Poděkování
Děkuji Ing. Jiřímu Habrovi za jeho cenné rady, připomínky a odborné vedení diplomové práce.
Abstrakt
Cílem diplomové práce bylo zhodnocení mechanických vlastností, optických vlastností a adheze na rozhraní vlákna a matrice transparentních kompozitů. Jako polymerní matrice byl použit polyamid 12 a polykarbonát typu CALIBRE 303 EP-22 a SICOKLAR E51 30, plnivem bylo skleněné vlákno.
Zkoušky popsané v experimentální části byly provedeny na zařízení Technické univerzity v Liberci, resp. na Katedře strojírenské technologie (laboratoř pro zkoušení plastů) a na Katedře materiálu (laboratoř povrchových technologií).
Klíčová slova:
transparentní kompozit, mechanické, optické vlastnosti, adheze, matrice, polyamid, polykarbonát, plnivo, skleněné vlákno
Abstract
The aim of the thesis was to evaluate the mechanical properties, optical properties and adhesion on interface: fiber and matrix of transparent composites. The polymeric matrix was used, polyamide 12 and polycarbonate type CALIBRE 303 EP-22 and SICOKLAR E51 30 as filler was used the glass fibre.
The trilas described in the experimental section were performed on devices of Technical university in Liberec, respectively on device of Department of engineering technology (laboratory fo testing of polymers) and Department of materials (laboratory for surface technology).
Key words:
transparent composite, mechanical, optical properties, matrix, polyamide, polycarbonate, filler, glass fiber
5
OBSAH
1 ÚVOD ... 8
2 TEORETICKÁ ČÁST ... 9
2.1 Kompozitní materiály ... 9
Matrice – pojivo...10
2.1.1 Plnivo ...11
2.1.2 Adheze v kompozitech ...11
2.1.3 Měření adheze v kompozitech ...13
2.1.4 2.2 Polymerní kompozity ...16
Polymerní matrice ...17
2.2.1 Plniva - rozdělení a druhy ...19
2.2.2 2.3 Transparentní kompozity ...24
Transparentní polymery ...25
2.3.1 Skleněné vlákno ...30
2.3.2 3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...35
3.1 Cíl experimentu ...35
Materiál zvolený pro experiment ...35
3.1.1 Příprava směsi pro výrobu vzorků ...37
3.1.2 Výroba vzorků vstřikováním ...38
3.1.3 Měření hustoty ...46
3.1.4 Stanovení mechanických vlastností ...46
3.1.5 Stanovení optických vlastností ...50
3.1.6 Posouzení adheze na rozhraní plniva a matrice rastrovacím 3.1.7 elektronovým mikroskopem ...50
4 Zhodnocení ...52
4.1 Hustota ...52
4.2 Tvrdost (Shore D) ...53
4.3 Pevnost v ohybu...54
4.4 Modul pružnosti v ohybu ...55
4.5 Modul pružnosti v tahu ...56
4.6 Mez pevnosti v tahu ...57
6
4.7 Rázová houževnatost Charpy ...58
4.8 Poměrné prodloužení na mezi pevnosti ...60
4.9 Celková tažnost ...61
4.10 Měření transparence ...62
4.11 Vyhodnocení adheze ...64
5 Závěr...69
Použitá literatura ...71
Přílohy ...75
7
SEZNAM ZKRATEK
lk kritická délka vlákna
GF skleněné vlákno
p přetržená vlákna
PA polyamid
PBT polybutylentereftalát
PC polykarbonát
PET polyethylentereftalát PMMA polymethylmethakrylát
PP polypropylen
PPS polyfenilensulfid
PS polystyren
PVC polyvinylchlorid
Ra drsnost
s směrodatná odchylka
SAN styrenakrylonitril Tg teplota zeskelnění
ϴ úhel smáčivosti
v vlákna vytržená
γ
GS povrchové napětí na rozhraní: plyn – tuhá látkaγ
LG povrchové napětí na rozhraní: kapalina - plynγ
LS povrchové napětí na rozhraní: kapalina – tuhá látka aritmetický průměrmedián
8
1 ÚVOD
V dnešní době tvoří polymerní kompozity velkou a rychle se rozvíjející skupinu materiálů, jejichž využití je široké a v mnoha průmyslových odvětvích nahrazují konvenční materiály. Hlavní příčinou tohoto trendu jsou vysoké užitné vlastnosti jako mechanická a chemická odolnost, dobrá zpracovatelnost a v neposlední řadě také v mnoha případech nižší výrobní náklady. [1]
Kompozitní materiály mají široké spektrum využití například v automobilovém průmyslu, kdy aplikace těchto materiálů vede ke snižování hmotnosti silničních a kolejových vozidel. Nižší hmotnost se projeví snížením spotřeby pohonných hmot až z šedesáti procent. Použití lehkých konstrukcí umožňuje zvyšovat efektivnost nákladní dopravy a snižovat emise spalin vzniklé provozem dopravních prostředků.
Dále se kompozity využívají v leteckém průmyslu, lékařství a také při výrobě elektroniky, sportovních potřeb. [1]
Cílem diplomové práce bylo naměření a následné vyhodnocení mechanických vlastností a transparence vzorků vyrobených technologií vstřikování. Jako materiál vzorků byl zvolen neplněný polykarbonát, dále kompozit, kde jako polymerní matrice byl použit polykarbonát plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a kompozit s polyamidovou matricí plněnou 20% skleněných vláken. Nakonec byla u kompozitních materiálů posouzena adheze na rozhraní plnivo a matrice na základě snímků lomových ploch vytvořených rastrovací elektronovou mikroskopií.
9
2 TEORETICKÁ ČÁST
V této části diplomové práce je pojednáno nejdříve o kompozitních materiálech obecně, dále jsou popsány pojmy jako matrice, plnivo, adheze v kompozitech a její zkoušky. Další sekce je zaměřena na polymerní kompozity, kde jsou zmíněny polymerní matrice a také jsou zde podrobněji popsány plniva a jejich druhy. Závěr teoretické části je vzhledem k tématu diplomové práce zaměřen na téma transparentních kompozitů a transparentních polymerů jako materiálů vhodných pro výrobu transparentních kompozitů. V poslední kapitole je detailně popsáno skleněné vlákno použité jako plnidlo pro výrobu zkušebních vzorků transparentních kompozitů popsaných v experimentální části diplomové práce.
2.1 Kompozitní materiály
Kompozitním materiálem je označován takový materiál, který není čistá látka a zároveň obsahuje více než jednu složku. Tato definice kompozitního materiálu umožňuje považovat za kompozit téměř jakýkoliv technický materiál. Z tohoto důvodu je potřeba definici kompozitního materiálu zpřesnit. [2, 3]
První definice používaná v USA, uvedená v Composite Metals Handbook uvádí:
kompozitní materiál je kombinace dvou nebo vice materiálů (vyztužovací elementy, výplně a spojovací matrice), lišících se v makroměřítku tvarem, nebo složením.
Složky si v nich zachovají svou identitu (tzn. vzájemně se úplně nerozpouštějí ani neslučují), ačkoliv na své okolí působí v součinnosti. Každá složka může být fyzikálně identifikována a mezi ní a dalšími složkami je rozhraní.
Druhá definice G. F. Miltona v knize Theory of Composites uvádí:
kompozity jsou materiály, ve kterých jsou délkové nehomogenity v rozměrech mnohem větší, než jsou atomární (což umožňuje používat pro tyto nehomogenity rovnice klasické fyziky), které jsou ale v makroskopickém měřítku přirozeně (statisticky) homogenní.
Specifickou vlastností kompozitních materiálů je tzv. synergismus, což znamená, že výsledné vlastnosti kompozitu jsou vyšší než by odpovídalo jednoduchému poměrnému sečtení vlasností jednotlivých složek. Praktický příklad synergického efektu kompozitního materiálu je uveden na obr. 1. [2]
10
Obr. 1: Synergický efekt – hliníková pěna vložená do tenkostěnné hliníkové trubky. [2]
Matrice – pojivo 2.1.1
Matrice je materiál, kterým je prosycen systém vláken a komponent, po jehož zpracování vznikne tvarově stálý výrobek, který se označuje jako kompozit.
