Pod ě kování
V první řadě bych chtěl poděkovat svoji vedoucí diplomové práce Ing.
Miroslavě Pechočiakové Ph.D., která mi poskytla odborné informace v této problematice a vždy mi umožnila diskutovat možné změny a inovace mé diplomové práce. Další poděkování směřuje až do portugalské university UMINHO do města Guimaraẽs, kde jsem na textilním oddělení podstoupil rozsáhle praxi v problematice kompozitních materiálů pod vedením prof. Raula Fangueira. Z tamního textilního oddělení bych chtěl dále upřímně vzdát velký dík za odbornou pomoc následujícím portugalským spolupracovníkům: Sergio Patinha, Fernando Cunha, Juliana Cruz a Silvia Carvalho. Mnohokrát bych chtěl poděkovat také Ing. Janě Drašarové Ph.D, která mi ve své funkci umožnila vycestovat zpět do Portugalska, kde byly vytvořeny kompozitní vzorky pro tuto diplomovou práci. Také nesmím opomenout Ing. Jitku Grygárkovou z Ústavu pro nanomateriály a Ing. Jiřího Karáska Ph.D z Katedry obrábění a montáže Fakulty Strojní, kteří mi díky evropskému projektu zaměřenému na hodnocení povrchů umožnili vycestovat opět na tamní portugalskou univerzitu. Také musím poděkovat celé svoji rodině a známým, kteří byli celé roky mého studia za mými zády a vždy se mě snažili podpořit.
ANOTACE
Tato diplomová práce se zabývá výrobou a testováním mechanických vlastností oplétaných kompozitních tyčí. V teoretické části jsou popsány kompozitní materiály využívané ve stavebnictví a technologie výroby kompozitů. Dále jsou popsány pletené kompozitní tyče, jejich konstrukce a testování. Experimentální část je zaměřena na zhodnocení mechanických vlastností vyrobených oplétaných kompozitních tyčí.
Z naměřených dat je zhodnocen vliv materiálového složení na pevnost tyče v ohybu a z ní vypočtena pevnost tyče v tahu. Dále jsou prozkoumány mechanické rázové vlastnosti jednotlivých tyčí. Posledním krokem je vytvoření obrazové analýzy průřezů tyčí.
KLÍČOVÁ SLOVA:
Kompozit, opletení, vlákenná výztuž, sklo, karbon, pevnost, mechanické vlastnosti.
ANOTATION
This Master’s thesis describes production and testing of mechanical properties of braided composites rods. In the theoretical part are described composite materials used in civil engineering and production technology of composites. Next are described braided composites rods (BCR'S) and their testing. The experimental part is focused on evaluation of mechanical properties of BCR’S. From measured data is evaluated influence of material composition on strength these rods in bend and tensile. Also is explored mechanical impact strength of these rods. And last research thing is figure analyze of rod cross-sections.
KEY WORDS:
Composite, braiding, fibers reinforcement, glass, carbon, strength, mechanical properties
3 Michal Vyhnálek
Seznam zkratek
3PB Tree point bend – tříbodový ohyb 4PB Four point bend – čtyřbodový ohyb
AFRP Aramid fiber reinforced polymer – zpevněný polymer aramidovými vlákny
Amax Maximální průhyb[mm]
BCR Braided Composite Rod – opletená kompozitní tyč
CFRP Carbon fiber reinforced polymer – zpevněný polymer uhlíkovými vlákny
CV Variační koeficient
d Průměr [mm]
de Průměr odhadovaný [mm]
E Mez pružnosti (elasticity)
Eo Modul pružnosti v ohybu [N/mm2] Et Modul pružnosti v tahu [N/mm2]
Eto Modul pružnosti v tahu vypočtený ze statického průhybu tyče [N/mm2]
EP Epoxidová pryskyřice Fmax Maximální síla [N]
FRP Fiber reinforced polymer – vlákny zpevněný polymer
GFRP Glass fiber reinforced polymer – zpevněný polymer skleněnými vlákny
HM High Modulus – vysoký modul HS High Strength – vysoko pevnostní IM Intermediate Modulus – střední modul J Moment průřezu vzorku [m4]
K Mez kluzu (Re)
l Délka [km]
M0 Ohybový moment [N.m]
4 Michal Vyhnálek
m Hmotnost [kg]
N° Počet [ks]
OA Obrazová analýza
PCORE Perimeter of Core – Obvod jádra PBCR Perimeter of BCR – Obvod tyče
PA Polyamid
PAN Polyakrylonitril
PP Polypropylen
PS Polyester
T Jemnost [tex]
Tg Teplota skelného přechodu Rmo Napětí v ohybu [MPa]
S Obsah [mm2]
SBCR Obsah tyče
SBCR-SCORE Obsah mezi jádrem a stěnou tyče [mm2]
SCARBON Obsah karbonové výztuže [mm2] SCORE Obsah jádra
SCORE-SCARBON Obsah skleněné výztuže, vypočtený rozdílem karbonové výztuže a jádra tyče [mm2]
SCORE-SGLASS Obsah karbonové výztuže, vypočtený rozdílem skleněné výztuže a jádra tyče [mm2]
SGLASS Obsah skleněné výztuže [mm2]
SCCARBON Celkový obsah karbonu - průměr naměřených a vypočtených hodnot obsahu karbonové výztuže [mm2]
SCGLASS Celkový obsah skla - průměr naměřených a vypočtených hodnot obsahu skleněné výztuže [mm2]
U Mez úměrnosti
5 Michal Vyhnálek UHM Ultra High Modulus – Ultra vysoký modul
UP Polyesterová pryskyřice V Objem [cm3], [%]
VE Vinylester
W0 Průřezový modul [m3]
X Střední hodnota
αCN Rázová houževnatost
6 Michal Vyhnálek
Obsah
1 Úvod ... 8
1.1 Současný stav ... 9
2 FRP produkty ... 11
2.1.1 Používané materiály ... 11
2.1.2 Technologie výroby ... 17
2.1.3 Mechanické chování FRP tyčí ... 19
3 Pletené kompozitní tyče ... 19
3.1 Konstrukce a výroba BCR ... 20
3.1.1 Testování BCR ... 22
4 Experimentální část ... 27
4.1 Charakteristika použitých materiálů ... 27
4.1.1 Výpočet materiálu pro jednotlivé tyče... 30
4.2 Popis výroby a jednotlivých zařízení ... 31
4.3 Testování mechanických vlastností ... 36
4.3.1 Zjišťování pevnosti v ohybu ... 36
4.3.2 Zjišťování rázových vlastností BCR ... 40
4.3.3 Zjišťování pevnosti v tahu ... 42
4.4 Obrazová analýza průřezů BCR ... 45
4.4.1 Průřezy tyčí ... 45
4.4.2 Celkové výsledky ... 46
5 Zhodnocení výsledků ... 52
6 Závěr ... 55
7 Citovaná literatura ... 57
Seznam Obrázků ... 61
Seznam Tabulek ... 63
8 Přílohy: ... 64
7 Michal Vyhnálek
8.1 Kalkulace zastoupení vlákenné výztuže ... 64
8.2 Výstupy ohybové zkoušky ... 66
8.3 Výstupy rázové zkoušky ... 73
8.4 Výstupy obrazové analýzy ... 74
8 Michal Vyhnálek
1 Úvod
Tato diplomová práce se zabývá problematikou oplétaných kompozitních tyčí pro betonovou výztuž využívanou ve stavebnictví. Zároveň také navazuje na autorovo předešlé vědecké snažení, čímž bylo dosaženo teoretických a praktických znalostí, které byly základním krokem k sepsání této práce.
V současné době jsou kladeny vysoké požadavky na vlastnosti všech materiálů, nejen konstrukčních. Na materiály se stanovují stále vyšší nároky, vymýšlejí se inovace a vytváří se teoretické předpoklady, které jsou často základními stavebními prvky těchto inovací. Za inovaci se dá považovat i postupné nahrazování ocelových konstrukcí kompozitními výztužemi nejen ve stavebnictví, ale právě zde se kompozity uplatnily v mnoha případech. V mnoha průmyslových odvětvích jako je zmíněné stavebnictví, jsou tyto výztuže známy jako FRP, z anglického výrazu Fiber Reinforced Polymer, neboli vlákny vyztužený polymer. V nejčastějších případech je tento polymer zpevňován skleněnými, karbonovými nebo aramidovými vlákny. Jako polymerní matrice jsou obvykle v FRP produktech používány epoxidové, vinyl-esterové, nebo polyesterové pryskyřice. Termoplastické pryskyřice se, ale v tomto oboru vyskytují méně často, díky své nízké tepelné odolnosti (1).
