TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
PŘÍRODNÍ ROSTLINNÁ VLÁKNA JAKO VYZTUŽUJÍCÍ MATERIÁL POLYMERNÍCH SYSTÉMŮ
– VLIV PLNĚNÍ NA VYBRANÉ MECHANICKÉ PARAMETRY
NATURAL PLANT FIBERS AS A REINFORCEMENT OF POLYMER MATRICES – THE INFLUENCE OF THE FILLER AMOUNT
ON THE SELECTED MECHANICAL PROPERTIES
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ KATEDRA MATERIÁLU
Hálkova 6, 461 17 Liberec
Studijní program: B2341 Strojírenství Obor: Materiály a technologie Zaměření: Materiálové inženýrství
Přírodní rostlinná vlákna jako vyztužující materiál polymerních systémů – vliv plnění na vybrané mechanické parametry
Natural plant fibers as a reinforcement of polymer matrices – the influence of the filler amount on the selected mechanical properties
KMT - B - 117
Autor: JAROSLAV SPILKA
Vedoucí bakalářské práce: Dr. Ing. Dora Kroisová Konzultant bakalářské práce: -
Rozsah práce a příloh:
Počet stran: 49 Počet tabulek: 12 Počet obrázků: 26 Počet příloh: -
V Liberci, 9. ledna 2007
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ KATEDRA MATERIÁLU
Hálkova 6, 461 17 Liberec
ANOTACE
STUDIJNÍ PROGRAM: B2341 Strojírenství
OBOR: Materiály a technologie
ZAMĚŘĚNÍ: Materiálové inženýrství
TÉMA PRÁCE: Přírodní rostlinná vlákna jako vyztužující materiál polymerních systémů – vliv plnění na vybrané mechanické parametry
ČÍSLO PRÁCE: KMT – B – 117
AUTOR: Jaroslav Spilka
VEDOUCÍ PROJEKTU: Dr. Ing. Dora Kroisová KONZULTANT: -
Cílem této bakalářské práce bylo seznámit se s možností využití přírodních rostlinných vláken jakožto výztuže polymerních matric a u zvolených systémů porovnat vliv plnění na vybrané mechanické parametry.
KLÍČOVÁ SLOVA:
Kompozitní materiály, přírodní rostlinná vlákna jako vyztužující materiál polymerních matric, bambus, len, konopí, vlákna z recyklovaného papíru, epoxidová pryskyřice.
TECHNICAL UNIVERSITY
FAKULTY OF MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIAL SCIENCE
Hálkova 6, 461 17 Liberec
ANNOTATION
COURSE: B2341 Mechanical engineering FIELD OF STUDY: Engineering technology
SPECIALISATION: Material science
SUBJECT OF WORK: Natural plant fibers as a reinforcement of polymer matrices – the influence of the filler amount on the selected mechanical properties
NUMBER OF THESIS: KMT – B – 117
AUTHOR: Jaroslav Spilka
LEADER OF WORK: Dr. Ing. Dora Kroisová
CONSULTER: -
The aim of this bachelor work is to study the possibility of exploitation of natural plant fibers as a reinforcement of polymer matrices. The influence of filler amount on the selected mechanical properties was study.
KEY WORDS:
Composite material, natural plant fibers as a reinforcement of polymer matrices, bamboo, flax, hemp, fibers made from recycled paper, epoxy resin.
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé 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.
Datum:
Podpis:
Rád bych na tomto místě poděkoval Dr. Ing. Doře Kroisové za pomoc a odborné vedení mé práce.
OBSAH……….7
1. Úvod………8
2. Obecná část………...……...………..10
2.1 Kompozitní materiály………10
2.2 Vláknové kompozity………..11
2.2.1. Teorie vláknové výztuže………..11
2.2.2. Vlastnosti vláken………...………12
2.2.3. Vlastnosti rozhraní matrice s výztuží……….15
2.3. Polymerní matrice………...……….16
2.3.1. Termoplastické matrice………..….………16
2.3.2. Reaktoplastové matrice………..….………17
2.4. Biopolymery………..19
2.5. Přírodní vlákna……….20
2.5.1. Rostlinná vlákna………..…….20
3. Experimentální část……….23
3.1. Vypraný typ vláken………..23
3.1.1 Lněné vlákno..………23
3.1.2. Konopné vlákno………25
3.1.3. Bambusové vlákno……….………..26
3.1.4. Vlákna z recyklovaného papíru...………27
3.2. Vybraný typ polymerní matrice………..28
3.2.1. Epoxidová pryskyřice……….………..28
3.3. Zvolená metoda pro vyhodnocení vlivu plnění na mechanické parametry….30 3.3.1. Tahová zkouška………...30
3.3.2. Příprava vzorků………31
4. Výsledky a jejich hodnocení………..……34
4.1. Naměřené hodnoty………..34
4.2. Diskuze výsledků……….44
5. Závěr……….47
6. Seznam použité literatura………….………...……..49
1. ÚVOD
Rostlinná vlákna jsou jedním z mnoha druhů vláken, která mohou být použita jako výztuž polymerních systémů, jež jako celek patří do skupiny kompozitních materiálů.
Přírodní vlákna provázela člověka už od počátku jeho samotné existence. Jednou z nejstarších lidských činností je výroba tkanin, kde k nejvíce používaným materiálům rostlinného původu patřily bavlna a len, které jsou dodnes tzv. klasickými materiály pro výrobu textilií. S rostoucí populací a širším uplatněním rostlinných vláken, nemohla být nadále poptávka kryta rozšiřováním půdních ploch, potřebných především k zajištění obživy obyvatelstva, proto stávající sortiment vláken, který člověku poskytovala příroda, byl obohacován vlákny uměle vytvářenými [3].
Uměle vytvořenými vlákny se rozumí anorganické a polymerní sloučeniny získané chemickou cestou. Zpočátku se polymerní sloučeniny získávaly především z přírodních polymerů, jako jsou celulóza, proteiny a jejich deriváty. Dnes se většina polymerních sloučenin, tzv. syntetických plastů vyrábí polyreakcemi uhlovodíků. Jedná se o jednoduché chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takže původní nízkomolekulární monomer přechází ve vysokomolekulární polymer.
Plasty měly původně nahrazovat přírodní materiály, ale nyní se považují za zvláštní skupinu materiálů s unikátními vlastnostmi. Výhodou syntetických plastů je snadné dosažení požadovaných vlastností a vysoká produktivita výroby. Tyto skutečnosti dělají z plastů téměř ideální materiál, jenž nachází uplatnění ve všech oblastech lidské činnosti.
V kombinaci s jinými vhodnými materiály vznikly polymerní kompozity, bez nichž bychom se dnes v mnoha odvětvích průmyslu neobešli.
Plasty se vyrábějí převážně z ropy a zemního plynu, což jsou neobnovitelné suroviny. Problém tedy spočívá v tom, že zdroje fosilních paliv jsou omezené a s dnešní vysokou spotřebou se zásoby značně ztenčují [1].
Dalším problémem, neméně důležitým, ač často opomíjeným, je hromadění biologicky neodbouratelných syntetických plastů, nešetrná těžba a zpracování surovin, mající neblahý dopad na životní prostředí, jelikož naprostá většina syntetických plastů je přirozenou cestou biologicky nerozložitelná [5].
Výše uvedené problémy nás nutí hledat alternativy a jednou z nich je návrat k rostlinným vláknům, jelikož rostlinná vlákna mají tu přednost, že se získávají z obnovitelných zdrojů a ve volné přírodě se samovolně rozkládají - jsou
obecně horší než u konvenčních plastů. Např. u nativních materiálů, u nichž došlo k polymeraci v přírodních podmínkách, je třeba počítat s kolísáním jejich vlastností vlivem růstových klimatických podmínek [6]. Nedá se tedy předpokládat, že by syntetická vlákna byla v blízké době zcela nahrazena vlákny přírodními. V případech, kde vlastnosti přírodních vláken vyhovují, nebo se jejich negativní vlastnosti potlačí spojením s jiným materiálem, jak je tomu např. u polymerních kompozitů s rostlinnými vlákny, mohou přírodní vlákna nahradit vlákna syntetická či anorganická. Jelikož se v blízké době neočekávají žádné alternativní zdroje, které by plně či alespoň z větší míry nahradily fosilní paliva, obrací se pozornost především na co největší znovuvyužití (recyklaci) použitých materiálů a větší zapojení rostlinné surovinové báze. Proto je dnes středem zájmu zkoumání vhodného nahrazení syntetického vlákna přírodním a posuzování rozdílných vlastností [1].