Funkce matrice je následující:
přenos namáhání na vlákna,
převedení namáhání z vlákna na vlákno,
zajištění geometrické polohy vláken a tvarové stálosti výrobku,
ochrana vlákna před vlivy okolí.
Důležitým faktorem, který ovlivňuje kvalitu kompozitu je zajištění dostatečné adheze na rozhraní matrice – vlákno. Pro dosažení dobrých adhezních sil mezi matricí a vláknem se na vlákno nanáší apretace vhodná pro danou matrici. Matrice musí mít zároveň vhodnou viskozitu a povrchové napětí, aby vlákno bylo dokonale smočeno. [4]
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 20 40 60 80 100
Zatěžovací síla [kN]
Axiální stlačení [mm]
Trubka s pěnou Součet 1 + 2 Prázdná trubka Al pěna
11 Plnivo
2.1.2
Plniva (vyztužující fáze) jsou přísady organické nebo anorganické povahy, které v kompozitních materiálech výrazným způsobem ovlivňují výsledné vlastnosti směsi i výrobku. Jedná se o tuhé látky ve formě prášku, vlákna nebo granule plněné do reaktoplastů nebo termoplastů. [1, 5]
Dříve se levná plniva používala za účelem snížení ceny výrobku, ovšem s postupem času přestalo být snižování n
ákladů jediným důvodem pro aplikaci plniv. Dalším důvodem bylo výrazné ovlivnění vlastností kompozitu jako snížení hustoty, zlepšení mechanických vlastností, dále ovlivnění optických, elektrických a teplotních vlastností, design. [5]
Základním požadavkem na plniva je přenášení převážné části vnějšího zatížení Za tímto účelem musí mít plniva vysokou pevnost, modul pružnosti – řádově vyšší než modul matrice. Celkový mechanismus pevnostního chování je závislý na tvaru, koncentraci a orientaci výztuže. Koncentrace popisující objem výztuže v kompozitu se udává jako objemový nebo hmotnostní podíl a patří mezi nejdůležitější parametry určující vlastnosti kompozitu. Kvazitropii systému ovlivňuje orientace plniva. Pokud jsou vyztužující částice tvarově a rozměrově ve všech směrech stejné, například jako u práškových plniv, chová se kompozit jako izotropní materiál a jeho vlastnosti jsou nezávislé na směru. Kompozity s vláknovou výztuží vykazují zase anizotropii vlastností. [1, 5]
Adheze v kompozitech 2.1.3
Matrice kompozitu je v celém jeho objemu spojitou fází. Naopak plnivo je vždy fází nespojitou. Součinnost matrice a plniva kompozitu závisí hlavně na přenášení sil přes rozhraní matrice – plnivo, resp. na adhezních silách zde působících. Obecně jsou známy tři zdroje adheze – mechanické zaklínění, fyzikální působení a chemické působení. [2, 3]
a) Mechanické zaklínění
Na stykových plochách mezi matricí a plnivem jsou vždy různé výstupky a prohloubeniny. Schéma předpokládající dokonalý styk plniva a matrice je znázorněné na obr. 2.
12
Obr. 2: Zaklínění matrice a plniva na společném rozhraní bez zatížení. [2]
Zobrazené nerovnosti na rozhraní brání vzájemnému pohybu matrice a plniva.
Zaklínění je tím větší, čím je hranice drsnější a vzájemný styk dokonalejší. [2]
b) Fyzikální adheze
Souvisí s fyzikální, tzv. Van der Vaalsovou vazbou, působící mezi částicemi na rozhraní. Vzdálenost, na kterou tato vazba působí je 0,3 – 0,5 nm a její teoretická pevnost rozhraní dosahuje 0,7 – 7 GPa. Výsledná fyzikální adheze úzce souvisí se vzájemnou smáčivostí matrice a plniva.
Smáčivost, tedy schopnost kapalné matrice ulpět na povrchu plniva a šířit se po něm, je možné vyjádřit za pomoci povrchové energie, resp. povrchového napětí. Hlavním parametrem pro hodnocení smáčivosti je úhel smáčivosti θ, uvedený na obr. 3. Úhel θ se u vzájemně smáčivých látek pohybuje mezi 0 a 90 stupni. Pokud tento úhel naopak nabývá hodnot od 90 do 180 stupňů, hovoříme o látkách vzájemně nesmáčivých. [2, 4]
Obr. 3: Schéma smáčivosti. [2]
13
Obr. 4: Případ dobré smáčivosti mezi vodou a sklem. [9]
Obr. 5: Případ špatné smáčivosti mezi vodou a PVC. [9]
c) Chemická adheze
Chemické vazby na rozhraní matrice – plnivo a jimi vytvořené vazebné síly jsou větší než v případě fyzikálních. Mohou působit na vzdálenost 0,1 až 0,3 nm a její teoretická pevnost rozhraní odpovídá 7 až 70 GPa. [2]
Chemické vazby na rozhraní vzniknou ve dvou případech:
a) matrice a plnivo vzájemně difundují, na rozhraní vzniká difuzní mezivrstva s velmi silnou adhezí,
b) matrice a plnivo spolu chemicky reagují, na rozhraní vzniká mezivrstva chemické sloučeniny.
Měření adheze v kompozitech 2.1.4
Pro hodnocení adheze u kompozitních materiálů se kromě určení vzájemné smáčivosti a povrchového napětí matrice a plniva využívá řada metod, kterými se určuje adhezní síla na rozhraní přímo. [2, 4]
Mezi přímé metody patří:
a) Měření normálového a smykového adhezního napětí (Obr. 6)
Obr. 6: Princip měření normálového a smykového adhezního napětí. [2]
14
b) Měření adhezního napětí trojbodovým ohybem (Obr. 7)
Obr. 7: Princip měření adhezního napětí trojbodovým ohybem. [2]
Dalším ze způsobů hodnocení adheze jsou porovnávací zkoušky, kdy se porovnává kvalita adheze na rozhraní příslušných vzorků. Nezjišťují tedy bezprostředně adhezní napětí jako u přímých zkoušek. [2]
Mezi porovnávací metody patří:
a) Vrypový test (Obr. 8)
Posouzení adheze tenké vrstvy jednoho materiálu na masivním vzorku druhého materiálu. Ve vrstvě je vytvářen vryp diamantovým hrotem s geometrií Rockwellovského hrotu pro měření tvrdosti. Přítlačná síla na hrot se postupně zvětšuje až dojde k utržení celé vrstvy od podložky. Tato síla je měřítkem velikosti adheze. [2]
Obr. 8: Princip vrypového testu. [2]
b) Mřížkový test (Obr. 9)
Posouzení adheze tenké vrstvy jednoho materiálu na masivním vzorku druhého materiálu. Do vzorku se vryje ostrým speciálním ostrým nástrojem po 10 vrypech ve dvou kolmých směrech. Na tuto vrstvu se následně nalepí a strhne samolepící páska.
