Studium vlastností kompozitů vyztužených přírodními vlákny

Studium vlastností kompozitů vyztužených přírodními vlákny

Bakalářská práce

Studijní program: B3107 – Textil

Studijní obor: 3106R016 – Textilní technologie, materiály a nanomateriály Autor práce: Filip Žižka

Vedoucí práce: Ing. Ondřej Novák, Ph.D.

Liberec 2017

Prohlášení

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

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé 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 pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

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

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

Datum:

Podpis:

Poděkování

Rád bych poděkoval především vedoucímu této bakalářské práce Ing. Ondřeji Novákovi, PhD., za vstřícný přístup a za poskytnutí mnoha cenných rad a informací, které mi při zpracování této bakalářské práce velmi pomohly. Dále bych rád poděkoval Ing. Martině Syrovátkové a Ing. Josefu Vosáhlovi za poskytnutí materiálů a cenných rad. V neposlední řadě bych rád poděkoval své rodině a přítelkyni za podporu při studiích.

Anotace

Tato bakalářská práce se zabývá použitím přírodních vláken jakožto výztuží v kompozitech. První část je věnována rešerši na téma kompozitní materiál se zaměřením na výztuže z přírodních vláken a druhy zkoušek pro zjišťování mechanických vlastností. Experimentální část se nejprve věnuje popisu použitých zařízení, materiálů a výrobních technik použitých při výrobě kompozitních materiálů z vybraných přírodních vláken. Mechanické vlastnosti byly stanoveny pomocí tahové zkoušky a trojbodového ohybu. Po získání výsledků se práce věnuje jejich analýze a diskuzi. V závěru práce jsou porovnány vlastnosti vyrobených materiálů s vlastnostmi podobných kompozitů prezentovaných jinými autory.

Klíčová slova

Kompozitní materiály, přírodní vlákna, juta, len, epoxid, polyesterová pryskyřice

Annotation

This bachelor thesis deals with usage of natural fibres as a reinforcement in composite materials. The first part is dedicated to a research on composite materials focused on reinforcement made of natural fibres and types of mechanical features testing. The experimental part first deals with description of equipment, materials and production technologies used to produce composite materials from selected natural fibres.

Mechanical features were defined using tensile test and three point flexural test.

Following the test results acquisition, the paper goes on to their analysis and discussion.

In the concluding part the features of produced materials are compared to the features of similar composites presented by other authors.

Key words

Composite materials, natural fibres, jute, flax, epoxide, polyester resin

8 Obsah

1 Úvod ... 13

2 Kompozitní materiály ... 14

2.1 Základní nomenklatura ... 14

2.2 Definice a základní pojmy ... 14

2.2.1 Historie kompozitu ... 15

2.2.2 Synergický efekt ... 15

2.2.3 Druhy kompozitů ... 16

2.3 Matrice ... 17

2.4 Výztuže ... 19

2.4.1 Vláknové kompozity ... 19

2.4.2 Působení vláken v kompozitu ... 20

2.5 Použití kompozitů ... 20

2.5.1 Použití kompozitů s výztuhou z přírodních vláken ... 21

2.6 Testování kompozitů na mechanické vlastnosti ... 21

2.6.1 Charpy test ... 21

2.6.2 Pevnost a tažnost ... 22

2.6.3 Tříbodý ohyb ... 23

3 Základní dělení vláken ... 25

3.1 Podle původu vláken ... 25

3.2 Podle chemického složení ... 25

3.3 Podle délky ... 27

3.4 Podle termického chování ... 28

9

3.5 Podle chování při mechanickém namáhání ... 28

4 Přírodní vlákna ... 29

4.1 Rostlinná ... 29

4.1.1 Bavlna ... 29

4.1.2 Kapok ... 30

4.1.3 Len ... 30

4.1.4 Konopí ... 31

4.1.5 Juta ... 31

4.1.6 Ramie ... 31

4.1.7 Kenaf ... 32

4.1.8 Kokos ... 32

4.1.9 Sisal ... 33

4.2 Živočišná vlákna ... 33

4.2.1 Ovčí a kozí vlna ... 33

4.2.2 Přírodní hedvábí ... 34

5 Experimentální část ... 35

5.1 Plán experimentu ... 35

5.1.1 Předpínání ... 35

5.1.2 Výroba předpjatých lineárních kompozitů ... 37

5.1.3 Výroba kompozitů vyztužených přírodními vlákny ... 37

5.2 Použité materiály ... 38

5.2.1 Příze ... 38

5.2.2 Pryskyřice a iniciátor ... 38

5.2.3 Jutová tkanina ... 39

10

5.2.4 Lněný prepreg ... 40

5.3 Použité stroje a zařízení ... 41

5.4 Výroba vzorků ... 43

5.4.1 Kompozit vyztužený lněnými vlákny ... 43

5.4.2 Kompozit vyztužený jutovou tkaninou ... 44

5.4.3 Lineární kompozit vyztužený přízí ... 45

6 Výsledky a diskuze ... 47

6.1 Stanovení pevnosti a tažnosti ... 47

6.1.1 Polyesterová příze ... 47

6.1.2 Jutová tkanina ... 47

6.1.3 Jutová příze s polyesterovou matricí. ... 48

6.1.4 Polyesterová příze s polyesterovou matricí ... 48

6.1.5 Kompozit vyztužený lněným vláknem s epoxidovou pryskyřicí ... 50

6.1.6 Kompozit s polyesterovou pryskyřicí vyztužený jutovou tkaninou ... 52

6.1.7 Kompozit s epoxidovou pryskyřicí vyztužený jutovou tkaninou ... 52

6.2 Stanovení tříbodého ohybu ... 53

6.2.1 Kompozit s polyesterovou pryskyřicí vyztužený jutovou tkaninou ... 53

6.2.2 Kompozit s epoxidovou pryskyřicí vyztužený jutovou tkaninou ... 54

6.2.3 Kompozit vyztužený lněným vláknem s epoxidovou pryskyřicí ... 55

6.2.4 Porovnání výsledků s jinými autory ... 56

7 Závěry a doporučení ... 59

11 Seznam obrázků

Obrázek 1 Znázornění synergického efektu ... 16

Obrázek 2 Druhy výztuží ... 17

Obrázek 3 Průřez vzorkem s kolmo působící tahovou silou ... 22

Obrázek 4 Znázornění poměrného prodloužení... 23

Obrázek 5 Tříbodý ohyb ... 24

Obrázek 6 Průřez vzorkem ... 24

Obrázek 7 Znázornění namáhání předpínaného nosníku ... 36

Obrázek 8 Vyztužení betonové konstrukce předpínanými ocelovými strunami ... 36

Obrázek 9 Polyesterová příze (vlevo) a jutová tkanina (vpravo) ... 38

Obrázek 10 Jutové tkaniny ... 40

Obrázek 11 Flaxpreg (len s epoxidovou pryskyřicí) ... 41

Obrázek 12 Přístroj LabTest 4.050... 41

Obrázek 13 Zkoušení ohybových vlastností na přístroji LabTest 2.050 ... 42

Obrázek 14 Etažový lis ... 43

Obrázek 15 Výroba kompozitu juty s pryskyřicí ... 45

Seznam grafů Graf 1 Závislost deformace kompozitní příze na použitém předpětí ... 49

Graf 2 Závislost modulu pružnosti kompozitní příze na použitém předpětí ... 49

Graf 3 Závislost pevnosti kompozitní příze na použitém předpětí ... 50

Graf 4 Porovnání velikosti deformace v závislosti na počtu a směru vrstev ... 51

Graf 5 Porovnání velikosti deformace v závislosti na počtu a směru vrstev ... 51

Graf 6 Porovnání modulů v závislosti na počtu a směru vrstev ... 51

Graf 7 Závislost modulu v ohybu na směru a hustotě vláken ... 54

12

Graf 8 Závislost modulu v ohybu na směru a hustotě vláken ... 55

Graf 9 Závislost ohybového modulu na počtu a směru vrstev ... 56

Graf 10 Porovnání maximálního zatížení polyesterového kompozitu vyztuženého jutovou tkaninou s jinými autory ... 57