Cílem této bakalářské práce je seznámit se s možností využití rostlinných vláken jakožto výztuže polymerních matric a u zvolených systémů porovnat vliv plnění na vybrané mechanické parametry.
2. OBECNÁ ČÁST
2.1. Kompozitní materiály
V přírodě se prakticky setkáváme výhradně s materiály na kompozitním principu;
s čistými bezdefektními a homogenními látkami se setkáváme ojediněle. Materiály v rostlinné a živočišné říši byly vytvořeny pro jistý účel, určité namáhání a danou funkci, s důmyslně vytvořenou strukturou i průřezem.
V dávné historii člověk „nevědomky“ vytvářel a používal kompozitní materiály, avšak spíše jako důsledek zkušeností než znalostí (např. výroba pálených cihel z jílu promíšeného se slámou, nebo beton). Původně cesta k lepším materiálům znamenala hledání mezi existujícími materiály. Postupem času se člověk snažil zlepšit vlastnosti stávajících materiálů. V posledních desítkách let se na základě znalostí, získaných během dlouhé doby ve všech vědních oborech a po vzoru přírodních materiálů, pokoušíme nalézt vhodnou kombinaci materiálů, jejichž spojením by vznikl kompozit požadovaných vlastností.
Slovo „kompozitní“ znamená vytvořený či složený ze dvou nebo více odlišných částí. Avšak to není přesná definice kompozitního materiálu, protože jakýkoliv materiál, který není čistá látka a obsahuje více než jednu složku, by mohl být teoreticky klasifikován jako kompozitní materiál. Rozdíl mezi kompozitním materiálem a běžnou heterogenní směsí je tzv. synergický efekt. Synergický efekt znamená, že kombinací materiálů získáme nové, odlišné vlastnosti, než poskytují samotné materiály nebo lepší vlastnosti, než je jen prostý součet vlastností materiálů, z nichž se kompozitní materiál skládá. Synergický účinek je tedy objektivní charakteristika, kterou se kompozitní materiály odlišují od ostatních [1].
Vývoj prokázal, že vytváření jednoho nebo několika materiálů se všemi dokonalými vlastnostmi současně je neekonomické, neboť většina z nich zůstává během služby materiálu nevyužita. Vytváření strukturního složeného materiálu je tak nejen ekonomičtější, ale při selhání jednoho členu umožňuje další funkci bez katastrofické poruchy. Máme-li smíšené dva materiály, každý může přinést dobré i špatné vlastnosti, zřídka to jsou pouze dobré vlastnosti nebo jen nedostatky. Jednotlivé fáze ovlivňují výsledné vlastnosti materiálu jak svými vlastními charakteristikami, tak vzájemnou interakcí. Právě interakce jednotlivých fází a struktur přináší nové kvality materiálu, jichž nemůže být dosaženo žádnou složkou samostatně. Je možné dosáhnout (a snažíme se o to),
aby byly zdůrazněny výhodné vlastnosti složek a potlačeny jejich nevýhodné vlastnosti podle potřeb navrhovaného prvku nebo konstrukce. V kompozitu uplatňuje každá složka své přednosti, zatímco nedostatky jsou zakryty přednostmi svého partnera. Složky vytvářejí jednotnou dvojici, „ideální manželství“ [1].
Jednou z hlavních charakteristik kompozitních materiálů je, že nikdy nejsou univerzální a jsou navrhovány výhradně pro jisté použití při maximální explotaci hmoty;
tím se stávají ekonomicky a energeticky výhodnými, což je základem jejich převahy v konkurenci s homogenními (tradičními) materiály [1].
Jak již bylo zmíněno, kompozity jsou složeny ze dvou nebo více chemicky odlišných složek nebo fází. Ta tužší, pevnější a obvykle nespojitá složka se nazývá výztuž. Spojitá a obvykle poddajnější složka, která zastává funkci pojiva výztuže, se nazývá matrice.
2.2. Vláknové kompozity
Jednou z významných podskupin kompozitních materiálů jsou vláknové kompozity, kde vyztužující složku tvoří dlouhá (spojitá – kontinuální) vlákna. Pojem vlákno je chápáno víceméně intuitivně; míní se jím obvykle nějaký dostatečně dlouhý a tenký útvar, kde jeden z rozměrů převládá.
2.2.1. Teorie vláknové výztuže
Spolupůsobení vlákenné výztuže s matricí se v praxi projevuje tak, že působí-li na kompozitní materiál rostoucí zatížení, matrice s nižším modulem pružnosti začne nejdříve
„téci“ (ustupovat zatížení, elasticky nebo plasticky se přetvářet), vlákna, která jsou obklopena měkkou matricí, se nemohou dále „schovávat“ a jsou nucena převzít zatížení.
Ve skutečnosti se „slabost“ matrice neprojeví, neboť je kompenzována vyšší pevností vláken, která jsou schopna přenést daleko větší zatížení než matrice při porušení. Matrice, která zprostředkuje přenos zatížení (napětí) do tužší fáze (vlákna – výztuže), musí zajišťovat také odolnost kompozitu vůči vlivům okolního prostředí, neboť vždy obklopuje vlákna. Proto další úlohou matrice je chránit vlákna proti oxidaci, korozi, a jakémukoli mechanickému poškození.
Nejvyššího potenciálního „ztužení“ kompozitů se dosáhne, jsou-li vlákna namáhána až do meze pevnosti napětím přeneseným matricí. Matrice slouží tedy především k přenosu napětí do vláken, která naopak přenášejí většinu pevnosti kompozitu. Matrice však také slouží pro spojení vláken do vhodné struktury (požadované polohy a tvaru) a chrání je před
povrchovým poškozením, které by vedlo ke značnému snížení jejich mechanických vlastností. Matrice musí mít schopnost se snadno deformovat pod působícím zatížením a především musí zabraňovat rozvoji trhlin (zvýšení lomové houževnatosti). Zvláštní pozornost je třeba věnovat stykové ploše (meziploše) mezi matricí a vlákny, neboť musí trvale přenášet napětí z matrice do vláken.
Synergické spolupůsobení pevných a tuhých vláken s poddajnou matricí umožnilo konstruovat kompozity s vysokou pevností, tuhostí a houževnatostí, přesahující vše, čeho bylo dříve dosaženo úpravou tradičních (víceméně homogenních) materiálů. Proto je vlákenným kompozitům věnována taková pozornost. Bez jejich existence by byl další pokrok techniky ve všech oborech, ale zejména v leteckém, kosmickém a automobilovém průmyslu nemyslitelný.
Vlastnosti kompozitu mohou být značně ovlivněny podle přání konstruktéra (typ, množství, orientace a délky vlákna, typ matrice a kvalita mezipovrchu) použitím různých druhů vláken [1].
V dnešní době je k dispozici široké spektrum vláken. Jejich základní rozdělení je uvedeno v následující tabulce č.1.
2.2.2. Vlastnosti vláken
Vnitřní uspořádání struktury vlákna je u přírodních vláken dáno jejich růstem a u chemických vláken zvlákňovacím a zejména dloužícím procesem. Krystality, ale i makromolekuly amorfní struktury jsou do určité míry orientovány – vlákno vykazuje anizotropii struktury. Bez této anizotropie by vlákno nemělo charakteristické vlastnosti jako pevnost, tažnost, ohebnost, stálost tvaru atd., jež jsou nutné jednak pro jeho další zpracování, tak pro jeho použití. Jak již bylo uvedeno, přírodní vlákna mají vnitřní architekturu makromolekul danou růstem, kde tvorba vlákna, ať celulózové nebo bílkovinné báze, je určována biofyzikálními podmínkami tohoto růstu. Syntetické vlákno, kde jeho výroba bere za základ polymer přírodní či synteticky vyrobený, je co do časového úseku vytvořeno v mnohem kratší době než vlákno přírodní. Chemicko-fyzikální podmínky přípravy polymeru, zvlákňovacího a dloužícího procesu se dají regulovat, a tedy vlastnosti budoucího vlákna programovat [1].
