach od których wymaga się dużej odporności na zużycie
Techniczne materiały ceramiczne to zagęszczone tworzywa polikrystaliczne, nieorganiczne, niemetalowe, uzyskujące charakterystyczne dla nich właściwości podczas wytwarzania w wys. Temp. (około 800oC)
Rodzaje ceramiki:
-ceramika kowalencyjna: są związkami dwóch niemetali (np. SiO2) lub czasami SA to czyste pierwiastki (C-diament)
-ceramika jonowa: są związkami metalu z niemetalem np. NaCl, MgO, Al2O3
Zastosowanie ceramiki technicznej:
- pierścienie ślizgowe uszczelnień- łożyska ślizgowe smarowane cieczami procesowymi- dysze do rozpylania ściernych i agresywnych mediów- palniki do pieców do wypalania ceramiki, pieców szklarskich
Materiały konstrukcyjne z odpadów:
Z odpadów PET à dywany, skarpety, koszule itp. Żyłka
Kompozyt IZOPET-R
-Rozdrabniania butelek do postaci płatków
-Zagęszczenie i mieszanie z lepiszczem
-Formowanie płyt techniką prasowania
Może być porowaty lub nie.
Zastosowanie na ekrany dźwiękochłonne, izolowanie ścian, płyty do stabilizacji gruntu w skarpach.
Wpływ temperatury na właściwości tworzyw polimerowych.
Na prawie wszystkie własności polimerów duży wpływ ma temperatura. Wynika to z przyczyn:
• przemiany fazowe polimerów zachodzą w stosunkowo niskich temperaturach, bliskich temperaturom użytkowania licznych urządzeń,
• polimery, jako związki organiczne - odznaczają się współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej w przybliżeniu 10-krotnie większym w porównaniu z wieloma materiałami tradycyjnymi. Pod wpływem temperatury zmienia się ich gęstość i inne właściwości z nią związane,
• od temperatury zależy również wpływ środowiska na polimery. Wzrost temperatury przyspiesza np. agresywne działanie wielu cieczy (np.: utlenianie lub hydroliza).
Stąd wynika, że temperatura nie mająca na ogół wpływu na takie materiały, jak metale, szkło, materiały ceramiczne, a nawet drewno może wywoływać w przypadku polimerów zmiany, które uwzględniać należy przy badaniu ich właściwości.
Powyżej temperatury zeszklenia (Tg), a poniżej temperatury płynięcia polimeru (Tm) leży temperatura mięknienia. Jest to temperatura, w której następuje utrata sztywności polimeru. Jej wartość (miara odporności cieplnej) zależy od metody pomiaru (Martensa, Vicata). Temperatura przejścia polimerów w różne stany fizyczne określa termiczny zakres ich użytkowania oraz obróbki plastycznej. Na przykład zakres użytkowania termoplastów zawarty jest pomiędzy temperaturą zeszklenia (Tg) a temperaturą mięknienia, a zakres przetwórstwa – pomiędzy temperaturą płynięcia a temperaturą rozkładu.
Interpretacja krzywej rozciągania tworzyw sztucznych:
Krzywa rozciągania przyjmuje różną postać dla różnych materiałów, a już szczególnie dla tworzyw sztucznych. Charakterystycznym elementem dla krzywych rozciągania w przypadku tworzy sztucznych jest krótki zakres prostoliniowości. Po przekroczeniu stosunkowo niewielkich odkształceń naprężenia wzrastają wolniej niż wywołujące je odkształcenie. Ta prawidłowość ma charakter ogólny, chociaż u niektórych polimerów usieciowanych przestrzennie występuje dopiero pod wpływem obciążeń długotrwałych. Brak wyraźniej granicy plastyczności – wyznacza się granicę umowną.
Wybrane metody badań elastomerów:
- próba jednoosiowego rozciągania,
...
monisia000