Myšlenka vytvoření kombinace různých materiálů za účelem získání pevnějšího materiálu, je známa z historické doby Starověkého Egypta, kde Egypťané vyztužovali hlínu slámou, aby získali cihly s vyšší pevností (2). Vlákny zpevněné polymery (FRPs) jsou kompozitními materiály, které byli vyvinuté po druhé světové válce. Kompozitní materiály jsou v civilní oblasti stavebnictví téměř 30 let. Tyto materiály, jako zejména vnitřní konstrukční výztuž staveb jsou dnes používány téměř po celém světě.
Dnes velmi dobře známý pojem „železobeton“, je každodenní rutinou na téměř každé stavbě. Ocelové konstrukce mají velmi dobré mechanické vlastnosti a splňují mnoho aspektů pro stavby. Ocel však má jeden zásadní problém, a tím je koroze.
Koroze způsobí objemové změny, které přivedou betonu mikrotrhliny, což povede ke snížení životnosti betonu. Koroze ocelových tyčí je způsobená vlivem okolních podmínek. Okolními podmínkami je myšleno měnící se roční období a tím i pochopitelné teplotní změny, dále také působení alkálií a podobně. Těmto hlavním vlivům jsou kompozitní materiály odolné.
9 Michal Vyhnálek Cílem této práce je výroba a testování mechanických vlastností oplétaných kompozitních tyčí, které mají v určitých případech plně nahradit stávající ocelové tyče a určit jim pevnostní kritéria.
1.1 Sou č asný stav
V současnosti je snaha společnosti vytvářet produkty s lepšími vlastnostmi pro jejich živostnost, v tomto případě jsou to kompozitní tyče. To znamená, nevytvářet takové materiály splňující jen požadavky přítomnosti, ale předvídat a zkoušet nové věci, jež budou také prodlužovat životnost těchto materiálů. Termín FRP popisuje skupinu materiálů zakomponovaných do přírodní nebo syntetické matrice. Hlavním komponentem jsou především vlákna nebo složky různých materiálu v různých poměrech. Jako vlákenná výztuž se nejvíce používají skleněná, uhlíková nebo aramidová vlákna. Pokud je výztuž v matrici homogenního druhu, jinými slovy, je-li v matrici zakomponován pouze jeden druh použitých vláken, tak existují pro FRP výztuže termíny označení jako je: GFRP (Glass FRP), CFRP (Carbon FRP) a AFRP (Aramid FRP). FRP produkty mohou být vytvořeny různými technologickými procesy, avšak pro stavební výztuže se velmi často používá pultruze, neboli tažení zpevňovaného materiálu zpevňovaným médiem (pryskyřicí). Tímto způsobem se dají vytvářet konstrukce různých tvarů, profilů či průřezů. Kompozity zpevněné vlákny mají také samozřejmě mnoho výhod, těmi jsou například: vysoká relativní pevnost (pevnost na hmotnostní poměr 10-15 krát vyšší než u oceli), výborné únavové vlastnosti (pouze uhlík a aramid), excelentní odolnost proti korozi a také nízkou tepelnou roztažnost. Tak jako každý materiál má své výhody, tak je potřeba zmínit i nevýhody. Jednou z nich je vysoká nákladnost surových materiálů, se kterou souvisí i relativně nízká dostupnost těchto komponent (3).
FRP výztuže mají mnoho variací jak být používány. Dají se rozdělit jako FRP produkty pro vnitřní zpevnění konstrukcí a betonu, ale i pro vyztužení již vytvořených stavebních prvků a součástí z vnějšího prostředí. Vnitřními výztužemi jsou například, výztuže do betonu viz obrázek č. 1.1 a 1.2, používané pro mosty nebo pro výztuž betonu, který zpevňuje pobřeží moří a řek. Také mohou být využity pro kotvení různých podlaží tunelů, náspů a podobně.
10
Obrázek 1.1: Výztuž profilu I
Existuje mnoho typ betonu, ale mohou zpevň
Tímto působením je myšleno použití kompozitních tkanin (ro vyztužení nosných konstrukcí viz obr
Obrázek 1.3: Zesílení konstrukce mostu aplikací uhlíkové tkaniny
V oboru stavebnictví se stále více objevují prefabrikované kompozity, nazývané polymerní sendvičové panely. Jsou relativn
realizaci celého daného objektu. Tyto panely se vyzna schopnostmi a to díky svému jádru (
zajišťuje obal, který je př
konstrukční materiály se dají libovoln
výsledného panelu při zachování nízké hmotnosti
: Výztuž profilu I (4) Obrázek 1.2:
kruhového průř
Existuje mnoho typů výztuží, které nemusí být využívané jen pro zpevn betonu, ale mohou zpevňovat a podporovat samotnou konstrukci vně
sobením je myšleno použití kompozitních tkanin (rovingy), lamel a prvk ní nosných konstrukcí viz obr č. 1.3 a. 1.4.
3: Zesílení konstrukce mostu aplikací uhlíkové tkaniny (2)
Obrázek 1.4: Zesílení stropní konstrukce aplikací uhlíkových lamel
V oboru stavebnictví se stále více objevují prefabrikované kompozity, nazývané čové panely. Jsou relativně levnými komponenty, které urychlují realizaci celého daného objektu. Tyto panely se vyznačují dobrými termo
schopnostmi a to díky svému jádru (často polykarbonát). Pevnost t
uje obal, který je při zatížení vystaven působení tlakových a tahových sil. Tyto ní materiály se dají libovolně vrstvit, čímž je mnohonásobně
ři zachování nízké hmotnosti (6).
Michal Vyhnálek : Druhy výztuží
průřezu (5)
výztuží, které nemusí být využívané jen pro zpevnění vnějším působením.
ingy), lamel a prvků pro
4: Zesílení stropní konstrukce aplikací uhlíkových lamel (2)
V oboru stavebnictví se stále více objevují prefabrikované kompozity, nazývané levnými komponenty, které urychlují ují dobrými termo-izolačními asto polykarbonát). Pevnost těchto panelů kových a tahových sil. Tyto ímž je mnohonásobně zvýšena tuhost
11 Michal Vyhnálek
2 FRP produkty
Vlákny zpevněný materiál, jako jeden kus materiálu je složen z jádra a obalu.
Jádro je tvořeno právě textilní výztuží – vlákny a vnější obal kompozitu zabezpečí polymerní matrice.
Vlákny zpevněné polymerní materiály ve své struktuře obsahují vlákna často vysokých hodnot pevností. Tato vlákna jsou hlavní položkou, která ve výsledku přenáší mechanické napětí různého druhu. Příkladem toho, je namáhání tahem, kde vlákna vykazují velmi vysokou tuhost a pevnost. Produkty na bázi FRP, různých forem (desky, lamely, nebo právě tyče) obsahují statisícové někdy až miliónové zastoupení jednotlivých vláken – filamentů. Vlákna jsou v FRP chráněny polymerní matricí před vnějším poškozením, která jim zároveň zajišťuje rovnoměrné rozložení, což je důležité pro výsledné působící namáhání (2).
2.1.1 Používané materiály
Za posledních 30 let FRP produkty prošli vývojem, a tudíž v současné době existuje řada typů vláken a pryskyřic. Hlavním kritériem při výběru vláken jsou hlavně mechanicko-fyzikální vlastnosti. Jsou to zejména: pevnost, tažnost, houževnatost a hmotnost. V pozemním stavitelství jsou nejčastěji používána vlákna uhlíková, skleněná a aramidová (kevlarová) (2). Při výběru pryskyřic se v ohledu mechanických vlastností nejčastěji sleduje tuhost a zpracovatelnost. Samozřejmě často prioritní bývá cena výrobku a tudíž s ní spojené ekonomické náklady. Dalším hlediskem při výběru materiálů je samozřejmě způsob výroby.
2.1.1.1 Vlákenná výztuž
Vlákenná výztuž jako jádro kompozitu, je nezbytnou součástí FRP materiálů.
