Analýza mechanických vlastností kompozitů vyrobených technologií HP-RTM

(1)

Analýza mechanických vlastností kompozitů vyrobených technologií HP-RTM

Diplomová práce

Studijní program:

Studijní obor:

Autor práce:

Vedoucí práce:

N2301 – Strojní inženýrství

2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Bc. Petr Jedinák

Ing. Luboš Běhálek, Ph.D.

(2)

(3)

(4)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom-to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.

(5)

Analýza mechanických vlastností kompozitů vyrobených technologií HP - RTM

Anotace:

Cílem diplomové práce je analýza mechanických vlastností kompozitů vyrobených technologií HP – RTM. Kompozit je na bázi skelných vláken a polyuretanové matrice. Teoretická část diplomové práce je v první řadě zaměřena na úvod do problematiky kompozitních materiálů, jejich rozdělení a vlastnosti. Další kapitola popisuje polymerní matrice, vláknové výztuže a laminační technologie výroby kompozitů. Experimentální část popisuje výrobu kompozitních dílů technologií HP – RTM. Kompozitní díly (desky) se liší v orientaci výztuže. Mechanické vlastnosti byly zjišťovány pomocí tahové, ohybové a smykové zkoušky. Výstupem této práce je vliv orientace výztuže na mechanické vlastnosti.

klíčová slova: polymerní kompozity, mechanické vlastnosti, technologie HP - RTM, skelná vlákna, polyuretanová matrice, orientace vláken

Analysis of mechanical properties of composites produced by HP - RTM technology

Annotation:

The aim of diploma thesis is an analysis of mechanical properties of composites produced by HP – RTM technology. The composite is based on glass fiber and polyurethane matrix. The theoretical part of the diploma thesis is primarily focused on the introduction to the problems of composite materials, their distribution and properties. The next chapter describes polymer matrices, fiber reinforcements and lamination technologies of composite production. The experimental part describes the production of composite parts by HP - RTM technology.

Composite parts (plates) are different in the orientation of the reinforcement. The mechanical properties were determined by tensile, bending and shear tests. The output of this work is the influence of the orientation of the reinforcement on the mechanical properties.

keywords: polymer composites, mechanical properties, HP - RTM technology, glass fiber, polyurethane matrix, fiber orientation

(6)

Poděkování:

Na tomto místě bych rád poděkoval především vedoucímu mé diplomové práce Ing. Luboši Běhálkovi, Ph.D. za jeho ochotu, pomoc při realizaci testování, čas strávený konzultacemi a zejména za jeho cenné rady a připomínky. Dále bych chtěl poděkovat kolegům z firmy Magna Exteriors (Bohemia) s.r.o. za jejich výpomoc při výrobě kompozitních desek a za poskytnutí odborných rad. Na závěr také děkuji všem členům katedry strojírenské technologie, kteří mi v průběhu celého magisterského studia vycházeli vstříc.

(7)

7

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ... 9

1 ÚVOD ... 13

2 TEORETICKÁ ČÁST ... 14

2.1 Historie kompozitních materiálů ... 14

2.2 Definice kompozitních materiálů ... 15

2.3 Vlastnosti kompozitů ... 16

2.4 Rozdělení kompozitů ... 18

2.5 Matrice ... 19

Polymerní matrice ... 19

Reaktoplastové matrice ... 20

2.6 Výztuže ... 21

Vláknové výztuže ... 22

2.6.1 Skelná vlákna ... 23

2.6.2 Uhlíková vlákna ... 25

2.6.3 Aramidová vlákna ... 26

2.7 Mezifázové rozhraní ... 27

2.8 Technologie výroby polymerních kompozitů laminováním ... 28

2.7.1 RTM technologie a její alternativy ... 29

2.7.2 Ruční kladení ... 32

2.7.3 Stříkání ... 34

2.7.4 Lisování za tepla a tlaku ... 35

2.7.5 Pultruze ... 36

2.7.6 Navíjení ... 38

2.7.7 Ostatní technologie ... 39

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 39

3.1 Složení kompozitního systému ... 40

3.2 Příprava skelné výztuže ... 42

3.3 Výroba kompozitních desek technologií HP – RTM ... 44

3.4 Příprava zkušebních vzorků ... 47

3.5 Stanovení tahových vlastností ... 48

3.6 Stanovení ohybových vlastností ... 52

3.7 Stanovení smykových vlastností ... 56

(8)

8

4 VYHODNOCENÍ A DISKUZE VÝSLEDKŮ ... 62

4.1 Vyhodnocení tahových vlastností vláknových kompozitů v závislosti na orientaci vláken ... 62

4.1.1 Mez pevnosti v tahu ... 62

4.1.2 Modul pružnosti v tahu ... 64

4.2.3 Poměrné prodloužení na mezi pevnosti v tahu ... 65

4.2 Vyhodnocení ohybových vlastností vláknových kompozitů v závislosti na orientaci vláken ... 66

4.2.1 Mez pevnosti v ohybu ... 66

4.2.2 Modul pružnosti v ohybu ... 68

4.3 Vyhodnocení smykových vlastností vláknových kompozitů v závislosti na orientaci vláken ... 69

4.3.1 Mez pevnosti ve smyku ... 69

5 ZÁVĚR ... 71

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 73 SEZNAM PŘÍLOH

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.

(9)

9

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ

Symbol/zkratka jednotka význam

𝐸_𝑓 [MPa] modul pružnosti v ohybu

𝐸_𝑡 [MPa] modul pružnosti v tahu

𝐹 [𝑁] zatěžující síla

𝐿 [𝑚𝑚] rozpětí podpěr

L0 [mm] počáteční měřená délka

𝑆 [𝑚𝑚²] průřez zkušebního tělesa mezi V – vruby

Tg [°C] teplota skelného přechodu

𝑉_𝑐 [𝑐𝑚³] objem kompozitu

𝑉_𝑚 [𝑐𝑚³] objem matrice

𝑍 [ - ] rychlost deformace

𝑏 [𝑚𝑚] šířka zkušebního tělesa

𝑑 [𝑚𝑚] šířka zkušebního tělesa mezi V - vruby

h [𝑚𝑚] tloušťka zkušebního tělesa

v [𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛] rychlost zatěžování

𝑣_𝑓 [%] objemový podíl disperze v kompozitu

𝑣_𝑚 [%] objemový podíl matrice v kompozitu

𝑤_𝑓 [%] hmotnostní podíl disperze v kompozitu

𝑤_𝑚 [%] hmotnostní podíl matrice v kompozitu

ε [%] poměrné prodloužení

𝜀₁ [%] poměrné prodloužení 0,1 %

𝜀₂ [%] poměrné prodloužení 0,3 %

𝜀_𝑓 [%] deformace ohybem

𝜀_𝑓1 [%] deformace ohybem 0,05 %

𝜀_𝑓2 [%] deformace ohybem 0,25 %

(10)

10

𝜀_𝑚 [%] poměrné prodloužení na mezi pevnosti v tahu

σ [MPa] napětí v tahu

𝜎₁ [MPa] tahové napětí při deformaci 0,1 % 𝜎₂ [MPa] tahové napětí při deformaci 0,3 %

𝜎_𝑓 [MPa] napětí v ohybu

𝜎_𝑓1 [MPa] napětí v ohybu při deformaci 0,05 % 𝜎_𝑓2 [MPa] napětí v ohybu při deformaci 0,25 %

𝜎_𝑓𝑀 [MPa] mez pevnosti v ohybu

𝜎_𝑚 [MPa] mez pevnosti v tahu

𝜏_𝑃𝑆 [MPa] mez pevnosti ve smyku

𝜏_𝑆 [MPa] napětí ve smyku

(11)

11

Al hliník

Al2O2 oxid hlinitý

BMC bulk moulding compound

BR Polybutadienový kaučuk

C uhlík

CAPRI the controlled atmospheric pressure resin infusion process

CVI controlled vacuum infusion

DMC dough moulding compound

EP epoxidová pryskyřice

FASTRAC fast remotely actuated resin channeling

fps frames per second

GF skleněná vlákna

HRTM high pressure resin transfer moulding

IR isoprenový kaučuk

LPMC l low pressure moulding compound LRTM light pressure resin transfer moulding

Mg hořčík

PA 6 polyamid 6

PAN polyakronitril

PDM post die manipulation pultrusion

PEEK polyetheretherketon

PF fenol – formaldehydová pryskyřice

PP polypropylen

RI resin infusion

RRIM reinforced reaction injection moulding

RTM resin transfer moulding

SCRIMP seemann composite resin infusion moulding process

SiC karbid křemíku

SQRTM same qualified resin transfer moulding

SMC sheet moulding compound

(12)

12

SRIM structural reinforced injection moulding

Ti titan

TMC thick moulding compound

UP polyesterová pryskyřice

VAP vacuum assisted process

VARTM vacuum assisted resin transfer moulding

VIP vacuum infusion process

(13)

13

1 ÚVOD

Konstruktéři, designéři, umělci, ortopedi, ale i lidé z dalších oborů, mají v současné době k dispozici přes patnáct tisíc různých materiálů ve stovkách modifikací.