Tab. 1: Základní rozdělení přírodních vláken.
Přírodní vlákna
Rostlinná vlákna
ze semen: - bavlna, kapok
ze stonků: - len, konopí, juta, ramie, kenaf z listů: - sisal, manilské konopí
z plodů: - kokosová vlákna Živočišná vlákna
vlákna keratinová (srsti):
- ovčí vlna, mohér, kašmír, srst lamy a velblouda - chlupy, vlasy, koňské žíně
vlákna fibroinová (výměšky hmyzu):
- pravé hedvábí z bource morušového - plané hedvábí - Tusah, z bource dubového
- pavoučí hedvábí
Anorganická vlákna
azbest (nepolymerní přírodní vlákno) Chemická vlákna
z přírodních polymerů
z celulózy
z regenerované celulózy: - viskózová, měďnatá vlákna - papírové nitě
z derivátů celulózy: - acetátová vlákna z regenerovaných bílkovin
z rostlinných: - arašídová a sojová vlákna
ze živočišných: - kaseinová, keratinová a fibroinová
z kaučuku: - pryžová vlákna
ze syntetických polymerů
- vlákna polyamidová, polyesterová, polypropylénová, atd.
anorganická
kovová - Al, Au, Ag,…slitinové
nekovová - uhlíková
- skleněná, strusková
- keramická
- čedičová
z monokrystalů - whiskery
Vlákna mají díky své struktuře specifické vlastnosti.
• V porovnání s konvenčními materiály shledáváme u vlákenných kompozitů vyšší měrný modul a vyšší měrnou pevnost, to znamená, že můžeme snížit hmotnost vyráběných součástí a výrobků, čímž se výrazně zvýší úspora materiálu a energie
Tab. 2: Srovnání vlastností kompozitních a konvenčních materiálů [7].
materiál Měrný Youngův modul Y. modul / hustota
[MNm / kg]
Měrná pevnost v tahu pevnost / hustota
[kNm / kg]
Vysoce pevné Al – Zn – Mg
slitiny 25,7 180
Kalené nízkolegované oceli PAD 6
26,4 1,8
270 61 PAD 6 plněný skleněnými
vlákny, Vf = 0,25 9,5 141
PES pryskyřice + skleněná vlákna, Vf = 0,5 ve směru II s
vlákny 19,7 390
Lamino – epoxidová pryskyřice + C-vlákna, Vf = 0,6 ve směru II s vlákny
135 866 Přírodní materiály
Stéblo trávy (kompozit)
Mnohonásobně vyšší hodnoty
Pavoučí síť Vlákno pavučiny je materiál s absolutně nejvyšší měrnou pevností
• Pevnost vlákna je vždy významně větší než pevnost stejného materiálu v kompaktní formě. V tenkých vláknech jsou minimalizovány rozměry vrozených vad materiálu a také nebezpečnost povrchových vad je při velmi malých příčných rozměrech menší (tenká vlákna mají oproti stejně dlouhým vláknům větších průměrů významně menší povrch).Vady existují jen v podobě submikroskopických až mikroskopických trhlinek a dutinek, které jsou navíc přednostně orientovány (protaženy) podél osy vlákna.
• Velký modul pružnosti mají vlákna, u kterých jsou nejhustěji obsazené roviny krystalické mřížky nebo tuhé makromolekuly orientovány paralelně s osou vlákna.
Taková vlákna jsou silně anizotropní, tj. jejich vlastnosti v podélném a příčném směru se významně liší (např. vlákna mají záporný součinitel teplotní roztažnosti v podélném směru a kladný ve směru kolmém k ose vlákna).
• Velký rozsah vlastností při mezních orientacích vláken (ve směru rovnoběžném a kolmém ke směru namáhání) umožňuje volit tuhost a pevnost právě takovou, jakou považujeme za vhodnou (neboť lze volit směr orientace vláken mezi 0 – 90°).
• Od vyztužujících vláken jsou vedle vysoké pevnosti a tuhosti očekávány další vlastnosti: malý rozptyl mechanických vlastností jednotlivých vláken (malé rozdíly průřezů) a stabilní mechanické vlastnosti během dalšího zpracování.
• Kvalita vláken závisí jak na složení a čistotě výchozích surovin, tak na struktuře vláken. Stabilní mechanické vlastnosti během dalšího zpracování vláken zajišťují ochranné povrchové povlaky, které je nutno aplikovat již na jednotlivá (elementární) vlákna, tj. ještě před jejich spojením do pramenu. Ochranné povlaky nemusí být odstraňovány před výrobou kompozitu, jestliže jsou schopné vytvořit pevné spojení vlákna a matrice (ochranný povlak je zároveň vazebným prostředkem) [1], [7], [8].
2.2.3. Vlastnosti rozhraní matrice s výztuží
Jednotné strukturní chování vláken a matrice v kompozitu vyžaduje dosažení spojité, rovnoměrně silné soudržnosti mezi složkami. Je vhodné si uvědomit, že k zajištění přenosu statického napětí působícího na kompozit do vláken, je vyžadována co nejlepší soudržnost vláken a matrice. Z hlediska rázové pevnosti je tomu naopak, neboť je třeba zajistit absorpci energie přednostním rozvojem trhlin podél povrchu vláken. Toto dilema je třeba řešit podle potřeby případ od případu. Náhodné nespojitosti, zaviněné výrobou (např.
nedokonalým smočením ), vedou při pracovním zatížení často ke kritickým vadám [1].
Rozhraní silně ovlivňuje lomovou houževnatost kompozitů a jejich vlastnosti ve vlhkém a korozním prostředí. Kompozity se slabým rozhraním mají relativně nízkou pevnost a tuhost, ale vysokou odolnost vůči lomu, zatímco kompozity se silným rozhraním mají vysokou pevnost a tuhost, ale jsou křehké. Tento jev je způsoben narušením vazeb vláken a jejich vytrháním z matrice během šíření porušení. Povaha vazeb mezi matricí a vlákny je dána uspořádáním atomů a chemickými vlastnostmi vláken, konformací a chemickým složením polymerní matrice.
Rozhraní je specifické pro každý systém. Pevnost vazeb je dána zejména adhezí.
Adheze může být spojena s pěti hlavními mechanismy, které se mohou podílet buď izolovaně nebo společně na vytvoření vazby. Jsou to: adsorpce a smáčení, vzájemná difůze, elektrostatická přitažlivost, chemická vazba a mechanická adheze [7].
2.3. Polymerní matrice
Od matrice vyžadujeme houževnatost (schopnost se snadno deformovat pod působícím zatížením a přenášet napětí do vláken), ochranu vyztužující složky před okolními vlivy, chemickou odolnost, tepelnou a rozměrovou stabilitu, odolnost proti opakovanému zatížení a nízkou citlivost vůči vrubům (omezení rozvoje trhlin), pevnost a tuhost, co nejnižší technologické a energetické výrobní nároky. Těmto požadavkům nevíce vyhovují polymerní matrice vyztuženými vhodnými vlákny. Vláknové kompozity s polymerní matricí mají nejdelší tradici (první patent v roce 1916).
Podle vlastností i podle výrobního postupu se výrazně liší podle toho, jedná-li se o termoplast nebo reaktoplast.
Tab. 3: Nejpoužívanější typy polymerních matric [8].
Termoplastové Reaktoplastové polypropylen (PP) nenasycené polyesterové (UP) polyamidy (PA) vinylesterové (VE)
polyimidy (PI) epoxidové pryskyřice (EP)
fenolické pryskyřice (PF)
2.3.1. Termoplastické matrice
K vyztužení termoplastických matric jsou vhodná: skleněná, uhlíková a aramidová vlákna a jejich kombinace (hybridní kompozit). Vlastnosti těchto kompozitů velmi závisí na výrobním postupu (který ovlivňuje rozložení vláken, orientaci vláken, stupeň porušení vláken), na pevnosti a na dalších vlastnostech vláken (např. teplotní vodivosti, houževnatosti), na povrchové úpravě vláken (ovlivňující soudržnost s matricí) a na viskoelastickém chování matrice (v závislosti na teplotě). Termoplastové polymery pro matrici mohou značně zredukovat cenu kompozitů (o 25% až 80% proti reaktoplastovým) a v poslední době je jim věnována zvýšená pozornost. Cenové úspory jsou především výsledkem snadnější výroby i složitějších tvarů [1].
