KATEDRA MATERIÁLU
Studijní program: B2341 Strojírenství
Studijní obor: 3911R018 Materiály a technologie Zaměření: Materiálové inženýrství
MECHANICKÉ VLASTNOSTI GEOPOLYMERNÍHO KOMPOZITU S VYZTUŽUJÍCÍMI TKANINAMI
MECHANICAL PROPERTIES OF WOVEN FABRICS REINFORCED GEOPOLYMER COMPOSITES
KMT – B – 197 LUU VU NHUT
Vedoucí práce: Prof. Ing. Petr Louda, CSc Konzultant: Doc.Ing. Dora Kroisová, Ph.D Ing. Nguyen Thang Xiem
Počet stran: 56
Počet tabulek: 12 Počet obrázků: 48
Počet grafů: 9
Datum 25.05.2012
Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultanty.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Na prvním místě bych rád poděkoval svým rodičům za podporu během mého studia na Technické univerzitě v Liberci. Děkuji všem, kteří se jakýmkoli způsobem podíleli na vzniku této bakalářské práce. Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu prof. Ing. Petru Loudovi, paní doc. Ing. Doře Kroisové a panu Ing. Nguyen Thang Xiemovi nejen za ochotu kdykoli odpovědět na mé dotazy , ale i za pomoc při provedení zkoušky ohybem.
Poděkování patří i všem členům katedry materiálu, kteří mi byli, během mého studia, vždy ochotni poskytnout radu.
může sloužit jako vynikající izolace a stavební materiál [1]. Většina geopolymerů vykazuje nižší pevnost v tahu za ohybu, ale z předcházejících výzkumů je známo, že lze použít v těchto materiálech kontinuální výztuže, tj. uhlíková, skleněná nebo čedičová vlákna. Tyto výztuže májí vysoký vliv na tuhost a statické vlastnosti, tím se zvyšuje pevnost kompozitů na bázi geopolymeru [2]. Cílem této bakalářské práce bylo zkoumání a porovnávání ohybových vlastností geopolymerních kompozitů vytvořených z vyztužujících tkanin (tj uhlíkových, skelných a čedičových tkanin) po vystavení vysokým teplotám ( 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800
°C a 1000 °C ). Mnoho druhů geopolymerních matric jsou nyní k dispozici, ale moje práce je zaměřena na geopolymer FC4 v kombinaci s různými tkaninami.
Klíčová slova: pevnost v tahu za ohybu, geopolymer, geopolymerní kompozit, uhlíková tkanina,skelná tkanina,čedičová tkanina, výztuže, vystavení.
ABSTRACT
In recently years, geopolymer has offered wide and diverse applications. Because of its extreme resistance can serve as an excellent isolation and building materials. Most of pure geopolymer has low flexural strength, but from previous studies it is known that can be used continuous reinforcements (carbon, glass or basalt fibers) in these materials.
These reinforcements have a high influence on the stiffness and static properties, thereby increasing mechanical strength of composites based on geopolymer matrix. The aim of this thesis is an investigation and comparing the flexural properties of woven fabric fiber reinforced geopolymer composites (carbon, glass and basalt fabrics) after exposure to high temperatures (200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C and 1000 °C). Many types of geopolymer matrices are now available, but my works are focused on geopolymer FC4 in combination with different fabric fibers.
Keywords: flexural strength, geopolymer, geopolymer composit, carbon fabrics, glass fabrics, basalt fabrics, reinforcement, exposure.
2. TEORETICKÁ ČÁST ...7
2.1 GEOPOLYMERY ...7
2.1.1 POJEM GEOPOLYMER...7
2.1.2 STRUKTURA GEOPOLYMERU ...8
2.1.3 GEOPOLYMERACE...9
2.1.4 VYUŽITÍ GEOPOLYMERŮ ...10
2.2 VÝZTUŽE VLÁKNITÝCH KOMPOZITŮ...11
2.2.1 SKLENĚNÁ VLÁKNA ...11
2.2.2 UHLÍKOVÁ VLÁKNA ...12
2.2.3 ČEDIČOVÁ VLÁKNA ...14
2.3 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY...16
2.3.1 ÚVOD...16
2.3.2 TYPY KOMPOZITŮ...17
2.3.2.1 ROZDĚLENÍ PODLE TVARU A USPOŘÁDÁNÍ VÝZTUŽE...17
2.3.2.2 ROZDĚLENÍ PODLE TYPU VÝZTUŽE ...18
2.3.2.3 ROZDĚLENÍ PODLE POVAHY MATRICE...18
2.3.2.4 ROZDĚLENÍ PODLE VÝROBNÍ TECHNOLOGIE ...19
2.3.3 POSTUPY VÝROBY KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ...19
2.3.3.1 RUČNÍ KLADENÍ ...19
2.3.3.2 STŘÍKÁNÍ ...20
2.3.3.3 LISOVÁNÍ ZA STUDENA...21
2.3.3.4 LISOVÁNÍ POMOCÍ VAKUA...21
2.3.3.5 LISOVÁNI ZA TEPLA A TLAKU ...22
2.3.3.6 VYSOKOTLAKÉ VSTŘIKOVÁNÍ (RTM – resin transfer moulding) ...23
2.3.3.7 VAKUO-INJEKČNÍ TECHNOLOGIE (VARTM – vacuum assisted resin transfer moulding, RTM light)...24
2.3.3.8 VAKUOVÉ PROSYCOVÁNÍ (vacuum infusion, VIP- vacuum infusion process) ...25
2.3.3.9 TAŽENÍ...25
2.3.3.10 KONTINUÁLNÍ LAMINOVÁNÍ...26
2.3.3.11 NAVÍJENÍ ...27
2.3.3.12 ODSTŘEDIVÉ LITÍ...28
2.3.3.13 IM (“INJECTION MOLDING”)...29
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST...30
3.1 PŘÍPRAVA GEOPOLYMERNÍCH SMĚSÍ ...30
3.2 PŘÍPRAVA ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ...32
3.3 STANOVENÍ PEVNOSTI V OHYBU ...35
4. VÝSLEDKY A DISKUZE ...37
4.1 VÝSLEDNÉ PEVNOSTI PŘIPRAVENÝCH KOMPOZITŮ ...40
4.2 POZOROVÁNÍ MIKROSTRUKTURY ...49
ZÁVĚR ...53
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...54
1. ÚVOD
Nejběžnější matice vláknově vyztužených kompozitů jsou průmyslové organické polymery, ale kvůli hořlavosti se použití těchto materiálů organické polymerní matrice omezuje v pozemní dopravě, na konstrukci ponorek a lodí či obchodních letadel. Tam je odolnost vůči požáru důležitým hlediskem designu, i když tradiční vlákna, jako jsou uhlíková a skleněná vlákna nebo nově vyvinutá, snášející vysokou teplotu, tepelně stabilní oxidativní vlákna z boru, karbid křemíku a keramika jsou přirozeně odolné proti ohni [3]. Většina organické matrice kompozitů by neměla být používána v aplikacích, které vyžadují více než 200 oC [4]. V těchto případech aplikací, keramické matrice jsou využívány [3]. Geopolymery jsou anorganické polymerní materiály, které jsou připravovány z hlinitokřemičitanových materiálů jejich geopolymerací v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku [5]. Při geopolymerizaci vznikají polymerní vazby Si-O-Al-O. Název geopolymer byl poprvé použit na tento druh materiálu Josephem Davidovitsem v roce 1979. Geopolymery jsou stále považovány za nové materiály pro přípravu povrchových vrstev, lepidel a pojiv pro vláknové kompozity stejně jako materiály pro přípravu betonů. Konvenční geopolymerní pryskyřice, na bázi metakaolínu a jemu podobných surovin, obsahují příliš velké částice a vykazují značnou viskozitu, aby mohly být efektivně použity pro impregnaci vláken [6]. Byla sledována zbytková pevnost geokompozitů po vystavení vysokým teplotám (200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C) a odolnost těchto materiálů vůči hoření. Dále byla provedena úvodní studie k hodnocení mechanických parametrů geokompozitů vytvořených z vyztužujících tkanin (tj uhlíkových,skelných a čedičových tkanin).