Nejdynamičtěji rozvíjející se skupinou materiálů jsou polymery a jejich kompozity, které naplňují materiálové požadavky moderního strojírenství. Ukazuje se, že jsou schopny splnit stále náročnější požadavky na strojírenské výrobky a v kombinaci s dalšími materiály umožňují zcela nová materiálová řešení, která nachází uplatnění v průmyslu leteckém, automobilovém, sportovních potřeb, elektrotechnickém a dalších. [1, 2, 8]

Při pevnostním návrhu mechanické součásti, či konstrukce, se vybírá použitý materiál tak, aby jeho pevnostní charakteristiky (případně další materiálové charakteristiky) odpovídaly místu maximálního namáhání. Z pevnostního hlediska je potom materiál, který má homogenní izotropní materiálové a pevnostní vlastnosti (např. ocel) využit pouze v této oblasti, což může být značně neefektivní. Technologie kompozitních materiálů ovšem umožňuje vytvořit strukturu, která odpovídá poli napjatosti (či deformace) a dosahuje vysoké pevnosti (případně tuhosti) pouze tam, kde je potřeba odolat vysokému stupni namáhání. Proto je možné zhotovování kompozitních dílů označit jako výrobu materiálu s vlastnostmi šitými na míru. Moderní kompozitní materiály mají celou řadu předností, ať už se jedná o nízkou hustotu/hmotnost, velkou měrnou pevnost, snadnou zpracovatelnost a další výhodné vlastnosti, které budou popsány v této práci [4, 22].

Vlastnosti kompozitů jsou silně závislé na daném složení a na způsobu uložení výztuže v matrici, což přímo souvisí s technologií výroby kompozitních dílů. Cílem této práce je analyzovat mechanické vlastnosti kompozitů na bázi skelných vláken a polyuretanové matrice, zhotovených technologií HP – RTM. Předložená diplomová práce se dělí na část teoretickou a část experimentální.

V první části (teoretické) je zpracována rešerše na téma kompozitů jako takových (definice, rozdělení a vlastnosti). Dále jsou v této kapitole popsány polymerní matrice a vláknové výztuže, zejména skelná vlákna. Závěrečná část této kapitoly se zabývá různými laminačními technologiemi výroby polymerních kompozitů (s větším zaměřením na RTM technologie). Experimentální část je zaměřena na postup výroby kompozitních dílů technologií HP – RTM. Kompozitní díl (deska) je složen ze čtyř vrstev jednosměrné skelné výztuže (tkaniny) a polyuretanové matrice. Z vyrobených desek, lišících se v orientaci vláken jednotlivých vrstev, byly zhotoveny zkušební vzorky pro hodnocení jejich mechanických vlastností při tahovém, ohybovém a smykovém zatěžování v souladu se standardy ASTM. Výstupem této práce je tedy vliv orientace vláken skelné výztuže na mechanické vlastnosti kompozitního systému.

Téma této práce vzniklo v rámci studentské grantové soutěže a předvývojových aktivit firmy Magna Exteriors (Bohemia) s.r.o. Data získaná z daných zkoušek budou sloužit jako vstupní hodnoty do vyvíjeného softwaru, zaměřeného na crashové simulace kompozitních dílů (přední nárazník, boční a zadní dveře) na bázi skelných vláken.

(14)

14

2 TEORETICKÁ ČÁST

Teoretická část diplomové práce je v první řadě zaměřena na úvod do problematiky kompozitních materiálů, jejich rozdělení a vlastnosti. Další kapitola se věnuje polymerním matricím a vláknovým výztužím, zejména skelným vláknům. Závěrečná část této rešeršní kapitoly se zabývá různými laminačními technologiemi výroby polymerních kompozitů.

2.1 Historie kompozitních materiálů

Kompozity nás obklopují již od pradávna. Sama příroda kombinuje různé materiály velice hojně a vytváří tak struktury výjimečné jak svými vlastnostmi, tak stavbou. Už první lidé využívali tyto přírodní kompozitní materiály, když ze dřeva a kostí vyráběli různé nástroje denní potřeby. Dřevo má totiž strukturu tvořenou jednosměrnými vlákny celulózy, spojenými hemicelulózovou a ligninovou matricí. Rovněž tak kost je velmi složitou kompozitní strukturou, jež je tvořena kolagenovými vlákny a krystaly fosforečnanu vápenatého [10].

První datované náznaky využití kompozitních materiálů sahají daleko do historie, konkrétně 800 let před naším letopočtem. Ve starověkém Egyptě používali kompozitní bloky jako základní stavební prvek. Bloky skládající se ze sušené hlíny vyztužené kousky slámy dosahovaly pevnosti 7 MPa [3, 4, 5, 6, 9].

Další známý příklad již modernějšího kompozitního materiálu, který silně ovlivnil průběh křižáckých válek, je damascenská ocel. Jedná se o kompozit složený ze střídajících se plátků středně uhlíkové (obsah uhlíku pod 0,5 %) a vysokouhlíkové (obsah uhlíku okolo 2 %) oceli. Vzhledem k optimální kombinaci tvrdosti a houževnatosti se tato ocel používala na čepele nožů, viz obr. 1 [3, 6].

Mezi historické kompozity patří také materiál mongolských luků. Jde o mnohovrstevný kompozit, ve kterém jsou střední vrstvy dřevěné (dávají luku tvar), vnitřní vrstvy jsou ze zvířecích šlach (namáhané tahem) a vnější vrstvy z rohoviny (namáhané tlakem). Díky tomu bylo možné docílit specifického tvaru luku i jeho nerovnoměrné ohybové deformace, což mělo zásadní vliv na jeho vynikající vlastnost (dostřel až 300 metrů) [3, 6, 9].

Obr. 1 Čepel nože z damascenské oceli. Bělejší a tmavší pruhy představují ocel s menším a větším obsahem uhlíku [47].

Obr. 2 Čepel nože z damascenské oceli. Bělejší a tmavší pruhy představují ocel s menším a větším obsahem uhlíku [1].

(15)

15

Vědomé využívání kompozitních materiálů je však patrné až ve 20. století.

V důsledku druhé světové války byla v letech 1940 – 1950 realizována idea zvýšení výkonnostních parametrů letadel a raket právě díky kompozitním materiálům. V letech 1950 – 1970 byly kompozity využívány zejména ve strategických průmyslových oblastech, jako je vojenská technika, kosmonautika a letectví. K postupnému volnění této doposud embargované technologie pro ostatní odvětví docházelo v letech 1970 – 1980. Kompozitní díly tak mohly plně využít svých unikátních vlastností v civilním letectví, automobilovém průmyslu a v dalších mnoha odvětvích [5, 7, 10].

2.2 Definice kompozitních materiálů

Definice, používaná v USA, vytvořená ve spolupráci NASA a amerických vojenských center zní [10]:

Kompozitní materiál je kombinace dvou nebo více materiálů (vyztužovací elementy, výplně a spojovací matrice), lišících se v makroměřítku tvarem nebo složením. Složky si v nich zachovávají 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.

Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme tedy heterogenní materiály, složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Od slitin, jež jsou rovněž heterogenní, se kompozitní materiály liší tím, že se vyrábějí mechanickým mísením jednotlivých složek [8]. Základní komponentou soustavy je spojitá (kontinuální) fáze, označovaná jako matrice, v níž je uložena sekundární, obvykle nespojitá (diskontinuální) fáze. Sekundární fáze neboli výztuž, je nejčastěji tvořená vlákny nebo částicemi různého druhu a tvaru, a je obvykle tužší a pevnější než fáze spojitá [11]. Mezifázové rozhraní kompozitu lze modifikovat přidáním vazebných prostředků. Rozdíl mezi nemodifikovaným a modifikovaným mezifázovým rozhraním je zobrazen na obr. 2.

Obr. 2 Mezifázové rozhraní kompozitu plněného skelnými vlákny:

a) bez použití vazebných prostředků, b) s použitím vazebných prostředků [48]

Obr. 2 Mezifázové rozhraní kompozitu plněného skelnými vlákny: a) bez použití vazebných prostředků, b) s použitím vazebných prostředků [2]

(16)

16

2.3 Vlastnosti kompozitů

Kompozity jsou silně ovlivňovány vlastnostmi jednotlivých materiálových složek, jejich distribucí a interakcí mezi nimi (vlastnosti obou složek kompozitu je třeba dokonale propojit na jejich rozhraní). Vlastnosti daného kompozitního systému mohou být dány součtem vlastností složek podle jejich objemových podílů anebo na sebe složky působí vzájemně synergickým způsobem. Jako synergický efekt označujeme efekt, kdy dochází v kompozitu ke kombinaci pozitivních vlastností jeho složek tak, že celkové vlastnosti přesahují poměrný součet vlastnosti jednotlivých složek. Lze ho symbolicky vyjádřit nelogickou matematickou operací: 1 + 1 = 3. Schematické znázornění synergického efektu je zobrazeno na obr. 3. Užitné vlastnosti kompozitů závisí tedy na materiálu výztuže, matrice, ale také na tenkých hraničních vrstvách (mezivrstvách) na rozhraní mezi výztuží a matricí [3, 8].

Pro kompozitní materiály je typické, že velké množství z nich se vyznačují velmi silnou anizotropií vlastností. Liší se tak od běžných technických materiálů zcela izotropních, případně jen s velmi malou anizotropií (např. za studena tažený drát). Například u kompozitu s polymerní matricí a uspořádanými skleněnými vlákny se jeho tuhost, případně pevnost, ve směru orientace vláken a ve směru kolmých na ně výrazně liší až o několik řádů [3, 9].

Základní typy materiálů z hlediska symetrie jeho vlastností [3, 9]:

 izotropní materiál – vlastnosti jsou ve všech směrech stejné,

 anizotropní materiál – vlastnosti jsou v jednotlivých směrech zcela odlišné,

 kvaziizotropní materiál – vlastnosti jsou stejné ve směru tří navzájem kolmých základních os a jsou tedy symetrické podle tří rovin tvořených těmito osami,

 ortotropní materiál – vlastnosti jsou symetrické podle tří vzájemně kolmých rovin, ale jejich hodnota je v jednotlivých směrech odlišná,

 příčně izotropní materiál – vlastnosti jsou izotropní jen v určité rovině. Symetrie vlastností je podle této roviny a dvou rovin na ni i na sebe vzájemně kolmých.

Obr. 3 Znázornění synergického efektu v kompozitním materiálu

(17)

17

Orientace a tvar výztuže rozhoduje tedy o tom, zda se kompozit bude chovat izotropně nebo anizotropně. Izotropie vlastností kompozitu může nastat ve dvou případech.

Jsou-li rozměry disperzních (vyztužujících) částic ve všech směrech přibližně stejné, pak vlastnosti kompozitu nejsou závislé na směru. Druhý případ, kdy se kompozit může chovat jako izotropní materiál, nastane za předpokladu vyztužení krátkými a náhodně orientovanými vlákny. Anizotropie je žádoucí zejména u jednosměrných dlouhovláknových kompozitů kvůli požadovaným vlastnostem v daném směru [7, 13].

Koncentrace jednotlivých složek je obecně považována za jeden z nejdůležitějších parametrů ovlivňující vlastnosti kompozitu. Koncentrace se udává v objemovém nebo hmotnostním podílu. Výpočet podílu jednotlivých složek v kompozitním systému je patrný z rovnice (1) a (2). Obecně platí, že mechanické vlastnosti jako je pevnost a tuhost se zvyšují s rostoucím podílem vyztužující složky a to až do podílu disperze (70 – 80) %. Při vyšší hodnotě podílu disperze by matrice nebyla schopna zaručit dokonalé smočení výztuže a tím i dostatečnou adhezi výztuže k matrici, která je potřebná pro přenos vnějších sil [14, 15].

Objemový podíl disperze (např. vláken) v kompozitu je definován rovnicí (1):

𝑣_𝑓 = ^𝑉^𝑓

𝑉𝑐 . 100 [%] (1) kde: 𝑉_𝑓 – objem disperze [𝑐𝑚³]

𝑉_𝑐 – objem kompozitu [𝑐𝑚³]

Objemový podíl matrice v kompozitu je definován rovnicí (2):

𝑣_𝑚 = ^𝑉^𝑚

𝑉𝑐 . 100 [%] (2)

kde: 𝑉_𝑚 – objem matrice [𝑐𝑚³] 𝑉_𝑐 – objem kompozitu [𝑐𝑚³]

Součet objemových podílů všech složek v kompozitu musí být roven 1. Podobně i hmotností podíly 𝑤_𝑓 a 𝑤_𝑚vláken a matrice mohou být definovány s pomocí hmotnosti vláken, hmotnosti matrice a hmotnosti kompozitu [16].

Vytváření a vývoj nových kompozitních materiálů a struktur se zaměřuje na splnění některých materiálových požadavků, které jsou u klasických materiálů mnohdy jen těžko dosažitelné. Jedná se zejména o tyto požadavky [3]:

 zvýšení pevnosti (zejména specifické měrné pevnosti – poměru meze pevnosti a hustoty), zvýšení rozměrové stability,

 zvýšení houževnatosti (odstranění křehkosti),

 zvýšení teplotní stability (rozšíření teplotního intervalu použitelnosti),

 zvýšení mechanického tlumení,

 modifikace elektrických vlastností (zvýšení respektive snížení elektrické vodivosti),

 snížení nasákavosti, zmenšení teplotní roztažnosti,

 zvýšení korozní nebo chemické odolnosti, redukce hmotnosti, snížení ceny a další.

(18)

18

2.4 Rozdělení kompozitů

Kompozitní materiály obsahují nejčastěji dvě složky, podle kterých je lze také můžeme dělit. Nejčastější rozdělení je podle materiálu matrice a podle tvaru a materiálu výztuže (viz obr. 4). Třetí možností jak kompozity dělit je dle disperzní fáze. Nejčastěji tvoří disperzi pevná fáze, ale není to pravidlem. Dle tohoto hlediska lze kompozity dělit na kompozity prvního typu (pevná disperze), kompozity druhého typu (kapalná disperze) a kompozity třetího typu (plynná disperze) [3, 7, 8].

Špičkových hodnot mechanických vlastností u polymerních kompozitů lze dosáhnout pouze u struktur s dlouhovláknovou výztuží v různé formě (rovingu, rohože, tkaniny). Největším přínosem pro oblast kompozitů jsou z mechanického hlediska uhlíková a skelná vlákna. Strojírenské aplikace s mimořádnými požadavky na mechanické vlastnosti při nízké hustotě jsou však založeny výhradně na uhlíkových kompozitech používaných pro letecké aplikace, šasi automobilů, hnací hřídele, sportovní náčiní apod. [44].

Jedním z novějších vývojových směrů jsou kompozity s trojrozměrnou výztuží, zabraňující při mechanickém namáhání delaminačním procesům, ke kterým může docházet u běžně používaných plošných výztuží. Zcela novými trendem jsou také polymerní kompozity s přírodními vlákny, nahrazující vlákna skelná. Jejich cílem je příprava materiálového systému šetrného k životnímu prostředí [44].