Graf 11 Porovnání maximálního zatížení epoxidového kompozitu vyztuženého jutovou tkaninou s jinými autory ... 57

Graf 12 Porovnání modulu pružnosti s jinými autory ... 58

Graf 13 porovnání pevnosti v ohybu s jinými autory ... 58

Seznam tabulek Tabulka 1 Datasheet k polyesterové pryskyřici ... 39

Tabulka 2 Datasheet k epoxidové pryskyřici ... 39

Tabulka 3 Základní mechanické vlastnosti lněného prepregu ... 40

Tabulka 4 Obsah vláken a matrice v kompozitu ... 44

Tabulka 5 Naměřené hodnoty polyesterové příze ... 47

Tabulka 6 Naměřené hodnoty jutové tkaniny ... 48

Tabulka 7 Naměřené hodnoty jutové příze s PES matricí ... 48

Tabulka 8 Naměřené hodnoty PES příze s PES matricí ... 48

Tabulka 9 Naměřené hodnoty na kompozitu Flaxpreg ... 50

Tabulka 10 Naměřené hodnoty jutové tkaniny s polyesterovou matricí ... 52

Tabulka 11 Naměřené hodnoty juty s epoxidovou pryskyřicí ... 53

Tabulka 12 Naměřené hodnoty tříbodého ohybu u juty s PES pryskyřicí ... 54

Tabulka 13 Naměřené hodnoty tříbodého ohybu u juty s epoxidovou pryskyřicí ... 55

Tabulka 14 Naměřené hodnoty tříbodého ohybu u lněného prepregu ... 56

13

1 Úvod

Kompozity se v posledních letech stávají nejvíce používaným materiálem, což má za následek, že dochází k redukci využití základních materiálů.

Stále se kladou větší a větší nároky na nové textilní výrobky, ať už jde o mechanickou, nebo chemickou odolnost. Lidstvo pomalu a jistě vyčerpává veškeré neobnovitelné zdroje z naší planety, až jednou tyto zdroje vymizí, bude nutné je plnohodnotně nahradit. Z toho důvodu se začínají používat právě kompozity vyztužené přírodními vlákny, které dokáží konkurovat běžným materiálům. Důležitým požadavkem současnosti je, aby tyto materiály byly co nejlépe zpracovatelné, levné, zdravotně nezávadné a v nejlepším případě také šetrné vůči přírodě. V dnešní době se s kompozity vyztuženými přírodními vlákny lze setkat napříč odvětvími díky jejich vlastnostem a částečně také díky možnosti recyklace.

Teoretická část bakalářské práce popisuje kompozitní materiály vyztužené právě přírodními vlákny, zejména vlákny rostlinnými. Dále pak zahrnuje charakteristiku jednotlivých rostlinných vláken a jejich možné použití. Závěrem této části jsou popsány epoxidové a polyesterové pryskyřice, použité při praktické části jako matrice.

Experimentální část je věnována přípravě vzorků z juty a lnu, kvantifikaci jednotlivých složek a kvalitativní analýze z pohledu mechanických vlastností.

14

2 Kompozitní materiály 2.1 Základní nomenklatura

Zkratka / Symbol Jednotka Význam

Amax [%] Tažnost při Fmax v %

Amax [mm] Tažnost při Fmax v mm

σfM [MPa] Pevnost v ohybu

E [MPa] Youngův modul pružnosti v ohybu

E [MPa] Youngův modul pružnosti v tahu

Fm [N] Maximální dosažená síla

Fmax [N] Maximální dosažená síla

PES - Polyester

σm [MPa] Pevnost v tahu

Xm [mm] Průhyb vzorku na maximální zatížení

2.2 Definice a základní pojmy

K pochopení tématu je vhodné vysvětlit pojem kompozit, respektive kompozitní materiál. Nejlépe vystihuje tento termín Bareš:

„Kompozit je každý materiálový systém, který je složen z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna je pevná, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samostatně ani prostou sumací.“1

Proč se takový kompozit vyrábí, je zcela evidentní. Snahou je získat ze dvou různých materiálů materiál kvalitativně jiný, s lepšími vlastnostmi. Každá fáze má svojí charakteristiku, díky které se fáze mezi sebou navzájem ovlivňují. Ovlivňují se také vzájemnými interakcemi, ať už jsou to interakce fyzikální, fyzikálně-chemické nebo pouze chemické. Díky tomu vzniká materiál s takovými vlastnostmi, jaké nemá žádná z těchto jednotlivých složek. 2

1 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1988 str. 46

2 Tamtéž, str. 46-47

15

Takové chování se nazývá synergickým efektem. Díky tomuto jevu můžeme získávat stále nové a nové materiály.³

Jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících vlastnosti kompozitu je právě poměr zastoupení vyztužujícího materiálu ku matrici kompozitu.⁴

2.2.1 Historie kompozitu

První kompozity se objevily již ve starém Egyptě, kde se používala sláma jako výztuha hliněných bloků. Dalším historickým a velmi známým kompozitem je takzvaná damascenská ocel, která významně ovlivnila průběh křižáckých válek. Zde se jednalo o střídání plátků vysokouhlíkové a středně uhlíkové oceli. Takovýto kompozit vynikal jak svou tvrdostí, tak i svou houževnatostí. Mongolský luk byl také ve své podstatě kompozitem. Byl zhotoven z několika vrstev, tedy ze dřeva, rohoviny a šlach. Díky tomu se docílilo jeho specifického vzhledu, ale i vynikajícího ohybu, který značně ovlivnil jeho dostřel.5

2.2.2 Synergický efekt

Nebo také kompozitní působení, popisuje kombinaci pozitivních vlastností jednotlivých složek kompozitu tak, že součet těchto složek je překonán celkem.6

3 KRATOCHVÍL, B., ŠVORČÍK, V. a VOJTĚCH, D. Úvod do studia materiálů. Praha: VŠCHT Praha, 2005. ISBN 80-7080-568-4

4 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Praha: STNL 1987. Str. 14

5 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2007. ISBN 978-80-7372-279-1 str. 5-6

6 Tamtéž, str. 11-12

16

Obrázek 1 Znázornění synergického efektu

Zdroj: ĎAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 12

2.2.3 Druhy kompozitů

Kompozitní materiály můžeme dělit podle disperzní fáze, typu matrice a podle tvaru disperze. Pokud budeme kompozitní materiál dělit podle typu disperzní fáze, rozdělujeme jej na kompozit prvního, druhého a třetího typu. Kompozit prvního typu je tvořen pomocí disperze pevné fáze. Takovéto kompozity se objevují zejména v technickém odvětví. Kompozit druhého typu obsahuje kapalnou disperzi. Prakticky se jedná o materiál s póry, ve kterých je například mazací olej. Kompozit třetího typu tvoří disperze plynného charakteru. Do této skupiny patří především všechny pěnové materiály, například kovové nebo polyuretanové pěny.

Dělení podle typu matrice se používá jako jedno ze základních rozdělení kompozitních materiálů. Tyto materiály můžeme tedy dělit na:

 kompozitní materiály s plastovou matricí,

 kompozitní materiály s kovovou matricí,

 kompozitní materiály s keramickou a skleněnou matricí.