Právě vlákna přenáší síly ve finálních konstrukčních objektech. Tato vlákna musí mít výborné mechanické vlastnosti, ale zároveň musí být schopna čelit vnějším teplotním, chemickým a mnoho dalším vlivům. Avšak prvotními požadavky, je především čelit cyklickým mechanickým deformacím. V následujícím obrázku č. 2.1 jsou zobrazeny pevnostní průběhy nejčastěji vyskytujících se vláken v FRP systémech.
12 Michal Vyhnálek Obrázek 2.1: Porovnávací tahové charakterizační křivky pro nejvíce používaná vlákna
v FRP systémech (7)
Tabulka 1: Vlastnosti vláken používaných pro vyztužení polymeru
Vlákno Objemová hmotnost
Youngův modul
[GPa]
Pevnost v tahu [MPa]
Specifický modul
Protažení v %
Cena [€/kg]
Skleněná vlákna
E 1,54 70 2200 27,6 3-3,5 1
R 2,5 86 3200 34,4 3,5-4 4,0-6,0
S 2,53 86 3500 33,9 4,1 6,0-8,0
A 2,7 75 1700 27,7 0,75
Aramidová vlákna
Kevlar 29 1,44 59 2640 41 3,0-5 25-40
Kevlar 49 1,45 130 2900 8 ,7 1,5-3 60-75
Kevlar
149 1,47 146 2410 99,3 1,0-2 70-180
Karbonová vlákna
HS 1,8 230 4500 128 2 65-80
IM 1,76 290 3100 165 1,1 120-150
HM 1,86 380 2799 204,3 0,7
UHM 1,94 588 3920 303 0,7
Tabulka č. 1 ukazuje, že vlákna s nejvyšší pevností jsou karbonová vlákna, naopak vlákna s nejmenší pevností jsou skleněná vlákna. Skleněná vlákna mají naopak největší hodnotu protažení.
13 Michal Vyhnálek Vlákenné výztuže mohou být různých tvarů a rozměrů. Co se rozměrů týče, tak za kompozitní materiál se považuje takový materiál, který obsahuje nejméně 5 % výztuže z celkového složení (1). Nejmenší částice používané v kompozitním průmyslu jsou nanočástice, neboli nano-kompozity. Dalším řádem je pochopitelně mikro měřítko, a tudíž mikro-kompozity, které obsahují částice s největším rozměrem výztuže až 100 µm. Takto bychom mohli pokračovat v řádech jednotek, ale důležité je, také objasnit tvarové možnosti výroby kompozitních materiálů. Základním předpokladem pro rozdělení kompozitních výztuží z hlediska tvaru je orientace vláken.
Vláknové výztuže mohou být uspořádané v jednom směru – v jedné ose, nebo ve dvou a více směrech. Příkladem dvousměrně uspořádaných vláken jsou kompozitní tkaniny, nebo nezávisle na směru - nahodile orientovaná vlákna.
Nejlepších mechanických vlastností dosahují vlákna ve směru jejich osy, a naopak v příčných směrech jsou vlákna nejvíce náchylná na poškození. Tento poznatek je základním stavebním krokem pro výrobu FRP tyčí, které přenášejí převážně tahové síly. Jak již bylo řečeno, nejčastěji používanými vlákny v FRP systémech jsou karbonová, skleněná a kevlarová vlákna. Proto jsou zde více popsány.
Karbonová vlákna
Karbonová, neboli uhlíková vlákna mají velikost jednotlivých průměrů vláken 5 až 8 µm. Vlákno je na tuto svoji relativně malou tloušťku velmi pevné, díky krystalickému uspořádání atomů uhlíku převážně orientovaných podél osy vlákna (8).
Uhlíková vlákna lze vyrábět karbonizací nebo grafitizací z PAN nebo z pyrolyzních olejů a smol, které vznikají při destilaci ropy (9). Jejich průměrná hustota je 1750 kg / m3. Hlavní předností těchto vláken je vysoká pevnost v tahu, která se pohybuje v rozmezí 3000 – 6000 MPa. Mezi další vlastnosti patří vysoký modul pružnosti, odolnost proti cyklickému namáhání a tepelná odolnost. Nevýhodou je, že karbonová vlákna jsou křehká a proto mají nízkou odolnost proti nárazu. Další nevýhodou je elektrochemická koroze v kontaktu s méně ušlechtilými kovy (10).
14 Michal Vyhnálek Obrázek 2.2: Karbonové vlákna (11)
Skleněná vlákna
Jsou nejčastěji používaná v kompozitním průmyslu. Vyrábějí se tavením ze směsi křemenného písku při 1400 °C nebo metodou sol/gel což je velmi viskózní kapalina, která se chová jako pevná látka. Existuje více způsobů výroby, ale nejčastěji se zvlákňuje směsi nebo sol/gelu přes trysky a vytahují se přímo elementární vlákna o průměrech 5-25 µm. Vytažená vlákna jsou postupně sdružována do pramenů a ty jsou navíjeny na bubny, ale před navinutím se musí tyto prameny smočit horkým ochranným povlakem na bázi lubrikačních vosků, který je ochrání před lámáním. Skleněná vlákna jsou houževnatá, odolná proti ohni a dlouhodobě snáší teploty 450 °C. Rovněž mají odolnost proti chemikáliím (12) (10).
Obrázek 2.3: Skleněná multifillární příze vláken (12)
15 Michal Vyhnálek Čedičová vlákna
Čedičová vlákna jsou novým typem technického vlákna, v průmyslu dosud masově nerozšířená. Tento typ vláken lze použít v průmyslových aplikacích, kde se běžně používají skleněná vlákna. Jejich fyzikální, mechanické a chemické vlastnosti mají vyšší odolnost než vlákna skleněná. Vlákna čediče jsou složena ze svazku nekonečně dlouhých fibril vzniklých rozvlákňováním taveniny anorganického minerálu čediče vhodného složení – bazaltu. Mezi jejich základní vlastnosti patří: vysoká pevnost, ohebnost; odolnosti proti žáru, vodě, organickým i anorganickým kyselinám a UV záření. Dále mají vysoký elektrický odpor, odolnost proti eroznímu prostředí a vysoký koeficient zvukové pohltivosti. Vlákna čediče jsou složena ze svazku nekonečně dlouhých fibril vzniklých rozvlákňováním taveniny anorganického minerálu čediče vhodného složení – bazaltu. Vyrábějí se z čedičové horniny tavením při 1500-1700°C. Čedičová vlákna mají také široké spektrum použití. Příkladem jsou rovingové tkaniny pro kompozitní výztuž (stavební díly mostů, vodní lyže, stěny obrněných vozidel). Dají se také využít pro své tepelně izolační vlastnosti ve stavebnictví jako žáruvzdorné stavební hmoty a tmely, geotextilie a armovací tkaniny pro železniční a silniční stavebnictví a jiné (13) (14).
Aramidová vlákna
Aramidová vlákna jsou vyztužovací vlákna na bázi aromatických polyamidů.
Vlákna zvlákňovaného polymeru začínají tuhnout při průchodu spřádací lázní, kde se suší a dlouží při teplotě až 400 °C. Aramidová vlákna jsou obvykle vyráběna o jemnostech 22 – 167 tex pro všechna vlákna neomezené délky. Aramidová vlákna mají velké elektroizolační vlastnosti a jsou odolná proti vysokým teplotám až 370 °C.
Jsou také odolné proti ultrafialovému záření a odolné proti chemikáliím. Mají nízkou tepelnou roztažnost a nízkou elektrickou vodivost (15).
Obrázek 2.4: Hybridní karbonová tyč opletená kevlarovými vlákny (16)
16 Michal Vyhnálek 2.1.1.2 Matrice
Kompozity lze rozdělit podle mnoha různých hledisek. Jedním z nich je druh matrice. Matrice zajišťuje spojení výztuže (vláken) v jeden celek – kompozit. Jak již bylo řečeno, matrice chrání výztuž před okolním prostředím, zajišťuje kompozitu určenou orientaci a tím přenos rovnoměrného zatížení (10). Matrice - Pojivové složky, nebo také pryskyřice, existuje celá řada druhů. Jedním z nich jsou matrice kovové, které zajišťují kompozitnímu výrobku elektrickou i teplotní vodivost, nehořlavost a jiné z výhod. Nehořlavostí jsou známy i keramické matrice. Ty mají velmi vysokou chemickou odolnost a dobrou pevnost v tahu za zvýšených teplot. Jejich nevýhoda je křehkost. Uhlíkové matrice jsou také velmi křehké. Jejich použití je převážně při výskytu extrémních teplot (17).