Obr. 4 Rozdělení kompozitů z hlediska matrice a výztuže

(19)

19

2.5 Matrice

Spojitá fáze neboli matrice, tvořící většinovou část kompozitu, má základní funkci, která spočívá v přenosu vnějšího zatížení na vyztužující fázi. Napětí v kompozitu je na výztuž přenášeno díky adhezi, tj. třením na hranici výztuž - matrice. Dalším požadavkem je dobrá soudržnost matrice s materiálem vyztužující fáze. Aby byla soudržnost výztuže s matricí co nejlepší, je nutná dobrá smáčivost matrice s výztuží. Tu lze příznivě ovlivnit přidáním adhezních činidel nebo povrchovou úpravou výztuže. [8, 11]. Matrice pro kompozitní systémy mohou být na bázi polymeru, kovu anebo keramiky. Základní vlastnosti vybraných materiálů matric jako je pevnost, tuhost a hustota, jsou uvedeny v tab. 1.

Matrice Pevnost v tahu [MPa]

Modul pružnosti v tahu [GPa]

Hustota [g/cm³]

TERMOPLASTY

Polypropylen - izotaktický (PP) 34 ÷ 38 1,1 ÷ 1,5 0,90

Polyamid 6 (PA 6) 70 ÷ 85 1,1 ÷ 3,5 1,10 ÷ 1,14

Polyetheretherketon (PEEK) 170 3,6 1,26 ÷ 1,35

REAKTOPLASTY

Epoxidová pryskyřice (EP) 35 ÷ 100 3,0 ÷ 6,0 1,1 ÷ 1,4 Polyesterová pryskyřice (UP) 40 ÷ 90 2,0 ÷ 4,5 1,2 ÷ 1,5

Vinylesterová pryskyřice (VE) 50 ÷ 60 4,4 1,3

ELASTOMERY

Polybutadienový kaučuk (BR) 2 ÷ 26 0,004 ÷ 0,100 1,5

Isoprenový kaučuk (IR) 20 ÷ 35 0,002 ÷ 0,100 0,9

KOVY

Hliník (Al) 200 ÷ 600 70 2,7

Hořčík (Mg) 100 ÷ 300 45 1,8

Titan (Ti) 300 ÷ 1000 110 45,0

KERAMIKA

Oxid hlinitý (Al2O3) 500 380 3,8

Karbid křemíku (SiC) 400 400 3,4

Polymerní matrice

Kompozitní systémy s polymerní matricí se řadí mezi nejčastěji používané kompozity vůbec. Matrici tvoří buď termoplast, reaktoplast nebo zesíťovaný elastomer.

Každý z těchto materiálů má své výhody a nevýhody a je vhodný pro jiné aplikace. Při volbě polymerní matrice se zohledňují její mechanické a fyzikální vlastnosti, které spolu s parametry výztuže tvoří výsledné vlastnosti pro použití daného kompozitního systému.

Mezi hlavní výhody těchto matric vyztužených například vlákny patří vysoká hodnota poměru modulu pružnosti vůči hustotě, respektive vysoká hodnota poměru meze pevnosti Tab. 1 Typické hodnoty základních vlastností vybraných matric kompozitních struktur

[11, 18, 19, 22]

Tab. 1 Typické hodnoty základních vlastností vybraných matric kompozitních struktur [10, 17, 18, 21]

(20)

20

v tahu vůči hustotě. Mezi další pozitiva lze počítat: korozní odolnost, tlumení kmitů, elektroizolační vlastnosti, relativně jednoduchou výrobu složitých tvarů a příznivou cenu.

Naopak nevýhodou těchto materiálů jsou nižší mechanické vlastnosti (např. v porovnání s kovy) a teplotní nestabilita. Z hlediska konstrukčního použití polymerních materiálů je rozhodující zejména teplota skelného přechodu Tg, případně teplota tání krystalitů. V další časti je s ohledem na téma diplomové práce věnována pozornost pouze reaktoplastovým matricím [11, 13, 20].

Reaktoplastové matrice

Hojně využívané polymerní matrice jsou matrice reaktoplastové. Jedná se o materiály, které nevratnou chemickou reakcí (zahřátím nebo působením katalyzátoru) přecházejí z lineárního viskózního stavu do stavu síťovaného. Toto prostorové zesíťování se označuje vytvrzování [18]. Specifickou vlastnost reaktoplastů lze pozorovat po opakovaném ohřátí, kdy není možné materiál roztavit. Tato skutečnost zvyšuje odolnost materiálu krípu a vyšším teplotám. Jejich nevýhoda je obtížná recyklovatelnost, právě kvůli zesíťované struktuře. U reaktoplastových matric je nutno také řešit řadu problému spojených se smáčivostí výztuže pryskyřicí, rychlostí vytvrzování, skladovatelnosti prepregů, smrštěním při reakci, vedlejšími reakčními produkty apod. [13, 20]. Srovnání mechanických vlastností vybraných pryskyřic je zobrazeno na obr. 5.

Mezi nejpoužívanější reaktoplastové matrice patří:

 Nenasycené Polyesterové pryskyřice (UP):

Pod tímto pojmem lze rozumět lineární nenasycené polyestery s reaktivní C=C vazbou rozpuštěné v reaktivním monomeru (nejčastěji styrenu – 30 až 50 %) schopné radikálové kopolymerace pomocí iniciátorů a urychlovače reakcí. Díky tomu dojde k vytvrzení pryskyřice, která se jeví jako bezbarvá až nažloutlá viskózní kapalina. Polyesterové pryskyřice jsou známy již od roku 1936 a v kompozitech se uplatňují nejvíce. Patří mezi nejlevnější druhy reaktoplastu, mají dobře vyvážené mechanické, elektrické a chemické

Obr. 5 Vlastnosti jednotlivých pryskyřic [49]

Obr. 5 Vlastnosti jednotlivých pryskyřic [3]

(21)

21

vlastnosti, a jejich doba vytvrzování je krátká, což je předurčuje k využití v hromadné výrobě. Obvykle se používají při výrobě skelným vláknem vyztužených profilů pro antikorozní vysoce namáhané aplikace (např. pružnice železničních vagónů) [13, 18, 23].

 Epoxidové pryskyřice (EP): Řetězce těchto látek obsahují zpravidla více než jednu epoxidovou skupinu, které jsou značně reaktivní s velkým počtem sloučenin a vedou k zesíťovaným makromolekulám. Tyto pryskyřice jsou bezbarvé (až nažloutlé) materiály.

Velká přilnavost k většině ostatních materiálů, chemická odolnost, minimální smrštění při vytvrzování a relativně dobré mechanické vlastnosti dělají z této pryskyřice vhodný materiál pro výrobu skelných/uhlíkových laminátů používaných v letecké technice. EP vykazují dobrou adhezi k neupraveným skelným vláknům. Při vytvrzování nedochází k odštěpovaní vedlejších produktů (pokud není použita polykondenzační vytvrzovací reakce) a polymeračnímu smrštění, čehož se využívá při výrobě přesných kompozitů a objemových dílů [18]. Nevýhodou epoxidových pryskyřic je jejich cena (2x až 3x vyšší než nenasycených polyesterových pryskyřic) a citlivost na přesné mísení pryskyřice/tvrdidlo [21].

 Fenol – formaldehydová pryskyřice (PF):

Reaktoplast, který vzniká polykondenzací fenolu a formaldehydu a vlivem značné polarity má nízké elektrické vlastnosti, dobře odolává nepolarním rozpouštědlům, kyselinám i povětrnosti. Vzhledem k fenolu jsou tmavé. Používají se v aplikacích, kde je požadována vysoká odolnost proti ohni, vysoká tepelná odolnost a omezování plamene při hoření. Tyto vlastnosti jsou typické pro různé konstrukce elektrospotřebičů [5, 18].

 Vinylesterové pryskyřice (VE):

Vznikají reakcí dienových epoxidů a kyseliny akrylové, která dává pryskyřici charakter polyesteru. Syntéza probíhá alkalickou kondenzací a následnou esterifikací epoxidových skupin kyselinou akrylovou. Někdy se jim také říká epoxidové vinylestery nebo vinylestery na epoxidové bázi. Mají ještě lepší chemickou a tepelnou odolnost než polyesterové pryskyřice. VE pryskyřice jsou zesíťovány pouze na koncích řetězců přes vinylové dvojné vazby, což vede k vyšší houževnatosti v důsledku snadnějšího vyvolání konformačních změn při namáhání pryskyřice. Přítomnost volných hydrofilních hydroxylových skupin vede k lepší adhezi na skelná vlákna. Jsou používané pro výrobu kompozitů vyztužených skelnými i uhlíkovými vlákny určených pro náročnější aplikace (např. do agresivního chemického prostředí, pro aplikace velmi mechanicky namáhané) [21].