2. TEORETICKÁ ČÁST 2.1 GEOPOLYMERY
2.1.1 POJEM GEOPOLYMER
Geopolymery mohou být definovány mnoha způsoby, pokud jde o jejich základní složky (Al2O3 a SiO2), jejich strukturu (tetraedrické Al-O a Si-O jednotky nahodile uspořádané v 3D struktuře, vyrovnány kationtem alkalického kovu), dále co se týče jejich syntézy (kondenzace materiálů obsahujících Al2O3 a SiO2 v silně alkalickém prostředí za pokojové teploty) nebo jejich vlastností (tvrdé, pevné, stabilní nejméně do 1000 °C) [7]. Jedná se tedy o druh amorfního až semikrystalického hlinito-křemičitanového materiálu 3D struktury, který byl poprvé představen prof. J. Davidovitsem roku 1978. Podobně jako u přírodních zeolitů, struktura geopolymerů sestává z polymerní Si-O-Al kostry. Geopolymerní materiály mají výborné mechanické vlastnosti, rychle tvrdnou, jsou ohnivzdorné a chemicky odolné.
Geopolymery mohou být připraveny kondenzací alumino-silikátového materiálu (např.
metakaolin) se silným alkalickým činidlem (NaOH, KOH), při pokojové teplotě [8].
Geopolymery jsou stále považovány za nové materiály pro přípravu povrchových vrstev, lepidel a pojiv pro vláknové kompozity stejně jako materiály pro přípravu betonů. Obecně lze říci, že jakékoli minerální jíly s vysokým obsahem oxidu křemičitého a oxidu hlinitého mohou být rozpuštěny v alkalickém prostředí za exotermické reakce polykondenzačního procesu geopolymerizace, při kterém se utváří geopolymer[6].
Obr.1 Geopolymerní pryskyřice na bázi metakaolínu [9]
Výsledky, které byly až dosud publikovány nám dávají možnost prohlásit, že geopolymerní materiály [10]:
• nemají monolitickou strukturu typu polysialát-siloxo
• alkalický kationt (K,Na) je přítomný ve struktuře v solvatované formě, je vázán slaběji než v krystalické struktuře zeolitů (tento fakt vede k potenciálnímu nebezpečí tvorby výkvětů)
• je charakterizován náhodně trojrozměrným uspořádáním
• reprezentuje pórovitý materiál s póry o velikosti od nanometrů po mikrometry
• obsahuje vodu v pórech a v gelu
• voda hraje roli nosiče alkalického aktivátoru a „reologickou“ vodu .
• krystalické a amorfní hydráty se objevují pouze v přítomnosti strusky, nebo v materiálu bohatém na vápník.
2.1.2 STRUKTURA GEOPOLYMERU
Pro chemické označení geopolymerů byl navržen prof. Davidovitsem název „polysialáty“, ve kterých sialát označuje zkratku pro oxid hlinitokřemičitanu. Sialát je složen z tetraedrálních aniontů [SiO4]4- a [AlO4]5- sdílejících kyslík, který potřebuje pozitivní ionty jako jsou Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+ ke kompenzaci elektrické šarže Al3+ v tetraedrální koordinaci.
Obecný vzorec vzniklých polysialátů lze empirickým vzorcem vyjádřit následovně [11]:
M. [ -(SiO2)z-AlO2]n. wH2O kde: M – jednovalentní kation kovu (Na+ nebo K+)
n – stupeň polymerace
z – číslo 1 do 32 (v závislosti na poměru jednotek SiO2 a AlO2) w – počet molekul vody vázaných v polymerním řetězci
Davidovits sloučeniny s takovou to strukturou pojmenoval jako polysialáty a rozdělil je do tří skupin [12]:
polysialáty (-Si-O-Al-O-)
polysiloxosialáty (-Si-O-Al-O-Si-O-) polydisiloxosialáty (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O)
Celková geopolymerní struktura je vysoce tepelně stabilní, může bez známek deformace, v závislosti na typu geopolymeru, odolat teplotám až 1400 °C
Obr.2 Struktura geopolymeru sestává z polymerní Si-O-Al kostry [6]
2.1.3 GEOPOLYMERACE
Ve starověku byly umělé kameny připravovány mícháním kaolinitu, dolomitu nebo vápence s Na2CO3 nebo K2CO3 (získaného např. ze solných jezer) a siliky. [13] Smícháním této směsi s vodou vznikl NaOH nebo KOH, který rozpustil část siliky a silně reagoval s dalšími přísadami za vzniku geopolymerního pojiva. Proces geopolymerace začíná rozpuštěním Al-Si materiálů v alkalickém roztoku (NaOH, KOH), a vzniká [Mx(AlO2)y(SiO2)z·nMOH·mH2O] gel, poté nastává tuhnutí a tvrdnutí gelu za vzniku geopolymeru [14].
Přesný reakční mechanismus, který by vysvětlil usazení a ztvrdnutí alkalicky aktivovaných pojiv není ještě zcela přesně objasněn. Dosavadní průzkumy se domnívají, že je závislý na primárním materiálu stejně jako na alkalickém aktivátoru [15]. Podle Glukhovského je mechanismus alkalické aktivace složen ze spojených reakcí, které zahrnují rozklad primárního materiálu do nízko stabilních strukturálních jednotek, jejich interakci s koagulačními strukturami a vytvoření kondenzačních struktur. První kroky se skládají z přerušení kovalentních vazeb Si-O-Si a Al-O-Si, které nastává při zvyšování pH alkalického roztoku, tyto skupiny jsou tak transformovány v koloidní fázi. Poté vzniká shromáždění zničených produktů, což způsobí vytvoření koagulační struktury mezi nimi vedoucí ve třetí fázi k vytvoření kondenzované struktury [16].
Obr.3 Mechanismus geopolymeru[17]
2.1.4 VYUŽITÍ GEOPOLYMERŮ
Geopolymerní materiály jsou pro své velice dobré vlastnosti, jako je vysoká počáteční pevnost, nízká propustnost a odolnost vůči kyselému prostředí, využitelné pro celou řadu možných aplikací. V ČR se výroba některých konstrukčních prvků na bázi alkalicky aktivované strusky či popílků začíná nadějně rozvíjet. Jednou z hlavních výhod, které velmi kladně ovlivňují urychlení výroby geopolymerních materiálů a konstrukčních prvků pro různé účely je dostupnost a nízká až nulová cena výchozích materiálů strusky a zejména popílků. Ve stavebnictví se uplatňují při výrobě dlaždic, pražců, vlnolamů, kanalizačních konstrukcí, při rekonstrukci a záchraně památkových objektů, v sochařství, v silničním stavitelství a stabilizaci půd, při úpravě krajiny atd. Jako jedna z hlavních oblastí využitelnosti geopolymerů je imobilizace toxických odpadů obsahující například arsen, rtuť a olovo, kdy v současnosti probíhá celá řada výzkumů za účelem pochopení mechanismu včlenění těžkých prvků do geopolymerní matrice [10]. Vlastnosti a využití geopolymerů určuje poměr atomů Si:Al v polysialátové struktuře. Nízký poměr Si:Al (1,2,3) vede k vytvoření 3D-sítě, která je velmi pevná. Při vysokém poměru Si:Al (vyšší než 15) dochází u geopolymerních materiálů k tvorbě lineárního polymerního řetězce [6,10].
2.2 VÝZTUŽE VLÁKNITÝCH KOMPOZITŮ 2.2.1 SKLENĚNÁ VLÁKNA
Obr.4 SEM Skleněná vlákna [18]
Skleněná vlákna mají silikátový základ (SiO2). Vyrábějí se tažením taveniny směsi oxidů Si (s příměsí oxidů Al, Ca, Mg, Pb a B) s velmi malým podílem oxidů alkalických kovů Na a K.
Potřebného průměru vláken se dosáhne dloužením proudu skla tekoucího tryskami (průměr trysky 1 mm) ve dně zvlákňovací hlavy. Konečný průměr vlákna je dán rozdílem mezi rychlostí vytékání skloviny a rychlostí odtahování „monovláken“. Monovlákna se po povrchové úpravě (sizing) sdružují do pramene a navíjejí se na cívku. Sdružením pramenů vzniká roving (kabílek). Schéma výroby skleněných vláken je na následujícím obrázku 5 [19,20].