Měřítkem adheze je procento čtverců, které zůstanou na povrchu vzorku. [2]
Obr. 9: Princip mřížkového testu – vzorek po odstranění samolepící pásky. [2]
15 c) Odlupovací test (Obr. 10)
Lze použít, pokud je jeden z materiálů méně tuhý a umožňuje ohyb. Tento materiál se odlupuje přes speciální přípravek, který zajišťuje konstantní poloměr ohybu při odlupování. Měřítkem adheze je odlupovací síla vztažená k jednotce délky hranice odloupnutí. [2]
Obr. 10: Princip odlupovacího testu. [2]
d) Vytrhávací test (Obr. 11)
Tento test je určený pro vláknové kompozity. Do matrice je zalita řada vláken, které mají rostoucí hloubku zalití – velikost plochy rozhraní. Jednotlivá vlákna jsou poté zatěžována až do jejich porušení. U nejméně zalitých vláken dojde k jejich vytrhnutí z matrice. Naopak u vláken zalitých ve větší hloubce dojde k přetržení. Délka, která je na obr. 11 označena jako lk, je taková délka, kdy je stejná pravděpodobnost přetržení nebo vytržení vlákna, a nazývá se jako kritická délka vlákna. Při stejném průměru a pevnosti vlákna je kritická délka tím menší, čím je adheze vyšší. [2]
Obr. 11: Princip vytrhávacího testu. [2]
16 e) Příčný test kompozitu (Obr. 12)
Vláknový kompozit s uspořádanými a spojitými vlákny je zatížen tahovou silou v kolmém směru k vláknu. Zjištěná mez pevnosti umožňuje odhadnout velikost normálové adhezní síly. [2]
Obr. 12: Princip příčného testu. [2]
f) Podélný test s výřezy (Obr. 13)
Jedná se opět o test vláknového kompozitu se spojitými vlákny. Kompozit má speciální tvar s výřezy a je zatížen tahovou silou ve směru vláken. Zjištěná mez pevnosti umožňuje odhadnout velikost tečné adhezní síly. [2]
Obr. 13: Princip podélného testu kompozitu s výřezy [2]
2.2 Polymerní kompozity
Polymerní kompozity jsou heterogenní systémy skládající se z matrice reaktoplastické nebo termoplastické, plněné vlákny (krátkými, dlouhými) nebo částicovým plnivem. Jednotlivé fáze polymerního kompozitu se stýkají na mezifázovém rozhraní, kde je výztuž považována za efektivní v tom případě, že nese relativně vyšší podíl vnějšího aplikovaného napětí.
V porovnání s matricí má tedy výztuž mnohem vyšší pevnost a modul pružnosti.
Matrice zajišťuje vysokou houževnatost a udává výsledný tvar kompozitu.
Polymerní kompozity tvoří rozsáhlou a důležitou třídu inženýrských materiálů, uplatňující se v mnoha aplikacích nejen strojírenského průmyslu. [6, 16]
17 Polymerní matrice
2.2.1
Pro výrobu polymerních kompozitů se používají buď matrice termoplastické nebo reaktoplastické. [4]
1) Reaktoplastické matrice
Dříve se pro výrobu kompozitů používaly pryskyřice polyesterové nebo epoxidové.
Tyto pryskyřice se hojně využívají dodnes. Jejich výhodou je nízkomolekulární výchozí stav a jsou většinou tekuté za normální teploty. Viskozita taveniny pryskyřic je výrazně nižší než tavenina termoplastů. Zpracování těchto materiálů je tak snadnější a méně energeticky náročné, protože probíhá při nižších teplotách. Další výhodou je lepší smáčení vláken. Dosahují vysokých hodnot pevnosti a tuhosti.
Naopak nevýhodou je vysoká křehkost a nízká tažnost. Reaktoplastické pryskyřice se vytvrzují pomocí katalyzátoru, případně teplotou nebo zářením. [4, 6]
Mezi nejdůležitější reaktoplastické pryskyřice patří:
a) Nenasycené polyesterové pryskyřice
Pryskyřice je rozpuštěna v monomerním rozpouštědle (ve styrenu), se kterým je kopolymerizována.
b) Vinylesterové pryskyřice
Pryskyřice je rozpuštěna v monomerním rozpouštědle (ve styrenu), se kterým je kopolymerizována.
c) Epoxidové pryskyřice
Obsahují dostatečné množství epoxidových skupin potřebných pro vytvrzení.
d) Izokyanátové pryskyřice
Obsahují dostatečné množství izokyanátových skupin potřebných pro vytvrzení. [4]
2) Termoplastické matrice
Termoplastické matrice mají na rozdíl od reaktoplastických vyšší viskozitu taveniny a tedy i vysoké zpracovatelské teploty, problematičtější je také smáčení vlákna. Mají vysokou houževnatost, naopak pouze málo termoplastů dosahuje podobných hodnot tuhosti, teplotní a chemické odolnosti jako reaktoplasty. Další výhodou je, že v průběhu zpracování probíhá pouze roztavení a tuhnutí matrice bez chemického procesu jako u reaktoplastů. Krátkými vlákny vyztužené termoplasty se hojně využívají pro sériovou výrobu vstřikováním. [16, 6]
18
Mezi významné termoplasty, používané pro výrobu kompozitů plněných sklem patří:
a) Polypropylen (PP)
Semikrystalický, středně pevný, tuhý a houževnatý materiál, vzhledem mléčně zakalený. Hustota se pohybuje mezi 904 až 910 kg/m3 a teplota zeskelnění je -15 až -10°C. Vyztužení polypropylenu dlouhými nebo krátkými vlákny vede ke zvýšení mechanických vlastností, rozměrové přesnosti.
Využívá se například pro výrobu přístrojových desek, nárazníků a injekčních stříkaček. [6, 16]
b) Polyamid (PA)
Semikrystalický polymer s vysokou houževnatostí, tvrdostí, odolností proti otěru a dobrými eletroizolačními vlastnostmi. V tuhém stavu je klasický polyamid neprůhledný. Mechanické vlastnosti polyamidů jsou obecně závislé na jeho typu.
Například polyamid PA6 poly(6-hexanlaktam) má o 20% horší mechanické vlastnosti a větší navlhavost než polyamid PA 66 poly(hexamethylénadipamid).
Hustota se pohybuje v rozmezí 1050 až 1200 kg/m3 a teplota zeskelnění je mezi 30°C a 60°C.
Využívá se pro výrobu ložisek, ozubených kol, armatur, plněný skleněnými vlákny pro panely karosérií. [6, 16]
c) Polybutylentereftalát (PBT)
Semykrystalický termoplast, vlastnostmi podobný PET. Tento polymer je výhodný zejména pro svoji dobrou zpracovatelnost. Protože má nižší mechanické vlastnosti a poměrně nízkou hodnotu skleného přechodu (45 až 60°C). Jeho technické využití není vhodné pro prostředí s vysokými teplotami. PBT je odolný vůči otěru, má dobrou rázovou houževnatost, rozměrovou stabilitu a malou absorpci vody.
Využívá se pro výrobu elektrických komponentů, jako polymerní směs s PC se používá pro výrobu nárazníků. [6, 15]
19 d) Polyfenylensulfid (PPS)
Speciální, semikrystalický polymer kombinující několik výborných vlastností, a to především teplotní stabilitu, chemickou odolnost, nízkou nasákavost, rozměrovou stabilitu a nehořlavost. Je vhodný zejména pro aplikace ve vysokých teplotách. Mezi nevýhody patří ekonomická náročnost a obtížná zpracovatelnost.
Využívá se zejména v elektronickém odvětví (spínače, relé) a v automobilovém průmyslu (systém kontroly emisí, senzory paliva, zapalování). [6, 15]
Plniva - rozdělení a druhy 2.2.2
Dalším možným dělením kompozitních materiálů je kromě druhu použité spojité fáze – matrice, dělení podle geometrické charakteristiky plniva.
Dle tohoto kritéria se dělí kompozity na částicové s pravidelným nebo nepravidelným tvarem částic a na vláknové kompozity dlouhovláknové a krátkovláknové. Vlákna vyztužující materiál se vyznačují tím, že jeden rozměr výrazně převyšuje dva zbývající. Částicové kompozity mají zase tvary rovnoosé, kde žádný tvar výrazně nepřečnívá.
Dělení kompozitů na krátkovláknové a dlouhovláknové se posuzuje podle poměru délky vlákna k jeho průměru. Tedy pokud je délka vlákna stokrát větší než jeho příslušný průměr, označujeme takové materiály jako dlouhovláknové kompozity.
Pokud je délka vláken stokrát menší než příslušný průměr vlákna – takové kompozity se označují jako krátkovláknové. [3, 7]
2.2.2.1 Vláknová plniva – druhy
Vláknová plniva se používají jako konstrukční prvky jen velice zřídka. Jejich hlavní těžiště využití je v kompaktní formě, tedy v kompozitních materiálech. Kompozitní materiály plněné vlákny se skládají z přizpůsobivé matrice a z vlákna s vysokou měrnou pevností a tuhostí. [4]
1) Skleněná vlákna
Skleněná vlákna se poprvé k výrobě kompozitů začala používat ve 40. letech 20.
století. Vlákna mají pravidelný kruhový průřez a skládají se z oxidu křemičitého, oxidu hlinitého, oxidu vápenatého, oxidu hořečnatého a boritého. Díky nízké ceně a dobrým mechanickým vlastnostem jsou dnes skleněná vlákna bohatě využívána.