17

Nakonec můžeme kompozit rozdělit podle tvaru použité disperze. Tvar disperze, tedy výztuže, ovlivňuje do značné míry výsledné vlastnosti daného kompozitu. Podle výztuží dělíme kompozity následující typy:

 částicové – částice izometrické (z pravidla izotropního charakteru) a neizometrické (výztuž je formou destiček, nebo jehliček),

 vláknové – výztuž je formou vláken, dále dělíme na spojitá vlákna, nebo krátká vlákna.⁷

Obrázek 2 Druhy výztuží

Zdroj: GRAYSON, M. Encyclopedia of composite materials and components. New York: J. Wiley, c1983

2.3 Matrice

U vláknového kompozitu slouží matrice k fixaci a přenáší namáhání do vláken, jakožto výztuže. Matrice mohou být kovové, keramické nebo polymerní. U polymerních matric je výhodou jejich nízká hustota.⁸

Pro správnou funkčnost kompozitního materiálu je třeba správně stanovit jak použitý druh výztuže, tak i použitý druh matrice. Zejména pokud má být prvek namáhán staticky, či dynamicky a zda bude použit při vysokých nebo nízkých teplotách. Je třeba si uvědomit, že matrice má také vysoký vliv na chování celého kompozitu.⁹

7 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - modely a vlastnosti. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2005. ISBN 80-7083-972-4 str. 12-14

8 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 14

9 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 272

18

Polymerní matrice jsou u vláknových kompozitů matricemi s nejdelší historií.

Standardně se používají matrice z reaktoplastů. Levnější variantou jsou pak matrice zhotovené z termoplastů.

Termoplastové matrice jsou oproti reaktoplastovým levnější přibližně o 25 až 80 %.

Nejvíce používanými termoplasty pro výrobu matric vláknových kompozitů jsou polyamid, polyethylen, polypropylen, polykarbonát a jiné. Jako výztuž této matrice se nejčastěji používají uhlíková, aramidová, nebo skleněná vlákna. Vlastnosti kompozitu s touto matricí jsou ovlivněny mj. výrobním postupem, například orientací vláken v prostoru a ploše, distribucí délek a stupněm porušení vláken.10

Reaktoplastové matrice jsou nejrozšířenějšími matricemi ve vláknových kompozitech.

Jedním z prvních sériově vyráběných kompozitů byly právě kompozity utvořené s reaktoplastovou matricí. Tento objev, použití reaktoplastů se skelnými vlákny, jakožto výroby kompozitu se datuje do roku 1906. Nejčastěji se používají v kombinaci se skleněnými vlákny, avšak používají se i vlákna uhlíková, keramická, kevlarová, či vlákna z přírodních materiálů (juty, lnu, nebo sisalu) atd.

Mezi nejčastěji používané matrice patří polyester, epoxid a fenol. Z těchto matric je nejčastěji používán polyester. Například díky polyesterovým pryskyřicím lze dosáhnout vynikajících mechanických, elektrických a chemických vlastností v kombinaci se skleněnými vlákny.

Výborné mechanické a elektrické vlastnosti mají také epoxidy. Nicméně pouze za předpokladu, že poměr výztuže je vysoký. Používají se například v kombinaci se skleněnými vlákny nebo vlákny uhlíkovými.

Fenolové pryskyřice se používají díky vysoké tepelné odolnosti, jak proti vysokým teplotám, tak i ohni. Zároveň tyto pryskyřice potlačují plamen při hoření. Tato matrice se nejčastěji volí při výrobě různých elektrospotřebičů.11

10 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 279

11 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 47-48

19

2.4 Výztuže

Jak již bylo řečeno, výztuže můžeme dělit na částicové a vláknové. U materiálů vyztužených částicemi s průměrem a vzdáleností větší než 1 µm a objemovou koncentrací větší než 25 % dochází k dělení zatížení mezi matricí a výztuhou. Matrice je zde zpevněna tím, že částice omezují deformace matrice mechanickým odporem.¹² 2.4.1 Vláknové kompozity

Vláknové kompozity můžeme dělit na jednovrstvé a vícevrstvé. Jednovrstvé kompozity můžou být tvořeny z několika vrstev se stejnou orientací a stejnými vlastnostmi. Proto lze považovat celý laminát za jednovrstvový kompozit. U vícevrstvého kompozitu lze tedy říci, že se skládá z několika vrstev (lamin), kde každá vrstva má svojí orientaci a tudíž se jedná o několik lamin jednovrstvového kompozitu. Podle potřeby pak lze kompozit vyztužit buď krátkými vlákny (diskontinuitními) nebo vlákny dlouhými (spojitými). Délka vláken značně ovlivňuje vlastnosti a chování daného kompozitu.

Dlouhá vlákna (spojitá) v jednovrstvovém kompozitu mohou být orientována jedním směrem a tudíž mohou tvořit jednosměrný kompozit. Tyto kompozity lze vyrobit prosycením vláken pryskyřicí, nejčastěji se jedná o pryskyřici polyesterovou nebo epoxidovou. Takto předem impregnované vlákenné vrstvy se nazývají prepregy.13 Mezi vlákenné výztuže patří tyto skupiny vláken:

 přírodní vlákna,

 skleněná vlákna,

 uhlíková a grafitová vlákna,

 aramidová vlákna,

 keramická vlákna,

 kovová vlákna,

 whiskery.

12 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 87-88

13 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 14 – 17

20

Průměr použitých vláken je velmi rozdílný v závislosti na užitých vláknech. Průřez vlákna se může pohybovat od několika stovek nanometrů až k desítkám mikrometrů i více.¹⁴

2.4.2 Působení vláken v kompozitu

Rozdílem mezi svazkem vláken a vláknovým kompozitem je takový, že pokud praskne jednotlivé vlákno v kompozitu, může být zatížení z konce vlákna přeneseno smykem do matrice a za místem porušení na druhé straně lomu, může opět přejít do vlákna.

Prasklé vlákno tedy může i nadále přenášet zatížení.¹⁵

Důležité je také to, zda jsou vlákna v kompozitu uložena v jednom směru, nebo jsou orientována zcela nahodile. Díky tomu zde můžeme využívat tzv. řízenou anizotropii, což znamená, že určitý podíl hodnot vlastností v jakémkoliv směru lze měnit. Například můžeme měnit poměr pevnosti podélné a příčné pouhým objemem vláken v jednosměrném vlákenném kompozitu. Například jednosměrný kompozit vyztužený spojitým vláknem funguje tak, že břemeno, tedy zatížení, působí přímo na vlákno a matrice zde funguje pouze jako pojivá a ochranná složka. Toto ovšem funguje především tehdy, pokud používáme vysokomodulová vlákna o velkých koncentracích.16

2.5 Použití kompozitů

Největším pokrokem v konstrukčním využití vláknových kompozitů je rozvoj jejich využití v leteckém a kosmickém průmyslu. Tyto výzkumy byly financovány ze státního rozpočtu. Například v roce 1970 byla zkonstruována ocasní část letadla F 14 z kompozitu epoxid - borové vlákno. Cena byla sice vyšší než při použití kovových materiálů, ale zde bylo hlavním úkolem zredukovat váhu dílu.17

V dnešní době se kompozity objevují v každém odvětví průmyslu, nicméně nejznatelnější využití mají kompozity v leteckém a raketovém průmyslu. Právě díky kompozitu s epoxidovou matricí, ve které byla jako výztuha disperze borových vláken,

14 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 26

15 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - modely a vlastnosti. Str. 28

16 AGARWAL, B. a BROUTMAN, L. Vláknové kompozity. Str. 17 – 19

17 BAREŠ, R. Kompozitní materiály. Str. 289

21

se zmenšila hmotnost nosníku až o 44 % v porovnání s původním ocelovým nosníkem.