2.6 Výztuže

Druhou složkou, která tvoří kompozit, je vyztužující fáze. Výztuž je možné považovat za takovou složku kompozitu, kvůli níž se kompozit vytvořil. To znamená, že má nějakou výhodnou vlastnost, kterou lze v aplikaci využít [23]. Nejčastěji to je vysoká pevnost, modul pružnosti (asi o řád vyšší než modul pružnosti matrice) a malá deformace do lomu (1 až 2 %). Hlavní funkcí této fáze je přenos převážné části vnějšího zatížení. Matrice se začne při vnějším zatížení pružně nebo plasticky deformovat a výztuž toto zatížení přebírá v důsledku adheze. Pevnostní chování kompozitu je závislé na tvaru, koncentraci a orientaci výztuže. [11].

(22)

22

Disperzních fází se na trhu nachází nepřeberné množství. Ať už se jedná o minerální a syntetická částicová plniva, v dnešní době stále se rozšiřující přírodní vlákna (bavlněná, banánová, konopná nebo kokosová, která lze vidět na obr. 6), kovová a slitinová vlákna, whiskery z keramických a metalických materiálů nebo v neposlední řadě o polymerní, minerální, aramidová, skelná a uhlíková vlákna. Právě těmto třem posledním vláknům bude věnována pozornost v další části této práce.

Vláknové výztuže

Materiály ve formě vláken se jako konstrukční prvky používají jen zřídkakdy.

Zajímavou skupinou materiálů se stávají teprve ve formě kompozitních materiálů [25].

Vlákna jsou charakteristická tím, že jejich pevnost v tahu ve směru osy je výrazně vyšší, než je pevnost stejného materiálu v kompaktní formě (deska, tyč, apod.), jak lze vidět v tab. 2.

Kompozity vyztužené vlákny mohou pevnostně výrazně převyšovat konvenční materiály.

Pevnost vlákna závisí především na jeho průřezu a to tak, že se zmenšujícím se průřezem vlákna poroste pevnost [11]. Většina vyráběných vláken má kruhový průřez s průměrem od 5 do 20 μm. Rostoucí délka vlákna zvyšuje jeho pevnost v tahu, respektive ohybu, a zároveň se zvyšuje modul pružnosti v tahu. Přírůstek pevnosti se zmenšujícím se průměrem vlákna se dá vysvětlit tak, že výskyt vad a jejich vliv je o to menší, čím tenčí jsou vlákna [25]. Pro vlákna je rovněž charakteristická anizotropie vlastností – pevnost a modul pružnosti bývají ve směru osy vyšší než ve směru kolmém k ose [24].

Materiál Modul pružnosti [GPa] Pevnost v tahu [GPa]

Vlákno Kompaktní materiál Vlákno Kompaktní materiál

Sklo typu E 72 72 2,1 ÷ 3,5 0,1

Uhlík 190 ÷ 850 10 2 ÷ 7 0,2

SiC keramika 400 400 3,9 0,5

Tab. 2. Porovnání mechanických parametrů vybraných druhů vláken s parametry stejného, ale kompaktního materiálu [8]

Obr. 6 Elektronové snímky (SEM) kokosového vlákna: a) povrch, b) průřez [50]

Obr. 6 Elektronové snímky (SEM) kokosového vlákna: a) povrch, b) průřez [23]

(23)

23

Kompozitní systém lze označovat za dlouhovláknový, je-li jeho poměr L/D (délka/průměr) > 100 (kontinuální vlákna) nebo za krátkovláknové, když poměr L/D < 100.

Krátká vlákna jsou výrazně menší vůči danému výrobku a v matrici jsou uložena buď náhodně, nebo s přednostní orientací. Naopak dlouhovláknové výztuže mohou být srovnatelné s délkou výrobku a v matrici jsou zabudovány jednosměrně, dvousměrně, případně s trojsměrnou orientací [26]. Přidáním kontinuálních vláken je dosaženo nejvyšší pevnosti a modulu pružnosti [15].

Ve strojírenských aplikacích polymerních kompozitů jsou u vysoce namáhaných dílců nejčastěji využívány tři druhy vláken a to: skelná, uhlíková a aramidová (kevlarová).

2.6.1 Skelná vlákna

Textilní skelná vlákna (GF – Glass Fiber) je název pro tenká vlákna (o průměru 3,5 až 24 μm) s pravidelným kruhovým průřezem, tažená z roztavené skloviny [23]. Průmyslová výroba skelných vláken začala roku 1935 [20]. Od té doby obliba těchto vláken stále rostla a díky použití vyztužených kompozitů v mnoha různých konstrukčních aplikacích se dnes jedná o nejrozšířenější disperzní fázi v polymerních kompozitech (cca 80 %) [27]. Důvodem je zejména poměrně nízká cena oproti uhlíku a kevlaru. Jednotlivá vyztužující vlákna jsou samostatně používána jen výjimečně. Ze zpracovatelských důvodů se aplikují skelná vlákna v jiných upravených formách (viz obr. 7) jako je např. roving, příze, rohož, tkanina a další [25].

Mezi další výhodné vlastnosti skelných vláken patří vysoká pevnost, rázová houževnatost a výborná chemická odolnost [13]. Jejich vlastnosti jsou izotropní, tzn., že mají stejné vlastnosti v podélném i kolmém směru. Při porovnání s uhlíkovými vlákny mají nižší modul pružnosti, nižší únavové vlastnosti a nižší odolnost za vyšších teplot [13, 28]. Pevnost v tahu je však značně závislá na stavu povrchu. Při sdružování do pramenců dochází k vzájemnému poškození vláken a absorpci vzdušné vlhkosti, což snižuje pevnost.

V důsledku toho je nutné skelná vlákna chránit lubrikačními povlaky (vosky, mazivy) nanášenými ještě před sdružením vláken do pramence. Pro zlepšení adheze se vlákna opatřují vazebnými prostředky [29].

Obr. 7 Skelná vlákna ve formě a) rovingu [51], b) tkaniny [52], c) rohože [53]

Obr. 6 Skelná vlákna ve formě a) rovingu [4], b) tkaniny [5], c) rohože [20]

(24)

24 Vlákno Pevnost v tahu

[GPa]

Tažnost

[%] Hustota [g/cm3]

A - sklo 3,2 70 3,6 2,50

C - sklo 3,1 69 3,2 2,49

D - sklo 2,4 52 2,5 2,16

E - sklo 3,4 72 3,8 2,54

M - sklo 3,4 110 - 2,89

S - sklo 4,8 85 5,2 2,48

Většina skelných vláken je na bázi oxidu křemičitého (SiO2) s příměsí oxidu boritého, vápenatého, hlinitého a hořečnatého. Na trhu existuje více typů skel, lišící se svými vlastnostmi (viz tab. 3). Jedná se především o tyto skla:

 A – skla (alkalická):

Velmi levná skla, která mají nízkou odolnost proti zásadám. V praxi se s ním lze setkat při výrobě lahví nebo okenních výplní.

 C – skla (chemická):

Jsou charakteristická vysokou odolností vůči kyselinám a chemicky agresivním látkám.

Jejich využití je tedy zejména v chemickém průmyslu.

 D – skla (dielektrická):

Dle názvu mají velmi nízkou dielektrickou konstantu. Díky tomu nachází využití hlavně v elektrotechnice, elektronice a energetice.

 E – skla (elektrická):

Řadí se mezi nejvíce průmyslově používaná skla, tvoří přibližně 90 % produkce skelných vláken. Mají vynikající elektroizolační vlastnosti a vysokou propustnost pro záření.

 M – skla (modulová):

Jde o vysocemodulová skla, která vykazují nejvyšší modul pružnosti ze všech skel (až 110 GPa). Nevýhodou je jejich toxicita.