Obr.5 Výroby skleněných vláken
Skleněná vlákna z E skloviny (tzv. bezalkalické vápenato-hlinito-boro-křemičité sklo, sklo Eutal, eutektické složení s nejmenší teplotou tavení, sklo pro elektrotechniku) je nejlevnější (od 1,6 do 3,15 $/kg) a přitom má dobré mechanické a elektrické vlastnosti (nevodivost, velký povrchový odpor, relativně malou relativní permitivitu (dříve dielektrická konstanta) při malých dielektrických ztrátách (relativní permitivita se pohybuje mezi 5,9 až 6,4, ztrátový činitel (tangens ztrátového úhlu) při frekvenci 1 MHz 0,0039) a poměrně dobrou odolnost proti hydrolýze (rozkladu v horké vodě).[19,21]
Tab.1 Vlastnosti skleněných vláken [21].
Sklo E saint- Gobain
Vertex
Sklo E údaje z literatury
Sklo S
Sklo C
Sklo ACR
Sklo L
Křemenné sklo
Přůměr [µm] 5-16 9-13 9-13 9-13 8,9
Hustota [g/cm3] 2,54 2,54 2,49 2,49 2,7 4,3 2,19 Modul pružnosti
[GPa] 73 72,4 85,5 69 75 51,1 69
Pevnost v tahu [GPa] 2-4 až 3,45 až
4,6 až 3 1,7 1,6 3,45 Prodloužení [%] 1,8-3,2 4,8 5,7 4,8 5 Součinitel tepelné
roztažnosti 4,9 5 5,6 7,2
Součinitel tepelné
vodivosti 1 1 1 1
Teplota měknutí [oC] 800 800 970 750 980 Relativní permitiva
při frekvenci 1 MHz 5,9-6,4 5-
5,4 9,49 3,78
Ztrátový činitel
(tanδ) při 10 GHz 0,0039 0,002
2.2.2 UHLÍKOVÁ VLÁKNA
Uhlíkové vlákno (carbon fibre) je název pro vlákno obsahující uhlík v různých modifikacích.
Jedná se o dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5–8 μm složeného převážně z atomů uhlíku. Atomy uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Krystalové uspořádání způsobuje, že vlákno je na svou tloušťku velmi pevné.[22]
Obr.6 SEM uhlíkové vlákno [23]
Postup výroby [22,24]
1. Příprava prekurzoru úprava výchozího materiálu buď tavným zvlákňováním nebo zvlákňováním z roztoku. Struktura prekurzoru ovlivní strukturu a pevnost uhlíkových vláken.
Vlákno je pak dlouženo na požadovanou jemnost.
2. Stabilizace – před karbonizací je třeba, aby z dlouhých uhlíkových vláken vznikla teplotně stabilní zesítěná struktura. Provádí se na vzduchu zahřátím na poměrně nízké teploty 200 – 450°C na 20 – 30 minut. To způsobí, že vlákno sbírá kyslíkové molekuly ze vzduchu a dojde tak k přerovnání atomové struktury vlákna. Při stabilizaci vzniká ve vlákně také vlastní teplo, které musí být kontrolováno, aby se zabránilo přehřívání vlákna.
3. Karbonizace – jedná se o převod prekurzoru na uhlíková vlákna. Provádí se v inertní atmosféře (obyčejně dusíkové), při teplotách mezi 1 000 °C – 2 000 °C. Bez přístupu kyslíku vlákno nemůže hořet. Místo toho způsobí vysoká teplota rozkmitání atomů ve vlákně tak, že většina neuhlíkových atomů je odstraněna. Výsledné vlákno obsahuje 85 - 95 % uhlíku
4. Grafitizace – nemusí se provádět, pokud se provede vznikají tzv. grafitová vlákna. Provádí se v inertní atmosféře, při teplotách mezi 2 400 °C - 3 000 °C. Dochází ke zvýšení obsahu uhlíku na cca 99 % a více. Vzniká také uspořádaná vrstevnatá struktura.
5. Povrchová úprava – povrch vlákna dobře neváže epoxidy a další látky používané v kompozitních materiálech. Proto se povrch vlákna mírně oxiduje. Přidání kyslíkových atomů na povrch umožňuje lepší přilnavost dalších látek a zhrubnutí povrchu pro lepší mechanické spojení s těmito látkami. Okysličení může být dosaženo přístupem plynů jako je vzduch, oxid uhličitý, nebo ozon nebo ponořením do různých kapalin jako chlornanu sodného nebo kyseliny dusičné. Vlákno může být také pokryto ochrannou vrstvou proti poškození při dalším zpracování.
Obr.7 Změny struktury PAN vlákna [25]
Uhlíková vlákna se dnes vyrábějí převážně z vláken polyakrylonitrilových (PAN) a nejnověji z vláken novoloidu – vláken fenol-aldehydových.
Tab.2 Porovnání vlastností uhlíkových vláken [26]
Novoloid (Kynol) PAN
Teplota zpracování [oC] 2000 1500-2000
Hustota [g/cm3] 1,4-1,5 1,9-2,0
Obsah uhlíku [%] 99,8 99,5
Pevnost v tahu [MPa] 400-600 1500-3000
Poměrné prodloužení při
přetržení [%] 1,5-2,5 1,0-1,5
Modul pružnost [GPa] 150-200 150-300
Teplota počátku ztráty
hmotnosti na vzduchu [oC] 573 560
Tepelná odolnost,ztráty
hmotnost [% ] při 400oC 2,2 2,4
Chemická afinita k
epoxidovým pryskyřicím dobrá horší
2.2.3 ČEDIČOVÁ VLÁKNA
Čedičová vlákna jsou anorganická vlákna vyráběná z roztavené čedičové horniny. Díky svým vynikajícím termo-mechanickým vlastnostem jsou hojně používána například v tepelných, zvukových nebo chemických izolacích [27]. Čedičová vlákna jsou podobná skleněným vláknům typu S, jsou však až o 40 % levnější, mají specifickou hmotnost 2,8 g/cm³, tažnou
pevnost až 4,7 GPa, rozsah praktického použití v teplotách od –260 do +820 °C (skleněná vlákna od –60 do 600 °C). Ve vývoji jsou vlákna o jemnosti 1-3 μm. Základním materiálem pro výrobu vláken je čedič neboli basalt. Čediče jsou vyvřelé horniny šedo-černé až černé barvy. Z velké části tvoří právě čediče zemskou kůru a je to i nejhojnější magmatická hornina zemského povrchu. [28]
Obr.8 SEM čedičová vlákna [29]
Technologie výroby kontinuálních čedičových vláken je podobná výrobě skleněných vláken.
Čedičová hornina je roztavena v pícce a proud taveniny je protlačován skrz platinové trysky (průměr cca 1 mm) ve dně zvlákňovací hlavy. Konečný průměr vláken je dán rozdílem mezi rychlostí vytékání skloviny a rychlostí odtahování monovláken. Navíjecí rychlost je několik tisíc m/min [27].
Tab.3 Vlastnosti čedičového vlákna [30]
Pracovní teplota pro tepelné izolace [oC] 820 Minimální teplota použití [oC] -260
Teplota tavení [oC] 1450
Teplota skelného přechodu [oC] 1050
Hustota [kg/m3] 2750
Pevnost v tahu [MPa] 4840
Modul pružnost [GPa] 89
Poměrné prodloužení při přetržení [%] 3,15 Součinitel délkové teplotní roztažnosti 10-6 [1/K] 5,5
Chemická odolnost-úbytek hmotnosti za 3 hod
[%] vařící voda/ vařící NaOH 0,2/5
2.3 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY 2.3.1 ÚVOD
Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Pro kompozitní materiály je dále charakteristické, že se vyrábějí mechanickým mísením jednotlivých složek.Tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní. U slitin však jednotlivé fáze vznikají fázovými přeměnami např. při tuhnutí a jsou tedy blízko termodynamické rovnováhy. [31]
Obr.9 Pevnost- maximální provozní teplota materialů [4]
(Strength: pevnost; Maximum service temperature: maximální provozní teplota; Foams: pěny; Wood and Wood Product : dřevo a dřevěný výrobek; Rubbers: kaučuk; Porous Ceramics: porézní keramiky; Ceramics: konstrukční keramiky; Glasses:skla; Metals and Alloys: kovy a slitiny).