Nicméně tyto materiály jsou většinou dražší, než materiály klasické a proto je potřeba jejich použití předem dobře zvážit. Během roku 2000 byla u automobilů průměrná hmotnost použitých kompozitů 33,5 kg. V roce 2005 vzrostla tato hmotnost až na 37,2 kg. Stejně tak se použití kompozitů nevyhnula ani lodní doprava. Dále se z nejrůznějších kompozitů vyrábějí lopatky pro tryskové motory, ochranné pláště nebo dokonce i rotory vrtulníků.18

2.5.1 Použití kompozitů s výztuhou z přírodních vláken

Použití přírodních vláken se vyskytuje nejen v automobilovém průmyslu, ale směřuje i do ostatních odvětví. Mezi největší výhody těchto vláken zpravidla patří jejich nízká cena, ale i nízká hmotnost, netoxičnost a snadná recyklovatelnost bez uhlíkové stopy a bez využití neobnovitelných zdrojů. Dnes jsou přírodní vlákna používána jak pro výrobu kompozitů do interiéru, tak i exteriéru vozidla. Tyto kompozity se používají například při výrobě karosérií automobilu Fiat FCC II, nebo pro různé díly Mercedesu třídy C.19

2.6 Testování kompozitů na mechanické vlastnosti

Jedná se o zkoušku, která testuje vrubovou houževnatost. Základem přístroje pro měření je kladivo, které se při zahájení zkoušky uvolní a narazí do vzorku. Přístroj zaznamená potřebnou energii k průrazu materiálu a tím získá hodnoty, které jsou nutné pro získání vrubové houževnatosti. Tyto testy se často dělají na vzorcích při různých teplotách20

Nicméně v této práci nebude tento test dále popisován, z důvodu nepoužití při testování vzorků v části experimentální.

18 DAĎOUREK, K. Kompozitní materiály - druhy a jejich užití. Str. 103-107

19 LENDFELD, P. Kompozity s přírodními vlákennými plnivy kokosu [online]. MM Spektrum. Liberec:

Technická univerzita v Liberci. [cit. 2017-03-18]. Dostupné z:

http://www.mmspektrum.com/clanek/kompozity-s-prirodnimi-vlakennymi-plnivy-kokosu.html

20Steel University.Introduction to Chapry Testing [online]. [cit. 2017-04-29]. Dostupné z:

https://web.archive.org/web/20071107034747/http://www.steeluniversity.org/content/html/eng/default.as p?catid=151&pageid=2081271949

22 2.6.2 Pevnost a tažnost

Klasické plošné textilní materiály jsou zkoušeny dle normy ČSN EN ISO 13934-1.

U materiálů kompozitních vyztužených přírodními vlákny je používána norma ČSN EN ISO 527-4.

Pevnost a tažnost patří mezi nejvýznamnější zkoušky mechanických vlastností u textilních materiálů. Podstatou zkoušky je plynulé zatěžování vzorku, který je upnut v čelistech trhacího stroje. Jakmile dojde k porušení celistvosti materiálu, přístroj vyhodnotí maximální pevnost v tahu Fmax [N] a patřičnou tažnost Amax, která je v mm nebo je vztažena procentuálně na upínací délku vzorku v procentech (1),

]

0[

max l l l mm

A   

(1)

kde Δl je měřena jako posuv čelisti v mm do okamžiku naměření nejvyšší hodnoty pevnosti. l0 je upínací délka, tj. vzdálenost mezi čelistmi a l je vzdálenost čelistí při nejvyšší dosažené síle.

Dále je vhodné hodnotu dosažené nejvyšší síly přepočítat na napětí σm (2). Jeho hodnota se stanoví jako normálová síla Fmax působící kolmo k zatěžované průřezové ploše S0.

(Obr. 3)21

] [

0

max MPa

S F

m



(2)

Obrázek 3 Průřez vzorkem s kolmo působící tahovou silou

Zdroj: vlastní

21 BĚHÁLEK, L. Polymery. Svitavy: SOU Svitavy. Elektronická učebnice, 2014. ISBN 978-80-88058- 68-7

23

Při znalosti deformace lze poté určit hodnotu počátečního, resp. Youngova modulu v tahu E. (Obrázek 4) Nejprve se stanoví poměrné prodloužení Ɛ dle (3)

] [

0 0 0

 

 

 l

l l l

 l

(3)

Obrázek 4 Znázornění poměrného prodloužení

Zdroj: KREJSA, M. Napětí a přetvoření [prezentace PowerPoint][online]. Ostrava. [cit.2017-05-04].

Dostupné z: http://fast10.vsb.cz/krejsa/studium/pp_tema02.pdf

a poté modul E dle vztahu. (4)

] [MPa

E ^m





(4)

2.6.3 Tříbodý ohyb

Při zkoušení tříbodého ohybu je testován materiál na ohybovou tuhost a modul v ohybu.

Zkušební těleso se položí na dvě podpěry, které jsou od sebe vzdálené dle normy ČSN EN ISO 14125 a potřeby podle velikosti vzorku. Materiál se zatěžuje silou Fmax, která působí kolmo na plochu vzorku uprostřed mezi dvěma podporami s roztečí L. Tím je zjištěn maximální ohybový moment vzorku M0,max (5). Dochází k postupnému ohýbání, dokud materiál nepraskne. (Obrázek 5)²²

] 4 [

max max

,

0 F L N mm

M  



(5)

22 BĚHÁLEK, L. Polymery.

24

Obrázek 5 Tříbodý ohyb

Zdroj: BĚHÁLEK, L. Polymery.

Pro stanovení pevnosti v ohybu σfM je potřeba znát hodnotu průřezového modulu, který bude pro tuto zkoušku tvaru kvádru (Obrázek 6). Základní rozměry vzorku - šířku b a tloušťku h lze zjistit pomocí běžných měřidel. (6)23

] 6 [

3 2

0 b h mm

W  

(6)

Obrázek 6 Průřez vzorkem

Zdroj: vlastní

Nyní lze vypočítat pevnost v ohybu σfM (7).24

] [

0 max ,

0 MPa

W M

fM 



(7)

Modul pružnosti v ohybu E, lze poté stanovit na základě zjištění maximálního průhybu Xm podle vztahu (8).

]

4 ³ [

3

max MPa

h b X

L E F

m 



 

(8)

23 BĚHÁLEK, L.: Polymery.

24 Tamtéž

25

3 Základní dělení vláken

Vlákna lze dělit dle několika kritérií. Mezi základní dělení vláken patří dělení podle jejich původu, chemického složení, délky, termického chování a dle jejich chování při mechanickém namáhání.

3.1 Podle původu vláken

Prvním dělením vláken je dělení dle jejich původu. V této kategorii se nachází tři velké skupiny vláken: přírodní vlákna, chemická vlákna z přírodních polymerů a chemická vlákna vznikající ze syntetických polymerů. U každé z těchto skupin lze rozlišit následující podskupiny:

 přírodní vlákna (rostlinná, živočišná a minerální),

 chemická z přírodních polymerů (regenerovaná celulóza, deriváty celulózy, regenerované bílkoviny, atd.),

 chemická ze syntetických polymerů (Polyamidy, polyestery, vinylové deriváty, polyolefíny, atd.).²⁵

3.2 Podle chemického složení

Dalším důležitým dělením vláken je rozdělení dle chemického složení. Do tohoto rozdělení jsou řazena vlákna s hlavním uhlíkovým řetězcem prvního, druhého a třetího typu. Dále poté vlákna s heterogenním hlavním řetězcem, která mohou být dále rozdělena na dusíkaté a bezdusíkaté. Posledními typy jsou vlákna neobsahující uhlík a vlákna nepolymerního charakteru.

25 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Vyd. 2. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2007. ISBN 978-80-7372-169-5 str. 19 – 20

26

 Vlákna s hlavním uhlíkovým řetězcem:

• 1. typu ( -CH2-CHR-CH2- )

- polyolefíny (např. polypropylen, kde substituentem R je -CH3), - vinylové polymery (např. polyvinylchlorid, u kterého R je -Cl), - polynitrily (polyakrylonitril) R = -CN,

- polyalkoholy (polyvinylalkohol), u kterých je substituentem -OH, - polykyseliny (polyvinylacetát) pro R = -OCOCH3,

• 2. typu ( -CH2-CR2-CH2-, popř. -CR2-CR2-),

- vinylidenové polymery (např. polyvinylidenchlorid) kde R = CL, - halogenované polyolefíny (polytetrafluoretylen),

• 3. typu (-CR=CH-CH2-CH2-),

- polydieny (polybutadien) kde je substituentem -H.