 S – skla (pevnostní):

Mají vysokou pevnost v tahu, modul pružnosti, rázovou houževnatost i vysokou teplotní odolnost. Pevnost v tahu vláken vyráběných z tohoto skla je dokonce vyšší než u karbonových a aramidových vláken, což je znát i na ceně, která je oproti konvenčnímu E – sklu velmi vysoká. Jejich uplatnění je především v letecké a raketové technice [14, 21].

Výroba vláken spočívá v tavení tzv. sklářského kmene při teplotě přibližně 1400 ÷ 1600 °C (v závislosti na složení skla), kdy vzniká tekutá sklovina, která vytéká dnem pece z platiny – iridiové slitiny malými otvory o průměru 1 až 2 mm. Vlákna jsou následně tenčena (proces tenčení zásadně ovlivňuje modul pružnosti v tahu, hustotu, index lomu a chemickou stabilitu) a chlazena. Průměr vláken závisí na rychlosti odtahu. Přímo pod pecí se ještě za horka nanáší na vlákna tzv. přímá apretace obsahující lubrikační složku (mazání) a apretační složku (zvyšování adheze mezi vlákny a matricí). Dále následuje chlazení a formátování vláken do svazku [26, 27].

Tab. 3 Základní vlastností jednotlivých skelných vláken [5, 11, 22]

(25)

25

2.6.2 Uhlíková vlákna

Uhlíková vlákna (viz obr. 8) se vyrábějí ve dvou základních variantách: v karbonizovaném stavu o vyšší pevnosti – uhlíková vlákna a ve stavu grafitizovaném, tzv.

vysokomodulová vlákna o vyšší hodnotě modulu pružnosti – grafitová vlákna. Liší se od sebe konečnou teplotou zpracování a obsahem uhlíku. Karbonizace končí při teplotě 900 až 1500 °C a karbonová (uhlíková) vlákna mají obsah uhlíku kolem 94 %. Naopak grafitizace probíhá za vyšších teplot (2600 až 2800 °C) a obsah uhlíku u těchto grafitových vláken je vyšší než 99 %. Základní surovinou pro výrobu těchto vláken jsou polyakrynitrilová vlákna (PAN) nebo smoly z pyrolyzy ropy [11, 13].

Uhlíková vlákna (v karbonizovaném stavu) mají pevnost v tahu 2,5 až 4 GPa a modul pružnosti se pohybuje od 200 do 280 GPa. U vláken v grafitizovaném stavu modul pružnosti vzrůstá až na 420 GPa a pevnost klesá na 1,4 až 2,4 GPa [11]. Velkou předností uhlíkových vláken je velmi nízká hodnota hustoty (1,7 až 1,95 g/cm³), která má za následek vysokou úroveň měrné pevnosti (𝜎_𝑚/ρ) a měrného modulu pružnosti (E/ρ). Srovnání karbonizovaných (vysokopevnostních) a grafitizovaných (vysokomodulových) vláken lze vidět v tab. 4. Ve srovnání se skelnými vlákny je jejich tuhost až desetinásobně vyšší, naopak hustota poloviční.

Naopak mezi nevýhody těchto vláken patří nízká tažnost (maximálně 2%) a jejich špatná adheze k matrici, je nutné je povrchově upravovat pro zlepšení přilnavosti [11, 13].

Tab. 4 Základní vlastnosti vybraných druhů uhlíkových vláken [5]

Vlákno Pevnost v tahu [GPa]

Tažnost

[%] Hustota [g/cm3]

Vysokomodulové 2,1 400 1,2 1,9

Vysokopevnostní 3,1 240 1,5 1,44

Další typickou vlastností uhlíkových vláken je jejich vysoká anizotropie vlastností, která vyplývá z hexagonální struktury grafitu. V bazálních hexagonálních rovinách grafitu jsou atomy uhlíku mezi sebou vázány silnými kovalentními vazbami, zatímco mezi těmito rovinami působí Van der Waalsovy síly, které jsou slabé. Vlastnosti uhlíkových vláken jsou tedy závislé na míře orientace hexagonálních rovin do směru osy vlákna a na míře uspořádání hexagonálních rovin mezi sebou. Strukturu a vlastnosti vláken lze ovlivnit technologií výroby [28]. Anizotropie může u těchto vláken dosahovat až poměru 100 :1 (vlastnost ve směru osy : vlastnost kolmo na osu). Např. je – li modul pružnosti ve směru vlákna 500 GPa, tak kolmo na vlákna může dosahovat hodnoty pouze 6 GPa [5, 30].

Obr. 8 Uhlíková vlákna [54]

Obr. 7 Uhlíková vlákna [6]

(26)

26

2.6.3 Aramidová vlákna

Aramidová vlákna (viz obr. 9), známá pod obchodním názvem Kevlar, jsou po stránce chemické struktury aromatickými polyamidy. Makromolekuly tedy obsahují ve svém řetězci amidové a aromatické skupiny, přičemž největší praktický význam má para- aramid, ve kterém jsou benzenová jádra vázána v para- poloze na amidové skupiny [28].

Tato vlákna mají vysokou pevnost a tuhost, čehož je dosaženo dokonalou orientací tuhých lineárních molekul v podélném směru. Naopak v kolmém směru na osu vlákna pevnost značně klesá

kvůli menším makromolekulárním silám (pouze vodíkové můstky). Při zatěžování v tlaku kolmo na vlákna dochází k plastické deformaci, mez kluzu je nízká a vlastnosti v tomto směru se dají srovnávat s běžnými konstrukčními polymery [13, 28]. Hodnoty pevnosti a tuhosti se nachází mezi uhlíkovými a skelnými vlákny. Výrazně se však odlišují svojí extrémní houževnatostí, díky které jsou vlákna schopna absorbovat velké množství energie, než dojde k jejich prasknutí [15].

Kevlarových vláken je několik druh, základní vlastnosti některých z nich jsou uvedeny v tab. 5.

Tab. 5 Typické hodnoty základních vlastností vybraných aramidových vláken [32]

Vlákno Pevnost v tahu [GPa]

Tažnost

[%] Měrná hmotnost [g/cm3]

Kevlar 29 3,6 83 4 1,44

Kevlar 49 3,6 ÷ 4,1 131 2,8 1,44

Kevlar 149 3,4 186 2 1,47

Kevlarová vlákna mají velkou odolnost proti abrazi, dále také odolnost proti účinku rozpouštědel, kapalných paliv a slané vody. Kvůli silně polárním vodíkovým můstkům ve struktuře absorbují vodu, ke zhoršení vlastností ovšem nedochází [28]. Za nevýhodu aramidu lze považovat nízkou povrchovou energii a chemickou inertnost, což způsobuje špatnou mezifázovou adhezi k matrici. Vzhledem k tomu se kevlarová vlákna často povrchově upravují (fluorací nebo oxyfluorací) pro zvýšení adheze [15, 28, 31].

Díky schopnosti absorpce velkého množství energie nachází kevlar uplatnění v aplikacích pro balistickou ochranu. Jedná se např. o neprůstřelné vesty, pancíře bojových letadel a vozidel, případně jako pletenina ochranné rukavice [13]. Další známé použití aramidu je v oblasti výroby ochranných oděvů pro horké provozy [25].

Obr. 9 Aramidová vlákna [55]

Obr. 8 Aramidová vlákna [7]

(27)

27

2.7 Mezifázové rozhraní

Mechanické vlastnosti kompozitů určuje synergická kombinace rigidní a vysokopevnostní výztuže s flexibilní polymerní matricí s vysokou houževnatostí. Nejedná se však pouze o jednoduchý dvoufázový systém, ale je nutno zohledňovat oblast mezifázového rozhraní.

Mezifázové rozhraní (mezifáze) je oblast kompozitu mezi povrchem výztuže a matrice. Jedná se o tenkou hraniční vrstvu. Složení mezifáze, její struktura a vlastnosti mohou být různé napříč celou oblastí a mohou být odlišné od složení, struktury a vlastností obou složek kompozitu. Je zřejmé, že mezifáze ovlivňují mechanické vlastnosti kompozitů.