Nejčastějšími matricemi především ve stavebnictví jsou matrice polymerní. Tyto pryskyřičné materiály se prokazují dobrou korozivzdorností a dobrými dielektrickými vlastnostmi (18). Nejpoužívanější polymerní matrice lze rozdělit jako termosetické a termoplastické. Termoplastické matrice (PP, PA) se používají v ohledu na budoucí recyklovatelnost, protože u termoplastů je možno opětovně přetvářet jejich strukturu nebo je libovolně upravovat a to díky jejich viskoelastickým vlastnostem nad jejich teplotou skelného přechodu Tg. Naopak termosety neboli reaktoplasty se přetvářet nedají, tudíž jsou kladeny vysoké nároky na výslednou kvalitu finálního provedení kompozitu. Během vytvrzování se vytváří netavitelná a nerozpustná zesíťovaná struktura pryskyřice. Jelikož právě termosetické pryskyřice jsou nejvíce používanými pryskyřicemi pro FRP ve stavebnictví, tak jsou dále podrobně popsány.
Epoxidové pryskyřice
Epoxidové pryskyřice, jako všestranné reaktoplasty vhodné pro konstrukční použití, mají dobré mechanické, dynamické vlastnosti a dobrou teplotní odolnost (při použití vhodných tvrdidel až do 180 °C). Teplotní odolnost epoxidových pryskyřic se vyjadřuje pomocí hodnoty Tg, což je teplota skelného přechodu. Pod touto teplotou si kompozit zachovává své potřebné mechanické vlastnosti (9). Při vysokých teplotách, (např. při výskytu požáru) nad teplotou Tg, pryskyřice začíná na povrchu měknout a začínají se zde vyskytovat lokální trhliny. V této chvíli pryskyřice nebude moci přenášet svazek výztuže a plný kolaps konstrukce nastane tehdy, když teplota vlákenné výztuže dosáhne úrovně, při které začne degradovat. Z výzkumu americké university Alabama A&M University (19), bylo prokázáno, že v případě překročení teploty FRP
17 Michal Vyhnálek výztuží, vyšší než je teplota skelného přechodu Tg, tak hodnota pevnosti epoxidové pryskyřice se rovná 0. Dále byl také zjištěn 30% pokles pevnosti ve smyku při teplotě 80 °C než je tomu při teplotě pokojové. To vypovídá o dobrých creepových vlastnostech, neboli odolnostem v tečení. Dále mají epoxidové pryskyřice také odolnost proti únavě a proti chemikáliím. Vykazují dobrou přilnavost k vláknům, ale jsou navlhavé a v případě přítomnosti vody se musí počítat se snižující teplotní odolností (18).
Polyesterové pryskyřice
Jsou jedny z nejvíce používaných pryskyřic v oblasti kompozitních materiálů.
Polyesterové pryskyřice lze použít pro všechny technologie, protože při vytvrzování lze dosáhnout širokého rozmezí doby gelace a doby vytvrzení. Nenasycené polyesterové pryskyřice mají velké smrštění při vytvrzování (7 – 8 %), za to jsou velmi křehké s častým výskytem mikrotrhlin. Mají dobrou odolnost proti ultrafialovému záření a dobře smáčejí skleněná vlákna (18). Povrchové vrstvy z polyesterových pryskyřic dodávají výrobku zlepšující povětrnostní vlastnosti a lepší chemickou odolnost (9).
Vinylester
Makromolekuly pryskyřice vinylesteru mají méně reaktivních míst než pryskyřice polyesterové, kde se dvojné vazby vyskytují pouze na koncích makromolekul. To má za důsledek menší stupeň zesítění, což vede k větší flexibilitě tzv. ohybnosti a snížení pravděpodobnosti výskytu mikrotrhlin. V porovnání s polyesterovými pryskyřicemi, mají vinyl-esterové matrice zvýšenou mezi-laminární smykovou pevnost a větší houževnatost. Dále mají lepší korozivzdornost, vyšší tepelnou odolnost, ale pomalejší vytvrzovací schopnost (9).
2.1.2 Technologie výroby
Způsobů, jak lze vyrábět kompozitní materiály je nepřeberné množství. Je velmi důležité jaký způsob výroby zvolit, protože výsledný kompozit se může lišit v mnoha směrech. Tyto směry závisí na ovlivňujících faktorech, kterými jsou: množství vyráběných kusů neboli typ výroby (hromadná, sériová, zakázková), dalším faktorem je cena za materiál a celkové výrobní ekonomické náklady. Důležitým faktorem při výrobě kompozitu jsou samozřejmě požadované vlastnosti kompozitu, což jsou nejčastěji primárně pevnost a hmotnost, ale také kvalita povrchu a tvar výsledného výrobku. Níže jsou popsány základní způsoby výroby kompozitů.
18 Michal Vyhnálek Ruční kladení
Ruční kladení se řadí mezi nejstarší a nejjednodušší metody výroby kompozitních materiálů. Ruční manipulace s materiály zajistí prosycení pryskyřicí do námi zvolené míry, což lze považovat za výhodu, stejně jako individuální přístup k výrobkům při výrobě prototypů. Nejvíce používané pryskyřice (EP, VE, UP) se nanášejí nosnými elementy, jako jsou válce, štětce, stěrky apod. Nános je možné provádět za studena čili při pokojové teplotě, ale pro urychlení lze použít vytvrzovací vyhřívané komory nebo autoklávy. Autoklávy jsou uzavřené nádoby, které pomocí zvýšené teploty a tlaku (121 °C) urychlují tzv. „zrání“ kompozitního výrobku. Tímto způsobem je možné vyrobit mnoho kompozitních výrobku, ale nejčastěji se touto metodou vyrábějí tkaniny, rohože a výrobky větších rozměrů (17) (18) (20).
Vstřikování
Tento způsob výroby stejně jako ruční kladení, probíhá při otevřené formě, kde je směs pryskyřice a krátkých vláken stříkána na zpevňovanou plochu. Podíl krátkých vláken je připraven rozsekáním rovingu a následně dopravován do pistole, kde probíhá mísení a následný pneumatický transport. Metodou stříkání se nejčastěji zpevňují velké plochy sériové produkce. Nevýhodami je zvýšený plošný odpad směsi. Osoba pověřená ovládáním stříkacího zařízení musí být chráněná před párami rozpouštědel nasycených pryskyřic (vinylester, polyester) (10) (18).
Lisování
Výroba lisováním je založena na zpevnění připravené směsi dvou a více složek (závisí na typu lisování). Předem připravené složky lze lisovat za studena při pokojových teplotách nebo za tepla. Kompozity vytvořené lisováním za tepla mají velmi vysokou kvalitu povrchu. Jsou požívány dvoudílné vyhřívané formy s leštěnými povrchy, díky kterým je zajištěna ještě vyšší kvalita výlisku. Takto se vytvářejí středně velké výlisky sériové výroby, přičemž hlavní nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady (21).
Tažení – Pultruze
Touto velmi efektivní metodou lze vyrábět kompozity mnoho tvarů profilů při vysokém obsahu výztuže. Kompozit vniká tak, že výztuž je kontinuálně odtahovaná z cívečnic a protahována lázní dané pryskyřice. Po tomto kroku standardně nastává
„zrání“ (neboli ztuhnutí pryskyřice), které je urychleno vyhřívanými komorami.
19 Michal Vyhnálek V moderních linkách je nekonečný profil řezán na potřebné délky strojní pilou umístěnou v konečných místech linky.
2.1.3 Mechanické chování FRP tyčí
V posledních dvaceti letech bylo vykonáno mnoho výzkumných prací v problematice FRP systémů. V tomto výzkumu je stále pokračováno, přičemž hlavními strategiemi zájmu je například, monitorování pseudo-duktilního chování FRP za účelem získání meze kluzu a pseudo-plastické deformace, která by mohla včasně detekovat selhání FRP systému. Dále, vývoj nové generace pletených kompozitních tyčí s přidáním ocelových komponentů do FRP systému. Je zde snaha pokračovat v monitoringu betonových konstrukcí pomocí alternativní metody (22), která má být schopná včasně signalizovat nebezpečí v případě strukturálních trhlin nebo převýšeného napětí.