20
Výchozím materiálem pro jejich výrobu je roztavená sklovina, která se tažením a následným rychlým ochlazením přetvoří ve vlákno amorfního charakteru. Na obr. 14 je snímek skleněného vlákna v polykarbonátové matrici vytvořený rastrovací elektronovou mikroskopií. [8]
Obr. 14: Skleněného vlákno + PC matrice (rastrovací elektronová mikroskopie)
21 2) Uhlíková vlákna
Uhlíková vlákna, zobrazená na obr. 15, mají vysokou pevnost, modul pružnosti, tepelnou odolnost a nízkou měrnou hmotnost. Podle hodnot modulu pružnosti a pevnosti se dělí na vysokopevnostní a vysokomodulová s vysokým modulem pružnosti v tahu a nižší pevností v tahu. K výrobě těchto vláken se používá viskózových nebo polyakrylonitrilových vláken. [7, 11]
Obr. 15: Struktura uhlíkového vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [11]
3) Aramidová vlákna
Aramidová vlákna (Obr. 16) jsou vlákna na bázi aromatických lineárních polyamidů, jejichž kovalentní vazby jsou orientovány podle osy vlákna. K největším přednostem těchto vláken patří vysoká pevnost a tuhost, která je dána chemickým složením, resp. aromatickými jádry v hlavním řetězci. Zároveň jsou to nejlehčí vyztužující vlákna. Mezi další výhody patří odolnost proti opotřebení a nehořlavost.
Teplota tavení těchto vláken leží nad teplotou tepelného rozkladu, výroba spřádáním z taveniny proto není možná. Vysoce krystalická vlákna se proto spřádají z vysokoviskozního roztoku 20% kyseliny sírové.
K nevýhodám aramidových vláken patří silná anizotropie, tzn., že vlákna mají jiné vlastnosti ve směru vlákna a ve směru příčném. Například hodnota modulu pružnosti
22
měřená kolmo k vláknu je nižší než hodnota ve směru vláken. Aramidové kompozity se proto používají pro lehké konstrukce s převažujícím tahovým namáháním. [4]
Obr. 16: Struktura aramidového vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [12]
4) Přírodní vlákna
K vyztužování plastů se používají vlákna živočišná i rostlinná, která mají jako základ celulózu, tedy - banán (Obr. 17), konopí (Obr. 18), kokos (Obr. 19) a len (Obr. 20).
Mezi výhody těchto vláken patří odolnost proti stárnutí a pozoruhodné jsou i hodnoty modulu pružnosti v tahu. Díky nízké měrné hmotnosti jsou tato rostlinná vlákna používána pro lehké konstrukce. Mezi nevýhody patří citlivost na působení vlhkosti, omezená možnost volby matrice vzhledem k nebezpečí rozkladu vláken při zpracování (max. 200°C). V tabulce 1 jsou pro vzájemné porovnání uvedené vlastnosti výše popsaných vláken. [4]
Obr. 17: Struktura banánového vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [13]
23
Obr. 18: Struktura konopného vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [13]
Obr. 19: Struktura kokosového vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [13]
Obr. 20: Struktura lněného vlákna (rastrovací elektronová mikroskopie) [13]
24
Tab. 1: Porovnání mechanických vlastností vláken [4]
2.3 Transparentní kompozity
Tato část diplomové práce je zaměřena na problematiku transparentních kompozitů, jejich výhodné a problematické vlastnosti a možnosti jejich aplikace. V další části je uveden výčet transparentních polymerů používaných jako matrice pro transparentní kompozity a na závěr je vzhledem k použitému plnivu v experimentální části podrobněji pojednáno o skleněných vláknech. [14]
Transparentní polymerní kompozity poskytují vynikající optickou transparentnost a nízké úrovně zkreslení v širokém rozsahu teplot, přičemž vykazují vynikající mechanické vlastnosti ve srovnání s nevyztuženými polymery nebo skly.
I když je sklo nejběžněji používaným průhledným materiálem, například pro zasklívání budov a vozidel, tak je jeho využití v mnoha případech limitováno několika negativními faktory jako vysoká hmotnost, křehkost a obtížná výroba složitých tvarů.
Pro mnoho aplikací existuje obecná potřeba mechanicky odolných kompozitních materiálů s vysokou optickou kvalitou a transparencí, podobnou nebo ekvivalentní plochému sklu.
Polymery jako je polymethylmethakrylát (PMMA) prodávané pod ochrannou známkou Plexiglass, jsou často požívány místo skla zejména v případech, kde se požaduje odolnost proti nárazu a optická transparence. Bohužel polymery jako PMMA stále nemají dostatečnou pevnost pro mnoho současných aplikací.
Jedním ze způsobů zvýšení mechanické pevnosti polymerů, jako je PMMA, je jejich vyztužení skleněnými vlákny. Ve většině případů jsou však skleněná vlákna v polymeru příčinou zhoršení optické transparence. Dalším problémem výše
25
uvedených kompozitních polymerů je změna teploty, která může způsobit změnu relativního indexu lomu skleněných vláken a polymeru, takovým způsobem, že se stanou neshodnými. Tento jev vede ke zhoršení kompozitní jasnosti. Například, když je polymer PMMA vyztužen kompozitními vlákny zahříván od teploty 30°C do 70°C, optická transparence je ohrožena. Změny teploty proto zásadně omezují uplatnění transparentních kompozitů vyztužených skleněnými vlákny pouze na aplikace, kde bude materiál vystaven úzkému rozsahu teplot.
Výše uvedené nedostatky transparentních kompozitů mají speciálně pro letecké aplikace nezanedbatelný význam. Během jednoho letu, kdy letadlo po vzletu dosáhne horních vrstev atmosféry se totiž teplota mění v širokém rozsahu. [14]
Transparentní polymery 2.3.1
Transparentní, neboli opticky průhledné polymery mají kromě aplikací v oblasti transparentních kompozitů významné zastoupení zejména v automobilovém průmyslu (boční, zadní, střešní okna, světlomety, nárazníky, ochranné štíty motocyklů), v obalovém hospodářství, dále se používají pro výrobu brýlových skel, čoček fotoaparátů, kuchyňských spotřebičů a střešních krytin. V této kapitole budou zmíněny konkrétní zástupci transparentních polymerů, jejich typické vlastnosti a oblast aplikace. [15, 16]
Polystyren (PS)
Standardní polystyren je amorfní lineární termoplast, pro který je typická jasnost (propustnost světla až 90%) a vysoký lesk. Je nepolárního charakteru, nenavlhá a má výborné elektroizolační vlastnosti. Není vhodný pro technické aplikace za vysokých teplot (Tg = 95°C), viz tab. 2. Dále není jeho aplikace doporučována pro venkovní použití, jelikož fotooxidací žloutne a křehne. Použití na mechanicky namáhané výrobky, které jsou ve styku s rozpouštědly, není vhodné z důvodu vzniku trhlin korozí při napětí. Strukturní vzorec polystyrenu je uveden na obr. 21. [1, 15]
Obr. 21: Strukturní vzorec polystyrenu (PS). [15]
26
Tab. 2: Typické vlastnosti standardního polystyrenu (PS). [17]
Díky své transparentnosti se polystyren používá v obalovém průmyslu, a z důvodu křehkosti také pro výrobu nenáročného spotřebního zboží (kelímky, obaly CD a misky). Expandovaný polystyren se využívá hlavně ve stavebnictví, obr. 22. [15]
Obr. 22: Příklad aplikace standardního a expandovaného polystyrenu. [26]
Polykarbonát (PC)
Polykarbonát je amorfní termoplast s dokonalými optickými vlastnostmi a poměrně dobrými mechanickými vlastnostmi, viz tab. 3. Výhodné vlastnosti polykarbonátu jsou dobrá pevnost, tuhost, tvrdost, houževnatost a odolnosti proti lomu i za nízkých teplot. Vzhledem k teplotě zeskelnění (Tg = 150°C) je odolný proti krípu. Patří mezi částečně polární plasty, což je příčinou navlhavosti. Polykarbonát je chemicky odolný slabým kyselinám, špatně odolává zásadám a většině rozpouštědel.