Obr.10 Složení matrice – vlákno
Jedním z nejznámějších kompozitních materiálu je železobeton, kompozit z ocelových drátů a betonu (beton je kompozit z kameniva a cementu), dalším známým zástupcem je skelný laminát, kompozit ze skleněných vláken a pryskyřice, obvykle polyesterové. Hojně užívaný kompozitní materiál je asfaltová směs na výrobu povrchu komunikací. Mají velmi vysokou mez únavy a jsou stabilní a spolehlivé. Kompozitní materiály mají výbornou ohnivzdornost v porovnání s lehkými slitinami, nicméně výpary mohou být toxické. Nevýhodou kompozitních materiálů s epoxidovou matricí může být citlivost na ředidla. Jiné běžné chemikálie užívané ve strojích jako vazelína, oleje, rozpouštědla, barvy či ropa kompozity nepoškozují. Kompozity stárnou v závislosti na vlhkosti a teplotě [31,32].
.
Obr.11 Synergické chování složek
kompozitu [32]
Obr.12 Porovnání tahových diagramů křehké matrice a kompozitu složeného z této matrice a křehkých keramických vláken [32]
2.3.2 TYPY KOMPOZITŮ
2.3.2.1 ROZDĚLENÍ PODLE TVARU A USPOŘÁDÁNÍ VÝZTUŽE
Částicové izotropní kompozity – Diskontinuální výztuží jsou částice nevláknového charakteru nebo whiskery. Objemový podíl částic je obecně menší než u dlouhovláknových kompozitů (jednotky až desítky procent), výsledné vlastnosti tedy více určuje matrice, kdy opět záleží na objemovém procentu zastoupení materiálu matrice [33]. Částice nejčastěji nejsou vzájemně orientovány. Vláknové anizotropní kompozity – Výztuž tvoří vlákna, jejichž délka je výrazně
větší než jejich průměr. Vlákna jsou uspořádána přibližně v jednom směru. Lamináty (vrstevnaté kompozity) – V ideálním případě izotropní kompozity, u kterých se postupně střídají vrstvy s výztuží o jednom výrazně větším rozměru [33,34].
Obr.13 Typy vláknových kompozitů[]
2.3.2.2 ROZDĚLENÍ PODLE TYPU VÝZTUŽE
Vláknová výztuž – tvořena vlákny o různé délce a průměru, směrovanými souběžně nebo nepravidelně, rozlišujeme výztuž krátkovláknovou (délka/průměr menší než 100) a dlouho- vláknovou (délka/průměr větší než 100) [33].
Whiskery – diskontinuální monokrystalická výztuž velkého povrchu a tvarem dle konkrétního krystalového uspořádání. Nejčastěji se používají, podle potřebných užitných vlastností, whiskery na bázi keramiky, SiO2, Al a Ti [34]. Vločky a destičky – částice s hladkým povrchem, mohou tvořit až 80 % objemový podíl kompozitu, výrazně snižují anizotropní charakter. Do polymerních matric se nejčastěji používají slídové vločky jako levná a účinná výztuž [34]. Nanotrubičky – částice s vynikajícími mechanickými vlastnostmi. Nevýhodou je pouze vysoká cena a nízká adheze k matrici.
2.3.2.3 ROZDĚLENÍ PODLE POVAHY MATRICE [33]
Kompozity s termoplastickou matricí – Matrice je tvořena dlouhými molekulami termoplastu, při zahřátí taje na viskózní kapalinu. Kompozity s termoplastickou matricí mají dobré mechanické vlastnosti, ale výroba je složitější především v důsledku velké viskozity a nízké smáčivosti.
Kompozity s matricí z termosetu – Jako matrice je nejčastěji používaná epoxy-pryskyřice, nenasycená polyesterová, fenolické a vinylesterové pryskyřice. Při vytvrzování je vytvořena
trojrozměrná sesíťovaná dále netvarovatelná pevná struktura. Výhodou je nízká viskozita a vysoká smáčivost při zpracování.
Kompozity s kovovou matricí – Používané kovy jsou hliník, hořčík a titan. Výztuž vylepšuje jejich mechanické a fyzikální vlastnosti. Nevýhodou je vysoká afinita ke kyslíku, a tím i reakce na mezifázi, které ovlivňují kvalitu spojení matrice s výztuží. Kompozity s kovovou matricí jsou obvykle isotropní.
Kompozity s keramickou matricí – Matrice je tvořena komplexem sklo-formujících oxidů, nejčastěji borosilikátů a aluminosilikátů. Zrna plniva jsou neuspořádaně rozptýleny.
2.3.2.4 ROZDĚLENÍ PODLE VÝROBNÍ TECHNOLOGIE [33,35]
1) Výroba formováním - Ruční kladení a stříkání
- RTM (resin transfer moulding) – lisování s přenosem pryskyřice - SMC (sheet moulding compound) - lisování tenkostěnných dílů
- DMC (dough moulding compound), BMC (bulk moulding compound) – lisování silnostěnných dílů za vyššího tlaku
- TMC (thick moulding compound) – kontinuální lisování 2) Výroba vstřikováním
- RRIM, (Reinforced reaction injection moulding) – vstřikování do uzavřené formy 3) Výroba impregnací
- Pultruze (kontinuální tažení profilů)
- Ovíjení/Navíjení (kontinuální výroba výztuží)
- Výroba prepregů (impregnace vrstev vláken, výroba pásů)
2.3.3 POSTUPY VÝROBY KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ 2.3.3.1 RUČNÍ KLADENÍ [36,37]
Nejstarší a nejjednodušší a dosud nejrozšířenější technologie, patří mezi tzv. otevřené technologie. Forma (negativní – matrice nebo pozitivní- patrice) se po naseparování obvykle nejprve opatří gelcoatem.
Gelcoat – speciálně formulovaná, většinou probarvená nevyztužená povrchová vrstva o tlouštce 0.3-1 mm se nanáší buď ručně nebo stříkáním a zajišťuje jednak estetickou stránku povrchu dílce a jednak tvoří ochranu vůči okolnímu prostředí (voda, povětrnost, chemická media).
Laminát vytvrzuje za normální teploty většinou bez aplikace tlaku, pouze v případech, kdy je třeba vytvořit sendvičovou konstrukci stěny zabudováním lehkých jádrových materiálů (pěny, voštiny apod.) se užívá přítlaku vakuem pod separační folií. Pro zvýšení teplotní odolnosti je někdy nutné dle doporučení výrobce pryskyřic provést vytvrzování při zvýšené teplotě při dodržení programu postupného zvyšování teploty.
Obr.14 Schéma ručního kladení do negativní formy[38]
2.3.3.2 STŘÍKÁNÍ [37,39]
Touto strojní technologií se nanáší pneumaticky na formu speciální pistolí současně sekaný roving a iniciovaná pryskyřice. Nanášení se provádí převážně ručně, lze je však mechanizovat a řídit počítačem.
Formy jsou nenákladné, prakticky totožné jako pro ruční kladení, většinou z kompozitů.
Vlastní stříkání se provádí v několika vrstvách „mokré do mokrého“ v závislosti na požadované tloušťce výrobku. Každá vrstva nanesené směsi se zhutňuje rýhovanými nebo štětinovými válečky různé velikosti a tvaru, přičemž se zároveň vytlačí vzduchové bubliny.
Obr.15 Technologie ručního stříkání kompozitu[39]
2.3.3.3 LISOVÁNÍ ZA STUDENA [36,39]
Provádí se působením nízkého tlaku 0.03 – 0.98 MPa za normální teploty. Formy nejsou vyhřívané, mohou tedy být nákladově nenáročné (laminát, plech, hladké dřevotřískové lamino).
Používá se forem dvoudílných, tzn. že výlisek má oboustranně hladký povrch. Tlak se získává nejjednodušeji pomocí šroubových svěrek nebo hydraulických válců v jednoduché rámové konstrukci nebo v etážových nízkotlakých lisech.
2.3.3.4 LISOVÁNÍ POMOCÍ VAKUA [37]
Je-li třeba zvýšit obsah výztuže a odsát přebytečnou pryskyřici pro zvýšení mechanických vlastností nebo zakomponovat tuhé sendvičové materiály – pěny nebo voštiny, volí se přítlak vakuem.
Při použití měkkých sendvičových materiálů, které je nutno prosytit pryskyřicí, je možno také použití vakua, je však nutné volit podstatně menší podtlak.