V dnešní době je už mnoho vytvořených prací, které se zabývali pseudo- duktilním chováním. Nicméně, už v polovině 90 let bylo použito opletené struktury aramidu (23). Myšlenka experimentu byla založena na duktilitě, která by se projevila ihned po maximálním bodu v lineární oblasti v pevnostní křivce. Bylo očekáváno získání tohoto chování, tím že vzniklá opletená struktura bude vyvíjet tlak na vnitřní materiál, když bude tyč pod vlivem tažných deformací. Po experimentu, bylo závěrem řečeno, že k zvětšení duktility kompozitu je možné použít techniku opletu při použití válcového tvaru jádra, které je vytvořeno vyztužovanými vlákny.
3 Pletené kompozitní ty č e
Zkratka BCR z anglického Braided composites rods, označuje kompozitní tyče, které mají na vnějším povrchu opletenou strukturu. Technologie opletání je v technologickém sledu operací zařazena následně za místem, kde je vlákenná výztuž protahována pryskyřičnou lázní – pultruzí. Kompozitní opletené tyče jsou vyvíjeny jako plná náhrada ocelové výztuže do betonu. Ocelové tyče jsou díky svému žebrovanému tvaru povrchu snadněji ukotveny uvnitř betonových konstrukcí a tak je v současnosti dbáno na vytváření obdobného povrchu na kompozitních tyčích, čeho lze dosáhnout také právě oplétáním.
20 Michal Vyhnálek Vývoj a současnost
Technologie opletání je jednou z nejstarších technologií tvorby textilních struktur. Běžné je používaná při výrobě kabelů a lan, ale v současnosti se často používá také pro kompozitní výztuž. Díky této technologii lze tvořit multiaxiálně orientované oplety. Tvarové uspořádání může mít mnoho forem, avšak jak je známá forma
„žebrování“ u ocelových výztuží, tak byla snaha vytvořit právě obdobné struktury.
Důkazem toho je výzkumná práce (24), kde byly testovány pletené kompozitní tyče i s žebrováním. Takto tvarované kompozitní výztuže byly vytvořeny za použití jedné nebo více přízí většího průměru.
Obrázek 3.1: Žebrovaná pletená kompozitní tyč (25)
Vlastnosti
Pletení a oplétání lze cenově zařadit mezi nízkonákladové technologie v porovnání s cenou za materiály potřebné k vytvoření FRP. Mimo cenovou nákladnost má oplétání výhodu v tom, že je velmi přizpůsobivé, například při změnách rychlosti výroby (odtahu) a při používání lišících se přízí za účelem tvorby více orientované struktury. Oplety mají také výbornou odolnost proti mechanickému poškození.
Mechanické vlastnosti jako jsou: pevnost v tahu, pevnost v krutu, ohybu nebo střihu, jsou nejvíce určovány procentuálním zastoupením jednotlivých výztužných materiálů a oplet na tyto vlastnosti nemá pádný vliv.
3.1 Konstrukce a výroba BCR
Technologie BCR je založena na myšlence, kde všechny komponenty potřebné k vytvoření FRP kompozitu směřují do místa, kde nastává pletení. Avšak je zapotřebí dodržet technologický sled operací, který bezpochyby může ovlivnit kvalitu výsledného výrobku, tudíž i jeho výsledné vlastnosti.
21 Michal Vyhnálek Způsob výroby
Tento sled operací (obrázek č. 4.8 v kapitole 4.2) je standardně seřazen chronologicky počínaje odvíjením vyztužovaného materiálu, který pokračuje do pryskyřičné lázně, kde je smočen. Odtud vlákenná výztuž vede středem oplétacího stroje až do místa, kam směřují všechny napnuté příze z cívek, kde je vytvořen oplet a zároveň je dosaženo povrchového styku s výztuží. Pokud je potřeba, tak je možnost kompozitní tyč protáhnout sekundární lázní pryskyřice pro dokonale prosycení kompozitu pryskyřicí. Dále je vlákny vyztužený polymer tažen skrz vyhřívanou komoru, která má za cíl zrychlit zrání kompozitu a zvýšit tak produktivitu výroby.
Konec linky může být ukončen řezacím mechanismem ve formě kotoučové pily.
Oplet vzniká v místě (obrázek č. 3.2), kam směřují všechny příze. V tomto místě je za většinou konstantní odtahové rychlosti tvořen oplet, který pokrývá kompozitní tyč v celé jeho ploše.
Obrázek 3.2: Schéma tvorby opletů (26)
Obrázek 3.3:Místo vzniku opletaných povrchů - PRSTENEC
Hustota opletení je daná především počtem přízí z pletacího stroje, přičemž je často používáno sudého počtu cívek. Na obrázku č. 3.3 je vidět zkušební oplet pro kompozitní tyče, který je složen ze 42 přízí.
Jedním z důležitých parametrů v procesu pletení je tzv. úhel opletení, viz obrázek č 3.4. Hodnota tohoto úhlu se bude snižovat s narůstající rychlostí odtahu. Toto tvrzení je možné si ověřit v článku (26), kde byl zjištěn lineární pokles úhlu opletení s rostoucí rychlostí. Použité materiály jsou v tomto experimentu dva rovingové multi- filamenty opletené osmi polyesterovými přízemi, které byly poté impregnovány vinyl esterovou pryskyřicí. V článku je zmíněno, že úhel opletu má také vliv na pevnost
22 Michal Vyhnálek v tahu. Tyče byly testovány do úplného přetrhu. S rostoucím úhlem opletu byla síla v tahu navyšována až do limitu 18,6°, avšak při úhlu opletu 25° a vyšším, se síla v tahu rapidně snížila.
Obrázek 3.4: Schématický obrázek oplétaných tyčí – naznačení opletu (27)
Konstrukce a složení
Jak bylo zmíněno výše, pro lepší upevnění v betonu je použito tvaru žeber.
Žebra jsou při oplétání vytvořena použitím jedné a více přízí většího průměru viz obrázek č 3.5.
Obrázek 3.5: Znázorněný řez opletenou tyčí a opletenou tyčí s žebry (25)
Tyto větší příze narušují pletenou konstrukci, kterou nelze označit za stejnoměrnou. Naopak požadovanou vlastností je velmi dobré mechanické spojení v betonovém systému.
3.1.1 Testování BCR
Pro testování kompozitních materiálů jako pro všechny konstrukční materiály existují normalizované zkoušky, kterých je nezbytné se držet. Tyto zkoušky jsou navrhnuty a zpracovány tak, aby daný test byl proveden korektním postupem za daných
23 Michal Vyhnálek podmínek. Tyto podmínky mají více významů. Podmínky mohou být různého charakteru, normované podmínky jsou nejčastěji: rozměry vzorku, použití vhodných testovacích strojů a nástrojů, přípravků či pomůcek. Jsou to také fyzikální faktory zkoušky, jako je zejména: rychlost a definice zkoušek, ale také okolní podmínky v testovaném prostředí (teplota, vlhkost, tlak). Jen při dodržení všech těchto standardních podmínek, může být konečný výsledek posuzován za korektní a považován za základ budoucího hodnocení a podkladem pro porovnávání.
Existuje mnoho testovacích zkoušek pro kompozitní materiály, ale níže budou popsány pouze využité zkoušky pro tuto práci. Je to: stanovení mechanických vlastností tahovou zkouškou, stanovení mechanických vlastností tří-bodovým ohybem a stanovení pevnosti v rázu Charpyho kladivem.
Normalizované zkoušky
Pevnost v tahu
Zkouškou v tahu se zjišťují hodnoty, které jsou nezbytnou součástí pro pevnostní výpočty strojních a konstrukčních materiálů. Zkouška tahem patří k nejpoužívanějším v technické praxi. Při zkoušce tahem se sleduje chování materiálu (vzorku). Sledování tohoto chováním je myšleno zjišťování závislosti působící síly na poměrném prodloužení zkušebního vzorku. Podmínkou je působení plynule a spojitě měnících se velikostí sil bez rázů.