Výhodnou vlastností je odolnost proti UV záření. Strukturní vzorec polykarbonátu je uveden na obr. 23. [1, 15]
Obr. 23: Strukturní vzorec polykarbonátu (PC). [15]
27
Tab. 3: Typické vlastnosti polykarbonátu (PC). [17]
Uplatnění PC nachází především pro technologii vstřikování, vytlačováním se zhotovují například trubky, tyče a folie. Pro svoje výborné optické vlastnosti se používá k výrobě světlometů, bočních, zadních a panoramatických oken automobilů. Dále se používá pro výrobu brýlových skel a střešních krytin. [1, 15]
Obr. 24: Příklad aplikace polykarbonátu (PC). [27, 18]
Styren – akrylonitril (SAN)
Styren – akrylonitril patří mezi styrenové plasty, přesněji se jedná o amorfní kopolymer polystyrenu (PS). Ve srovnání s polystyrenem má vyšší rázovou houževnatost, tvrdost a téměř srovnatelnou transparenci. Jeho charakter je polární, má tedy náchylnost k vyšší absorpci vody, ale zároveň dobře odolává nepolárním rozpouštědlům. Strukturní vzorec a typické vlastnosti styren-akrylonitrilu jsou uvedeny na obr. 25, resp. v tab. 4. [15, 16]
Obr. 25: Strukturní vzorec styren-akrylonitrilu (SAN). [15]
28
Tab. 4: Typické vlastnosti styren - akrylonitrilu (SAN). [17]
Styren – akrylonitril se používá tam, kde je zapotřebí průhledný materiál s vysokou rázovou houževnatostí. Často se použvá pro výrobu koncových a odrazových světel u automobilů a nádoby kuchyňských mixérů nebo kuchyňského nádobí, obr. 26. [16]
Obr. 26: Příklad aplikace styren – akrylonitrilu (SAN). [19]
Polymethylmethakrylát (PMMA)
Polymethylmethakrylát je amorfní termoplast. Má výborné mechanické vlastnosti (viz tab. 5), což jej řadí mezi konstrukční plasty. Jeho typickou vlastností je čirost a naprostá bezbarvost i v silnějších vrstvách. Z běžných termoplastů patří k nejlepším v odolnosti proti povětrnosti. Polární charakter je příčinou dobré odolnosti vůči slabým kyselinám a nepolárním rozpouštědlům. Na obr. 27 je uveden strukturní vzorec polymethylmethakrylátu. [15, 16]
29
Obr. 27: Strukturní vzorec polymethylmethakrylátu (PMMA). [15]
Tab. 5: Typické vlastnosti polymethylmethakrylátu (PMMA). [17]
Díky vynikajícím optickým vlastnostem se používá pro výrobu krytů světlometů, střešních oken automobilů, laboratorních trubek, hodinových sklíček a také zubních protetik, tzv. Dentacryl. [15]
Obr. 28: Příklad aplikace polymethymethakrylátu (PMMA). [28, 20]
Polyethylentereftalát (PET)
Polyethylentereftalát je v klasické podobě semikrystalický termoplast, ovšem v případě rychlého schlazení a potlačení procesu krystalizace je vyráběn v amorfní podobě s vysokou propustností pro světlo. Má dobré mechanické vlastnosti (viz tab.
6), zejména vysokou pevnost i při malé tloušťce, dále pak dobrou rozměrovou stálost a nízký koeficient tření. Strukturní vzorec polyethylentereftalátu je uveden na obr.
29.
30
Obr. 29: Strukturní vzorec polyethylentereftalátu (PET). [15]
Tab. 6: Typické vlastnosti polyethylentereftalátu (PET). [17]
Polyethylentereftalát se používá hlavně pro výrobu vláken, textilií, dále pak fólií a lahví. Fólie jsou čiré a uplatnění nachází v elektrotechnickém průmyslu. [15, 16]
Obr. 30: Příklad aplikace polyethylentereftalátu (PET). [21.22]
Skleněné vlákno 2.3.2
Skleněná vlákna, společně s uhlíkovými, jsou nejčastěji využívaným typem vláknových plniv do kompozitních materiálů s polymerní matricí. Vlákna mají silikátový základ, vyrábějí se tažením taveniny směsi oxidů, s příměsí oxidů Al, Ca, Mg, Pb, B a většinou s malým podílem oxidů alkalických kovů Na a K. Atomový model skla je uveden na obr. 31. [4, 23, 24]
31
Obr. 31: Atomový model amorfního skla. [24]
V kompozitních materiálech jsou používána vlákna s různými typy sklovin, které se od sebe liší chemickým složením. Mezi nejdůležitější typy skleněných vláken dle druhu skloviny patří:
1) E – sklovina
Bezalkalické vápenato – hlinito – křemičité sklo, obr. 32. Má dobré mechanické i elektrické vlastnosti. Je výborným elektrickým izolantem s vysokou propustností pro záření. E-sklovina je nejpoužívanější surovinou pro výrobu vláken (90% trhu) také z toho důvodu, že mezi sklovinami patří mezi nejlevnější. [23, 24]
Obr. 32: Struktura skleněného vlákna – typ E (rastrovací elektronová mikroskopie) [25]
2) R (S) - sklovina
Jedná se o sklovinu s vyšším obsahem , a . Vlákna mají asi o 40 až 70% vyšší pevnost v tahu oproti E – sklu, modul pružnosti je rovněž vyšší. Cena je v porovnání s ostatními vyšší. Evropské označení pro tento typ skloviny je R, v USA se označuje jako S a v Japonsku jako T. [23, 24]
32 3) C – sklovina
Vlákna z této skloviny mají vyšší podíl alkálií, mají nižší teplotu měknutí, jsou méně pevná a jejich mechanické vlastnosti rychle klesají s rostoucí teplotou. Jsou vysoce odolné proti chemicky agresivním látkám. [23, 24]
4) ECR - sklovina
Korozivzdorné sklo bez oxidu boru. Má větší hustotu, větší modul pružnosti, větší teplotu měknutí a větší odolnost v kyselém prostředí než běžné E-sklo. [23, 24]
5) AR – sklovina
Bezalkalická skleněná AR vlákna mají odlišné chemické složení než E vlákna. Jsou vhodná pro alkalická prostředí. Vlákna dosahují v důsledku silné kovalentní vazby mezi křemíkem a kyslíkem vysokých hodnot pevnosti a modulu pružnosti. Používají se ve stavebnictví pro výrobu střešních šablon nebo k vyztužení betonu. V tab. 7 je kromě základních vlastností také uvedené procentuální chemické složení výše popsaných sklovin. [23, 24]
33
Tab. 7: Složení skloviny a důležité vlastnosti neupravených vláken [4]
Skleněná vlákna se vyrábí tažením z trysek. Ve sklářské peci se při teplotě 1370 °C roztaví křemičitý písek, vápenec, kaolin, dolomit, kyselina boritá a kazivec na E - sklovinu. Pece pro výrobu skleněných vláken se obvykle skládají ze tří zón, kterými jsou: tavná zóna, homogenizační zóna a chladící zóna (Obr. 33).
Při pohledu na detail vytlačovací části pece (Obr. 34) je vidět, že z pece vede sklovina do kanálků zvlákňovací mřížky, která může obsahovat až 10 000 zvlákňovacích trysek. Zvlákňovací mřížky jsou vyrobené z platinové slitiny a zahřáté na takovou teplotu, aby sklovina rychle vytékala a tuhla do tvaru vláken. Síla vláken na výstupu je 2 mm. Vlákna skloviny jsou poté v průtahovém ústrojí dloužena a zjemňována na určitou tloušťku. Následně prochází dutým ramenem rotujícího křídla, kde vlákna dostávají zákrut a dochází k jejich spřádání – sdružením těchto neviditelných elementárních vláken vzniká spřádací vlákno. Ručka křídla poté v horizontálních návinech ukládá skleněné vlákno na cívku. [4, 23, 24]
34
Obr. 33: Zjednodušené schéma výroby skleněných vláken. [24]
Při manipulaci s nechráněnými vlákny dochází při jejich vzájemném kontaktu k abrazi a tím pádem ke snížení pevnosti. Aby se těmto nepříznivým jevům předcházelo, jsou jednotlivá vlákna pokrývána ochranným povlakem ve formě vodní emulze. Úkolem této emulze je:
chránit citlivý povrch elementárních vláken,
připravit stávající vlákna na další zpracování,
zmírnit antistatické působení (vlákna méně přitahují prach.