Obr.16 Technologie lisování pomocí vakua [37]
2.3.3.5 LISOVÁNI ZA TEPLA A TLAKU [39]
Provádí se za zvýšených teplot a tlaků ve dvou nebo vícedílných kovových formách, které musí mít leštěné nebo lépe tvrdě chromované pracovní povrchy. Formy se vyhřívají nejčastěji elektricky nebo topným mediem a jsou upevněny v hydraulických lisech schopných vyvodit tlaky 1 – 30 MPa. Výchozím materiálem jsou buď prepregy- tzv. lisovací rohože (SMC – sheet moulding compouds), lisovací těsta (DMC- dough moulding compounds) nebo lisovací směsi - premixy (BMC – bulk moulding compounds).
Prepregy – lisovací rohože (SMC) jsou směsi sekaných, nejčastěji skleněných vláken, pojiva, většinou na bázi polyesterových nebo vinylesterových pryskyřic převedeného do částečně vytvrzeného stavu B, plniv, pigmentů a různých aditiv zlepšujících tokové vlastnosti, kvalitu povrchu a upravujících některé vlastnosti, např. snižují hořlavost nebo smrštění. Za zvýšené teploty a tlaku jsou prepregové přířezy schopny ve formě dalšího toku, materiál zcela zaplní dutinu formy a dalším působením tepla nastane kompletní vytvrzení.
Obr.17 Technologie lisováni za tepla a tlaku[39]
2.3.3.6 VYSOKOTLAKÉ VSTŘIKOVÁNÍ (RTM – resin transfer moulding) [37]
Formy jsou robustní konstrukce, kovové nebo polymerbetonové, aby snesly vysoké vnitřní tlaky.
Do formy, opatřené gelcoatem, se vyskládá suchá výztuž dle konstrukčního návrhu, při velkoseriové výrobě se vkládají tzv. předlisky z výztužného materiálu. Vyztužující materiál, ať už na bázi skleněných nebo jiných vláken, musí mít strukturu umožňující snadný tok pryskyřičného systému, aby se dosáhlo úplného prosycení v krátkém čase.
Forma se poté uzavře vrchním dílem podobně tuhé konstrukce a zajistí rychloupínacím systémem.
Do vstřikovacího otvoru se umístí injektážní pistole, kterou se přivádí pojivo ze speciálního strojního zařízení – vysokotlaké pumpy se spřaženým regulovatelným směšováním iniciátoru.
Pojivo se vstřikuje tak dlouho, pokud nezačne vytékat z kontrolních otvorů na okrajích formy, což znamená, že výztuž je zcela prosycena v celém objemu dílce.
Obr.18 Vysokotlaké vstřikování (RTM – resin transfer moulding)[37]
2.3.3.7 VAKUO-INJEKČNÍ TECHNOLOGIE (VARTM – vacuum assisted resin transfer moulding, RTM light) [37,39]
Jedná se o modifikaci klasické technologie RTM, kdy prosycení výztuže napomáhá vakuum.
Užívá se 2 základních uspořádání:
a) Vstřikování do středu formy, vakuum je aplikováno po obvodu formy
b) Přívod pojivy do obvodového kanálku, vakuum je aplikováno ve středu formy
Výhodou této technologie je díky nižším tlakům (0.04 - 0.1 MPa) možnost konstruovat formy méně robustní, což umožňuje výrobu i větších dílců.
Obr.19 Vakuo-injekční technologie (VARTM) [39]
2.3.3.8 VAKUOVÉ PROSYCOVÁNÍ (vacuum infusion, VIP- vacuum infusion process)[37,39]
Technologie obdobná RTM light, odpadá zcela injekční zařízení. Užívají se 3 modifikace:
1) Vakuové prosycování s pružnou vrchní částí formy. Spodní forma je tuhá, podobně jako u RTM light s odsávacími kanálky, vrchní část, nejčastěji kompozitní, má určitou pružnost, která reguluje přítlak, uzavírací sílu a prosycování zajišťuje vakuum 0.06 - 0.08 MPa.
Pojivo je buď přiváděno ze zásobníku nebo se před uzavřením formy zhruba rozprostře na suchou výztuž. Metoda je vhodná pro oboustranně hladké dílce, do kterých mohou být zakomponovány jádrové materiály – pěny nebo voštiny- pro vytvoření sendvičové struktury.
2) Vakuové prosycování pod pružnou folií. Technologie má mnoho společného s lisováním pomocí vakua. Spodní forma je klasického typu jako pro ruční kladení. Místo druhé části formy se používá pružná folie, která je k okrajům formy připevněna těsnícími pásky.
Iniciované pojivo se přisává ze zásobníku, v případě velkorozměrných dílců se rozvádí perforovanými trubičkami až do vzdálenějších míst. Vakuum je aplikováno na obvodu formy pomocí kanálku, vytvořeného těsnícími profily.
3) Metoda SCRIMP je velmi podobná metodě 2), pouze rozvod pryskyřice je zajišťován speciální síťkou, umístěnou na celý povrch suché výztuže. Závěr tvoří opět pružná folie.
Obr.20 Vakuové prosycování VIP [39]
2.3.3.9 TAŽENÍ [37]
Touto metodou lze vyrábět velmi efektivně kontinuelním způsobem různé plné, duté i tvarové profily s vysokým obsahem výztuže (až do 80%). Výztuž, nejčastěji skleněné, ale i uhlíkové nebo i jiné pramence případně v kombinaci se stuhami z tkanin nebo rohoží pro získání
příčného vyztužení, prochází lázní s iniciovanou pryskyřicí a po prosycení a odždímání přebytečné pryskyřice je vtahována do tvarovacích a vytvrzovacích průvlaků (forem), jejichž dutina odpovídá vnějšímu tvaru vyráběných profilů. Modifikací této technologie je tlakové prosycování suché výztuže až v počáteční sekci formy.
V průvlaku dochází buď působením sdíleného tepla (formy jsou vyhřívány elektricky nebo topným mediem) nebo vývojem tepla účinkem vysokofrekvenčního pole k vytvrzení.
Kompozitní profil je odtahován regulovatelnou rychlostí hydraulickými čelistmi nebo pásovými elementy a dělen na požadovanou délku.
Obr.21 Schéma technologie tažení (pultruze)[40]
2.3.3.10 KONTINUÁLNÍ LAMINOVÁNÍ [39]
Rovné laminátové desky nebo vlnitá střešní krytina se vyrábí rovněž na kontinuálních linkách.
Výchozím materiálem mohou být jak tkané materiály, rohože nebo sekané pramence ,nanášené na nosnou folii, prosycované pryskyřicí průchodem v lázni nebo zkrápěním. Po překrytí vrchní separační folií je materiál vtahován do tvarovací a vytvrzovací zóny. Linka je zakončena odtahovým, formátovacím a řezacím zařízením.
Obr.22 Schéma kontinuální laminování [39]
2.3.3.11 NAVÍJENÍ [39]
Při technologii navíjení se výztuž, většinou skleněné, ale i uhlíkové nebo aramidové pramence impregnované pojivem ovíjejí na jádro (trn) ve tvaru výrobku. Takto se vyrábějí kompozitní dutá tělesa – trubky, nádrže a nádoby různého i proměnného tvaru a velikosti.
Pohyb ukládacího ramene podél osy za současné rotace trnu a poloha ukládacího oka dovolují přesné kladení vláken v několika osách a umožňují vytváření i relativně složitých tvarů. Proces navíjení je plně řízen počítači.
V impregnačním a naváděcím zařízení se výztuži uděluje určité předpětí, které umožňuje přesné uložení na jádro. Poměrem rychlosti otáčení trnu a posunem ukládacího zařízení lze regulovat úhel návinu od 90º (obvodový návin) přes křížový návin s různým navíjecím úhlem až po 0º, např. osové vyztužení hřídelí a trubek. Díky rozebíratelným a vyjímatelným trnům lze tzv. integrálním navíjením získat kompletní nádoby včetně den a vrchlíků pouze s malými polárními otvory.
Obr.23 Schéma navíjení trubky [39]
2.3.3.12 ODSTŘEDIVÉ LITÍ [39]
Dutá tělesa rotačního tvaru, zejména potrubí pro zásyp, se vyrábějí na strojním zařízení, které je kombinací strojního stříkání a odstředivého lití.
V duté rotující formě – trubce dané jmenovité světlosti se pohybuje v ose stříkací zařízení, které podle počítačem řízeného programu nanáší směs sekaných vláken, iniciované pryskyřice a různých plniv.
