3.2 Fibrer
3.2.1 Syntetiska (polymera) högmodulfibrer
Inom byggbranschen och området för syntetisk fiberförstärkning är högmodulfibrer den mest frekvent använda fibertypen. Till denna grupp räknas i detta underavsnitt fibrer med en elasticitetsmodul som överstiger 30 GPa. Tyngdpunkten ligger på kolfibern, som idag ses som den mest attraktiva och utvecklingsbara fibern i byggbranschen när det gäller förstärkning av betongstrukturer.
Aramidfibrer
Aromatisk polyamid, eller Aramid som förkortningen lyder, var en av de första polymeriska fibrer som blev kommersiellt tillgänglig. Aramidfibern är nog mest känd under namnet ’KevlarTM’ vilket är det produktnamn som företaget DuPont använder på sin aramidfiber. Många andra liknande produkter finns dock på marknaden under andra namn, se Tabell 3.1.
Tabell 3.1 Mekaniska parametrar för olika typer av aramidfibrer, Mallick (1997).
Typ E-modul
[GPa] Draghållfasthet
[MPa] Brottöjning
[%] Densitet
[kg/m3] Tillverkare
Kevlar 29 62 3617 4,0 1440 DuPont
Twaron 80 3150 3,3 1440 Teijin
Kevlar 49 120 3792 2,9 1440 DuPont Kevlar 149 186 3445 1,8 1440 DuPont
Aramidfibern är en organisk fiber som är uppbyggd på aromatiska ringar vilket ger molekylen en bra styvhet. Molekylerna ligger orienterade i plana skikt som är bundna till varandra med vätebindningar. Skikten läggs samman med en radiell orientering till fiberns axel, se Figur 3.7. Detta ger aramidfibern starkt anisotropiska egenskaper med en låg longitudinell skjuvmodul och dåliga transversella egenskaper. Detta beror på fiberns uppbyggnad med svaga bindningar mellan de ingående skikten av molekyler.
Produktionen av aramidfibrer börjar vanligtvis med att en lämplig baspolymer löses i syra, vanligtvis svavelsyra. Lösningen genomgår en spinningsbehandling och därefter extruderas fibern under en förhöjd temperatur, 51-100°C, genom ett tunt lager luft för att sedan gå genom kallt vatten, Agarwal & Broutman (1990). Fibern tvättas därefter och torkas. Ytterligare processer för att anpassa fibermolekylerna i fiberriktningen kan
därefter genomföras genom exempelvis värmebehandling. Detta förbättrar fiberns mekaniska egenskaper avsevärt.
Figur 3.7 Illustration av aramidfiberns strukturella uppbyggnad av plan samt den radiella formationen av planen i fibern. Bentur & Mindess (1990).
Fiberns sammansättning gör att den inte är lika skör som exempelvis glas- eller
grafitfibrer, vilket gör att den lämpar sig mer än väl till användning inom textilindustrin som tråd till väv av olika slag. Produkter som utnyttjar fiberns egenskaper till fullo är t.ex. i motorsågssäkra kläder eller fiskelinor.
Glasfibrer
Glasfiber introducerades i kommersiellt syfte på slutet av 1930-talet och har sedan 1950-talet används som förstärkning i olika typer av kompositmaterial. I glasfiberns ungdom tillverkades den rak och med en slät yta, men utvecklingen har gått framåt och dagens moderna typer av glasfiber kan ha av många olika typer av former. Exempel på detta är profilerade tvärsnitt, fiberändar med krokar eller så kan de ses i form av buntade eller folierade fibrer. Användandet av glasfiber har växt och är idag det vanligast
förekommande fibermaterialet, Täljsten (2000).
De flesta glasfibrer är baserade på silika (kiseldioxid, SiO2) med tillsatser av oxider baserade på exempelvis kalcium, bor, järn, natrium eller aluminium. Olika typer av glasfiber med olika egenskaper framställs med hänseende till aktuellt
tillämpningsområde. Exempel på hur dessa egenskaper kan variera presenteras i Tabell 3.2.