Obrázek 3.6: Pracovní diagram tahové zkoušky (ocel) (28)
Vyhodnocení tahové zkoušky je pracovní diagram (obrázek č. 3.6), který je výsledkem daného testovacího softwaru propojený s trhacím strojem. Tento diagram, po přepočtení ukazuje závislost relativního prodloužení na napětí. Jelikož se napětí
24 Michal Vyhnálek počítá z původního průřezu zkoušeného vzorku tak tento diagram nazýváme jako smluvní.
Pevnost v rázu Charpyho kladivem
Zkouška v rázu je ukazatelem houževnatosti a křehkosti materiálu. Zkouška pevnosti v rázu Charpyho kladivem je založena na principu volně padacího kladiva, které je vedeno na střed vzdálenosti mezi podpěrami za účelem udeření do vzorku.
Po přeražení vzorku se vyhodnotí hodnota energie potřebná k přeražení vzorku.
Cílem zkoušky je stanovit kolik energie nebo práce se spotřebuje na porušení zkušebního vzorku vztah 1, kde aCNje rázová houževnatost (pevnost v rázu) [kJ.m-2],
103
⋅ ⋅
= h b aCN EC
]
m kJ
[ ⋅ -2 (1)
ECje korigovaná energie spotřebovaná pří přeražení vzorku [J], dále šířka vzorku h [mm] a šířka vzorku [mm].
Obrázek 3.7: Charpyho kladivo (29) Tříbodový ohyb
Zkratkou 3PB z anglického Three point bend test, neboli tříbodový ohyb je založen na stanovení průhybu Amax (ymax), což je jiné vyjádření maximálního ohybového momentu M0max. Princip této zkoušky je založen na působení ohybové síly F na zkoušený vzorek, který je položen na podporách ve vzdálenosti 20 x b, kde b je průměr testovaného vzorku, viz obrázek č. 3.8. Tuto sílu analyzujeme, až do momentu kdy je porušen materiál. Zkušební tyč je podepřena ve vzdálenosti
25 Michal Vyhnálek l na volně otočných válečkách tak, aby podepření nebránilo pohybu tyče a tím i volnému deformování.
Obrázek 3.8: Schéma metody tříbodového ohybu (30)
Zkouškou zjistíme pevnost v ohybu Rmo (vztah 2), což je smluvní napětí na mezi pevnosti.
0
max 0
W Rmo = M
]
[MPa (2) Kde Momax (vztah 3) je ohybový moment při maximální zatěžující síle Fmax, kde l je vzdálenost podpor.
4
max max
l
Mo = F ⋅ [Nm] (3)
Hodnoty modulu průřezu v ohybu se liší od ohýbaného průřezu. Pro kruhový průřez je průřezový modul dán vztahem 4.
3 3
0 10
1 32d d W =π⋅ ≅
[m3] (4) Tříbodovým ohybem se dá také zjistit modul průřezu v tahu za Eto, která je dána vztahem 5, kde F je maximální zatížení [N], l je vzdálenost mezi podpěrnými válečky [mm] a J je moment průřezu vzorku (moment setrvačnosti) (1) (17).
J A
l Eto F
⋅
⋅
= ⋅
max 3
48 [MPa,GPa] (5)
Amax v tomto vztahu značí maximální průhyb vzorku (v obrázku č. 3.8 značeno y).
26 Michal Vyhnálek
64
d4
J =π⋅ [ 4]
m (6) Pro kruhové vzorky je moment průřezu J dán vztahem 6, který je určený průměrem vzorku d [mm] (30) (31).
Pro testování a stanovení modulu pružnosti tenčích vzorků je vhodným způsobem čtyřbodový ohyb. Při čtyřbodové zkoušce je zkušební těleso prohýbáno dvěma trny působícími v jedné třetině nebo jedné polovině vzdálenosti podpěrných trnů. Hodnoty pevností v ohybu jsou nižší. Je zde také jiné rozložení ohybového momentu než u tříbodového systému (32).
Obrázek 3.9: Ukázka čtyřbodového ohybu (32)
27 Michal Vyhnálek
4 Experimentální č ást
Experimentální část této práce je zaměřena na hodnocení mechanických vlastností kompozitních pletených tyčí. Základní mechanické tahové, ohybové a rázové vlastnosti jsou popsány v teoretické části spolu s metodami jejich vyhodnocení.
Jednotlivé výsledky byly naměřeny a experimentálně zpracovány pomocí programu MS Excel.
Hodnocenými parametry jsou:
• vliv materiálového složení na pevnost tyče v ohybu
• zjištění mechanických rázových vlastností jednotlivých tyčí
• vliv materiálového složení na pevnost tyče v tahu
• obrazová analýza povrchů průřezů BCR
4.1 Charakteristika použitých materiál ů
Všech sedm druhů tyčí (M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7) určených pro měření byly vyrobeny stejným způsobem. Tento způsob výroby oplétaných kompozitních tyčí byl zvolen na základě předchozích praktických zkušeností, načerpaných v rámci zahraniční stáže na Universitě MINHO (dále jen UMINHO) v portugalském městě Guimaraẽs po dobu pěti měsíců. Tento způsob se nazývá pultruze (viz teoretická část kapitola 2.1.2), který je znázorněn a více popsán níže. Důvod výroby těchto tyčí v UMINHO byl především dostupnost a využití horizontálního oplétacího stroje s možností kontinuální výroby.
Veškerý materiál využitý pro výrobu těchto tyčí byl poskytnut textilním oddělením UMINHO. Jako vlákenná výztuž byla použita skleněná a karbonová vlákna.
Skleněná vlákna byla k dispozici ve dvou typech přízí od francouzské firmy Owens Corning, o jemnostech 4800 tex a 9600 tex (obrázek č. 4.1 a 4.2). Společnost Owens Corning uvádí pevnost 5420 MPa pro skleněné příze o jemnostech 4800 tex. Druhou vyztužovací komponentou těchto tyčí byla karbonová výztuž, také ve formě filamentů příze. Tyto příze byly k dispozici od firmy TOHO TENAX HTS40 s jemností jedné Tabulka 2: Použité materiály pro výztuž tyčí
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
Zastoupení skleněné výztuže [%] 100,00 90,00 75,00 50,00 25,00 10,00 0,00
Zastoupení karbonové výztuže [%] 0,00 10,00 25,00 50,00 75,00 90,00 100,00
28 Michal Vyhnálek příze 1600 tex o celkovém počtu 24 000 filamentů s pevností 4300 MPa a udávaným prodloužením do přetrhu 1,8 %.
Obrázek 4.1: Skleněné příze E- glass 4800 a 9600 tex
Obrázek 4.2: Výrobní označení skleněné příze Owen Corning
Karbonové příze je možné spatřit na obrázku č. 4.3. Na obrázku č. 4.4 jsou tyto karbonové příze převinuty na vhodné cívky pro odvíjení vlákenné výztuže tyčí. Pro vytvoření opletu bylo použito polyesterové příze o jemnosti 110 tex. Zákrut těchto přízí je levý a má tedy označení S.
Obrázek 4.3: Použitá karbonová příze
Obrázek 4.4: Převinuté příze na cívky
29 Michal Vyhnálek Důležitým komponentem pro výrobu kompozitních tyčí je pryskyřice. Použita byla tří složková epoxidová pryskyřice (obrázek č. 4.5), která má dobrou pevnost a pružnost.
Tato pryskyřice s označením Biresin je složena ze tří komponentových složek, jak je možné vidět na obrázku č. 4.5a, b, c. Obrázek č. 4.5a označuje základ této směsi epoxidovou pryskyřici. Pod druhým označením obrázku č. 4.5b, je zobrazen stabilizátor pryskyřice a označení 4.5c je akcelerátor. Objemové zastoupení bylo dodrženo podle přiloženého předpisu. Zastoupení složek je předepsané jako množství složky na hmotnost (mixing ratio: in parts by weight). Epoxidová pryskyřice 100, stabilizátor 90 a akcelerátor 2. Jednotlivé složky je nezbytné důkladně promíchat, aby pryskyřice měla jednotnou barvu a především konzistenci. Smíchané komponenty z obrázku 4.5 a, b, c jsou zobrazeny na obrázku 4.6 a 4.7.