Nanesené vrstvy se postupně zhutňují působením odstředivé síly, vznikající rychlým otáčením formy.
U většiny potrubí pro odpadní vody nebo pro korozní aplikace se jako poslední vnitřní vrstva nanáší vysoce pružná resp. chemicky odolná pryskyřice.
Obr.24 Schéma odstředivé lití [39]
2.3.3.13 IM (“INJECTION MOLDING”) [36,40]
Termoplast vyztužený a zpevněný krátkými skleněnými vlákny je označován zkratkou SFRT (“Short-Fiber Reinforced Thermoplastic”).
Krátkovláknový kompozit se uplatňuje jako konstrukční materiál tam, kde vzhledem k požadavkům na tuhost, pevnost a rozměrovou stabilitu za vyšších teplot nelze použít termoplast nevyztužený a kde výlisky z plechů nebo odlitky ze slitin kovů jsou ekonomicky i funkčně nevýhodné. Výrobky jsou lehké a mají dobré jak elektrické, tak tepelné izolační vlastnosti. Výstřik se zhotovuje na vstřikovacím stroji, jehož schéma je znázorněno na následujícím obrázku. Během tavení plastu otáčející se šnek odjíždí doprava a po zastavení otáčení a pohybu šneku doleva se tavenina vstříkne do formy.
Obr.25 Schéma IM (“INJECTION MOLDING”) [40]
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Cílem experimentální části bylo přípravit vzorky geopolymerních kompozitních materiálů, byla použita vlákna uhlíkových tkanin biaxiálních 200g/m2, čedičová tkanina-Basalt 200g/m2 plátno a skelná tkanina 486g/m2 RT 490 a sledována zbytková pevnost geopolymerních kompozitů po vystavení vysokým teplotám.Potom bylo provedeno měření mechanických vlastností pevnosti v tahu za ohybu a modulu pružnosti kompozitních vzorků.
3.1 PŘÍPRAVA GEOPOLYMERNÍCH SMĚSÍ
Směs geopolymery FC4 obsahuje 49% alumino-silikátového prášku Q, 44,12% aktivatoru a 6,88% prášku Metakaolin M4.
a)
b)
c)
d)
e) f) Obr.26Příprava geopolymerních směsí
a) Připrava alumino-silikátového prášku Q; b) Připrava aktivatoru; c) Michání alumino- silikátového prášku Q s aktivatorem po dobu 25 minut. d) Připrava prášku Metakaolin M4; e) Přídání prášku Metakaolin M4 do směsi prášku Q a aktivatoru, poté byla směs homogeniz- ována ještě 10 minut; f) Po míchání nechat v lednici 24 hodin.
Tab.4 Analýza chemického složení geopolymerních směsí FC4
Prvek Prvek [%] Atom [%]
Hliník (Al) 2,04 1,62
Křemík (Si) 31,80 24,24
Fosfor (P) 0,08 0,05
Draslík (K) 15,15 8,30
Zirkonium (Zr) 1,76 0,41
Sodík (Na) 0,63 0,59
Vápník (Ca) 0,24 0,13
Kyslík (O) 48,32 64,67
Obr.27 EDX spektrum geopolymerních směsí FC4
3.2 PŘÍPRAVA ZKUŠEBNÍCH VZORKŮ
Technikou ručního kladení byly připraveny vzorky geopolymerních kompozitů se skelnými, uhlíkovými či čedičovými tkaninami v geopolymerní matrici.
Tab.5 Charakteristika vyztužených tkanin
Materiál Hustota [g/m2]
Tloušťka
[mm] Charakteristika
Cena [kč] za
1m2 Skelná
tkanina
RT 490 486g/m2 0,36
Rovingová tkanina tuzemská. Vhodná na větší díly a na výrobu forem. Počet vláken na cm2 osnova x útek 4,5x3,6 použité vlákno v osnově EC16 600 tex a v útku EC16 600 tex.
http://www.havel-composites.com
96
Uhlíková tkanina-
plátno
200g/m2 0,25
Plnohodnotná 200g/m2 uhlíková tkanina v plátnové vazbě. Použité vlákno 3k Toray 5x5 cm http://www.havel-composites.com
825
Čedičová tkanina-
plátno
200g/m2 0,16
Tkanina vyrobená z čedičových vláken.
Tkanina vykazuje nepatrně vyšší pevostí a zejméma vyšší chemickou odolností oproti skelným tkaninám.
http://www.havel-composites.com
252
a ) b) c ) Obr.28 Tkanina uhlíková a); Čedičová b); Skelná c)
Vzorky byly připraveny na technice vakuového pytlování. Tkaniny byly ručně napuštěny geopolymerní matricí, vrstveny společně stejným směrem a umístěny do vakuového pytle.
Vzorky byly sušeny s použítím techniky zvané " lisování pomocí vakua " (-0.1MPa a při pokojové teplotě 20 oC) po dobu 2 hodin. Sáček byl umístěn s vyhřívaným lisováním v peci
při 80 oC a tlaku -1atm po dobu 2 hodin. Sáček byl pak odstraněn ze vzorku a poté byly vzorky sušeny po dobu 20 hodin při teplotě 80 °C. Nakonec byly vzorky řezány pomocí vibrátorového kotouče. Objemový podíl výztuže byl přibližně 32-40%.
a) b)
c) d)
e) f)
Obr.29 Postup přípravyzkušebních vzorků
a) Připrava vrstvy geopolymeru; b) Přítlačný a nanášecí váleček; c) Lisování pomocí vakua (vacuum bagging) za 1 hodinu; d) Vytvrzování kompozitu za 1 hodinu v peci při teplotě 80° C s lisování pomocí vakua,potom za 22 hodin při stejné teplotě; e) Řezání vzorku (3 x 14 x 90 mm); f) Vzorky připravené pro ohybovou zkoušku.
Celkem bylo připraveno 6 různých kompozitů a od každého druhu 28 zkušebních tělísek o rozměrech 3 x 14 x 90 mm. Vzorky byly zahřívány na teplotu 200 °C,400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C po dobu 30 minut v oxidačním prostředí v peci (viz obr. 30). Po skončení zahřívání byly vzorky samovolně ochlazeny na laboratorní teplotu. Potom byly připraveny pro mechanické zkoušky na pevnost v ohybu tříbodovým ohybem.
Tab.6 Typy a označení geopolymerních kompozitů
Obr.30 Ohřev vzorky při teplotě 1000oC
vzorky
3.3 STANOVENÍ PEVNOSTI V OHYBU
Zkouška ohybem probíhá při tříbodovém uložení podle ČSN EN ISO 178. Při zkoušce tříbodovým ohybem existuje ve zkušebním tělese napjatost s maximálním zatížením a definovaným místem lomu v bodě zatížení, tj. ve středu délky tělesa. Maximální smykové napětí leží mezi vrstvami uprostřed tloušťky tělesa. Zkoušky byly prováděny na zkušebním stroji INSTRON Model 4202 (Obr.31 Vzdálenost podpor vzorku činila 64 mm, rychlost posuvu příčníku byla vp = 2 mm/min). Pro měření sil byl použit dynamometr s rozsahem 10kN.
Obr.31 Zkušební stroj INSTRON Model 4202
Pro určení ohybové napětí se provádí podle běžného vzorce:
Kde : F je síla, která působí na trámec, l je rozpětí podpor na přístroji (zde l = 64 mm), a je délka trámečku, h je jeho výška.
Obr.32 Tříbodový ohyb Pro určení modulu pružnosti je zřejmé z následujícího schématu na obr. xx
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Ohybové napětí (MPa)
Ohybové přetvoření (mm/mm)
Obr.33 Určení modulu pružnosti
kde: F [N] ...síla,ΔL [mm]...prodloužení (zkrácení) ;P26 ... dolní limit určení E-modulu 1 P27 ... horní limit určení E-modulu 1 ; P29 ... dolní limit určení E-modulu 2
P30 ... horní limit určení E-modulu 2; ε [%]...poměrné prodloužení (poměrné zkrácení) σ [ Mpa]...napětí
4. VÝSLEDKY A DISKUZE
V této kapitole jsou zpracovány a vyhodnoceny výsledky mechanických zkoušek na připravených zkušebních vzorcích. Bylo provedeno měření mechanických vlastností pevnosti v tahu za ohybu a modulu pružnosti kompozitních vzorků. Celkem bylo studováno 6 různých kompozitů, lišících se vyztuženými tkaninami (tj skleněnými, uhlíkovými, čedičovými a kombinací mezi tím). Vzorky byly testovány při pokojové teplotě (20 ° C) nebo při teplotě -20
oC nebo byli vystaveny působení vysokých teplot v elektrické peci (vzorky byly zahřívány na teplotu 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C po dobu 30 minut v oxidačním prostředí v peci).
