Výstuže z anorganických odpadov

Výstuže sa do kompozitných materiálov používajú pre zlepšenie ich mechanických vlastností. Za hlavných zástupcov anorganických odpadov môžeme pokladať sklené, čadičové a uhlíkové vlákna, granát. Efekt výstuže má za úlohu preniesť vonkajšie napätie ,deformujúce matricu na vystužujúce vlákna.

2.8.1 Sklené vlákna

Sklené vlákna majú silikátový základ (SiO2). Sklovitý stav je charakteristický nekryštalickou krehkou štruktúrou. Vyrábajú sa z ťažením z taveniny zmesi oxidov Si a s malým množstvom oxidu alkalických kovov Na a K. Potrebný priemer sa dosiahne dĺžením prúdu skla tečúceho tryskami. Povrchové spracovanie prilepuje jednotlivé fibrily a obmedzuje porušenie vlákien spôsobené povrchovými defektami. Nevýhodou je, že pri tavení musí byť dosiahnutých vysokých teplôt. Vysoká viskozita spôsobuje zhoršenie homogenizácie. [19, 24, 25]

Podľa chemického zloženia rozdeľujeme skla na:

 E – skla : majú dobré elektroizolačné vlastnosti, vysokú pevnosť a postačujúci modul pružnosti.

 C – skla : majú nižšiu teplotu mäknutia ,odolávajú dobre chemickej korózii, sú menej pevné a ich mechanické vlastnosti rýchlo klesajú s rastúcou teplotou.

 S – skla : majú vysoký obsah kremíka a odolnosť voči vyšším teplotám.

V porovnaní s E sklami majú vyššiu pevnosť a modul pružnosti, nižšiu hustotu.

Používajú sa väčšinou v kompozitoch s epoxidovou matricou.

 AR - skla : odolávajú zásaditému prostrediu. Používajú sa ako náhrada azbestu v strešných krytinách. [19, 24]

Vlastnosti sklených vlákien:

Sklené vlákna (Obr. 7) odolávajú ohňu a rade chemikálii. Hustota je okolo 2,5 g/cm³. Veľkou nevýhodou je nízka odolnosť voči statickému dlhodobému namáhaniu. Rozpor medzi vysokou pevnosťou a vysokou zmáčavosťou, preto je žiadúca úprava povrchu. Tuhosť sklených vlákien je približne ako hliník. Vlastnosti sú výhodné najmä pri výrobe kompozitných materiálov ako vystužujúce vlákna. Konečné výrobky vyrobené so sklenými vláknami majú uplatnenie predovšetkým v automobilovom a leteckom priemysle, v stavebníctve, v chemickom priemysle a v elektronike. [19, 24, 25]

2.8.2 Čadičové vlákna

Čadičové vlákna (Obr. 9) sú anorganické vlákna, ktoré sa vyrábajú z roztaveného čadiča. Čadič je najčastejšia skala v zemskej kôre. Je to druh vyvretej horniny vytvorenej rýchlym ochladením lávy na zemskom povrchu. Vlastnosti čadiča sa líšia od zdroja lávy, rýchlosti chladenia. Z chemického rozboru sa jedná o kremičito-železnato-vápenato - horečnato – hlinito - sodnú horninu. Vysoko kvalitné vlákna sa vyrábajú z čadiča, ktorý má jednotné chemické zloženie. [26] Výroba vlákien je založená na tavnom zvlákňovaní pri teplote 1500-1700 °C. Pri dostatočne rýchlom schladení vzniká sklovitá hmota, pri pomalšom sa tvoria kryštály zo zmesi minerálov.

[27]

Vlastnosti čadičových vlákien:

Čadičové vlákna majú podobné chemické zloženie ako sklené vlákno, ale majú lepšie mechanické vlastnosti. Sú odolné voči alkáliám, kyselinám, slaným roztokom, preto sú vhodné pre betónové, mostné a pobrežné stavby. V porovnaní s uhlíkovým

Obr.7: Sklené vlákna [28] Obr.8: Lom skleným vláknom [29]

vláknom majú vyššiu odolnosť voči oxidácii, vyššiu odolnosť voči žiareniu, vyššiu pevnosť v šmyku a tlaku. [26] Ďalšie prednosti čadičových vlákien sú environmentálne a zdravotné výhody, oproti iným vláknam. Pri výrobe a likvidácii je menšia záťaž na životné prostredie a aj menšie riziko pri spracovaní. Preto sa ukazujú ako dobrý kandidát do geopolymérnych kompozitov. Používajú sa pre ochranné žiaruvzdorné pracovné odevy do prevádzky s veľkou tepelnou záťažou a s agresívnym chemickým prostredím. Dobré využitie majú aj v oblasti stavebníctva ako tepelne - izolačné zmesi pre žiaruvzdorné stavebné hmoty. [30]

Obr.9: Čadičové vlákna [31] Obr.10: Lom čadičového vlákna [32]

2.8.3 Uhlíkové vlákna

Jedná sa o dlhý tenký prameň materiálu o priemere 5 – 8 µm zloženého prevažne z atómu uhlíku. Kryštálové usporiadanie spôsobuje, že vlákno je aj napriek malej hrúbke veľmi pevné. Hustota je 1,8 až 2 g/cm³, obsahujú 90- 95 % čistého uhlíka.