Obrázek 4.6: Tři složky před smícháním
Obrázek 4.7: Smíchané složky připraveny pro pultruzi Obrázek 4.5: Třísložková epoxidová pryskyřice
a b
b
c
30 Michal Vyhnálek 4.1.1 Výpočet materiálu pro jednotlivé tyče
Volba vlákenné výztuže proběhla na základě konzultace s odborným personálem z tamního oddělení UMINHO, které má zkušenosti s výrobou a vlastnostmi BCR.
Výztuž byla zvolena jako kombinace dvou druhů vláken, skleněných a karbonových vláken. Bylo vyrobeno sedm typů tyčí (M1-M7) viz tabulka 3, kde je vidět návrh jednotlivých tyčí s procentuálním zastoupením dané výztuže. Počet jednotlivých přízi byl zvolen na základě výpočtu.
Tabulka 3: Návrh složení jednotlivých tyčí
Typ vlákna M1 M2 M3 M4 M5 M6 M Total
Karbon (Tenax HTS40)
[%] 0 10 25 50 75 90 100 -
Sklo (Owens Corning)
[%] 100 90 75 50 25 10 0 -
Min. počet vzorků [ks] 3 7 7 7 7 7 3 41
Min. požadovaná délka
typu [mm] 780 1820 1820 1820 1820 1820 780 10660
Složení vyztužovaného materiálu pro jednotlivé tyče, vycházelo ze vzorce pro výpočet jemnosti.
= / [tex] (7)
Pro urychlení celkového výpočtu složení kompozitních tyčí byla vytvořena výpočetní tabulka v programu MS EXCEL 2010. Tato tabulka (tabulka č. 4), obsahuje všechny parametry potřebné pro výpočet objemového zastoupení vlákenné výztuže, tedy jemnost používaných přízí (skleněné 4800, 9600 tex a karbonové 1600 tex) a hustotu materiálu (ρsklo = 2540 g / m3 a ρkarbon = 1770 g / m3). Pro výpočet je pouze potřebné zadat odhadovaný počet přízí a následně je automaticky vypočtena hodnota zobrazena ve sloupci objemu vláken [%].
Tabulka 4: Výpočetní tabulka - pro typ M2 (90 % Sklo + 10 % Karbon)
Vlákna Počet
přízí
Jemnost [g/km]
Hustota [g/m3]
Obsah [mm2]
Objem vláken [%]
de [mm]
Karbon 2 1600 1770 1,81 10,68
5,49
E-sklo 4 4800 2540 7,56 44,66
E-sklo 2 9600 2540 7,56 44,66
BCR - - - 16,93 -
Také je vypočten průměr d výsledné tyče, který zde ale plní pouze informativní, avšak důležitou funkci. V tabulce č. 4 je pro typ tyče M2 vypočten průměr tyče
31 Michal Vyhnálek de = 5,49 mm, což by teoreticky mělo znamenat, že vytvořená tyč bude mít skutečně shodnou hodnotu průměru. V reálné praxi, se ale průměr tyče liší. Tato odlišnost je způsobená hned několika různými parametry. Zásadním parametrem, je zvolená produkční, neboli odtahová rychlost, dále je to zvolený typ pryskyřice a množství opletaných přízí. Čím vyšší by odtahová rychlost měla být, tím menší průměr tyče, bychom měli dostat. Tímto navrženým průměrem, ale dostaneme pouze průměr výztuže (jádra), to znamená, že do něho není započítáno použití opletu a pryskyřice.
Informativně tedy tato hodnota slouží pro návrh hodnot o shodných velikostech průměrů jednotlivých výztuží, a tudíž spočtený průměr ostatních tyčí by se měl pohybovat okolo podobné hodnoty deM2 = 5,49 mm. Reálný průměr tyče typu M2 je X(dM2) = 6,923 mm. Spočteno z 35 měření po celé délce tyče 10 m (více v tabulce č. 5 na konci kapitoly 4.2). Kalkulace materiálů pro jednotlivé M1 – M7 tyče je dostupná v přílohách.
4.2 Popis výroby a jednotlivých za ř ízení
Pultruzní proces je založen na tažení kompozitní výztuže skrz danou matrici a před vytuhnutím dostává kompozit finální tvar, lépe řečeno profil. V tomto případě byla snaha o vytvoření kruhového profilu, čehož bylo docíleno horizontálním oplétacím strojem. Z cívečnic oplétacího stroje směřují příze do kruhového prstence, skrz který prochází smočená vlákenná výztuž, kde je následně vytvořen oplet.
Obrázek 4.8: Schéma výroby BCR (27)
Na obrázku 4.8 je znázorněné schéma pultruzní výroby, které je téměř totožné s reálnou pultruzní linkou UMINHO. Před začátkem výroby je nutné mít připravený vlákenný materiál. Z finančních a prostorových důvodů se karbonové příze převinuly na menší cívky (obrázek č. 4.9). Vlákenná výztuž je odvíjena z vlákenné předlohy, která
32 Michal Vyhnálek směřuje do urovnávající karty. Tato karta plní funkce vodiče vlákenné výztuže v potřebném směru, pod určitým úhlem a požadovaném rozvržení (obrázek č. 4.10).
Obrázek 4.9: Odvíjení vlákenné výztuže (Skleněná a karbonová vlákna)
Obrázek 4.10: Seřaďovací karta
Následujícím krokem této pultruzní linky, je smočení vlákenné výztuže v pryskyřici. Z karty směřuje vlákenná výztuž do pryskyřičné lázně. Zde musí vlákenná výztuž projít celým svým objemem, aby došlo k dokonalému smočení. Pro dokonalé smočení v pryskyřici je uzpůsobeno přídavné příslušenství, s výměnnými typy nádob (obrázek č 4.11a, 4.11b), kam do hloubky nádob jsou zapuštěny ocelové plátky s dírami na jejich konci. Těmito dírami prostupuje dvojice hladkých leštěných tyčí, které usměrňují vlákennou výztuž pod hladinu pryskyřice (obrázek č. 4.11c).
a b c
Obrázek 4.11: Pryskyřičná lázeň
33 Michal Vyhnálek Dle schématu na obrázku č. 4.8 je vlákenná výztuž tažena skrz zadní část oplétacího stroje. Horizontální oplétací stroj je jedním z nejdůležitějších prvků celé výroby, protože dává výrobku finální tvar (profil) a jeho oplet zajištuje kompletní celistvost. Oplétací stroj (obrázek 4.12 a, b, c) je vybaven 42 cívečnicemi upevněných na samostatně do sebe navazujících maltézských mechanismů (obrázek č. 4.12c).
Při chodu stroje do sebe mechanismy zapadají a střídavě se pohybují po vnějším a vnitřním obvodu pracovního čela stroje. Rychlost opletu je přímo-úměrně synchronizovaná s odtahovou rychlostí, tudíž pokud chceme zvýšit odtahovou rychlost, tak se pochopitelně zvýší otáčky pletacího stroje. Při vysokých otáčkách mohou nastat menší komplikace v kvalitě opletu. Příkladem jsou vyšší produkční rychlosti (1,62 m / min), kde není oplet pravidelně uspořádaný a tvoří se vynechaná místa - absence oplétaných přízí.
Pro rozvržení výrobního času pro výrobu kompozitu, bylo nezbytné spočítat výrobní rychlost. Produktivita výroby je při výrobě oplétaných tyčí dána výrobní odtahovou rychlostí. Ta byla spočtena, jako jedna otáčka (obtočení zkušebním materiálem) odtahového válce za jednotu času. Při průměru odtahového válce
ø
Válec = 50 cm je jeho obvod roven 157,1 cm. Odtahová rychlost byla regulována na ovládacím panelu o daných hodnotách, jako Stupeň rychlosti v intervalu od 0 do 60 viz tabulka č. 5.a b c
Obrázek 4.12: Horizontální oplétací stroj
b a a b b c c
34 Michal Vyhnálek Tabulka 5: Tabulka rychlostí
Stupeň
rychlosti Čas [s] Rychlost [cm/s]
Rychlost [m/min]
Rychlost [m/h]
Čas po 5 metrech [min]
10 403 0,39 0,2339 14,0 21,38
19,9 156 1,01 0,6042 36,2 8,28
30,1 102 1,54 0,9240 55,4 5,41
40 76 2,07 1,2401 74,4 4,03
50 58 2,71 1,6250 97,5 3,08
60 48 3,27 1,9635 117,8 2,55
Výrobní rychlost je důležitá nejen při tvorbě opletu, ale také při zrání vyráběného kompozitu. Při výrobě vzorků pro tuto práci, bylo použito stupně rychlosti 10, což vedlo k výrobě pěti metrů kompozitní tyče za 21,38 minut. V tomto procesu bylo použito vyhřívané pece, která plní hlavní funkci a to vytvrzení kompozitu.