Exempel på vanligt använda glasfibertyper i kompositer är
• E - Elektro
• S - Höghållfast
• AR - Alkali Resistent
• C - Korrosion
där den mest använda typen är E-fibern. Denna har en god hållfasthet, styvhet samt bra elektriska egenskaper, vilket har givit fibertypen sitt största användningsområde inom elektriska tillämpningar. E-glasfibrer har även använts som förstärkning i betong, men dess dåliga alkaliresistenta egenskaper medför en kemisk nedbrytning av glasets struktur.
Vissa försök med lågalkaliskt cement har gjorts för att minska detta problem, men en utveckling av en ny typ av glasfiber med bättre resistens mot alkalisk miljö visade sig vara bästa boten. Fibern kallades AR-glas och har en lägre hållfasthet än E - glaset, något lägre styvhet samt ett mycket högre pris.
Vid ett behov av en glasfiber med bra motstånd mot korrosion används vanligtvis fibrer av C-glas. De bra korrosiva egenskaperna erhålles dock på bekostnad av hållfastheten och styvheten. Fordras en hög hållfasthet kombinerat med en hög styvhet bör fibrer av S-glas användas. Även S-glasets temperaturresistens är bra men priset på fibrer av S-glas är betydligt högre än exempelvis E-glasets.
Tabell 3.2 Mekaniska parametrar för olika typer av glasfibrer, Mallick (1997) och Carolin (2001).
Typ E-modul
[GPa] Draghållfasthet
[MPa] Brottöjning
[%] Densitet [kg/m3]
E 72-77 3400-3700 3,3-4,8 2520-2600
R 86,2 2068 5,1 2491
AR 21-74 3000-3500 2,0-4,3 2680-2700
S 75-88 4300-4900 4,2-5,4 2450-2550
Glasfiber tillverkas genom att smälta samman råmaterialet, vanligtvis i form av kalksten, sand och aluminium vilka sammanblandats i torrt tillstånd. Glasfibrerna produceras i två olika former; kontinuerliga och stapel (diskontinuerliga) fibrer. För de båda typerna används samma tillverkningsprocess fram till fiberdragningsstadiet. Smältningen av materialet sker vid ca 1600 °C och den smälta glasmassan flyter direkt från smältugnen vidare till platinadeglar försedda med dysor (fina öppningar) genom vilka glasmassan trycks eller blåses allt beroende på önskad form. Temperaturen på glasmassan i detta stadium av tillverkningen varierar mellan de olika glastyperna, men ligger vanligen i
området kring 1260 °C. En schematisk presentation av tillverkningsproceduren visas nedan i Figur 3.8.
Figur 3.8 Schematiskt tillverkningsförlopp för kontinuerliga glasfibrer. Agarwal &
Broutman (1990).
Vid tillverkning av kontinuerliga glasfibrer pressas glasmassan med ett konstant tryck genom en dysa för att sedan läggas samman till en flerfibrig tråd. Betydande för den färdiga produktens hållfasthet är den nötning som fibrerna utsätts för i arbetet mot en färdig produkt. För att minimera detta behandlas ofta glasfibrerna med en skyddande och smörjande film, vanligtvis en vattenbaserad polymeremulsion i detta stadium av tillverkningen. Glasfibertråden lindas därefter upp på en spole.
Vid tillverkning av stapelfiber blåses istället glasmassan genom dysorna med en stråle av luft eller vattenånga. Med denna metod ”kapas” då glasfibrer med en längd mellan 50-500 mm från glasmassan. Dessa stapelfibrer samlas därefter upp på en roterande vacuumtrumma sprayad med bindemedel och samlas som ett fiberband vilket kan dras eller tvinnas till ett garn.