Díky možnosti opětovného tepelného zpracování je možná vyšší produkce výroby (tvarováním dílů, spojováním vrstev prepregů natavením matrice ) a recyklace odpadních produktů. Termoplasty lze zpracovávat vstřikováním na běžných vstřikovacích strojích.
Mají dobrou chemickou odolnost, většinou neabsorbují vlhkost a mají velmi dobrou houževnatost oproti nemodifikovaným reaktoplastům. Vážným nedostatkem je creep
při dlouhodobém zatížení. Termoplasty nejsou nesíťované; jejich pevnost a tuhost je dána vlastnostmi monomerní jednotky a velmi vysokou molekulovou hmotností [7], [8].
2.3.2. Reaktoplastické matrice
Vlákny vyztužené reaktoplasty jsou nejrozšířenější konstrukční kompozity a od prvních skleněných laminátů v polyesterové matrici v roce 1941 zasahují dnes do všech odvětví průmyslu s širokým rejstříkem výztuží a vlastností. Nejvíce jsou používané matrice z polyesterové a epoxidové pryskyřice [1].
Porovnání jejich vlastností s dalšími často používanými polymery je uvedeno v tab. č.4.
Tab. 4: Základná vlastnosti často používaných pojiv [7].
jednotka epoxy polyester fenolické vinylestery polyimid Hustota g/cm3 1,1-1,2 1,1-1,23 1,0-1,25 1,12-1,13 1,43-1,89 Teplotní odolnost °C 80-180 70-130 150-260 80-150 250-300 Modul pružnosti GPa 2,6-3,8 3,1-4,6 3,0-4,0 3,1-3,3 3,1-4,9 Pevnost v tahu MPa 60-85 50-75 60-80 70-81 100-110 Mezní deformace % 1,5-8,0 1,0-6,5 1,8 3,0-8,0 1,5-3,0
Pojivová složka je tvořena termosetickými pryskyřicemi, které během vytvrzovacího procesu vytváří nerozpustnou a netavitelnou zesíťovanou strukturu, která je příčinou větší tepelné a rozměrové stability (ve srovnání s termoplasty) a větší odolnosti vůči chemikáliím. Nevýhodou je malá houževnatost, neboť s rostoucí síťovou hustotou roste sice tuhost, ale materiál se stává křehkým. Smáčivost vyztužujících vláken je lepší než u termoplastů. Tvrdidla se používají až po smočení materiálu. Velmi důležitou charakteristikou vytvrzovacího procesu reaktoplastů je doba gelace (želatinace), během které se viskózní pryskyřice mění v elastickou tuhou hmotu, ztrácí schopnost protékat a vzlínat mezi vlákny výztuže. Vytvrzovacím procesem se míní vytvoření prostorové makromolekuly se značnou molární hmotností. Tento děj probíhá při určité teplotě a rychlosti závislé na druhu pryskyřice a typu tvrdidla [7], [8].
U vláknových kompozitů je hlavním problémem vložení vláken do matric tak, aby se mechanicky nepoškodila, aby bylo zachováno přesné usměrnění a rovnoměrné rozdělení vláken ve výrobku a aby byla zajištěna soudržnost vláken a matrice. Vlákna se mohou relativně snadno porušit a to i prostým dotykem dvou vláken nebo třením. Skleněná vlákna
jsou citlivá na zacházení, neboť jejich vlastnosti velmi závisí na povrchové celistvosti (integritě). Aby se zamezilo povrchovému poškození, vkládají se vlákna do tekuté matrice (monomeru). Dobré smočení je základním předpokladem dobré soudržnosti (spojení) vláken a matrice. Je potřeba aby povrchové napětí vláken bylo vyšší než povrchové napětí pryskyřice. Čím lepší je smáčivost, tím příznivější je kvalita impregnace. S rostoucí viskozitou matrice se kvalita impregnace jen slabě snižuje. Důležitá je doba smáčení;
impregnace se výrazně zlepší prodloužením doby smočení. S větší hmotností a hustotou vláken se impregnace zhoršuje i při prodloužené době smáčení. Tyto poznatky se uplatní i při výrobě tzv. prepregů.
Jednotlivé kompozitní pásy (fólie) můžeme připravovat různým způsobem, často ve tvaru prepregových pásků, které se spojují do laminátů požádované tloušťky a vlastností. Největšího zpevnění (vyztužení) je dosaženo při hmotnostním podílu vláken 70 až 80% (podle druhu vláken). Přítomnost velkého množství mezipovrchů (velkého vnitřního povrchu) je ze značné míry příčinou velké pevnosti a houževnatosti kompozitů, ale může způsobit i problémy, jejichž vliv může někdy dokonce převážit výhody. Velký vliv na vlastnosti kompozitu má i zde kvalita styku mezi vlákny a matricí (např. póry nebo vzduchové kapsy na vláknech způsobují koncentrace napětí). Celý povrch vláken je třeba smočit matricí a zajistit co nejúčinnější spojení. K tomu se používají vazebná činidla (obr.1), která se nanáší na vlákna, nebo přidávají do matrice, jejichž použití sice vždy zlepšuje pevnost a houževnatost kompozitu, ale mechanismus jejich působení není zcela jasný. O skutečném mechanismu interakce vazebních činidel na rozhraní vzniklo mnoho teorií, které přesahují rámec této práce. Navíc není objasněno působení tvrdidel, iniciátorů a urychlovačů na povrch vláken [1].
a) b)
Obr. 1: Povrch skleněných kuliček v epoxidové matrici
a) bez vazebného činidla, b) s vazebným činidlem [1].
Soudržnost spoje ovlivňuje pozitivně i negativně řada dalších vlivů. Polymerační smrštění vyvodí radiální sevření vlákna, které zvyšuje adhezi. Proti tomu polymerační smrštění vyvolá zvýšení smykových napětí ve směru vláken, a tím odčerpá jistou část smykové pevnosti. Důležitý je také účinek změny teploty, který může mít stejné (při ochlazení) nebo opačné (při ohřátí) účinky. Takto vzniklá napětí mohou však do jisté míry (někdy převážně) relaxovat v závislosti na creepových vlastnostech matrice a je potřeba nalézt vhodné podmínky vytvrzování (teplotu a čas), při nichž je soudržnost maximální. Vlastnosti významně ovlivňuje nejen vnitřní povrch, ale i účinek vnějšího prostředí, zejména vody, jež nelze nikdy zanedbat. Bez dlouhodobého hodnocení vlivu okolního prostředí jsou zjištěné údaje téměř bezcenné a realizace konstrukcí na základě takových podkladů je dobrodružstvím. Např. u epoxidové pryskyřice se skleněnou výztuží se sníží ohybová pevnost po 72h varu o 25 až 50% suché prvotní pevnosti. Pouhá absorpce vody (asi 1,7% hm.) sníží modul na asi ½ „suché“ hodnoty atd. Významná je i doba působení vlhkosti, teploty a změn těchto veličin [1].
Vlákna mohou být organizovaně uspořádána rozmanitým způsobem nebo náhodně orientována. Po vláknech skleněných, která nemohou poskytnout konstrukcím dostatečnou tuhost vzhledem k nízkému modulu, se uplatňují v posledních letech více vlákna uhlíková, borová, keramická, aramidová a jejich kombinace. Pro některé aplikace (zejména z důvodu snížení ceny) se využívají i přírodní vlákna (juta, sisal), nejčastěji v kombinaci se skleněnými vlákny.
2.4. Biopolymery
Naprostá většina syntetických polymerů (plastů) je přirozenou biologickou cestou nerozložitelná, nebo je v nejlepším případě rozložitelná za velmi dlouhou dobu, přesahující environmentální požadavky. Naopak biopolymery jsou díky své chemické struktuře biologicky snadno rozložitelné a po splnění své funkce se rozpadají na fragmenty, které se zařadí do látkového koloběhu [5].