Lubrikační látku je nutno před výrobou kompozitu z povrchu vláken odstranit, aby bylo dosaženo potřebné soudržnosti vláken a matrice. [23]
Obr. 34: Detail vytlačovacího ústrojí. [29]
35
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
V této části diplomové práce jsou uvedeny cíle experimentu, volba polymerní matrice a plniva vzorků, postup přípravy vzorků, zkoušky jejich mechanických vlastností, zkouška transparence a na závěr ověření adheze na rozhraní plniva a matrice.
3.1 Cíl experimentu
Cílem toho experimentu bylo ověření mechanických vlastností a transparence polymerních kompozitů, kde jako polymerní matrice byl použit polykarbonát a plnivem byla skleněná vlákna. Celkem se připravily čtyři skupiny vzorků, pro mechanické a optické zkoušky, které obsahovaly 10%, 20% a 30% skleněných vláken v polykarbonátové matrici. Experiment byl dále doplněn o vzorky s polyamidovou polymerní matricí, plněnou 20% skleněných vláken. Pro přehlednější porovnání mechanických a optických vlastností byly vyrobeny a měřeny vzorky připravené z neplněného polykarbonátu.
Materiál zvolený pro experiment 3.1.1
Testovaný kompozit byl složen z polymerní matrice polykarbonátu, resp. polyamidu a jako plnivo bylo v obou případech skleněné vlákno, jedna skupina vzorků byla připravena pouze z neplněného polykarbonátu, typu CALIBRE 303EP-22. Pro výrobu kompozitních vzorků byl zvolen polykarbonát s příměsí skleněných vláken, typu SICOKLAR E51 30. V případě směsi pro výrobu kompozitu tvořenou polyamidovou matricí a 20% skleněných vláken se jednalo o velice specifický materiál, který doposud nebyl uveden na trh. Jako matrice byl výrobcem zvolen polyamid 12.
Z výše uvedených okolností vyplývá, že vzorky s polyamidovou matricí nebylo možné připravit se stejnými koncentracemi skleněných vláken jako v případě polykarbonátové matrice. Na univerzitě byl od výrobce k dispozici pouze polyamid s 20% skleněných vláken. V tabulce 10 jsou uvedeny základní fyzikální a mechanické vlastnosti polyamidu 12.
36
CALIBRE 303EP-22, SICOKLAR E51 30
Jako materiál pro výrobu vzorů z neplněného polykarbonátu byl zvolen typ CALIBRE 303EP-22 (tab. 8). Pro výrobu kompozitních vzorků byl zvolen rovněž typ polykarbonátu CALIBRE 303EP-22, který byl smísen s polykarbonátem obsahujícím skleněná vlákna SICOKLAR E51 30 (tab. 9), takovým způsobem, aby vznikly vzorky s výsledným obsahem skleněných vláken 10%, 20% a 30%.
Tab. 8: Fyzikální a mechanické vlastnosti: Calibre 303EP-22. [17]
Tab. 9: Fyzikální a mechanické vlastnosti: Sicoklar E51 30. [17]
37
PA + 20% GF
Materiál pocházel z firmy EMS – GRIVORY, matrice je vyrobena z polyamidu 12, řady green line. Jedná se o vysoce výkonný polyamid vyráběný z obnovitelného zdroje – ricinového oleje. Pouze pro lepší představu jsou v tabulce 10 uvedeny základní fyzikální a mechanické vlastnosti polyamidu 12.
Tab. 10: Fyzikální a mechanické vlastnosti: Polyamid 12. [17]
Příprava směsi pro výrobu vzorků 3.1.2
Sušení
Před samotným zpracováním byl materiál pro výrobu vzorků sušen v horkovzdušné sušičce s nucenou ventilací Venticell (Obr. 35) při teplotě 90˚C po dobu 6 hod.
Obr. 35: Vakuová sušička Venticell. [30]
38
Vážení
Po vysušení se materiály vysypaly jednotlivě do laboratorních nádob a s využitím laboratorních vah – TSCALE RW se navážily jednotlivé materiály Calibre 303EP- 22 a Sicoklar E51 30, tak aby po jejich sesypání vznikla směs materiálů s obsahem 10%, 20%. Na vzorek s 30% skleněných vláken postačilo navážit pouze samotný Sicoklar E51 30, který již požadovaný objem skleněných vláken obsahuje.
Míchání
Po navážení směsí byly tyto důkladně ručně promíchány tak, aby částice skleněného vlákna byly rovnoměrně rozptýleny v celém objemu směsi, která tak bude připravena pro další zpracování.
Výroba vzorků vstřikováním 3.1.3
Ze vzniklých směsí byly vstřikováním vyrobeny zkušební tělesa pro mechanické a optické zkoušky na horizontálním vstřikovacím stoji Arburg, řady Allrounder 270C, obr. 36.
Obr. 36:Arburg 270C Allrounder. [31]
Vstřikování zkušebních těles pro mechanické zkoušky
Před samotným procesem vstřikování byla dutina formy vizuálně zkontrolována a zbavena nečistot. Tvárnice vstřikovací formy a model vzorku pro měření mechanických vlastností je uveden na obr. 37.
39
Obr. 37: Tvárnice formy a model zkušebního tělesa pro mechanické zkoušky.
Zkušební tělesa byla připravena vstřikováním dle ČSN EN ISO 294-1 a ČSN EN ISO 7391-2.
Vstřikování těles pro optické zkoušky – příprava formy
Dutina formy byla pro co možná nejpřesnější určení optických vlastností vzorků leštěna na drsnost Ra= 0,2. Před vstřikování byla zbavena prachových nečistot a následně odmaštěna přípravkem LUSIN CLEAN L52 F. Rozměr zkušebních těles byl 120 x 120 x 3mm. Tvárnice vstřikovací formy a model vzorku pro měření transparence je uveden na obr. 38.
Obr. 38: Tvárnice formy a model tělesa pro optické zkoušky.
40
Parametry vstřikování pro neplněný PC a PC+10,20,30% GF
V tab. 11 jsou přehledně uvedené základní parametry pro vstřikování neplněného polykarbonátu a polykarbonátu plněného skleněnými vlákny. Parametry byly voleny na základě doporučení výrobce, vstřikovaný materiál a s ohledem na geometrii vtokové soustavy vstřikovací formy.
Tab. 11: Vstřikovací parametry.
1) Nastavení teplot na vstřikovací jednotce (Obr. 39)
Teploty na vstřikovací jednotce byly zvoleny s ohledem na vstřikovaný materiál.
Doporučená teplota taveniny pro polykarbonát je 270 – 320°C a teplota formy byla doporučena výrobcem materiálu na 80 – 120°C.
41
Obr. 39: Ovládací okno pro nastavení teplot na vstřikovací jednotce. [31]
2) Nastavení parametrů fáze vstřikování (Obr. 40)
Mezi důležité parametry zadávané v tomto ovládacím okně patří objem dávky a stanovení objemu před čelem šneku, při kterém dojde k přepnutí na dotlak a vstřikovací rychlost. Ten byl zvolen tak, aby forma byla po vstřiku naplněna přibližně z 95% svého objemu.
Obr. 40: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze vstřikování. [31]
3) Dotlaková fáze vstřikování (Obr. 41)
Doba dotlaku byla optimalizována na základě kvality výstřiku – odstranění propadlin. Míra dotlaku byla zvolena na základě vstřikovacího tlaku.