Kolfiber
Kolfibrer har genom historien varit ett material som använts i de mest skiftande sammanhang. Dagens användning spänner över ett område som sträcker sig från flyg- och rymdindustri till tillverkning av produkter för rekreationsändamål, t.ex.
golfklubbor, fiskeutrustning och skidstavar. Historiskt sett är Thomas Edisons användande av kolfiber som glödtråd i sina glödlampor under 1800-talets andra hälft kanske att betrakta som startpunkten för kolfiberns användande som
konstruktionsmaterial. Dessa tidiga kolfibrer tillverkades genom förkolning av bambu
och rayon. Utvecklingen av glödtråd av volfram gjorde dock att detta
användningsområde för kolfibern övergavs. Kolfiberns utveckling fortsatte dock, och nästa steg var produktion av kolfiber baserad endast på rayon. Dessa fibrer var tänkta till bruk inom områden där god värmeisolering krävdes, men kolfibern kunde inte på ett bra sätt konkurrera med glasfibern.
Den senaste tidens kolfiberrenässans grundlades redan under 1950-talet, då flygindustrin genomförde ett omfattande utvecklingsarbete inom materialområdet. Utvecklingen av en metod för att förbättra kolfiberns mekaniska egenskaper genom
spänningsgrafitisering (sträckning) av rayonbaserade fibrer ledde till en produktion av nya typer av kolfibrer med hög styrka och styvhet.
Parallellt med detta forskningsarbete utvecklades en annan tillverkningsmetod av forskare i Japan och Storbritannien. Dessa kolfibrer tillverkades på en bas av
polyakrylnitril (PAN), och med utveckling av en efterbehandlingsmetod kunde den PAN - baserade kolfibern uppvisa en nästan dubbel hållfasthet jämfört med den rayonbaserade fibern. En annan typ av kolfiber är den pitch-baserade (sv. beck - typ av kolförening) kolfibern som utvecklades i Japan och baserades på polyvinylklorid (PVC) - pitch. Denna tillverkningsmetod är idag i stort sett övergiven och numera används petroleumbaserad pitch och mesofas pitch.
Figur 3.9 Kolatomernas hexagonala orientering i grafitkristallen. Bentur & Mindess (1990).
Kolfiber är ett idealt material att använda inom applikationer där styrka, styvhet, låg vikt och mycket bra utmattningsegenskaper är eftersökta materialegenskaper. Ett
förhållandevis högt pris är dock en nackdel. Kolfiberns hållfasthet och beteende vid brott är strängt avhängigt sin mikrostrukturella uppbyggnad. Fibern är uppbyggd av små trådar (7-15 µm i diameter) vilka består av kristallin grafit. I dessa grafitkristaller är kolatomerna orienterade i ett hexagonalt mönster i plan, se Figur 3.9. Mellan dessa tätt packade atomer verkar starka kovalenta bindningar medan svaga Van der Waals krafter binder de skilda planen samman.
Detta medför att kolfibern är starkt anisotrop med de bästa mekaniska egenskaperna i planens två dimensioner. Ett exempel på detta är den transversella elasticitetsmodulen som vanligtvis bara uppgår till 3-10 % av motsvarande axiella elasticitetsmodul, Hull &
Clyne (1996). För att erhålla en fiber med hög hållfasthet och elasticitetsmodul, är den ideala strukturen i en kolfiber alltså en orientering av grafitplanen parallellt med fiberns axel. En schematisk bild på kolfiberns mikrostrukturella uppbyggnads kan studeras i Figur 3.10.
Figur 3.10 Schematisk figur av kolfiberns mikrostrukturella uppbyggnad. Hull & Clyne (1996).
De olika förekommande produktionsprocesserna ger olika hög grad av denna ideala struktur, vilket leder till olika användningsområden för de olika kolfibrerna. Exempel på variationen mellan materialparametrar för olika kolfibertyper och
tillverkningsprocesser kan studeras i Tabell 3.3.
Tabell 3.3 Mekaniska parametrar för olika typer av kolfiber, Mallick (1997).