Hlavním úlohou mezifáze je přenos napětí z matrice na výztuž a ochrana výztuže před poškozením vlivem prostředí. Schopnost přenosu napětí závisí na síle mezifáze, stejně jako na mechanických vlastnostech výztuže, matrice, mezifáze a vazebnými silami mezivrstev [45, 46].

Mezifáze může být:

 neřízená – pro kompozit je použita povrchově neupravená výztuž (vlákna). Část matrice může být ovlivněna přítomností vláken a vzniklá mezifáze má stejné složení jako polymerní matrice, ale jinou fyzikální mikrostrukturu. Adheze neupravených výztuží je většinou špatná.

 řízená (viz obr. 10) – je charakteristická cílenou povrchovou úpravou výztuže (vláken).

Na povrch výztuže jsou nanášeny definovaným a reprodukovatelným způsobem (apretací při procesu výroby, plazmaticky apod.) tenké mezivrstvy (10 ÷ 100 μm), které zlepšují jejich smáčení a umožňují pevné vazby jak k výztuži, tak k matrici [45, 46].

Jak již bylo uvedeno, nejčastějším typem používané výztuže polymerních kompozitů jsou skelná vlákna (tvoří více než 90 % objemu spotřeby výztuží). Vzhledem

Obr. 10 Schématické znázornění řízené mezifáze kompozitu [56]

Obr. 9 Schématické znázornění řízené mezifáze kompozitu [26]

(28)

28

k povaze skelných vláken a jejich použití jako výztuže v polymerních kompozitech byla vyvinuta metoda ošetření povrchu skelných vláken tenkou vrstvou na bázi organosilanů.

Úprava organosilanů poskytuje vláknům ochrannou vrstvu, která zabraňuje snižování povrchové energie (v důsledku reakce oxidů obsažených ve skle s hydroxilovými skupinami vody, vytvářející vodíkové můstky s dalšími molekulami vody, které se absorbují na povrch vlákna) a zároveň zlepšuje adhezi díky tvorbě kovalentních vazeb s polymerní matricí napříč mezifází. Snaha o efektivní řízení vlastností mezifáze vedla také k vývoji nových alternativních metod nanášení tenkých vrstev, založených na chemickém roubování oligomerů vazebních činidel nebo využití plazmových polymerů [46].

2.8 Technologie výroby polymerních kompozitů laminováním

Známých způsobů technologií výroby polymerních kompozitů je dnes již celá řada.

Volba dané technologie je velmi důležitá a musí se řídit několika zásadními faktory jako je:

sériovost dílce, velikost a členitost výrobku, kvalita povrchu, požadované vlastnosti (zejména pevnost a hmotnost) a ekonomická stránka věci. Většinou je nutné volit určitý kompromis, aby bylo možno vyhovět do jisté míry všem požadavkům, případně se co nejvíce přiblížit nejdůležitějším požadavkům. Určujícím faktorem při volbě technologie zpracování je zejména sériovost výroby. Je zřejmé, že malé série nelze vyrábět strojními technologiemi a naopak velké série není ekonomické vyrábět např. ručním kladením [33].

Při výrobě kompozitních dílů je zapotřebí zaručit zejména tyto podmínky [11]:

 dobré spojení výztuže s matricí,

 jednoduchost a hospodárnost výroby,

 rovnoměrné uložení disperzní fáze v objemu,

 možnost změny objemového množství výztuže,

 možnost uložení vrstev s libovolnou orientací vláken.

Technologie výroby kompozitů s polymerními matricemi je možně dělit z hlediska použité formy a to na [34]:

 otevřenou (jednodílnou),

 uzavřenou (dvoudílnou).

Typ formy rozhoduje o odpařování reaktivního rozpouštědla pryskyřice. To je důležité zejména u levných polyesterových pryskyřic (UP) a vinylesterových pryskyřic (VE). Prepregy (impregnovaná vlákna ve formě polotovaru) s reaktoplastovou matricí naopak neobsahují rozpouštědlo [23]. Dále lze metody výroby kompozitů dělit dle skupenství matrice, při její aplikaci na výztuž. Podle tohoto kritéria rozlišujeme [11]:

 matrici v tuhém stavu,

 matrici ve stavu tekutém.

(29)

29

2.7.1 RTM technologie a její alternativy

Technologie RTM (Resin Transfer Moulding) patří mezi technologie s uzavřenou formou, což v případě použití UP a VE pryskyřic zamezuje uvolňování reaktivního rozpouštědla do okolí [32]. Schéma tohoto procesu je zobrazeno na obr. 11.

Na formu, nejčastěji kovovou (nebo hliníkovou), se nejprve nanese separační prostředek zajišťující snadné odformování dílu. Poté je na spodní část formy kladena výztuž ve formě tkaniny, která již může být z předchozí operace předtvarovaná. V takové chvíli lze mluvit o polotovaru, tzv. preformě (předlisku). Následně je forma uzavřena potřebnou uzavírací silou, ohřáté komponenty (např. pryskyřice a tvrdidlo) jsou pomocí nízkotlakých čerpadel dopravovány do vstřikovací jednotky umístěné bezprostředně před formou a začíná samotné vstřikování/prosycování výztuže. Vstřikovací tlak (bývá v rozmezí 1 ÷ 2 MPa) zajišťuje prosycení výztuže v celém svém objemu. Tlak vstřikování je závislý na viskozitě pryskyřice, velikosti formy a času potřebného na výplň formy. Vzduch uvnitř dutiny formy je vytlačován čelem pryskyřice a uniká odvzdušňovacími otvory. Součástí formy mohou být i vakuové ventily, které odsávají vzduch z formy a usnadňují tok pryskyřice. Následuje nejdelší čas celého cyklu – vytvrzování, které může probíhat při pokojové teplotě anebo při zvýšené teplotě (v závislosti na typu pryskyřice). Čas vytvrzování je závislý na velikosti dílu, typu pryskyřice, objemovém množství výztuže a dalších parametrech. Po vytvrzení následuje otevření formy a vyhození dílu. [33, 34, 37, 41, 42]

Výhody procesu:

 obě strany výrobku jsou pohledové,

 možnost automatizace – vyšší produkce a snížení ceny výrobku,

 lze zaručit přesné uspořádání vláken díky preformě,

 možnost implementace montážních prvků do dílů,

 nízké emise těkavých látek vzhledem k uzavřené technologii, Obr. 11 Schéma RTM technologie [57]

4

Obr. 9 Schéma RTM technologie [15]

4

(30)

30

 snížení nákladů na následné obrábění vzhledem k přesným tvarům vyrobeného kompozitu.

Nevýhody (limity) procesu:

 výroba složitých tvarů vyžaduje velké množství pokusů a omylů experimentování, případně simulací tečení, náklady na nástroje a zařízení,

 poměrně dlouhé výrobní cykly – pro větší série je vhodnější použít metodu HP – RTM.

První alternativou RTM technologie je metoda HP - RTM (High Pressure Resin Transfer Moulding) neboli vysokotlaké RTM. Jedná se o obdobu RTM technologie (jak lze vidět na obr. 12) a jak je již z názvu patrné, hlavní rozdíl je ve velikosti tlaku, který je zde větší.

Zatímco vstřikovací tlak u klasického RTM bývá v rozmezí 1 až 2 MPa, tak u HP - RTM tlak na mísící hlavě dosahuje až 15 MPa a uvnitř formy se tlak pohybuje od 3 do 12 MPa (záleží na geometrii a velikosti dílu). Dalším rozdílem je vstřikovací jednotka.

Zatímco u RTM se používá statických a dynamických mixážních hlav, tak u HP-RTM je dokonalého a rychlého promísení jednotlivých komponent zajištěno pomocí speciální mísící hlavy (viz obr. 13), kde se komponenty (např. isokyanát a polyol - při zpracování polyuretanové pryskyřice) mísí při tlaku až 15 MPa. Hlavní výhodou této technologie je zkrácení celého výrobního cyklu (lze se dostat i pod 2 minuty) [41].