Uhlíkové vlákna (Obr. 11) sa najčastejšie vyrábajú z polyakrylonitrilových vlákien (PAN). Nemôžu sa vyrábať rovnakým spôsobom ako kovové, sklené vlákna, vzhľadom k tomu, že sa uhlík netopí, nie je ťažný a je odolný voči rozpúšťadlám. Výrobu by sme mohli rozdeliť do troch základných krokov:

1.Stabilizácia pri teplotách okolo 200 - 300°C pri pôsobení ťahového napätia v oxidačnom prostredí je PAN vlákno stabilizované. Dôjde k zosieťovaniu makromolekúl kyslíkovými mostíkmi, vlákno stmavne a stane sa netaviteľným.

2.Karbonizácia pri teplotách 1200 až 1500 °C v čistom dusíku. Odstráni sa vodík, zníži sa obsah kyslíka a dusíka, 80 až 95 % hmoty tvorí uhlík. Vlákno dosiahne maximálnu pevnosť v ťahu.

3.Grafitizácia pri teplotách do 3000 °C v dusíku s argónom. Zvýši sa obsah uhlíka, dochádza k prekryštalizácii na grafit. Vyvinutejšie mikrokryštály vedú k zväčšeniu tuhosti vlákna. [19, 24]

Vlastnosti uhlíkových vlákien:

Uhlíkové vlákna majú široké spektrum mechanických vlastností pri pomerne malej hustote. Majú vynikajúce tepelné vlastnosti, stabilné sú do 1000°C, ak sú chránené pred oxidáciou. Výhodou uhlíkových vlákien oproti skleným je, že majú asi desaťnásobnú tuhosť, polovičnú hustotu, predĺženie pri pretrhnutí je menšie a veľká odolnosť voči únave. Nevýhodou je malá odolnosť ostrým ohybom. Často majú zlú adhéziu k matrici, preto je nutné ich povrchovo upravovať. Sú odolné voči kyselinám, zásadám a rozpúšťadlám. Dobre tlmia vibrácie a aj preto sa používajú do rôznych konštrukcií, ako sú napríklad karosérie. Za normálnych okolností sú veľmi krehké, ľahko sa lámu, preto sa povrchovo upravujú. [19]

Obr.11: Uhlíkové vlákna [33] Obr.12: Lom uhlíkových vlákien [34]

2.8.4 Granát

Granát (Obr. 13) je významný horninotvorný minerál. V prírode rozlišujeme 15 druhov granátov, podľa pomeru zastúpenia jednotlivých chemických prvkov. Päť z nich sa vyskytuje pomerne často, ostatné sú vzácne. [35] Prírodný granát je chemicky neutrálny, nekovový inertný materiál, bez obsahu toxických prímesí. Je charakteristický relatívne vysokou tvrdosťou a pevnosťou, preto sa môže použiť viackrát a tým znížiť náklady na spotrebovávaný materiál. Neabsorbuje vlhkosť, preto je jeho skladovanie aj používanie veľmi jednoduché. Teplota topenia granátu je približne 1500°C, záleží od druhu. [36]

Tab. 1: Chemické zloženie makro zrna [36]

Špecifikácia Chemické zloženie - makro zrna ( % )

FeO SiO2 Al2O3 TiO3 CaO MgO Fe2O3

25-40 35-40 18-25 < 2 < 2 < 2 < 1,5

V súčasnej dobe ponúka množstvo nerastných surovín veľké možnosti ako špeciálne technické materiály. Granát pre svoju tvrdosť, spôsob lomu a charakteristickú krehkosť je vhodným brusivom pre niektoré operácie. Z tohto dôvodu sa často používa ako abrazíva pri rezaní vodným lúčom. [36] Použitie granátu je možné pri minimálnom pracovnom tlaku tryskania. Výhodou je zníženie spotreby voči tradičným abrazívam a znížená hlučnosť. [36]Významné je, že majú rovnaké fyzikálne vlastnosti vo všetkých smeroch a nie sú štepné. V priebehu drvenia sa lámu na ostrohranné úlomky. Granátová drvina sa používa pre voľné brúsenie, alebo sa z nej vyrábajú brúsne kotúče. Granát sa tiež uplatňuje ako súčasť mechanických filtrov vody. [37]

Obr.13: Granát [37]