Typ/Tillverkare E-modul
[GPa] Draghållfasthet
[MPa] Brottöjning
[%] Densitet
[kg/m3] Basmaterial
HS / Hercules 227 3996 1,6 1750 PAN
Ultra HS/Toray 289 7027 1,82 1820 PAN
HM / Amoco 390 2900 0,7 1810 PAN
HM / Amoco 379 2068 0,5 2000 Pitch
UHM / Celion 517 1816 0,36 1960 PAN
UHM / Amoco 689 2240 0,31 2150 Pitch
Dagens produktion av kolfiber baserar nästan uteslutande på s.k. precursors (organiskt basmaterial), PAN, rayon eller olika former av pitch. Efter tillverkning av basfibern omvandlas denna genom en trestegsbehandling till en kolfiber vilket kan studeras i Figur 3.11. Dessa tre steg är till typen de samma för de olika basmaterialen, endast detaljer skiljer dem åt. Exempel på dessa skillnader är de olika temperaturer som nyttjas i delprocesserna. De tre ingående delmomenten är i turordning:
• Oxidering/Stabilisering - en nödvändighet för att stabilisera fibern mot kollaps (fusion eller smältning) under senare behandling i hög temperatur
• Karbonisering - värmebehandling genomförs för att minska förorenande element i fibern
• Grafitisering - högtemperaturbehandling som förbättrar fiberns mekaniska egenskaper
Kolfibrerna kombineras vanligen därefter ihop till en flerfibrig tråd, vilken utgör basen för vidare tillverkning av olika kolfiberprodukter.
Genom en variation av basmaterial och produktionsprocesser, kan kolfiber med stora differenser i egenskaper tillverkas. Olika klassificeringssystem är rådande, men ett av de mer vedertagna är det som föreslagits av IUPAC International Committee och nedan redogörs för tre vanliga typer av kolfiber, Donnet & Bansal (1990).
• UHM - Ultra High Modulus: Kolfibrer med elasticitetsmodul över 500 GPa
• HM - High Modulus: Kolfibrer med elasticitetsmodul mellan 300-500 GPa
• HT/HS - High Tensile/Strength: Kolfibrer med en draghållfasthet över 3 GPa
Figur 3.11 Metoder för att öka önskvärd orientering av molekylkedjor i kolfibern. Donnet
& Bansal (1990).
PAN-baserade kolfibrer
Kolfiber baserade på polymeren polyakrylnitril, PAN, är den vanligaste metoden för framställning av fibrer med hög elasticitetsmodul och hållfasthet. Processen inleds med tillverkning av en basfiber av PAN. Detta görs på olika sätt beroende på tillverkaren av fibern, men vanligt är att metoderna baseras på våtspinning eller dragning. PAN-fibern sträcks därefter vilket ökar lineariseringen av molekylkedjorna längs fiberns axel. Den sträckta fibern stabiliseras därefter genom en värmebehandling i en syrerik miljö (ofta ren luft) med en temperatur upp mot 300°C. Stabiliseringen innebär att en
transformering av PAN-molekylen till en stabilare molekyl med ringstruktur. Denna process är tidsödande och kan fortgå i upp till 24 timmar.
Efter stabiliseringen karboniseras fibern i en inert miljö för att förhindra oxidation.
Temperaturen ligger på upp till 1700°C. I denna miljö renas fibern och de element som inte är önskade i fibern, exempelvis vatten, koloxid, koldioxid och kvävgas förgasas. Detta resulterar i en viktminskning på uppemot 70 %, Donnet & Bansal (1990). Upphettningen sker mycket långsamt för att minimera risken för skador på fiberns struktur. Under denna process utvecklar fibern den största delen av sina goda mekaniska egenskaper och den egentliga konverteringen av PAN-fibern till kolfibern sker.
Efter karboniseringen kan fiberns egenskaper förädlas ytterligare genom en grafitisering.
Genom att värmebehandla kolfibern i temperaturer upp mot 3000°C förbättras den kristallina strukturen samt orienteringen och ordningen i molekylkedjorna. Detta ger ytterligare förbättrade mekaniska egenskaper i form av hållfasthet och elasticitetsmodul.