42
Obr. 41: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze dotlaku. [31]
4) Fáze plastikace (Obr. 42)
Jelikož se vzorky vstřikovaly na stroji s otevřenou špičkou, bylo nutné nastavit objem dekomprese na 5cm3. Dále byla nastavena hodnota protitlaku. S rostoucím protitlakem roste homogenita taveniny, ovšem vysoká hodnota protitlaku by způsobila krácení skleněných vláken. Z toho důvodu byla nastavena hodnota protikladu na nízkou hodnotu 10 bar.
Obr. 42: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze plastikace. [31]
43
Parametry vstřikování pro PA + 20% GF
V tab. 12 jsou přehledně uvedené základní parametry pro vstřikování polyamidu plněného 20% skleněných vláken. Parametry byly voleny na základě doporučení výrobce, vstřikovaný materiál a s ohledem na geometrii vtokové soustavy vstřikovací formy.
Tab. 12: Nastavené parametry vstřikování pro PA + 20% skleněných vláken.
1) Nastavení teplot na vstřikovací jednotce (Obr. 43)
Teploty na vstřikovací jednotce byly zvoleny s ohledem na vstřikovaný materiál.
Doporučená teplota taveniny pro polyamid je 260 – 300°C a teplota formy byla doporučena výrobcem materiálu na 60 – 100°C.
44
Obr. 43: Ovládací okno pro nastavení teplot na vstřikovací jednotce. [31]
2) Nastavení parametrů fáze vstřikování (Obr. 44)
Mezi důležité parametry zadávané v tomto ovládacím okně patří objem dávky a stanovení objemu před čelem šneku, při kterém dojde k přepnutí na dotlak a vstřikovací rychlost. Ten byl zvolen tak, aby forma byla po vstřiku naplněna přibližně z 95% svého objemu.
Obr. 44: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze vstřikování. [31]
45 3) Dotlaková fáze vstřikování (Obr. 45)
Doba dotlaku byla optimalizována na základě kvality výstřiku – odstranění propadlin. Míra dotlaku byla zvolena na základě vstřikovacího tlaku.
Obr. 45: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze dotlaku. [31]
4) Fáze plastikace (Obr. 46)
Jelikož se vzorky vstřikovaly na stroji s otevřenou špičkou, bylo nutné nastavit objem dekomprese na 5cm3. Dále byl nastaven protitlak, a to takovým způsobem, aby byla zajištěna homogenita taveniny, a aby nedocházelo ke zkracování délek skleněných vláken. Z toho důvodu byla nastavena hodnota protikladu na nízkou hodnotu 20 bar.
Obr. 46: Ovládací okno pro nastavení parametrů fáze plastikace. [31]
46 Měření hustoty
3.1.4
Hustota kompozitu byla měřena imerzní metodou, dle normy ČSN EN ISO 1183- 1:2004, na zařízení vyfoceném na obr. 47.
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: digitální váhy s přesností na 0,001g, teploměr, speciální konstrukce, imerzní kapalina. [32]
Obr. 47: Sestava pro měření hustoty. [33]
Stanovení mechanických vlastností 3.1.5
Mechanické vlastnosti se testovaly na vstřikovaných vzorcích, resp. na polykarbonátu bez skleněných vláken, polykarbonátu s příměsí 10, 20 a 30%
skleněných vláken a na polyamidu s příměsí 20% skleněných vláken.
Vzorky nesměly být zkrouceny a musely mít vzájemně kolmé resp. rovnoběžné dvojice povrchů. Nepřípustné jsou škrábance, důlky, odštípnuté části. Kontrola vzorků proběhla vizuálně. Mechanické zkoušky výše uvedených vzorků se prováděly na zařízení Technické univerzity v Liberci.
Stanovení pevnosti v ohybu a modulu pružnosti v ohybu
Pevnost ohybu vstřikovaného vzorku byla měřena na zařízení Hounsfield (obr. 48), dle normy ČSN EN ISO 178:2011, kde zkušební těleso volně umístěné na dvou podpěrách bylo zatěžováno uprostřed přítlačným trnem.
47
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: zařízení HOUNSFIELD H10KT, testovací hlavice 500N, digitální mikrometr Mitutoyo s přesností 0,001 mm, digitální posuvka s přesností 0,01 mm.
[32]
Obr. 48: Zařízení Hounsfield H10KT. [33]
Stanovení tvrdosti dle Shoreho
Tvrdost dle Shoreho na vstřikovaném vzorku byla měřena dle normy: ČSN EN ISO 868:2003. Podstatou zkoušky bylo vtlačení specifikovaného hrotu do vzorku za stanovených podmínek.
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: tvrdoměr Shore s testovací hlavicí D (Obr. 49). [32]
48
Obr. 55: Tvrdoměr Shore A, D. [33]
Stanovení meze pevnosti v tahu a modulu pružnosti v tahu:
Zkušební těleso bylo protahováno ve směru své hlavní osy konstantní rychlostí do jeho porušení nebo do okamžiku, kdy napětí v tahu nebo poměrné prodloužení dosáhne předem zvolené hodnoty. Zkouška odpovídala normě ČSN EN ISO 527:2012.
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: zařízení HOUNSFIELD H10KT s průtahoměrem 100RS (Obr. 50), řídící program QMAT, digitální mikrometr Mitutoyo s přesností 0,001 mm, digitální posuvka s přesností 0,01 mm. [32]
Obr. 50: Axiální průtahoměr 100RS. [34]
49
Stanovení rázové houževnatosti dle Charpyho
Zkušební těleso bylo volně umístěné na dvou podpěrách a přeraženo úderem rázového kladiva. Směr rázu procházel středem vzdáleností mezi podpěrami. Rázová zkouška odpovídala normě ČSN EN ISO 179-1:2010.
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: rázové kladivo Charpy, zařízení Resil 5.5J CEAST (Obr. 51) se softwarem WINMFT, digitální posuvka s přesností 0,01 mm. [32]
Obr. 51: Rázové kladivo Resil 5.5J CEAST. [33]
Poměrné prodloužení na mezi pevnosti
Zkušební těleso bylo protahováno ve směru své hlavní osy konstantní rychlostí do jeho porušení nebo do okamžiku, kdy napětí v tahu dosáhlo meze pevnosti zkoušeného vzorku. Výsledné poměrné prodloužení se poté odečetlo na průtahoměru. Zkouška odpovídala normě ČSN EN ISO 527:2012.
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: zařízení HOUNSFIELD H10KT s průtahoměrem 100RS, řídící program QMAT, digitální mikrometr Mitutoyo s přesností 0,001 mm, digitální posuvka s přesností 0,01 mm. [32]
50
Měření a výpočet celkové tažnosti
Zkušební těleso bylo protahováno ve směru své hlavní osy konstantní rychlostí do jeho porušení. Výsledné prodloužení bylo měřeno jako celkové prodloužení v okamžiku lomu, přičemž bylo nutné odečíst pružné prodloužení. Zkouška odpovídala normě ČSN EN ISO 527:2012.
Stanovení optických vlastností 3.1.6
Optické vlastnosti, resp. transparence se měřila na vstřikovaných vzorcích čtvercového tvaru. Materiál jednotlivých sad vzorků byl shodný s materiálem pro mechanické zkoušky. Měření proběhlo dle normy ISO 13467 s kompenzací.
Kvalita vzorků se hodnotila s důrazem na optické vlastnosti, nepřípustné byly nečistoty, škrábance, důlky a odštípnuté části. Kontrola vzorků proběhla vizuálně.
Měření transparence se provádělo na zařízení Technické univerzity v Liberci.
Měření transparence
podmínky: vzorky byly kondiciovány dle ČSN EN ISO 291:2009 a zkoušeny při standardních podmínkách 23 °C a 50% vlhkosti.
pomůcky: zařízení pro měření transparence HAZE-GARD DUAL, kalibrační víčka. (Obr. 52)
Obr. 52: Haze - gard dual s kalibrační soupravou. [35]
Posouzení adheze na rozhraní plniva a matrice rastrovacím 3.1.7
elektronovým mikroskopem
Vzorky pro mikroskopování byly připraveny ze vzorků pro měření optických vlastností. Tyto vzorky byly po naměření transparence pomocí štípacích kleští nalámány na maximální velikost 10x10mm.