Poté jsou popsány výsledné mechanické vlastnosti připravených kompozitů. V tabulkách 7 až 12 jsou zobrazeny výsledné pevnosti připravených kompozitů. Grafické znázornění pevností a modulu pružnosti je znázorněno na obrázcích 36 až 41. Na obrázku 42, 43, 44 jsou zobrazena ohybová napětí všech různých kompozitů ,vliv teploty na zvětšení tloušťky a vliv teploty na ztrátu hmotnosti.
Obr.34 Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysokých teplot 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
Mechanismus porušení vzorků, které byly testovány při pokojové teplotě (20 ° C) po ohybové zkoušce.
Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysoké teploty 200 °C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce .
Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysoké teploty 400 °C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysoké teploty 600 °C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysoké teploty 800°C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
Mechanismus porušení vzorků, které byly vystaveny působení vysoké teploty 1000°C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
Skoro všechny různé kompozity mají podobný mechanismus porušení, to znamená, že vzorky vystavené teplotě nad 800 °C po dobu 30 minut byly zcela porušeny testem v ohybu a jsou velmi křehké. Pod teplotou 800 °C mají ještě dobrou přilnavost mezi geopolymerní matricí a vlákny (viz obr.34).
Geopolymerní kompozit vyztužený tkaninami čedičovými má jiný mechanismus porušení, protože kombinací mezi geopolymerní matricí a čedičovými vlákny došlo k vytvoření nové struktury, která je velmi křehká a byla zcela porušena testem v ohybu (viz obr.35).
Obr.35 Mechanismus porušení geokompozitů vyztužené tkaninami čedičový, které byly vystaveny působení vysokých teplot 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C po dobu 30 minut po ohybové zkoušce.
4.1 VÝSLEDNÉ PEVNOSTI PŘIPRAVENÝCH KOMPOZITŮ
Grafické znázornění pevností a modulu pružnosti je znázorněno na obrázcích 36 až 41. Na obrázku 42, 43, 44 jsou zobrazeny ohybové napětí všech různých kompozitů , vliv teploty na zvětšení tloušťky a vliv teploty na ztrátu hmotnosti.
Tab.7 Kompozit s 7 vrstvami skleněných tkanin
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max
[%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E [GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
Vf
[%]
-20 1,94 3,16 1,11 43±3,7 10,02±1,4 0,70 101,0 -
20 1,88 3,00 0,70 73±10,1 14,00±1,5 0,00 100,0 40,7
200 1,60 3,82 0,80 19±3,2 4,60±0,8 2,26 115,8 -
400 1,20 4,87 1,09 9±1,5 1,26±0,2 4,32 145,5 -
600 1,07 5,24 0,57 8±0.5 2,03±0,7 5,15 162,4 -
800 1,07 5,58 0,49 17±2,3 5,54±0,7 5,26 168,6 -
1000 0,73 8,88
Vzorků ještě existují, ale mají nízké mechanické
vlastnosti
5,03 261,9 -
Obr.36 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 7 vrstvami skleněných tkanin
Tab.8 Kompozit s 10 vrstvami uhlíkových tkanin
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max [%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E
[GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
Vf
[%]
-20 1,61 3,24 0,67 47±1,3 13,25±1,6 1,88 100,7 -
20 1,63 3,04 0,81 70±4,0 14,83±2,5 0,00 100,0 33,6
200 1,54 3,24 0,60 39±2,9 11,71±2,2 5,02 103,4 -
400 1,21 4,11 1,16 25±1,3 2,80±0,5 7,40 123,2 -
600 1,08 4,13 1,33 17±0,8 1,52±0,1 14,97 128,2 -
800 1,07 4,11 0,73 43±6,3 9,21±1,5 16,08 123,6 -
1000 1,13 3,90 0,79 55±1,9 10,67±0,5 14,16 120,3 -
Obr.37 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 10 vrstvami uhlíkových tkanin
Tab.9 Kompozit s 15 vrstvami čedičových tkanin
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max
[%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E
[GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
Vf
[%]
-20 1,82 3,57 0,73 56±5,9 11,06±1,5 3,41 100,9 -
20 1,95 3,50 1,23 95±7,7 9,69±1,5 0,00 100,0 32,1
200 1,38 4,82 0,38 22±0,8 14,78±1,0 7,78 137,0 -
400 0,89 6,97 0,60 9±0,7 3,94±0,9 11,27 211,7 -
600 0,77 8,00 0,81 9±0,2 2,97±0,7 11,99 232,1 -
800 0,75 8,00 0,70 9±0,4 3,92±0,6 11,95 233,3 -
1000 0,65 9,00 0,71 5±0,4 2,88 11,73 272,7 -
Obr.38 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 15 vrstvami čedičových tkanin
Tab.10 kombinovaný kompozit s 5 vrstvami skleněných tkanin a 2x2 čedičových tkanin na povrchu
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max [%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E
[GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
-20 1,96 3,07 0,75 58±2,5 11,25±1,7 4,34 100,5
20 2,00 3,10 0,74 77±5,9 12,05±1,4 0,00 100,0
200 1,74 3,30 0,95 44±6,6 5,94±1,2 7,04 105,4
400 1,32 4,26 1,29 29±1,7 6,15±0,7 9,09 134,6
600 1,23 4,50 0,43 19±2,0 6,77±1,7 9,60 146,4
800 1,11 4,97 0,22 15±1.21 5.76±0.8 9,86 157,1
1000 0,74 7,71 0,33 6±1,4 4,09±1,0 10,41 243,0
Obr.39 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 5 vrstvami skleněných tkanin a 2x2 čedičových tkanin na povrchu
Tab.11 kombinovaný kompozit s 5 vrstvami skleněných tkanin a 1x1 uhlíkových tkanin na povrchu
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max
[%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E [GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
-20 1,81 3,06 0,92 48±4,8 11,3±3,0 3,89 102,8
20 1.90 3,02 0,83 62±2,7 12,42±0,8 0,00 100,0
200 1,65 3,33 0,77 67±4,1 12,39±0,7 7,60 104,8
400 1,20 4,37 0,83 18±1,8 3,59±0,8 9,49 142,9
600 1,10 4,65 0,56 13±0,8 3,88±0,4 12,36 151,3
800 1,03 4,90 0,55 11,74 3,2 13,99 159,8
1000 0,76 7,15 0,51 6,31 1,1 13,27 231,7
Obr.40 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 5 vrstvami skleněných tkanin a 1x1 uhlíkových tkanin na povrchu
Tab.12 kombinovaný kompozit s 12 vrstvami čedičových tkanin a 1x1 uhlíkových tkanin na povrchu
Teplota [oC]
Hustota [g/cm3]
Tloušťka h [mm]
A max [%]
Ohybové napětí [MPa]
Ohybový modul E
[GPa]
Ztráta hmotnosti
[%]
Zvětšení tloušťky
[%]
-20 2,00 2,88 0,82 59±2.1 9,6±0.6 1,96 101,0
20 2,02 2,90 0,88 80±9.4 10,38±1,1 0,00 100,0
200 1,46 4,04 1,24 66±7,4 6,73±1,0 5,38 128,8
400 1,21 4,90 0,92 22±5,5 4,53±1,8 8,80 155,8
600 0,82 6,45 1,34 10±1,0 2,89±0,9 13,42 212,6
800 0,76 7.14 1,33 5±2,2 3,09±1,3 14,52 224,5
1000 0,63 8,79
Vzorků ještě existují,ale mají nízké mechanické
vlastnosti
13,14 280,0
Obr.41 Graf znázorňující průměrné hodnoty pevnosti kompozitu s 12 vrstvami čedičových tkanin a 1x1 uhlíkových tkanin na povrchu
Na obrázcích č. 36 až 41 jsou graficky znázorněny naměřené hodnoty pevnosti v ohybu resp.
modulu pružnosti uvedené v tabulce č. 7 až 12. Hodnoty Youngova modulu pružnosti vykazují velmi podobné tendence jako hodnoty pevnosti v ohybu. Na obrázku 42 jsou zobrazena
ohybová napětí všech různých kompozitů. Z grafu je patrné, že nejvyšší hodnota pevnosti v ohybu byla naměřena u geokompozitu s 15 vrstvami čedičových tkanin při pokojové teplotě a to 95±7,7 MPa. Pevnosti v ohybu ostatních kompozitů se při 20 °C pohybují mezi 60 až 80 Mpa a modul pružnosti všech různých kompozitů při 20 °C lze dosáhnout od 10 do 14 Gpa.