 Vlákna s heterogenním hlavním řetězcem:

• dusíkaté - N -

- bílkoviny (typickým představitelem je vlna, přírodní hedvábí, skupina - CO-NH-),

- polyamidy (pro polyamidy je typická -CO-NH- skupina), - polyuretany (charakteristická skupina -NH-CO-O-), - polymočovina (skupina -NH-CO-NH-),

- polyiminy (charakteristické skupinou -NR-), - polyimidy (typickou skupinou -R-(CO)2-N-).

• Bezdusíkaté - O -

- celulóza, její deriváty (heterocykl s kyslíkem a třemi -OH- skupinami), - stabilní deriváty celulózy (zástupci jsou acetát, nitrát),

- polyestery (-CO-O- je jejich typická skupina), - polyoxidy (-O-),

- polysulfidy (-S-),

- polysolfony (jejich typickou skupinou je -SO2-), - polyanhydridy,

- polykarbonáty, - polysulfony.

27

 Vlákna hlavního řetězce neobsahujícího uhlík:

- polysiloxany (typickou skupinou polysiloxanů je -Si-R2-O-), například u silikonového kaučuku je substituentem -CH3.

 Nepolymerní vlákna:

- kovy a slitiny kovů (mohou být vlákna hliníková, stříbrná, měděná, ocelová, mosazná),

- nekovy a jednoduché sloučeniny (vlákna uhlíková, křemíková, bórová), - skleněná vlákna,

- minerální vlákna (azbest, čedič, láva, struska).26

3.3 Podle délky

Dle délky jsou vlákna rozlišována na několik druhů: nano-vlákna, vlákna pro kompozita, staplová vlákna a nekonečná vlákna.

o Nano-vlákna jsou vlákna, jejichž tloušťka je v rozmezí 50 – 500 nm.

Charakteristickým znakem těchto vláken je jejich velmi vysoká povrchová plocha, díky které disponují vysokou porositou při zachování malých rozměrů pórů.

o Vlákna pro kompozita, nejčastěji whiskery, monokrystaly, polykrystaly. Jejich tloušťka se pohybuje kolem 1µm a délka kolem 0,1 mm. Využívají se k zesílení kompozitního materiálu, především zlepšují pevnost a zároveň snižují hmotnost výrobku.

o Staplová vlákna jsou dlouhá zhruba 30 až 100 mm a jejich tloušťka je v rozmezí 10 až 20 µm. Většina přírodních vláken, kromě přírodního hedvábí, je staplová.

U chemických vláken se konečné délky dociluje řezáním nebo trháním. Hlavním důvodem je, že příze z těchto staplových vláken mají unikátní vlastnosti.

o Nekonečná vlákna se dělí do základních tří skupin: hedvábí s jemností od 2 do 2000 dtex, které dále může být monofilové nebo multifilové. kabílky s jemností do 10 000 dtex a kabely, které obsahují více než 100 000 vláken.27

26 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 21 – 26

27 Tamtéž, str. 26 – 27

28

3.4 Podle termického chování

Dle termického chování lze vlákna rozdělit na dva typy a to reaktoplasty (termosety) a termoplasty. Reaktoplasty se se zvyšující teplotou vytvrzují (síťují) a výsledkem je tak netavitelný nerozpustný polymer. Naopak termoplasty se zvyšující se teplotou měknou a stávají se tvárnými. Při ochlazení opět tuhnou do původního stavu. Tento jev lze opakovat permanentně.²⁸

3.5 Podle chování při mechanickém namáhání

Podle mechanických projevů se vlákna dělí na elastomery, fibroblasty a duroplasty.

Elastomery mají jedinečnou schopnost snadné deformace a vrácení do stavu před mechanickým namáháním. Fibroplasty jsou z pravidla houževnaté materiály. Při použití materiálu nad teplotou 0.8Tg dochází k plastickému chování, tj. ztrácí tvárnost a snižuje se jejich viskozita. Teoretická pevnost těchto vláken je E^0.75. Duroplasty jsou naopak tuhé a křehké. Jejich teoretická pevnost odpovídá E^0.8. E je zde jako Youngův modul pružnosti. Teplota materiálu má velmi vysoký vliv na mechanické chování vláken.29

28 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 27

29 Tamtéž, str. 28

29

4 Přírodní vlákna

Nejrůznější archeologické nálezy dokazují, že přírodní vlákna byla používána už od pradávna. Například len byl v Evropě pěstován už v době kamenné. V Peru a Asii byly ve starých hrobech nalezeny pozůstatky bavlněných tkanin. Klasické přírodní hedvábí se objevilo už ve staré Číně. Používání vlny bylo známé již před šesti tisíci lety. Během několika tisíciletí měla přírodní vlákna dominantní postavení.³⁰

4.1 Rostlinná

Pro rostlinná vlákna se nejčastěji používá dělení podle vláken ze semen, stonků, listů a vláken z plodů. Avšak v praxi mohou být tato vlákna dělena například podle jemnosti, kdy jsou rozlišována jemná vlákna a hrubá. Mezi jemná vlákna se řadí například bavlna, len, konopí, ramie, juta, kenaf a mezi hrubá vlákna patří sisal a textilní banánovník.31

4.1.1 Bavlna

Jedná se o nejdůležitější přírodní vlákno. Bavlna je tvořena jednobuněčným vláknem vyskytujícím se kolem semen bavlníku. Je také nejčistším zdrojem celulózy. Používá se jako cigaretový papír, bankovní papír, nebo také jako surovina pro výrobu nitrocelulózy. Kvalita bavlny se dělí na tři základní druhy:

 nezralá vlákna (v podstatě pouze primární stěna, slabý lumen),

 částečně zralá vlákna [sekundární vrstva, avšak slabá, nízká konvoluce (stáčení vlákenné stužky)],

 zralá vlákna (silná sekundární vrstva, lumen s pravidelnou stáčivostí).

30 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1967.

Učební texty vysokých škol, str. 4

31 Tamtéž, str. 4

30

Složení bavlny se může měnit vlivem poškození škůdci, nebo půdou, na které bavlníky rostou. Typicky je však složení zhruba 88 – 96 % celulózy, 0,9 – 1,2 % pektinu, 1,1 – 1,9 % bílkovin, 0,3 – 1 % vosků, 0,5 – 1 % organických kyselin, 0,7 – 1,6 % minerálních solí, 0,3 % cukru a 0,9 % dalších látek.³²

4.1.2 Kapok

Zdrojem kapoku je strom o výšce až 50 m mající kuželovité ostny na kmeni. Plod (tobolka), z kterého pochází tato vlákna, je veliký přibližně 5 mm. Při zrání tobolka praskne a padá k zemi. Na kvalitu vláken má značný vliv sucho, díky kterému může docházet ke zrání tobolek. Z jednoho stromu lze získat až 600 tobolek, v kterých jsou až 3 kg vlákna. Materiál je vysoce elastický a lehký s nízkou tepelnou vodivostí. Vlákna kapoku lze tedy použít například do izolací chladniček, leteckých kabin apod. Na rozdíl od bavlny nemá kapok zákruty.33

4.1.3 Len

Len má 12 rodů. Například rod Linum má 230 druhů. Technicky významný má pouze len setý (lat. Linum usitatissimum). Tento druh je výborným zdrojem lnu i lněných semen, která však nejsou sbírána ze stejné rostliny. Len, který poskytuje kvalitní vlákna, už neposkytuje dobré osivo. Může vyrůst do výšky až 1,3 m a průměr stonku má 4 až 5 mm. Vlákna jsou velmi jemná a bílá, až šedivě zabarvená. Nekvalitní vlákna jsou hrubá, šedo-hnědá a obsahují zbytky stonků.34 Vlákna jsou relativně velmi pevná s dobrou pevností za mokra. Jsou také lesklá se studeným omakem. Zároveň jsou však vysoce navlhavá s nízkou tepelnou vodivostí.35

32 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: klasická a speciální. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2002.