V dnešní době je snaha o zvýšení biologického rozkladu některých plastů pomocí přídavku biopolymerů. Je zřejmé, že až na výjimky dochází vlastně jen k určitému typu primárního rozkladu, na kterém se podílí pouze biopolymerní složka. Plastová matrice je však přitom někdy alespoň částečně mechanicky destruována, a tím je splněn základní předpoklad pro další dlouhodobý rozpad v prostředí.
Zcela novým trendem v oblasti polymerních kompozitů je náhrada skleněných vláken vlákny přírodními. Len, konopí či dřevo jsou surovinami pro výrobu vláken, které jsou předmětem velkého zájmu. Cílem jsou především materiály šetrné k životnímu prostředí. Aplikace přírodních vláken je významnou materiálovou obměnou, která tradičně směřuje také do automobilového průmyslu. Vyžadován je však modul pružnosti v tahu srovnatelný se skleněnými vlákny, tj. mezi 60 a 70 GPa. Očekává se, že biochemie pomůže novými enzymatickými pochody připravit vlákna potřebných vlastností [5], [6].
2.5. Přírodní vlákna
Vlákna z obnovitelných zdrojů nalézají stále většího uplatnění jako levnější alternativa stávajících (např. skleněných) vláken. V poslední době jsou stále více využívána při výrobě pevnostně méně náročných a přitom lehkých dílců např. v interiérech automobilů a jiných dopravních prostředků. Používají se ve formě pramenců a nití, netkaných materiálů – rohoží nebo tkanin. Přírodní vlákna mají minimální abrazivní účinky, což zvětšuje životnost zpracovatelských zařízení. Nevýhodou přírodních vláken je jejich navlhavost, menší rozměrová stabilita a degradace oxidací [5], [6].
2.5.1. Rostlinná vlákna
Základní strukturní látkou rostlinných vláken je celulóza. Je to nejrozšířenější vysokomolekulární látka na zemi. Jde o polysacharid, nejhojnější organickou sloučeninu.
Je hlavním stavebním materiálem cévnatých rostlin, ale i bakterií, mořských rostlin a živočichů. Základní stavební jednotka celulózy (viz obr. 2) obsahuje hydroxylové funkční skupiny, které tvoří kostru vodíkové vazby uvnitř makromolekuly. Tyto skupiny způsobují, že materiály na bázi celulózy jsou značně hydrofilní. To způsobuje zhoršování vlastností vlivem vlhkosti vzduchu a často naprosté znehodnocení při styku s vodou [4].
Obr. 2: Základní stavební jednotka celulózy
a) b)
Množství absorpce vody závisí na relativní vlhkosti okolní atmosféry, čistotě celulózy a na stupni krystalinity. Všechny hydroxilové skupiny v amorfní fázi jsou přístupné ke smáčení (polárním roztokům), na rozdíl od krystalických fází, kde jsou jen povrchy dostupné ke smočení. Absorpce vody má za následek snížení meze pevnosti přírodních vláken v polymerních matricích, zásluhou neslučitelnosti různých složek;
přírodní vlákna jsou smáčivá vodou tzv. hydrofilní a syntetické polymery nikoliv - hydrofóbní. Tato neslučitelnost způsobuje slabé vzájemné působení mezi složkami a tedy slabé rozhraní. Navíc vzájemné působení vláken, vyplývající z vodíkové vazby, zhoršuje (limituje) rozptýlení vláken v matrici. Aby se usnadnilo rozptýlení vláken a vytvořila se vazba mezi vláknem a matricí, je zapotřebí modifikace vláken nebo polymeru [4].
Vlastnosti přírodních vláken vyplývají z jejich struktury a chemického složení. Čím větší množství paralelních mikrofibril (vlákének) ve směru osy, tím vyšší mez pevnosti vlákna. Většina přírodních vláken má porézní strukturu, která může ovlivnit jejich nasycení pryskyřicí. Rostlinné vlákno se vyznačuje buněčnou strukturou, kde každá buňka obsahuje krystalické a amorfní celulózní oblasti, která jsou vzájemně propojena ligninem a hemicelulózou. Buňka je tvořena jednou obvodovou a třemi vnitřními stěnami a ve svém středu dutinou (lumen), viz obr.3 [4].
Obr.3: Buněčná struktura rostlinného vlákna [4].
Přírodní vlákenné suroviny nejsou homogenní. Homogennost závisí na odrůdě a růstu, sklizni a na prvotních podmínkách zpracování. V přírodě se téměř čistá (i přes 99%) celulóza vyskytuje jen v bavlně. V jiných vláknech je vždy doprovázena látkami: pektiny, lignin, vosky a tuky (viz tab.5). Průmyslově se celulosa získává z buničiny. Používá se pro výrobu speciálních papírů (zejm. filtračních) nebo je dále chemicky zpracovávána, např. při výrobě viskózových a acetátových vláken.
Tab. 5: Složení rostlinných vláken [10].
Vlákno Celulóza Hemi -celulóza
Lignin Pektiny
Bavlna 92 6 - < 1 Juta 72 13 13
Len 81 14 3 4
Sisal 73 13 11 2 Konopí 74 18 4 1 Ramie 76 15 1 2 Kokos 43 < 1 45 4
Různé chemické a fyzikální charakteristiky přírodních vláken mají za následek značné rozdíly v jejich vlastnostech a použití. Lýková vlákna byla shledána jako zvláště vhodná do kompozitů, zatímco listová vlákna našla použití speciálně v papírenském průmyslu, kde je vyžadována vysoká pevnost. Mechanické vlastnosti rostlinných vláken, zvláště len, konopí, juta a sisal, jsou velmi dobré a můžou úspěšně soutěžit se skleněnými vlákny v měrné pevnosti a modulech (viz tab.6). Rostlinné vlákno má vyšší poměrné prodloužení před prasknutím než skleněné či uhlíkové vlákno, které může zvýšit kompozitu účinnost. Naopak nevýhodou rostlinných vláken je časově náročná příprava a potřeba velkých oblastí (ploch) pro pěstování. Relativně nízká hustota rostlinných vláken ve srovnání např. s vlákny skelnými může být nevýhodná ve výrobě, proto je potřeba použití tlaku při rozmístnění vláken v matrici (vlákna inklinují k vystupováním na povrch).
Tab. 6: Porovnání mechanických vlastností přírodních vláken se skleněným vláknem [4].
Hustota (g/cm3)
Youngův modul E (GPa)
Pevnost v tahu (GPa)
Prodloužení do přetržení
(%)
Navlhavost (%)
E-sklo 2,55 73 29 3 -
Len 1,4 60-80 26-46 1,2-1,8 7
Konopí 1,48 70 47 1,6 8
Juta 1,46 10-30 7-21 1,8 12 Ramie 1,5 44 29 2 12-17
Kokos 1,25 6 5 15-25 10
Bavlna 1,51 12 8 3-10 8-25
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
3.1. Vybraný typ vláken
Pro experimenty byla vybrána vlákna lněná, konopná, bambusová a vlákna z recyklovaného papíru.
3.1.1 Lněné vlákno
Len je jednoletá rostlina z čeledi lnovitých, která je považována za nejstarší pěstovanou vláknitou rostlinu. Existuje více druhů, ale praktický význam má len užitkový – Lignun usitatissimum. Lněný stonek rostliny je štíhlý, kruhovitého průřezu, od kořene nahoru se zužuje a obsahuje svazky vláken, pro které se přadný len pěstuje. Délka stonku kolísá od 0,2 do 1,4m a je závislá na podmínkách růstu. Stonky tenké dávají vyšší výtěžnost vlákna než stonky tlusté, vyžadují však delší čas k jeho uvolnění ze stonku.
Průměrná tloušťka stonku se pohybuje od 0,5 do 3mm. Při průměru stonku do 1,5mm se zvyšuje počet vláken , jsou jemná; nad 1,5mm se počet vláken nezvyšuje, ale vlákna jsou hrubá. Tloušťka stonku je určována v 1/3 technické délky, což je délka od děložních lístků po rozvětvení [2].