Některé neobvyklé chování pevnosti v ohybu z geokompozitů vyztužené tkaninami 7E či 10C byly stanoveny na obrázku 42, s tím lze dále experimentovat pro vysvětlení mechanismu toho- to chování.
Z průběhu pevnostních charakteristik všech kompozitů je vidět, že pevnost klesá s rostoucí teplotou po zahřátí na teplotu vyšší než 200 oC v čase 30 minut. Zajímavé je, že ohybová pevnost kompozitů s 10 vrstvami uhlíkových tkanin se zvýší při překročení teploty nad 600 oC a má dobrou houževnatost až 1000 oC. Zvýšení pevnosti při teplotách nad 600 oC lze vysvětlit jako homogenizací mezi geopolymerní matricí a vyztuženými tkaninami, tím se přilna- vost zlepšila. Detailnější pohled na tyto kompozity jsou na obrázku č. 37.
Obr.42 Graf porovnání mechanických vlastností mezi kompozitními materiály po zahřátí na teplotu 20 oC, 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C.
Obr. 43 Vliv teploty na zvětšení tloušťky
Obr.44 Vliv teploty na ztráta hmotnosti
Na obrázku 43 je vidět změna tloušťky vlivem teploty kompozitů. Kompozit s10 vrstvami uhlíkových tkanin má nejnižší změnu tloušťky vlivem vysoké teploty, a to zvětšením 20% po zahřátí na teplotu 1000 oC . Lze ho použít všude tam, kde je požadavek na malou odolnost vůči objemovým změnám vlivem teploty. Kompozit vyztužený čedičovými tkaninami má nejvyšší změnu tloušťky o zvětšení 172,7% po zahřátí na teplotu 1000 oC. Tento kompozit nelze použít pro technické aplikace. Konkrétní rozbor těchto kompozitů je v tabulce č. 7 a 12
Na obr. č. 44 je znázorněn graf vlivu teploty na ztrátu hmotnosti. Na grafu je vidět, že u kompozitů vyztužených čedičovými a uhlíkovými tkaninami se objevuje ztráta hmotnosti po zahřátí na vysokou teplotu a zvyšují se při překročení teploty nad 600 oC o 14-16 %. A to lze vysvětlit tak, že bylo odpařování vody z geopolymerního matrice, ale i částečně k oxi- daci uhlíkových vláken vnějších vrstev při vyšší teplotě 400°C. Ztráta hmotnosti kompozitů vyztužených skleněnými tkaninami byla nejmenší o asi 5% po zahřátí na teplotu 1000oC. Z grafu taky vyplývá, že hodnota ztráty hmotnosti všech kompozitů se téměř nemění po zahřátí nad 600 oC.
4.2 POZOROVÁNÍ MIKROSTRUKTURY
Optická mikroskopie umožňuje pozorovat mikroskopické objekty a struktury do1000–
násobného zvětšení bez speciálních úprav mikroskopu a při běžné přípravě vzorků broušením a leštěním. Obrázky č. 46 – 48 byly pořízeny na rastrovacím elektronovém mikroskopuTESLA BS 343 s PC zpracováním obrazu (modul SATELLITE) (viz Obr.45). Tento mikroskop je umístěn v laboratoři KTM.
Obr.45 Rastrovací elektronový mikroskop TESLA BS 343.
Přehledný obrázek č. 46 náleží kompozitu s 15 vrstvami čedičových tkanin s nejvyšší změnou tloušťky vlivem vysoké teploty, která je také příčinou nízké pevnosti po zahřátí nad 200 oC.
Z mikrostrukturní analýzy vyplývá, že vlivem vysoké teploty vzniklo hodně dutin v geopolymerní matrici, tím dochází k expanzi kompozitních vzorků. Detailnější pohled na tyto kompozity je na obrázcích č. 46 a 48.
Kompozity vyztužené čedičovými a skleněnými tkaninami mají podobnou charakteristiku po zahřátí na teplotu 1000 oC, ve které neexistují vlákna, protože jsou homogenizovány.
Kompozit s 10 vrstvami uhlíkových tkanin má stabilitu s rostoucí teplotou, jeho struktura se teměr nemění až po zahřátí na teplotu 800 oC. Nevznikla dutina v matrici. Při teplotě 1000 oC došlo k chemické změně v matrici, a tím se zvyšují mechanické vlastnosti kompozitu (viz tab.
8).
4.2.1 KOMPOZIT Z 15 VRSTEV ČEDIČOVÝCH TKANIN
Obr.46 Pozorování mikrostruktury kompozitu z 15 vrstvami čedičových tkanin po zahřátí na teploty 20 oC, 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C.
20OC 200OC
800OC 1000OC
400OC 600OC
Dutiny
4.2.2 KOMPOZIT Z 10 VRSTEV UHLÍKOVÝCH TKANIN
Obr.47 Pozorování mikrostruktury kompozitu s 10 vrstvami uhlíkových tkanin po zahřátí na teploty 20 oC, 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C.
20OC 200OC
400OC 600OC
800OC 1000OC
4.2.3 KOMPOZIT Z 7 VRSTEV SKLENĚNÝCH TKANIN
Obr.48 Pozorování mikrostruktury kompozitu s 7 vrstvami skleněných tkanin po zahřátí na teploty 20 oC, 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C a 1000 °C.
20OC 200OC
400OC 600OC
1000OC 800OC
ZÁVĚR
Tato práce se zabývá geopolymerními kompozitními materiály, sledováním a hodnocením zbytkové pevnosti geokompozitů po vystavení vysokým teplotám. Geokompozity vyztužené tkaninami lze připravit technikou vakuového pytlování (pomocí „lisování pomocí vakua“ za 1 hodinu při pokojové teplotě, 2 hodiny v troubě při teplotě 80 oC a tlaku -0.1MPa a vytvrzení sušením při stejné teplotě po dobu 20 hodin). Obecně platí, že všechny geo- kompozity byly posíleny tkaninami z uhlíkových, skleněných a čedičových vláken, která byla mezi 32-40% objemového podílu. Z porovnání ohybových pevností bylo zjištěno, že geokompozitu s 15 vrstvami čedičových tkanin při pokojové teplotě má nejvyšší hodnota pevnosti 95±7,7 MPa. Kompozit vyztužený uhlíkovými tkaninami vykazuje velmi dobré tepelně-mechanické vlastnosti, udrží jenom téměř 25% pevnosti v ohybu po těžké tepel- né expozici 600 °C, ale pevnost se zvýší (dosáhne téměř 78% v porovnání s pevností při pokojové teplotě) při překročení teploty nad 600 oC homogenizací mezi geopolymerní matricí a vyztuženými tkaninami. Kompozit vyztužený skleněnými tkaninami také má podobné tendence. U ostatních kompozitů se pevnosti v ohybu při pokojové teplotě pohybují mezi 60 až 80 MPa a klesají velmi rychle po vystavení vysokým teplotám až 1000 oC. Výhodou těchto geokompozitů je nízká hmotnost (o 1,6-2g/cm3 při pokojové teplotě), vysoká odolnost proti ohni (nehořlavost až 1000 oC), vysoké tepelně izolační vlastnosti a menší ztráta hmotnosti (o asi 5% u kompozitů vyztužených skleněnými tkaninami). Nevýhodou je relativně vyšší změna tloušťky vlivem vysoké teploty. Nejnižší změna je u kompozitu s10 vrstvami uhlíkových tkanin,tj. zvětšení o 23%, nejvyšší změna tloušťky, tj. zvětšení o 172,7%, je u kompozitu vyztuženého čedičovými tkaninami.