ISBN 80-7083-644-x str. 96 – 101

33 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Str. 83 – 86

34 CATLING, D. and GRAYSON, J. Identification of vegetable fibres. New York: Chapman and Hall, 2004. ISBN 1-873132-61-1 str. 12 – 15

35 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: klasická a speciální. Str. 111

31 4.1.4 Konopí

V Číně se používalo konopí jakožto materiál pro textilní průmysl již od roku 2800 př. n. l. Struktura i zpracování vlákna jsou stejná jako u lnu. Vlákna konopí jsou o něco kratší než vlákna lnu. Nejzásadnějším rozdílem mezi lnem a konopím je směr sklonu. U lnu je směr Z (pravý), zatímco u konopí je směr S (levý).36 Vlákna jsou hrubého charakteru, šedivá.³⁷

4.1.5 Juta

Juta je rostlina dosahující výšky až 5 m a s průměrem stonku 20 mm. Při provedení podélného řezu vláknem juty je patrné, že je vlákno silně prostoupeno dřevinou. Z juty jsou získávána vlákna dlouhá 2 – 4 m. Délka elementárního vlákna je přibližně 0,8 – 5 mm. Získaná vlákna mají zpravidla zbarvení do šedobílé, občas žlutobílé, nebo dokonce stříbrošedé barvy. Přičemž žlutá, nebo nahnědlá barva signalizuje horší jakost.

Čím jsou vlákna juty lesklejší, tím jsou více kvalitní, avšak časem se tento lesk a tedy i pevnost, zmenšuje. Juta je používána převážně kvůli své nízké ceně pro výrobu obalů, tedy pytlů. Může se však využívat pro výrobu některé čalounické tkaniny, běhounů, koberců, závěsů.38

4.1.6 Ramie

Její počátky používání sahají až do starého Egypta, kde byly nalezeny zbytky obalu mumií z roku 5000 př. n. l. Jedná se o mnohaletou rostlinu, která je vysoká 1,2 – 2,4 m a obsahuje až 80 % celulózy. Vlákna dokáží přijmout ze vzduchu až 20% vlhkosti a jsou dlouhá 0,5 – 4 m. Elementární vlákno je dlouhé 30 – 100mm s průměrem 15 – 40 µm.39

Ramie se používá jako odpadové hedvábí, tedy jako polohedvábná tkanina. Osvědčila se také jako výborná náhražka lnu pro stolní, kuchyňské a ložní prádlo. Tkanina z ramie

36 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 129 – 130

37 CATLING, D. and GRAYSON, J. Identification of vegetable fibres. Str. 21

38 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Str. 149 – 152

39 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 132

32

se vyznačuje velmi dobrou odolností proti vodě. Používá se také v kombinaci s bavlnou, která je známá pod jménem Ramitex.⁴⁰

4.1.7 Kenaf

Vlákno kenafu je o něco pevnější než vlákno juty, je však méně pružné. Celkově je velmi podobné jutě a proto ji i často nahrazuje. Délka vláken je 1,5 – 3 m. Délka elementárního vlákna je 2 – 6 mm s průměrem 14 – 30 µm. Barva vlákna je bílá, až nažloutlá. Časem se barva vlákna příliš neliší. Používá se pro výrobu pytlů, kabelek, rybářských sítí, atd.

Kenaf je 3 m vysoká jednoletá rostlina, která obsahuje méně necelulózových materiálů než juta. Pevnost kenafu je o něco málo nižší, než u vláken juty. Co se pevnosti vláken týče, dochází mezi autory k rozporu. Militký41 tvrdí, že vlákna kenafu jsou méně pevná, než vlákna juty. Zatímco Choleva42 tvrdí, že vlákna kenafu jsou naopak pevnější.

4.1.8 Kokos

Vlákna jsou získávána z plodů kokosu a elementární délka těchto vláken je 0,3 – 1 mm.

Ze všech celulózových vláken má kokos nejlepší tažnost, obsahuje cca 40 – 45 % celulózy. Vlákno má pórovitou strukturu.43

Jedná se o velmi kvalitní, jemné a spřadatelné vlákno, které se získává z nezralých plodů a je světlé barvy. Vlákna mají výbornou stálost ve vodě a jsou odolná proti opotřebení. Používají se nejčastěji na běhouny, předložky a lodní plachty. Hrubší vlákna se poté využívají v kartáčnictví a čalounictví.44

40 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Str. 140 – 141

41 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 133

42 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Str. 118 – 128

43 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 134

44 CHOLEVA, E. Textilní rostliny tropů a subtropů. Str. 233

33 4.1.9 Sisal

Vlákna se získávají z listů, které mohou dorůstat délky až 2 metry a mohou být až 150 mm široké. Obvykle mají vlákna bílou, žluto až hnědou barvu, často s nádechem růžové a mají slabý lesk.45

Vlákna sisalu se používají jako kompozitní materiál, zejména díky své pevnosti a tuhosti. V každém listu je obsaženo 700 – 1400 technických vláken. Technické vlákno je dlouhé 0,6 – 1,2 m a elementární vlákno je dlouhé 2,5 – 8 mm a dosahuje průměru až 40 µm. Vlákna mají pórovitou strukturu.⁴⁶

4.2 Živočišná vlákna

Živočišná vlákna jsou tvořena bílkovinami. Zpravidla jsou dělena na vlákna ze srstí a vlákna ze sekretu hmyzu. Ze srstí se převážně jedná o ovčí vlnu, kozí vlnu, atd.

Vlákna tvořená sekretem hmyzu jsou například přírodní hedvábí, pavoučí hedvábí, atd.

Tato vlákna jsou na bázi proteinu, který je tvořen aminokyselinami. Je známo kolem dvaceti základních aminokyselin.47

4.2.1 Ovčí a kozí vlna

Vlákno vlny se skládá ze dvou základních modifikací orto a para kortexu. Struktura vlněného vlákna má svou specifickou šupinkovou strukturu. Díky těmto šupinkám, které jsou charakteristické téměř pro všechna keratinová vlákna (ze srsti), mají vysoký stupeň kadeřavosti a lze je plstit. Ovčí vlnu je nutné před zpracováním důkladně vyprat (vyčistit), jelikož obsahuje veliké množství nečistot. Mezi tyto nečistoty patří i ovčí tuk, z kterého se praním získává lanolin pro výrobu parafínů. Ovčí vlna se také třídí dle kvality, která závisí na druhu ovce a z jaké části těla je sejmuta. Podobné vlastnosti má i vlna kozí.48

45 CATLING, D. and GRAYSON, J. Identification of vegetable fibres. Str. 51 – 54

46 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: klasická a speciální. Str. 115

47 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 136-137

48 Tamtéž, str. 141 – 151

34

Mezi další keratinová vlákna patří velbloudí srst, která má podobné parametry jako srst kozy kašmírské. Tato vlákna se sbírají v době línání, tedy se z velblouda nestříhají.