51
Na vzorky se poté nanesla oboustranná uhlíková páska a vzorky se nalepily na hliníkové nosné terčíky (Obr. 53). Vzorky byly následně v naprašovacím zařízení Quarum (obr. 53) pro zvýšení vodivosti pozlaceny v argonové plazmě.
Obr. 53: Naprašovací zařízení Quarum – Q150R ES a pozlacené vzorky.
Poté se pozlacené vzorky založily na pohyblivý stolek mikroskopu (Obr. 54).
Následně byl mikroskop uzavřen a v jeho vnitřním prostoru bylo nastavené vakuum.
Objekt mikroskopování, tedy lomové plochy vzorků se nastavily do příslušné polohy a zaostřily. Poté se korigovalo zvětšení, kontrast a světlost snímku.
Snímky byly pořízeny na rastrovacím elektronovém mikroskopu Carl Zeiss ULTRA Plus s mikroanalytickým systémem OXFORD Instruments, Katedry materiálu Technické univerzity v Liberci (Obr.60).
Obr. 54: Vlevo pohyblivý stolek mikroskopu, vpravo elektronový mikroskop.
52
4 ZHODNOCENÍ
V této stěžejní části diplomové práce jsou uvedené grafy, tabulky, obrázky a výsledky experimentu, jehož cílem bylo zjištění mechanických vlastností a transparence vzorků připravených technologií vstřikování na stroji Arburg 270C Allrounder. Na vzorcích z neplněného polykarbonátu, polykarbonátu plněného postupně 10%, 20% a 30% skleněných vláken a polyamidu plněného 20%
skleněných vláken byla postupně měřena hustota, tvrdost dle Shoreho, pevnost v ohybu, modul pružnosti v ohybu, modul pružnosti v tahu, mez pevnosti v tahu, rázová houževnatost (Charpy), poměrné prodloužení na mezi pevnosti, celková tažnost a nakonec transparence. Závěr kapitoly je věnován posouzení adheze na rozhraní skleněného vlákna a polykarbonátové, resp. polyamidové matrice, na základě snímků lomových ploch pořízených rastrovací elektronovou mikroskopií.
4.1 Hustota
V tabulce 13 jsou zobrazeny hodnoty hustoty pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% skleněných vláken. Hustota byla měřena na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 13: Naměřené hodnoty – hustota.
Z tabulky a sloupcového grafu (Obr. 55) je zřejmé, že hustota stoupá s obsahem skleněných vláken, kdy nejvyšší hustoty dosáhl PC plněný 30% skleněných vláken.
53
Hustota PA plněného 20% skleněných vláken je přibližně stejná, jako u neplněného PC.
Obr: 55:Sloupcový graf – hustota.
4.2 Tvrdost (Shore D)
V tabulce 14 jsou zobrazeny hodnoty tvrdosti pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% skleněných vláken. Tvrdost byla měřena na 10 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 14: Naměřené hodnoty – tvrdost (Shore D).
54
Z tabulky a sloupcového grafu (Obr. 56) je zřejmé, že tvrdost stoupá s obsahem skleněných vláken, kdy nejvyšší tvrdosti dosáhl PC plněný 30% skleněných vláken.
Tvrdost naměřená na vzorku PA plněného 20% skleněných přibližně odpovídá PC se stejnou koncentrací vláken.
Obr. 56: Sloupcový graf – tvrdost.
4.3 Pevnost v ohybu
V tabulce 15 jsou zobrazeny hodnoty pevnosti v ohybu pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% skleněných vláken.
Pevnost byla měřena na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 15: Naměřené hodnoty – pevnost v ohybu.
55
Z tabulky a sloupcového grafu (Obr. 57) je zřejmé, že pevnost v ohybu stoupá s obsahem skleněných vláken, kdy PC plněný 30% skleněných vláken dosáhl téměř dvojnásobné hodnoty pevnosti v ohybu oproti neplněnému PC. PA s 20% skleněných vláken má o téměř 26 MPa vyšší pevnost v ohybu než neplněný PC.
Obr. 57: Sloupcový graf – pevnost v ohybu.
4.4 Modul pružnosti v ohybu
V tabulce 16 jsou zobrazeny hodnoty modulu pružnosti v ohybu pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% skleněných vláken. Modul pružnosti byl měřen na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
56
Tab. 16: Naměřené hodnoty – modul pružnosti v ohybu.
Z tabulky a sloupcového grafu (Obr. 58) vyplývá, že hodnota modulu pružnosti v ohybu prudce narůstá s obsahem skleněných vláken. PC plněný 30% skleněných vláken dosáhl více jak trojnásobek a PA plněný 20% vláken 1,5 násobek oproti neplněnému PC.
Obr. 58: Sloupcový graf – modul pružnosti v ohybu.
4.5 Modul pružnosti v tahu
V tabulce 17 jsou zobrazeny hodnoty modulu pružnosti v tahu pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% vláken. Modul pružnosti byl měřen na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
57
Tab. 17: Naměřené hodnoty – modul pružnosti v tahu.
Z tabulky a sloupcového grafu (Obr. 59) je zřejmé, že nejvyšší hodnoty dosáhl PC plněný 30% skleněných vláken, a to více jak 3,5 násobku oproti neplněnému PC. PA s 20% skleněných vláken dosáhl více jak 1,5 násobku modulu pružnosti v tahu neplněného PC.
Obr. 59: Sloupcový graf – modul pružnosti v tahu.
4.6 Mez pevnosti v tahu
V tabulce 18 jsou zobrazeny hodnoty meze pevnosti v tahu pro neplněný PC, dále pro PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% vláken. Mez pevnosti byla měřena na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla
58
vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 18: Naměřené hodnoty – mez pevnosti v tahu.
Ze sloupcového grafu (Obr. 60) je zřejmé, že téměř dvojnásobné hodnoty meze pevnosti v tahu oproti neplněnému PC dosáhl PC plněný 30% skleněných vláken. PA plněný 20% vláken má téměř o 22 MPa vyšší mez pevnosti v tahu oproti neplněnému PC.
Obr. 60: Sloupcový graf – mez pevnosti v tahu.
4.7 Rázová houževnatost Charpy
V tabulce 19 jsou zobrazeny hodnoty rázové houževnatosti dle Charpyho pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20%
59
vláken. Houževnatost byla měřena na 10 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 19: Naměřené hodnoty – rázová houževnatost (Charpy).
Z grafu (Obr. 61) je patrné, že vzorky z neplněného polykarbonátu nebyly během zkoušky přeraženy. U vzorků vyrobených z plněného polykarbonátu došlo k přeražení typu C, přičemž nejvyšší hodnoty houževnatosti dosáhl vzorek s 10%
skleněných vláken.
Obr. 61: Sloupcový graf – rázová houževnatost.
60
4.8 Poměrné prodloužení na mezi pevnosti
V tabulce 20 jsou zobrazeny hodnoty poměrného prodloužení na mezi pevnosti pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20%
vláken. Poměrné prodloužení bylo měřeno na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 20: Naměřené hodnoty – poměrné prodloužení na mezi pevnosti.
Z grafu (Obr. 62) je zřejmé, že největšího poměrného prodloužení dosáhl neplněný PC. Prodloužení poté klesá s obsahem skleněných vláken. U PA s 20% vláken je téměř dvojnásobně menší než v případě nelněného PC.
Obr. 62: Sloupcový graf – poměrné prodloužení na mezi pevnosti.
61 4.9 Celková tažnost
V tabulce 21 jsou zobrazeny hodnoty celkové tažnosti pro neplněný PC, dále PC plněný 10%, 20% a 30% skleněných vláken a PA plněný 20% vláken. Tažnost byla měřena na 5 vzorcích od každého materiálu a výsledná hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr jednotlivých hodnot s příslušnou směrodatnou odchylkou.
Tab. 21: Naměřené hodnoty – celková tažnost.
Z grafu (Obr. 63) vyplývá, že hodnota celkové tažnosti prudce klesá s obsahem skleněných vláken. Nejvyšší hodnotu má neplněný PC a to více jak 80%, v případě PA plněného 20% vláken dosáhla hodnota celkové tažnosti 3,48%.
Obr. 63: Sloupcový graf – celková tažnost.