Technické vlákno se získává z lněného stonku nejčastěji biologickou cesto, rosením a máčením. Podstatou získání technického vlákna je jeho uvolnění ze stonku a zbavení pokožky, dřeně a dřevoviny. Účelem rosení je rozložit dřevovinu, v níž jsou uložena lýková vlákna, střídavými účinky vlhka, deště, slunce a vzduchu za spolupůsobení plísní a enzymů tak, aby se dala snadno od vláken oddělit. Oproti tomu máčení není tak závislé na klimatických podmínkách a může se provádět i průmyslově. Při máčení způsobují oddělení a uvolnění svazků vláken ze stonku bakterie, které svými enzymy rozkládají pektinové látky [3].
Chemické složení lněného vlákna obsahuje přibližně 74% celulózy, 17% hemicelulózy, 2% ligninu, 1,7% pektinu, 3,8% nerozpustných látek ve vodě a 1,5% tuků a vosků.
Lněné technické vlákno je tvořeno z vláken elementárních, jak je patrné z obr. 4b až 4e. Elementární vlákno lnu je sklerenchymatická buňka tvaru dlouhého troj až šestibokého hranolku, jehož oba konce se pozvolna ztenčují a končí ostrými špičkami (obr. 4a).
Na mikroskopickém snímku vláken, jsou znatelná tzv. kolínka a svazky elementárních vláken (obr. d, c) [2].
a) b) c) d) e)
Obr. 4: Morfologie lněného elementárního vlákna [2].
Délka technického lněného vlákna je 600 až 800mm, elementárního 25 až 30mm.
Tloušťka technického vlákna je 600µm, elementárního 15 až 18µm [2].
Tab. 7: Základní vlastnosti lněného vlákna [4].
Hustota (g/cm3)
Youngův modul E (GPa)
Pevnost v tahu (GPa)
Prodloužení do přetržení
(%)
Navlhavost (%) Len 1,4-1,52 60-80 0,84 1,2-1,8 7
Lněná vlákna jsou odolná vůči působení sladké i slané vody. Jsou silně navlhavá a mohou přijmou ze vzduchu až 20-30% vody, ale za normálních klimatických podmínek dosahují vlhkosti 15%. Se zvyšující vlhkostí se nepatrně zvyšuje i měrná pevnost a tažnost.
Měrná pevnost 440-530mN⋅tex-1 za sucha se za mokra zvýší o 15 až 20%; poměrné prodloužení za sucha se z 0,6-1,8% zvýší na 0,7-2,2% za mokra. Díky nízké tažnosti se lněná vlákna používají na výrobu dopravních pásů a hnacích řemenů. Len je odolný vůči alkáliím, ale kyseliny jej narušují – dochází k hydrolýze; účinek je závislý na koncentraci, teplotě a době působení. Lněné vlákno stárne velmi pomalu, špatně izoluje elektrický proud a účinkem slunečního záření postupně ztrácí pevnost. Relativně dobře vede teplo, poněvadž je hladké a obsahuje málo vzduchu, proto se používá na výrobu letních oděvních tkanin s chladivým omakem. Pružnost je nepatrná; je příčinou mačkavosti lněného zboží.
Značná odolnost proti oděru se využívá při výrobě stanoviny a plachtoviny. Dále se lněná vlákna používají k výrobě pracovních oděvů, ložního a stolního prádla, dekoračních tkanin, šicích a průmyslových nití [2],[3].
3.1.2. Konopné vlákno
Konopí (Cannabis sativa) je prastarou kulturní rostlinou, která vznikla z konopí divokého. Je to jednoletá, dvoudomá rostlina s dlouhým rozvětveným stonkem.
Rozlišujeme tzv. samčí a samičí rostliny, které se od sebe liší utvářením květenství. Více vláken a lepší kvality dávají rostliny samčí. Vlákno se získává máčením a to buď v přírodních stojatých nebo tekoucích vodách, nebo teplovodním máčením v máčírnách s optimální teplotou vody 30 až 33°C. Máčené konopí (stonek ztrácí 20 až 25% své původní hmotnosti) se suší, nechává odležet a potom se vlákna uvolňují v tírnách lámáním a potěráním na potěracích turbinách [2].
Surové konopné vlákno má chemické složení: 70-75% celulózy, 8-15% hemicelulózy, 8-12% ligninu, 0,5-1% popelovin, 2-4% tuků a vosků a 10-12% vlhkosti.
Podobně jako u lnu se technická konopná vlákna štěpí během zpracování na vlákna elementární. Elementární vlákna jsou v průřezu u mladého stonku téměř kulatá, později mnohoúhelníkového tvaru. V průřezu je vlákno tvořeno (obr.5)
vnější spojovací blánou -1, tenkou primární stěnou – 2, silnější sekundární stěnou – 3 a lumenem - 5 ohraničeným terciární stěnou – 4. Lumen zaujímá až 1/3 průřezu elementární buňky. Pro konopné vlákno v podélném pohledu jsou pod mikroskopem viditelná charakteristická kolénka (obr.) [2].
Obr. 5: Rez elementárního vlákna [2].
a) b)
Obr.6: Mikroskopický snímek příčného řezu (a), podélného pohledu (b) konopných vláken.
Délka technického konopného vlákna je 1 až 2m a elementárního vlákna 15 až 25mm.
Tloušťka elementárních vláken je 15 až 50µm.
Obsah vlhkosti za normálních klimatických podmínek je 13%. Stálost proti účinkům vlhka a mokra je vysoká. Pevnost za mokra je o 15% vyšší než za sucha. Poměrné prodloužení za sucha je 1,5 až 3% a za mokra až 4%.[2]. Odolnost konopného vlákna vůči povětrnostním vlivům je z přírodních vláken nejvyšší [3].
Tab. 8: Základní vlastnosti konopného vlákna [4].
Hustota (g/cm3)
Youngův modul E (GPa)
Pevnost v tahu (GPa)
Prodloužení do přetržení
(%)
Vlhkost pohlcení
(%)
Konopí 1,48 70 47 1,6 8
Konopí se zpracovává jako technické vlákno převážně do výrobků, u kterých je potřebná vysoká pevnost a odolnost proti vlhkosti a povětrnostním vlivům. Tedy na technické tkaniny, obalové tkaniny, plachtoviny, popruhy, lana, provazy. Krátká vlákna jako těsnění vodovodního potrubí.
3.1.3. Bambusové vlákno
Bambus je původně tropická rostlina, které se daří i v subtropických pásmech.
Bambus je co do velikosti, lehkosti a meze pevnosti extrémní přírodnina. Díky těmto vlastnostem, daných strukturou bambusového stonku (obr.7c), je využíván bambus jako stabilní, extrémně lehký a pružný stavební materiál. Nejprve je stonek dužnatý a po dosažení určité výšky, odvislé od druhu a prostředí, začne dřevnatět. Travina bambus má obrovský růstový potenciál. Právě pro tuto svoji schopnost rychlé regenerace představuje ekologickou a cenově výhodnou alternativu pro dřevozpracující průmysl.
Bambusový stonek se skládá z mnoha vlákenných svazků obklopených dřevovinou (xylen). Vlákna přispívají 60 až 70% k celkové váze tkáně stébla. Délka vláknových svazků je značně rozdílná u různých odrůd bambusu. Počet cévních svazků na milimetr čtvereční souvisí s modulem pružnosti a vláknová délka s pružným namáháním v ohybu.
Bambusové vlákno je druh regenerovaného celulózového vlákna, které je vyrobeno ze surového bambusového materiálu. Bambusová buničina je pročištěna, což je proces hydrolizace-alkalizace, dále je bambusová buničina zpracovávána na vlákno. Základní složky bambusového vlákna jsou celulóza a lignin. U bambusu je těžké odstranit okrajový lignin kolem vláken, který způsobuje špatnou soudržnost s pryskyřicemi.
Proto tedy musí být vlána ošetřeny pro nejlepší využití v průmyslové výrobě [4], [11].
a) b) c) Obr. 7: a - rozmanitost bambusový stonků; b - bambus(guadua angustifolia)
c - kořenová část bambusu [11].
Po ošetření mají bambusová vlákna relativně vysokou pevnost ve srovnání s travními vlákny, a mohou být srovnatelná se skleněnými vlákny, jakožto výztuž v kompozitech.