Dalším vláknem je vlákno z domestikované lamy známé jako alpaka. Oproti vlně nejsou tato vlákna tak kadeřavá a jsou více navlhavá.⁴⁹

4.2.2 Přírodní hedvábí

Přírodní hedvábí se používalo už 3000 let př. n. l. v Číně. Hedvábí je prvním představitelem fibroinových vláken, tedy vláken tvořených sekretem hmyzu. Toto vlákno je získáváno z výměšků snovacích žláz housenek bource morušového. Kromě přírodního hedvábí lze získat také hedvábí nepravé, neboli tussah, které je získáváno z výměšků housky bource dubového. Housenky těchto motýlů vytvářejí tato vlákna při tvorbě kokonu, který je tvořen fibroinem a sericinem. Fibroin zde zastupuje vlákno a sericin zde slouží jako pojivo, kterým jsou vlákna přilepena k sobě. K získání hedvábí je zapotřebí vlákna vyčistit od sericinu.

Mezi další představitele fibroinových vláken patří pavoučí hedvábí, které je tvořeno pomocí speciálních žláz a každá tato žláza produkuje jiné hedvábí. Pavouk může svůj produkt (pavučinu) znovu zkonzumovat a přeměnit ji opět na patřičný protein. Tato vlákna se vyznačují velice vysokou pevností a odolností vůči vodě.50

49 MILITKÝ, J. Textilní vlákna: Speciální vlákna: přednášky. Str. 151 – 152

50 Tamtéž, str. 153 – 159

35

5 Experimentální část

Cílem této bakalářské práce bylo vytvoření vláknových kompozitů z juty a lnu. U juty se jednalo o použití vláken juty z jutové tkaniny spolu s polyesterovou pryskyřicí. Pro porovnání výsledků byla použita polyesterová pryskyřice na polyesterové přízi. Dále se experiment zabýval vlivem předpínání kompozitu při vytvrzování na mechanické vlastnosti. Len byl použit v podobě prepregu s epoxidovou pryskyřicí a byl vyroben i jako vícevrstvý. V druhé části byly vyrobené vzorky podrobeny dvěma zkouškám – tahové zkoušce a zkoušce ohybem.

5.1 Plán experimentu

Použití předpínaných kompozitů je aplikováno zejména ve stavebnictví (Obr. 7), kde je běžně využíváno pro betonové konstrukce. Hlavním důvodem předpínání betonových konstrukcí je skutečnost, že beton má výborné vlastnosti při namáhání tlakem, nižší při ohybovém namáhání (5x nižší), ale špatné v tahovém namáhání (cca 15x nižší). Proto konstrukce namáhané velkými tahovými napětími (nosníky o velkém rozpětí) se s výhodou předpínají strunami nebo svazky splétaných ocelových lan (Obrázek 8).

V předepnutém nosníku je poté pouze tlakové napětí, které je pro beton výhodné, přičemž výztuž je namáhána tahem.⁵¹

51 LANÍKOVÁ, I. Předpjatý beton [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2016 [cit. 2017-03- 01]. Dostupné z: http://www.fce.vutbr.cz/BZK/lanikova.i/CL01/CL01_prednaska_2.pdf

36

Obrázek 7 Znázornění namáhání předpínaného nosníku

Zdroj: LANÍKOVÁ, I. Předpjatý beton [online]. Dostupné z:

http://www.fce.vutbr.cz/BZK/lanikova.i/CL01/CL01_prednaska_2.pdf

Obrázek 8 Vyztužení betonové konstrukce předpínanými ocelovými strunami

Zdroj: LANÍKOVÁ, I. Předpjatý beton [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2016 [cit. 2017-03- 01]. Dostupné z: http://www.fce.vutbr.cz/BZK/lanikova.i/CL01/CL01_prednaska_1.pdf

U běžných polymerních kompozitů není předpínání běžné, protože je technologicky nesnadno proveditelné, nicméně jeho přínos může být natolik zajímavý, že jeho zavedení by mohlo zlepšit mechanické vlastnosti, resp. snížit hmotnost kompozitu.

S předpínáním se lze setkat u technologie ovíjení a pultruze, kde je to však dáno zejména technologickými požadavky, protože bez vneseného předpětí sloužícího k urovnání výztuže by kompozit v použitelné podobě nemohl vzniknout. Důvodem k rozhodnutí zabývat se předpínáním kompozitů bylo zjištění, že pryskyřice využívané pro kompozity, vykazují anizotropní chování a jsou podobně jako beton schopny lépe přenášet tlak, nežli tah. Lze tedy předpokládat, že předpínání může zlepšit mechanické vlastnosti kompozitu.

37

5.1.2 Výroba předpjatých lineárních kompozitů

U předpjatých kompozitů lze předpokládat zlepšení vlastností, zejména v oblasti tahových deformací. Cílovému materiálu se tedy dodá určité předpětí a posléze se stanoví jeho vliv na mechanické vlastnosti. Použity budou vybrané lineární útvary prosycené polyesterovou matricí.

5.1.3 Výroba kompozitů vyztužených přírodními vlákny

Připraveny budou kompozity vyztužené jutovými přízemi ve formě tkaniny. Použity budou tkaniny o dvojí plošné hmotnosti s odlišnou dostavou. Vyztuženy budou epoxidovou a polyesterovou matricí.

Dále bude podroben kompozit vyztužený lnem a prosycený epoxidovou pryskyřicí.

Bude sloužit k porovnání vlastností s jutovým kompozitem, protože se jedná o profesionálně vyrobený prepreg.

38

5.2 Použité materiály

Příze byly použity ze dvou druhů materiálu. První byla příze vypáraná z jutové tkaniny ve směru útku i osnovy (viz kapitola 5.2.3). Druhým délkovým textilním útvarem byla polyesterová příze.

Obrázek 9 Polyesterová příze (vlevo) a jutová tkanina (vpravo)

Zdroj: vlastní

5.2.2 Pryskyřice a iniciátor

Při výrobě vzorků byla použita pryskyřice polyesterová a epoxidová. K polyesterové pryskyřici HavelPol H 834-REA-30C od firmy Havel composites byl použit inciátor 1,25% Butanox M-50. Směšovací poměr byl 2 hmotnostní % iniciátoru ku 100 hmotnostním procentům pryskyřice. Pro výrobu kompozitu s epoxidovou pryskyřicí byla použita pryskyřice od firmy MGS s názvem L 285. Jedná se o univerzální dvousložkovou pryskyřici. Pro tuto pryskyřici byl použit iniciátor MGS Tužidlo 500.

Požadovaný poměr mísení je 40:100 hmotnostních procent.

39

Tabulka 1 Datasheet k polyesterové pryskyřici

Zdroj: Havel composites. Polyesterové pryskyřice [online]. 2010. [cit. 2017-05-03].

Dostupné z: http://www.havel- composites.com/proddocs/TL%20Polyesterova_pryskyrice_Havelpo_H_834_REA_30.pdf

Tabulka 2 Datasheet k epoxidové pryskyřici

Zdroj:Havel composites. Epoxidové pryskyřice [online]. 2010. [cit. 2017-05-03]. Dostupné z:

http://www.havel-composites.com/proddocs/techlist_01020403340tech.listL285+H500.pdf

5.2.3 Jutová tkanina

V experimentu byly použity jutové tkaniny dvou gramáží. Osnovní i útkové příze byly shodného typu, textilie se lišila dostavou osnovy a útku. Plošná hmotnost řídké tkaniny byla 170 g.m^-2 a 400 g.m^-2 pro tkaninu hustou. Tkanina s nižší dostavou měla dostavu osnovy 37 nití/10cm a dostavu útku 38nití/10cm. Pro hustší tkaninu byla dostava osnovy 62 nití/10cm a 64 nití /10 ve směru útku.

40

Obrázek 10 Jutové tkaniny

Zdroj: vlastní

5.2.4 Lněný prepreg

Tento prepreg byl ve formě příčně uložených lněných vláken zpevněných podélným řetízkem a zalitý v epoxidové pryskyřici. Během lisování byla použita také teflonová folie, na kterou se vzorky prepregu umístily.