Obr. 12 Proces technologie HP-RTM, respektive RTM (i s operací tvarování preformy) [58]

(31)

31

Vysokotlaké RTM je díky krátkým cyklům a reprodukovatelné kvalitě vhodná technologie pro vyšší série – stovky až tisíce kusů, a nachází tak uplatnění především v automobilovém průmyslu. Na druhou stranu je nutné počítat s vyššími finančními náklady, ať už na formu, která musí odolat vyšším tlakům, tak na mísící hlavu [41].

Kromě vysokotlakého RTM existuje také metoda nízkotlakého RTM, neboli LRTM (Light Resin Transfer Moulding). U této metody je pryskyřice nasávána pouze podtlakem (odpadá zde injekční zařízení). Vzhledem k nízkým tlakům se používají méně tuhé a lehčí formy (horní část formy bývá z odlehčeného materiálu). Uplatnění této technologie je zejména při menších sériích. Schematické znázornění této metody lze vidět na obr. 14.

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) je modifikace klasické RTM technologie, kde prosycení předtvarované výztuže umístěné ve formě napomáhá vakuum. Jedná se tak o vakuo – injekční technologii. Forma může být dvoudílná, běžněji ale jednodílná, přičemž druhou stranu formy tvoří fólie, film nebo vak.

Užívají se 2 základní uspořádání:

 vstřikování do středu formy, vakuum je aplikováno po obvodu formy,

 přívod pojiva obvodovými vstupy, vakuum je aplikováno ve středu formy.

Obr. 13 Mísící hlava pro HP-RTM od výrobce a) Krauss Maffei [59], b) Cannon [60]

Obr. 11 Mísící hlava pro HP-RTM od výrobce a) Krauss Maffei [18], b) Cannon [21]

Obr. 14 Schéma technologie LRTM [61]

Obr. 12 Schéma technologie LRTM [21]

(32)

32

Výhodou této technologie je díky nižším tlakům (0,04 až 0,1 MPa) možnost konstruovat méně robustní formy, což umožňuje výrobu větších dílců. Název VARTM bývá často používán i pro čistě infuzní technologie, kdy k toku pryskyřice dochází jen díky podtlaku. Jde o technologie jako je SCRIMP, VIP, CAPRI, VAP, FASTRAC a další [33, 34].

SQRTM (Same Qualified Resin Transfer Moulding) se od RTM metody liší ve formě polotovaru. Zatímco u RTM se používá suchá výztuž (preforma), tak zde se do formy kladou prepregové vrstvy, které už obsahují určité procento pryskyřice. SQRTM je v podstatě kombinace zpracování prepregu a RTM technologie. Tato technologie se používá zejména v leteckém průmyslu (viz obr. 15) [43].

2.7.2 Ruční kladení

Jedná se o nejstarší, nejjednodušší a dosud nejrozšířenější způsob výroby laminátů.

Tato technologie patří mezi tzv. otevřené technologie, forma je tedy jednodílná a může být buď pozitivní, nebo negativní (viz obr. 16) [33]. Vzhledem ke kontaktu použitých komponent systému pouze s jednou polovinou formy je kvalita povrchu jedné a druhé strany rozdílná. Jedná se o značnou nevýhodu tohoto procesu, jelikož získáme díl s kvalitním povrchem pouze jedné strany [22].

Obr. 16 Schéma ručního kladení za mokra [62]

Obr. 14 Schéma ručního kladení za mokra [8]

Obr. 15 Střešní díl helikoptéry zhotovený technologií SQRTM[43]: a) spodní část formy b) finální díl

Obr. 13 Střešní díl helikoptéry zhotovený technologií SQRTM[17]: a) spodní část formy b) finální díl

(33)

33

Forma se po separaci (kvůli odformování) obvykle nejprve opatří vrstvou gelcoatu o tloušťce 0,3 ÷ 1 mm. Tento materiál je na bázi UP nebo VE pryskyřic a zajišťuje jednak estetickou stránku povrchu výrobku a jednak tvoří ochranu vůči okolnímu prostředí (voda, povětrnost, chemická média). Po částečném vytvrzení gelcoatu se kladou jednotlivé vrstvy výztuže (tkanina nebo rohož) podle požadovaného objemu a orientace na povrch formy.

Následuje samotné prosycení tekutou pryskyřicí pomocí štětce a nanášecího válečku.

Přebytečná pryskyřice a vzduchové bubliny se vytlačují rýhovanými válečky.

Odpařování reaktivního rozpouštědla u UP a VE pryskyřic do ovzduší lze potlačit použitím pryskyřic s vosky, které vytvářejí na povrchu stojící pryskyřice nepropustnou vrstvu. Laminát se po prosycení většinou vytvrzuje za běžné pokojové teploty bez aplikace tlaku a dotvrzuje za zvýšené teploty (cca 80 °C). Teploty a doby vytvrzování záleží na typu použité pryskyřice [33, 34].

Výhody:

 jednoduchost samotné technologie,

 minimální náklady na proces,

 minimální náklady na výrobu formy,

 vhodné pro velkorozměrné a tvarově složité výrobky,

 téměř neomezená variabilita rozměrů a tvarů.

Nevýhody:

 dlouhé výrobní cykly,

 velké množství nerecyklovatelného odpadu,

 kvalita povrchu pouze jedné strany dílu,

 záleží na zručnosti pracovníka.

Technologii ručního kladení lze dělit na dva způsoby. Výše popsaná technologie se nazývá ruční kladení za mokra (wet lay – up). Lepších mechanických vlastností lze dosáhnout durhou metodou, která se nazývá ruční kladení prepregů. Touto technologií se docílí co největšího možného podílu vláken a nezbytného minima pryskyřice. Použité polotovary – prepregy, obsahují rovingy nebo tkaniny předimpregnované pryskyřicí včetně tvrdidla. Pro vytvrzení dílu vyrobeného z prepregů se používá autokláv, kde dojde k ohřevu na vytvrzovací teplotu pryskyřice, poté se zvýší tlak a díl se tak vytvrdí [23].

(34)

34

2.7.3 Stříkání

Metoda stříkání opět patří mezi technologie výroby s otevřenou formou, a proto je se provádí operace v odvětrávaném prostoru (stříkací boxy). Použití stříkacích boxů je nutné především z důvodu, že se pro tuto technologii téměř výlučně používají polyesterové pryskyřice obsahující styren. Formy jsou nenákladné, prakticky totožné jako formy pro ruční kladení, většinou vyrobené také z kompozitního materiálu [33, 35].

Touto technologií se na formu nanáší kompozitní směs pomocí speciální pneumatické pistole. Z pistole tedy současně vychází sekaný roving a iniciovaná pryskyřice.

Stříkání se provádí převážně ručně, zejména kvůli finanční stránce. Je zde ovšem možnost celý proces zmechanizovat a provádět operaci stříkání pomocí naprogramovaného průmyslového robota, čímž dojde ke zvýšení produktivity. Schéma této technologie lze vidět na obr. 17.

Jako první bývá aplikována gelcoatová vrstva a to buď ručně, nebo nástřikem.

Samotné stříkání se provádí v několika vrstvách a vždy „mokré do mokrého“. Počet vrstev nástřiků je závislý na tloušťce požadovaného výrobku. Po nanesení jednotlivých vrstev nástřiku se použijí rýhované, popřípadě štětinové válečky různé velikosti a tvaru. Těmito nástroji se dosáhne zhutnění a zároveň se vytlačí vzduchové bubliny [33].

Vyztužující vlákna jsou kontinuálně posouvána do pistole, kde jsou speciálním zařízením sekána a smíchána s pryskyřicí. Míchání pryskyřice s katalyzátorem lze ve stříkací pistoli realizovat různými způsoby a to [36]:

 vnitřním mícháním bez použití tlakového vzduchu – snižuje množství odpadu, zaručuje dokonalé promíchání, a výrazně snižuje emisi styrénu,

 vzduchovým systémem s vnitřním mícháním pryskyřice a katalyzátoru – umožňuje zrychlit posuv vláken v pistoli a zajišťuje rovnoměrné pokrytí formy díky turbulencí vháněného vzduchu,

 vzduchovým systémem s vnějším mícháním – vytváří drobné kapky katalyzátoru a pryskyřice, které se smíchávají vně stříkací pistole.

Obr. 17 Schéma technologie stříkání [63]

Obr. 15 Schéma technologie stříkání [9]