Ett direkt samband mellan grafitiseringstemperatur och den färdiga kolfiberns elasticitetsmodul har kunnat påvisas, Donnet & Bansal (1990).
Pitch-baserade kolfibrer
Tillverkning av kolfiber på bas av pitch är attraktivt då basmaterialet har en låg kostnad jämfört med exempelvis PAN eller rayon. Vanligast använda pitcher kommer från petroleum, asfalt, stenkolstjära eller PVC. Det billiga basmaterialet ger dock vanligen en kolfiber med sämre mekaniska egenskaper än vad PAN-baserade kolfibrer innehar.
Detta har sitt ursprung i isotropa materialegenskaper vilket förhindrar en önskad orientering av molekylplanen. Metoder för att överbygga detta problem används, men detta är ofta dyrbara processer som väger upp de initiellt låga kostnaderna för materialet.
Produktionen av kolfiber på bas av pitch kan delas upp i fyra grundläggande steg;
Preparering av basmaterialet, produktion av grundfiber, stabilisering och karbonisering.
Grafitisering tillkommer vid tillverkning av höghållfast kolfiber. Prepareringen av pitchen innebär en justering av molekylvikt, viskositet och kristallorientering. Detta kan ske genom värmebehandling eller tillsättning av tillsatsmedel. I följande
tillverkningssteg behandlas grundmaterialet i en spinningsprocess följt av en dragning till en basfiber.
En oxidation genomförs därefter i luft med temperaturer mellan ca 250-400°C. Den oxiderade fibern är då stabiliserad och kan genomgå karboniseringen utan att smälta.
Karboniseringen sker i en kväverik miljö under en successiv temperaturhöjning upp mot 1000-1500°C. Grafitiseringen genomförs därefter, även denna i en kväverik miljö.
Grafitiseringstemperaturerna ligger mellan 2000-3000°C och ger en fiber med goda egenskaper.
Rayonbaserade kolfibrer
Cellulosa, grundmaterialet för rayonfiber, har varit ett mycket vanligt använt
basmaterial för tillverkning av kolfiber. Detta har dock minskat till förmån för PAN och pitch – baserade fibrer. Naturlig cellulosa, exempelvis från bomull, lämpar sig dock inte som basfiber då dessa ofta skapar diskontinuerliga kolfibrer och innehåller många oönskade material som exempelvis lignin. Detta ger sämre mekaniska egenskaper hos kolfibern. Vanligare basfiber i kolfiberproduktionen är istället olika typer av kuprofiber, regenererad cellulosa eller viskos rayonfiber.
Konverteringen till kolfiber innehåller de vanliga tre stegen; stabilisering, karbonisering och grafitisering. Stabiliseringen sker i en fyrstegsprocess där temperaturen successivt ökas och fiberns vikt minskas med upp till 90 % beroende på basmaterialet. När stabiliseringsfasen nått en temperatur runt 400°C sker den största sönderdelningen av
molekylerna då C=O bindningar i molekylen bryts. Rayonfibern är då redo för karbonisering i temperaturer mellan 1000 och 1500°C, vanligtvis i en inert omgivning.
Processen genomförs på några sekunder.
Metoder med sträckning av fibern under karboniseringen används, men ännu bättre mekaniska egenskaper erhålls om sträckningen istället sker under grafitiseringen.
Grafitiseringen är en mycket snabb process genomförd på mindre än en sekund och med sträckt fiber. Även för rayonbaserade kolfibrer är elasticitetsmodulen i
slutprodukten starkt beroende av grafitiseringstemperatur (vanligtvis över 2800°C) och hur hårt fibern sträcks.
Fibrer av Polyvinylalkohol utvecklades främst för att ersätta asbestfibrer i olika PVA sammanhang. PVA-fibrerna har en elasticitetsmodul mellan 20 – 40 GPa och en draghållfasthet på 1200 – 1500 MPa men nyttjas idag ej i någon större utsträckning i tillämpningar inom byggbranschen.