Tabulka 3 Základní mechanické vlastnosti lněného prepregu

Vlákno Hustota [g/cm³] Protažení [%] Tažná síla [MPa] Youngův modul [Gpa]

Lněný prepreg 1,33 1,8 330 35

Zdroj: Lineo. Lineo [online]. Francie, 2015. [cit. 2017-05-03]. Dostupné z:

http://lineo.eu/download/2015-TDS-FlaxPreg.pdf

41

Obrázek 11 Flaxpreg (len s epoxidovou pryskyřicí)

Zdroj: vlastní

5.3 Použité stroje a zařízení

Při experimentech bylo použito několik strojů a zařízení, jak pro samotnou výrobu materiálů, tak pro jejich zkoušení. Přístroj LabTest 4.050 (Obrázek 12) od firmy LaborTech byl použit pro provádění zatěžovacích zkoušek. Maximální zatížitelnost stroje je 5 kN. Použitý snímač byl zatížitelný do 5 kN.

Obrázek 12 Přístroj LabTest 4.050

Zdroj: vlastní

42

Dalším zařízením byl univerzální dvousloupový zkušební stroj LabTest 2.050 (Obrázek 13) od téhož výrobce. Stroj byl vybaven přípravkem pro testování tříbodového ohybu.

Oba přístroje komunikují s počítačem pomocí programu LabTest 3. Ten umožňuje definovat zkušební postupy dle odpovídajících norem nebo dle vlastního návrhu.

Mimoto vytváří výsledky v podobě grafů a tabulek včetně základní statistiky.

Obrázek 13 Zkoušení ohybových vlastností na přístroji LabTest 2.050

Zdroj vlastní

Posledním zařízením byl etážový lis (Obr. 14). Lis je tvořen pevnou deskou a dvěma posuvnými, čímž vzniká dvojice pracovních prostorů. Desky lisu jsou elektricky vyhřívány, teplota je řízena pomocí termostatů zvlášť pro každou desku. Požadovaný tlak je vyvíjen hydraulickým čerpadlem, kde píst tlačí přímo na desku etážového lisu.

Maximální dovolený tlak v hydraulickém systému je 7845,32 kPa. Desky lisu mají rozměr 300 x 300 mm.

43

Obrázek 14 Etažový lis

Zdroj: vlastní

Fyzikální parametry jako tloušťka, délka, hmotnost apod. byly měřeny pomocí běžných přístrojů a pomůcek a nebudou do popisu zahrnuty.

5.4 Výroba vzorků

5.4.1 Kompozit vyztužený lněnými vlákny

Pro přípravu lněných prepregů bylo zapotřebí prepreg s obchodním názvem Flaxpreg od firmy Lineo vyjmout z mrazicího boxu, odmotat z návinu a ponechat 24 hodin ve volném stavu. Následující den byl tento materiál nastříhán na pláty o velikosti 300 x 300 mm. Z těchto plátů byly vytvořeny jak jednovrstvé tak třívrstvé vzorky. Jednotlivě připravené kusy byly posléze položeny na teflonovou folii a vloženy mezi dvě plechové desky. Tyto desky se i s materiálem vsunuly do lisu a ten při teplotě 150°C po dobu 10 minut působil na materiál přítlakem 10 kP/cm², což odpovídá 980,67 kPa.

Pro měření byly z takto navrstvených vylisovaných materiálů vystříhány vzorky o rozměrech 150 x 20 mm pro zkoušku tahovým namáháním a 80 x 20 mm pro zkoušku tříbodovým ohybem. Oba typy byly zkoušeny ve třech směrech a to ve směru podélném (směr vláken), směru příčném (směr kolmo na vlákna) a pod úhlem 45°.

44

Třívrstvé vzorky byly seskládány v následujícím pořadí: základem byla vlákna uložená podél, na ně byl umístěn prepreg s vlákny uloženými v úhlu 45° a nakonec byla použita vrstva s vlákny uloženými příčně, tedy kolmo na první vrstvu. Vzorky byly připraveny shodně se směrem uložení jednotlivých vrstev, tj. ve směru vláken, kolmo na ně a pod úhlem 45°. Zkoušen byl jak vzorek jednovrstvý tak třívrstvý.

5.4.2 Kompozit vyztužený jutovou tkaninou

Kompozit byl vyroben ručním kladením (Obrázek 15), které patří mezi otevřené technologie. Výroba byla uskutečněna prosycením výztuže pryskyřicí. Prosycení bylo provedeno rýhovaným válečkem a přebytečné vzduchové bubliny bylo potřeba vytlačit.

Takto připravený laminát byl v lisu bez použití tlaku vytvrzen a připraven k nastříhání na jednotlivé vzorky. Pro testování byly vystřiženy vzorky ve směru osnovy a útku.52

Tabulka 4 Obsah vláken a matrice v kompozitu

Poměr vláken Poměr matrice

Hustší tkanina 30% 70%

Řidší tkanina 15% 85%

Zdroj: vlastní

52 Havel composites. Technologie výroby kompozitu [online]. 2010. [cit. 2017-05-03]. Dostupné z:

http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popis-a-schemata.html

45

Obrázek 15 Výroba kompozitu juty s pryskyřicí

Zdroj: Havel composites. Technologie výroby kompozitu [online]. Dostupné z: http://www.havel- composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popis-a-schemata.html

5.4.3 Lineární kompozit vyztužený přízí

Za účelem sledování vlivu předpětí na výsledné vlastnosti kompozitu byly připraveny lineární kompozity. Jako výztuž byly použity jutové a později také polyesterové příze.

Matrice byla polyesterová. V prvním kroku byly připraveny jednotlivé příze z juty a to vypáráním z jutové tkaniny. Byly připraveny jak po osnově, tak i po útku. U vláken juty bylo nemožné kvůli příliš vysoké nestejnoměrnosti vláken použít předpětí. Každé vlákno bylo unikátní a volba předpětí vzhledem nejvyšší pevnosti tak nebyla možná.

Jednotlivé vzorky byly poté protáhnuty v připravené polyesterové pryskyřici, aby došlo k celkovému prosycení materiálu pryskyřicí. Poté bylo potřeba nechat vzorky vytvrdit.

Již při impregnaci bylo u jutových vzorků zřejmé, že jutové vlákno odebírá příliš mnoho pryskyřice a proto jsou hodnoty změny hmotnosti v porovnání se samotnou přízí tak vysoké.

Vzhledem k nevhodnosti jutových vláken byly vybrány polyesterové nitě (viz kapitola 5.2.1), u kterých byl zároveň předpoklad dobré afinity k polyesterové matrici. Vlákna mají dobrou rovnoměrnost, což bylo prokázáno měřením pevnosti a tažnosti. Tato příze byla vytvrzována za předpětí o hodnotách 100 g, 250 g, 500 g, 1000 g a taktéž bez předpětí. Délka předpínaných přízí byla 1800 mm. Jednotlivá závaží působila po dobu

46

24 hodin během vytvrzování. Pro lepší manipulaci byly vzorky ponechány v celistvém rozměru, tedy 1800mm a do upínacích čelistí se příze vkládala postupně.

Zkouška pro testování vlivu tažného namáhání na vláknech juty s polyesterovou pryskyřicí byla provedena na vzorcích o velikosti 150 mm, pro lepší manipulaci však byly vzorky ponechány během procesu impregnace v původní délce. Pro správnost výsledků byly do testování zahrnuty jak vlákna ve směru útku, tak i vlákna ve směru osnovy. Osnovní vlákna byla dlouhá 460 mm a vlákna útková 1540 mm. Jednalo se o jednotlivá vlákna, která byla prosycena polyesterovou pryskyřicí, jakožto matricí.

Po zvážení vzorků byl zjištěn přívažek matrice, který činil 37 %. Poté proběhla již samotná zkouška tahem. Polyesterová pryskyřice byla namíchaná s iniciátorem v poměru 100 hmotnostních procent pryskyřice ku 2 hmotnostním procentům iniciátoru.