Částicové kompozity

Kromě nejvíce využívaných vláknových výztuží, mohou kompozity obsahovat také částice, což jsou nevlákenné útvary s krátkými rozměry s výjimkou destiček, které jsou dispergovány v matrici, omezující rozvoj plastických deformací kompozitů [7, 8]. Kompozity vyztužené částicovou disperzí bývají většinou slabší a méně houževnaté (viz obr. 10), ale jejich cena oproti vláknovým kompozitů je menší [11]. Částicová plniva mohou nabývat různých tvarů – sférických, destičkovitých, nepravidelných a jehlicovitých (viz obr. 11) [8, 15, 23].

Protože částice mají přibližně rozměry ve všech směrech stejné, tak kompozit s touto disperzní fází jsou víceméně izotropní [15, 23].

Mezi částicová plniva patří například uhličitan vápenatý, který může být získáván z křídy, vápence nebo mramoru, dolomit, jíl, talek, síran vápenatý, krystaly silik, saze, (používaná zejména v gumárenském průmyslu), slída, skleněné kuličky, oxidy hliníku, křemíku a hořčíku nebo mikroskopické částečky kovů. Použitím těchto plniv lze získat unikátní fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti polymerních kompozitů, mezi něž patří [8, 38]:

 nižší teplotní roztažnost a teplotní vodivost (lepší přenos tepla, rychlost chlazení a snížení výrobního cyklu),

 výhodnější elektrické vlastnosti (antistatika) a magnetické vlastnosti,

 zvýšení odolnosti vůči hoření,

 zlepšení mechanických vlastností jako je tvrdost a tuhost,

Teoretická část

 zvýšení odolnosti proti abrazi,

 nižší cena materiálu,

 kontrola hustoty,

 optické efekty, apod.

Jak už bylo řečeno, tak důvody ve využívání části jako plniva v polymerních kompozitech je jejich příznivý vliv na chemické, fyzikální a mechanické hodnoty, jako například modul pružnosti v tahu, nebo pevnost v tlaku (viz obr. 10). Kovové částice bronzu s částicemi grafitu, sulfidu nebo polytetrafluoretylenu se používají pro zlepšení kluzných a otěruvzdorných vlastností. Při velkém objemu částic v matrici se snižuje hořlavost, a například při použití části Mg(OH)2 nebo Al(OH)3 v polyolefínové matrici jsou kompozity samozhášivé, protože při chemické reakci dochází k uvolňování vody [7, 26]. Krystaly silika zvyšují odolnost proti abrazi.

Většina částicových plniv má menší koeficient teplotní roztažnosti než polymery a proto mohou snižovat tento koeficient u kompozitních materiálů [38].

Částicová plniva obsahují i určité prvky, které mohou ovlivnit vlastnosti nepříznivě.

Přidáním křemíku, který je běžnou součástí minerálních plniv, lze zvýšit abrazivnost.

Rozpustné soli jsou schopné ovlivnit absorpci vody. Snížení tepelné a světelné stability polymerní matrice mohou způsobit stopové množství prvků jako měď, nikl. Částicová plniva není vhodné používat například ke zvýšení lomové odolnosti, s výjimkou kaučukovitých částic, protože z důvodu malých rozměrů nejsou částice schopny brzdit trhliny rostoucí kolmo na

Kulovitý Hranatý

Nedefinovaný tvar Obr. 10 Vliv částicových plniv na mechanické hodnoty [10]

Obr. 11 Idealizované tvary typických částicových plniv [38]38]

Teoretická část

vyztužení [7, 38]. V případě větších rozdílů v poměru stran se zvyšuje anizotropie materiálu, což vede k problémům s deformací [38].

Vzhledem k tématu diplomové práce je v následujících odstavcích věnována pozornost částicovému plnivu na bázi dutých skleněných kuliček.

2.4.2.1 Skleněné duté kuličky

Přidáváním částicových plniv do kompozitních dílů dochází k zvyšování jejich hustoty, což může být nežádoucí především v případech, kdy je hlavním cílem snížení hmotnosti dílu a snížení celkových nákladů na výrobu, i přes mírný pokles některých mechanických hodnot, je možno použít částicovou disperzní fázi ve formě dutých skleněných kuliček [18].

Sklenění duté kuličky disponují určitými vlastnostmi, kterých jiná částicová plniva nedosahují a je možno jimi dosáhnout vylepšení vlastností výsledného produktu a zlepšení zpracovatelských vlastností [39, 40]. Jejich kulatý tvar umožňuje snížení spotřeby pojiva v kompozitu (viz obr. 12), snižuje

výrobní cykly nebo snižuje množství odpadu [39]. Největší výhodou je jejich schopnost snížit hustotu materiálu a tím i hmotnost dílu. Oproti jiným plnivům, založených na minerálech jako talek, silika, sádra, slída, mají mnohem menší hustotu. Například skleněné kuličky „Q-cell“ od firmy Potters mají hustotu od (0,14 ÷ 0,20) g/cm³, což je přibližně 1/5 hustoty většiny používaných reaktoplastových pryskyřic [40]. Nižší hmotnost může snížit náklady na dopravu, může umožnit výrobu větších produktů a lze s dílem snadněji manipulovat [41]. Dalšími důvody pro jejich užití jsou snížená deformace a zlepšená rozměrová stabilita dílu, hladší povrch dílu, lepší tepelná izolace, jednodušší obrobitelnost dílu a menší smrštění. Použití skleněných kuliček vytváří tzv. efekt kuličkového ložiska, čímž zvyšuje tekutost a zlepšuje tak zpracovatelské vlastnosti kompozitního systému [39, 40, 41].

Využití skleněných kuliček najdeme ve všech průmyslových odvětvích. Rapidní rozmach hlubokomořského průzkumu v polovině 20. století byl jedním z hlavních důvodů velkého rozmachu skleněných dutých kuliček. Pro výrobu hlubokomořských zařízení bylo zapotřebí nových materiálů, velice lehkých, odolných proti vodě a odolných proti vysokému tlaku, který panuje ve vysokých hloubkách [42].

V dnešní době nacházejí skleněné kuličky velkou oblibu v automobilovém průmyslu (viz obr. 13). Kompozity se sklenými kuličkami mohou nahradit kovové komponenty pohonného systému, interiéru i karosérií jako jsou dveře, nárazník, protihlukové kryty a stínítka Obr. 12 Porovnání hmotnosti kompozitu s a bez použití dutých

skleněných kuliček [39]

Teoretická část

střešních oken při zachování požadovaných mechanických vlastností. Plastisol, sloužící pro ochranu podvozků a k zakrývání svarů, je možno plnit až 50 % skleněnými kuličkami a snížit tak nejenom jeho cenu a hmotnost, ale také zvýšit jeho odolnost proti poškrábání [39].