V dnešní době se používají bambusová vlákna především v textilním průmyslu. Využití a vlastnosti bambusového vlákna jako výztuže kompozitních materiálů je předmětem výzkumu v posledních letech.
3.1.4. Vlákna z recyklovaného papíru
Využití vláken z recyklovaného papíru jako výztuže kompozitních materiálů je relativně nová myšlenka a tudíž nejsou k dispozici konkrétní hodnoty mechanických vlastností těchto vláken ani materiálů, které by tímto způsobem byly vytvořeny.
Vlákna se vyrábějí sušením roztoku recyklované papíroviny, kterou získáme stejným postupem jako při recyklaci papíru.
Prvním krokem je namočení vstupní suroviny a její následné rozvláknění. To se děje v nádrži opatřené míchadlem. Obvykle se jedná o čistě mechanickou záležitost. Jen občas se přidává malé množství hydroxidu sodného (NaOH), který usnadní po rozvláknění nadcházejí operace hrubého třídění. U třídění se využívá rozdílné hustoty, či velikosti nečistot a papíroviny či vlákna. Třídiče pracují obvykle na principu cezení skrz síta s otvory o takové velikosti, aby jimi prošla (nebo neprošla) dobrá vlákna. Anebo se v kónické nádobě vyvolá průchodem suspenze vír, a pak se nečistoty o vyšší hustotě dostávají ke kraji víru a naopak nečistoty s nižší hustotou zůstávají ve středu.
Po hrubém třídění se dovlákňují nerozvlákněné smotky vláken. Děje se tak ryze mechanicky na dovlákňovacích zařízeních. Po nich následuje třídící linka, která odstraní nerozvlákněné zbytky. Pak následuje odstraňování velmi malých či rozpustných nečistot (barviv, pigmentů, plniv atp.) – nastávají operace jemného třídění, obvykle nazývané jako
„deinking“ procesy. Těmi jsou obvykle flotace či praní. Při flotaci (obvykle za přítomnosti flotačního činidla, které bývá detergentem schopným se jedním koncem molekuly zachytit nečistoty a druhým koncem bublinky vzduchu - tj. druhý konec je špatně smáčivý) se suspenze vláken probublává vzduchem, který vynese nečistoty na povrch v podobě pěny, která se následně odstraňuje. Po tomto třídění zůstávají v suspenzi papíroviny převážně jen jemné nečistoty o hustotě blízké hustotě celulózy. Jedná se obvykle o polymerní materiály.
Mají-li tyto látky nízký bod tání (cca. 30-140°C) nazývají se „stickies“. Bohužel stickies obvykle nejdou odstranit, pouze dispergovatelné stickies se dají rozptýlit zahřátím cca na 150°C. Po vyčištění papíroviny může (ale nemusí) následovat její zesvětlování, či bělení. Doplní se o různá plniva a nechá se usušit [12].
3.2. Vybraný typ polymerní matrice
3.2.1. Epoxidová pryskyřice
Nejvšestrannější reaktoplasty pro konstrukční kompozity jsou epoxidové pryskyřice, vystupující pod zkratkou „EP“. Jako výztuž epoxidové pryskyřice se používá velké množství druhů vláken. Porovnání nejčastěji používaných vláken je v následující tab.9.
Tab. 9: Vlastnosti vybraných vláken s objemovým podílem 60% v EP [7].
Vlastnost Jednotky Sklo / epoxy E - sklo
Kevlar / epoxy Kevlar 49
Uhlík / epoxy T300
Hustota g/cm3 1,94 1,3 1,47
Modul podélný GPa 45 76 132
Modul příčný GPa 12 5,5 10,3
Smykový modul GPa 4,4 2,1 6,5
Poissonovo číslo 0,25 0,34 0,25
Pevnost tah. podélná MPa 1000 1380 1240
Pevnost tah. příčná MPa 34 28 45
Pevnost tlak. podélná MPa 550 280 830
Pevnost tlak. příčná MPa 140 140 140
Smyková pevnost GPa 400 55 62
Vlastnosti závisí na chemické struktuře pryskyřice, použitém tvrdidlu a případných modifikujících složkách. V porovnání s ostatními reaktoplasty má epoxidová pryskyřice dobrou houževnatost a výbornou chemickou odolnost. Epoxidové pryskyřice jsou odolné proti únavě a tečení, a mají výbornou adhezi k vláknům. Vyznačují se malým smrštěním (okolo 2%), což je velmi výhodné pro výrobky s požadavkem na přesné rozměry.
Přítomnost hydroxylových skupin (polární molekuly) způsobuje navlhavost. Přítomnost vody snižuje teplotu skelného přechodu pryskyřice a značně zhoršuje teplotní odolnost.
Viskozita epoxidových pryskyřic v nevytvrzeném stavu je větší než u nenasycených polyesterových a vinylesterových pryskyřic. Vytvrzovací reakce u EP probíhá velmi pomalu a neuvolňují se žádné vedlejší produkty. Epoxidy se zpracovávají většinou odléváním. Hustota sítě ve vytvrzeném stavu souvisí s funkčností epoxidu. Teplotní odolnost epoxidů roste s jejich funkčností, tzv. čtyřfunkční epoxidy mají teplotu zeskelnění Tg 240°C [8].
Obr. 7: Chemický vzorec dvou a čtyř-funkční epoxidové pryskyřice [8].
Byla použita epoxidová pryskyřice typu CHS-EPOXY 371 spolu s tvrdidlem P11.
CHS-EPOXY 371 je středně molekulární viskózní epoxidová pryskyřice modifikovaná nereaktivním zvláčňovadlem. Vytvrzuje se smísením s vhodnými tvrdidly při normální nebo zvýšené teplotě. CHS-Tvrdidlo P11 je směs technických polyalkylen polyaminů, obsahující převážně diethylentriamin [13].
Tab. 10: Vlastnosti nevytvrzené pryskyřice CHS-EPOXY 371 [13].
Epoxidový index 2,5-3,0 [mol/kg] DIN 53 188 Epoxidový hm. ekvivalent 330-400 [g/mol] DIN 53 188 Viskozita, 25°C 30-50 [Pa⋅s] DIN 53 015 Viskozita, 23°C 40-70 [Pa⋅s] DIN 53 015 Celkový obsah chloru max. 0,5 [%] CSN 64 0338
CHS-Epoxy 371 se s tvrdidlem P11 mísí v poměru 100 : 7 (g pryskyřice / g tvrdidla).
Tab. 11: Vlastnosti vytvrzené pryskyřice CHS-EPOXY 371 [13].
Doba želatinace max. 150 [min.]
Tvrdost po 24 hodinách min. 100 [MPa]
Mez pevnosti ve smyku (Informativně)
min. 20 [MPa]
Mez pevnost v odlupu min. 400 [N]
3.3. Zvolená metoda pro vyhodnocení vlivu plnění na mechanické parametry Příprava vzorků spočívá v odlití tyček epoxidové pryskyřice plněné vybranými vlákny s odstupňovaným plněním 3, 6, 9 hmotn. %, jejich následným přetržením na trhacím stroji, odečtením hodnot a vyhodnocením. Nejedná se o normalizovanou metodu, výsledné hodnoty mají jen porovnávací charakter.
3.3.1. Tahová zkouška
Tahová zkouška patří mezi mechanické statické zkoušky, kde se zatěžování děje plynule rostoucí silou až do porušení materiálu (síla není konstantní). Napěťové charakteristiky mechanických zkoušek se vyjadřují smluvním napětím. Napětí se vztahuje na původní rozměr S0. Provádí se na zkušebních tělesech normovaných rozměrů a tvarů.
Výstupem z tahové zkoušky je závislost poměrného prodloužení zkušebního materiálu na zatěžující síle, viz obr.8.
Z počátku lineární závislost mezi napětím a prodloužením je oblast platnosti Hookova zákona:
R = E ⋅ ε [MPa] (1.1)
kde je:
R … napětí v materiálu
E … Youngův modul pružnosti v tahu ε … poměrné prodloužení zkušebního tělesa
Se zvyšujícím se napětím v materiálu se dosáhne takového napětí, tzv. meze pružnosti, při kterém vzniká první trvalá deformace. Při vzniku výrazných trvalých deformací v materiálu mluvíme o mezi kluzu Re. Dále s rostoucím napětím se materiál trvale deformuje až do jeho přetržení. Maximální napětí, které je materiál schopen unést, nazýváme mez pevnosti a značíme jej Rm.