Pec je konstruovaná vyztuženými plechovými bočnicemi s vnitřním izolačním materiálem – skleněnou vatou. V čelních stranách jsou vytvořeny otvory pro průchod kompozitního materiálu.
Pracovním elementem jsou zde elektricky vyhřívaná topná tělesa na obou stranách podstavy pece (obrázek č. 4.13a, b). Teplota je měřena digitálním teploměrem, na který je zapojen display. Standardní teplota pece, při které byl kompozit vyráběn, byla 180 °C. Jelikož je oplet z polyesterových přízí, tak je kladen důraz, aby teplota nepřekročila více jak 230 °C. Důležitým faktorem je zde mírné napětí celé vlákenné výztuže. Je zcela nežádoucí, aby byla vlákenná výztuž v nenapřímeném rovném tvaru, což by mělo pádný vliv na výsledné mechanické vlastnosti a chování celého kompozitu.
a b
Obrázek 4.13: Vytvrzovací pec
a b
35 Michal Vyhnálek Konečná fáze produkce je ořez. Při vyrobení požadované délky, viz obrázek č. 4.14a (maximum 11 metrů), poté následoval oddělovací proces. Před samotným řezáním je důležité rozvržení požadovaných délek tyčí. Z důvodu transportu z UMINHO pro TUL byly kompozitní tyče nařezány na délky 90 cm kotoučovou pilou.
Následně proběhlo zkompletování a zabalení pro transport.
Důsledkem občasného zastavení výroby nejčastěji z důvodů nutnosti doplnění materiálu či různorodého prosycení pryskyřicí se konečný průměr kompozitní tyče mění. Proto byla provedena analýza geometrického průměru. Každý zkoušený typ M1 – M7 je změřen od počátku až po jeho konečnou délku s krokem měření průměru 5 cm. Základní statistické vyhodnocení průměru (střední hodnota – X, variační koeficient – CV) je uvedeno v tabulce parametrů použitých materiálů (tabulka č. 6).
V tabulce je také uvedeno materiálové složení jednotlivých typů za použití počtu přízí vyztužovaného materiálu.
Tabulka 6: Parametry použitých materiálů
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
Návrh obsahu – Sklo [%] 100,00 90,00 75,00 50,00 25,00 10,00 0,00
Návrh obsahu – Karbon [%] 0,00 10,00 25,00 50,00 75,00 90,00 100,00
Počet skleněných přízí (4800 tex) 1 0 1 1 0 1 0
Počet skleněných přízí (9600 tex) 4 4 3 2 1 0 0
Počet karbonových přízí (1600 tex) 0 2 5 9 14 17 19
Reálný obsah - Sklo [%] 0,00 10,68 25,47 46,27 77,00 89,05 100,00
Reálný obsah - Karbon[%] 100,00 89,32 74,53 53,73 23,00 10,95 0,00
X(d) [mm] 6,82 6,93 7,02 7,60 7,21 7,33 7,35
CV(d) [%] 2,96 2,81 2,69 6,64 3,12 3,74 6,60
a b c
Obrázek 4.14: Délky kompozitních tyčí
a b c
36 Michal Vyhnálek
4.3 Testování mechanických vlastností
Na všech vyrobených tyčích M1 – M7 byly provedeny testy pro zjištění obvyklých mechanických vlastností, jako je pevnost v ohybu, v tahu a rázová pevnost.
Díky ohybovým charakteristikám byl vypočten modul pružnosti v tahu za průhybu tyče Eto [GPa] podle vztahu 5 na konci kapitoly 3.1.1 v teoretické části. Vypočtené hodnoty měly být dle původního plánu porovnány s naměřenými hodnotami experimentálně zjištěných modulů pružnosti v tahu Et, ale z časových důvodů a komplikovanosti vytvoření jednotlivých vzorků pro tahovou zkoušku, byl po dohodě s vedoucí práce tento krok zamítnut.
4.3.1 Zjišťování pevnosti v ohybu
Pevnost v ohybu byla testována na Katedře materiálového inženýrství pod Fakultou textilní na Technické Univerzitě v Liberci. Katedra materiálového inženýrství disponuje trhacím strojem kompatibilním se softwarem LabTest 3, čím byly vyhodnocované pevnostní charakteristiky.
Tříbodový ohyb
Všechny vyrobené typy tyčí M1 – M7, byly zkoušeny na napětí v ohybu Rmo. Každý vyrobený typ byl podroben tříbodovému ohybu v rozsahu šesti až sedmi měření.
Obrázek 4.15: Zkouška napětí v ohybu - Rmo, M1 – 100 % skleněných vláken
37 Michal Vyhnálek Nastavení testu v softwaru LabTest 3 je zcela individuální a závislé na podmínkách zkoušeného vzorku. Toto nastavení neboli definice vzorku obsahuje několik podskupin nastavení. Jsou jimi výstupní hodnoty, jako jsou například: Tažnost (průhyb) Amax [mm] při maximální síle, napětí v ohybu Rmo [MPa], maximální dosažená síla Fm [N] a modul pružnosti v ohybu Eo [N/mm2]. Nezbytně nutné je definovat vzorek.
Jedním z hlavních nastavitelných parametrů vzorku je průřez testovaného vzorku.
V tomto případě je nejblíže kruh, který byl po statistickém vyhodnocení naměřených průměrů zadán do systému LabTest 3 (viz. Tabulka č. 6 X(
d)
- střední hodnoty průměrů). Dalším důležitým parametrem je délka vzorku nutná pro nastavení rozteče podpěr, která byla nastavena na 160 mm. Na obrázku č. 4.15 je možné spatřit střed ohybu označeného ryskou, od kterého bylo snadné nastavit podpěry 80 mm na každou stranu. Nastavit je možné i předpětí což eliminuje deformaci vzniklou na zkušebním stroji do chvíle, než dojde k reálnému nárůstu síly na zkušebním vzorku. Velikost tohoto předpětí byla nastavena na sílu 20 N. S předpětím, souvisí také i rychlost posuvu.V případě ohybové zkoušky byla nastavena na 2,5 mm / min. Důležité však je, před každým měřením, nastavit výchozí pracovní (ohybovou) polohu.
Počet měření se odvíjel od délek vyrobených tyčí. Při délce 230 mm jednoho zkušebního vzorku byl zvolen počet zkoušených vzorků 6 – 7. Výsledky všech zjišťovaných veličin ohybové zkoušky Amax, Rmo, Fm a Eo, prošly statistickými výpočty.
Vypočtené zprůměrované výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 7.
Tabulka 7: Výsledky ohybové zkoušky
Test M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
Počet zkoušek 6 6 7 7 7 7 7
Fmax [N] 852,19 857,78 690,74 911,15 873,27 766,3 614 CV(Fmax) [%] 7,35 39,71 14,75 22,59 29,8 9,28 26,4 s (Fmax) 62,6 4,63 101,91 205,84 260,19 71,14 162,08 Amax [mm] 28,45 24,87 13,43 13,67 12,49 8,74 6,86 CV(Amax) [%] 13,48 1,47 12,22 25,51 25,3 13,32 15,25
s (Amax) 3,83 5,9 1,64 3,49 3,16 1,17 1,05
Rmo [MPa] 94,64 101,89 82,05 108,23 103,73 91,03 72,94
CV(Rmo) [%] 6,77 4,72 14,75 22,59 29,8 9,28 26,4
s (Rmo) 6,41 4,63 12,11 24,45 30,91 8,45 19,25
Eo [N/mm2] 18,1 24,59 36,81 48,34 49,51 62,84 64,05
CV(E) [%] 26,66 0,96 12,54 18,6 10,6 7,94 25,79
s(E) 4,82 3,89 4,61 8,99 5,25 4,99 16,52
Eto [GPa] 24,09 26,04 33,21 34,69 44,978 52,78 53,48