Rm = Fn / S0 [MPa] (1.2)
kde je:
Fn … normálová síla
S0 … plocha příčného průřezu zkušebního vzorku
Dále se porovnává poměrné prodloužení v okamžiku přetržení, tzv. tažnost, která je dána vztahem:
100
0 0 ⋅
= − l
l
A l [%] (1.3)
kde je:
l0 … počáteční měřená délka zkušebního vzorku l … měřená délka zkušebního vzorku po přetržení
3.3.2. Příprava vzorků
Jednotlivá vlákna byla vysušena při teplotě 140°C po dobu 24h. Poté se vlákna s pryskyřicí navážila ve vhodném poměru tak, aby se dosáhlo 3, 6, 9 hmotnostních procent vláken ve 20g pryskyřice. Tento objem pryskyřice s plnivem byl použit na odlití 6 vzorků při teplotě 22°C. Původně jsem chtěl vytvořit i vzorky s větším hmotnostním obsahem vláken v epoxidové matrici, ale díky velkému objemu vláken se nepodařilo zcela smočit povrch vláken, což je nutná podmínka soudržnosti vláken s matricí.
Prázdnou formu je před použitím třeba očistit a separovat pomocí separačního činidla (včelím voskem rozpuštěném v benzínu), pro jednoduší vyjmutí odlitku z formy. Máme-li formu připravenou, přidáme do pryskyřice s vlákny tvrdilo P11 viz obr. 9.
Obr. 9: Nanášení tvrdidla P11 do pryskyřice s vlákny.
Pryskyřice se s tvrdidlem mísí v poměru 100 : 7. Přidáním tvrdidla do pryskyřice začne probíhat chemická reakce, při níž se začnou prostorově propojovat makromolekuly polymeru a uvolňuje se tepelná energie. Za stálého míchání se mění viskozita pryskyřice.
Při vhodné viskozitě (při delším míchání dochází už ke snižování viskozity – vytvrzování) ručně nalijeme polymerní roztok do formy a uzavřeme, viz obr.10.
Obr. 10: Plná forma těsně po dolití.
Obr. 11: Použitá přetlaková nádoba s kompresorem.
Formy se vloží do přetlakové nádoby (obr.11), kde se vzorky pod tlakem 0,7MPa a po dobu 24h nechají vytvrdit. Vytvrzením pod tlakem se docílí minimalizace vzduchových bublinek vzniklých při míchání a odlévání roztoku pryskyřice obsahující vyztužující vlákna. Tlak 0,7MPa je dán použitým kompresorem.
Po vyjmutí se vzorky očistí, popíšou a nechají se odležet po dobu sedmi dní do přetržení. Celkově se získá po šesti vzorcích s hmotnostním plnění 3, 6, 9% od konopného, lněného, bambusového (viz obr.12) vlákna a vlákna z recyklovaného papíru v epoxidové pryskyřici.
a) b) c) d)
Obr. 12: Ukázka epoxidové pryskyřice vyztužené bambusovými vlákny s plněním:
a) 0 hmot.% b) 3 hmot.% c) 6 hmot.% d) 9 hmot.%.
Vytvořené vzorky byly trhány na trhacím stroji INSTRON - LAB.TEST II se zatěžovací hlavou 5000N o rychlosti 5 až 6,5mm/min. při teplotě 20 ± 2°C a relativní vlhkosti cca. 50%.
4. VÝSLEDKY A JEJICH HODNOCENÍ
4.1. Naměřené hodnoty
Z tahové zkoušky byly získány hodnoty meze pevnosti, tažnosti a Youngova modulu pružnosti v tahu. Od každého typu složení, tedy druhu vlákna a jeho hmotnostních procent v pryskyřici, bylo získáno více hodnot dle počtu vzorků, které se zprůměrovaly. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce č.12.
Tab. 12: Vlastnosti vytvrzené pryskyřice CHS-EPOXY 371 [12].
Mez pevnosti Rm [MPa]
Tažnost A [%]
Modul pružnosti E [MPa]
CHS-EPOXY 371 58,84 1,75 754 EPOXY + 3 hmotn.% Bambusu 41,28 1,66 1055 EPOXY + 6 hmotn.% Bambusu 56,61 1,65 1404 EPOXY + 9 hmotn.% Bambusu 51,82 1,37 1567 EPOXY + 3 hmotn.% Recyklo. papíru 45,67 1,64 932 EPOXY + 6 hmotn.% Recyklo. papíru 42,13 1,35 959 EPOXY + 9 hmotn.% Recyklo. papíru 33,46 1,20 984 EPOXY + 3 hmotn.% Lnu 42,80 1,64 1225 EPOXY + 6 hmotn.% Lnu 40,61 1,58 1362 EPOXY + 9 hmotn.% Lnz 39,40 1,47 1432 EPOXY + 3 hmotn.% konopí 54,17 1,60 1356 EPOXY + 6 hmotn.% konopí 51,19 1,58 1387 EPOXY + 9 hmotn.% konopí 40,94 1,45 1410
Z každé tahové zkoušky jsme získali pracovní diagramy pro všechny vzorky. Zde jsou uvedeny pro ukázku jen vybraní zástupci z každé skupiny.
Obr. 13: Ukázka diagramu tahové zkoušky CHS-EPOXY 371.
Obr. 14: Ukázka diagramu tahové zkoušky CHS-EPOXY 371+ 3, 6, 9 hmotn.% bambuus.
Obr. 15: Ukázka diagramů tah. zkoušky CHS-EPOXY 371+ 3, 6, 9 hmotn.% vláken
Porovnání naměřených hodnot
Obr.18: Grafické porovnání meze pevnosti, tažnosti a modulu pružnosti bambusového
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Rm [MPa]
[%]
papír - Rm 58,84 45,67 42,13 33,46
0 3 6 9
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 A[%]
[%]
papír - A 1,75 1,64 1,35 1,20
0 3 6 9
0 200 400 600 800 1000 E[MPa]
[%]
papír - E 754 932 959 984
0 3 6 9
Obr.19: Grafické porovnání meze pevnosti, tažnosti a modulu pružnosti vlákna z recyklovaného papíru s hmotnostním podílem 3, 6, 9%.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Rm [MPa]
[%]
papír - Rm 58,84 45,67 42,13 33,46
0 3 6 9
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 A[%]
[%]
papír - A 1,75 1,64 1,35 1,20
0 3 6 9
0 200 400 600 800 1000 E[MPa]
[%]
papír - E 754 932 959 984
0 3 6 9
Obr.20: Grafické porovnání meze pevnosti, tažnosti a modulu pružnosti lněného vlákna
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Rm [MPa]
[%]
Len - Rm 58,84 42,80 40,61 39,40
0 3 6 9
1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 A[%]
[%]
Len - A 1,75 1,64 1,58 1,47
0 3 6 9
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 E[MPa]
[%]
Len - E 754 1225 1362 1432
0 3 6 9
Obr.21: Grafické porovnání meze pevnosti, tažnosti a modulu pružnosti konopného vlákna s hmotnostním podílem 3, 6, 9%.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Rm [MPa]
[%]
Konopí - Rm 58,84 54,17 51,19 40,94
0 3 6 9
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 A[%]
[%]
Konopí - A 1,75 1,60 1,58 1,45
0 3 6 9
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 E[MPa]
[%]
Konopí - E 754 1356 1387 1410
0 3 6 9
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Rm [MPa]
[%]
Bambus 41,28 56,61 51,82
Papír 45,67 42,13 33,46
Len 42,80 40,61 39,40
Konopí 54,17 51,19 40,94
3 6 9
Obr.22: Grafické porovnání meze pevnosti u vláken se stejným hmotnostním podílem.
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Am [%] 1,80
[%]
Bambus 1,66 1,65 1,37
Papír 1,64 1,35 1,20
Len 1,64 1,58 1,47
Konopí 1,60 1,58 1,45
3 6 9
Obr.23: Grafické porovnání tažnosti u vláken se stejným hmotnostním podílem.
