Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nábytku, designu a bydlení

Analýza možností uplatnění kompozitního uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu

DIPLOMOVÁ PRÁCE Přílohy – technické listy použitých materiálů a grafy průběhů ohybových zkoušek

2009/2010

Bc. Radek Pomp

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Analýza možností uplatnění kompozitního uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu“ zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora Mendelovy univerzity o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.

V Brně, dne : .....................

......................... Bc. Radek Pomp

Poděkování: Tímto děkuji Ing. Milanu Šimkovi, Ph.D. za odborné vedení diplomové práce a za udržení nadhledu při řešení problematiky. Dále děkuji Ing. Janu Tippnerovi za užitečné konzultace, Miroslavu Havlovi za konzultace, darování materiálu a ukázku provozu a Ing. Rudolfu Beranovi za konzultace a poskytnutí materiálu. Chtěl bych tímto poděkovat i rodině a přítelkyni za trpělivost a podporu při studiu a řešení diplomové práce.

Jméno / Name :

Bc. Radek Pomp

Název diplomové práce : Analýza

možností

uplatnění

kompozitního

uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu Name of work :

Analysis of possibilities of using carbon composite material in furniture industry

Abstrakt: Diplomová práce se zabývá studiem kompozitů, technologiemi výroby kompozitů, uhlíkových vláken a jejich kombinací s materiály používanými v nábytkářském průmyslu. Cílem je najít kombinaci uhlíkového materiálu a materiálu na bázi dřeva, který by našel v tomto průmyslu využití. Kritérii při volbě materiálů jsou: dobré mechanické vlastnosti, možnosti využití výsledného kompozitu, možnost zpracování nábytkářskou technologií, ekologie a nízká cena. U výsledného kompozitu jsou mechanické vlastnosti ověřeny zkouškou tříbodým ohybem a popsány možnosti aplikace v nábytkářském průmyslu. Klíčová slova:

uhlíková vlákna, kompozit, vlnitá lepenka

Abstract: Diploma work solves questions about composites, composite production technologies, carbon fibres and their combination with materials used in furniture industry. The aim of the work is to find a combination of carbon material and wood – base material and possibility analysis of carbon composite usage in furniture industry. Criteria of materials selection are: good mechanical characteristics, possibilities of usage, possibility processing with furniture industry technologies, ecology and low price. Mechanical characteristic are verified with three-point bend. Work summarises informations about the new composite´s usage. Keywords:

carbon fibre, composite, cardboard

Obsah: 1

Úvod .........................................................................................................................1

2

Cíl práce...................................................................................................................2

3

Literární rešerše......................................................................................................3 3.1

Uhlík - základní informace, použití............................................................... 3

3.1.1 Formy uhlíku.................................................................................................... 3 3.1.2 Vlastnosti a použití uhlíku ............................................................................... 4 3.1.3 Progresivní uhlíkové materiály ........................................................................ 6 3.2 Uhlíková vlákna .................................................................................................... 8 3.2.1 Postup výroby uhlíkového vlákna.................................................................... 9 3.2.2 Mikrotextura uhlíkového vlákna.................................................................... 10 3.2.3 Vlastnosti uhlíkových vláken......................................................................... 11 3.3 Kompozity............................................................................................................ 13 3.3.1 Definice kompozitu........................................................................................ 13 3.3.2 Druhy vláken kompozitů................................................................................ 14 3.3.3 Druhy matric kompozitů ................................................................................ 20 3.4 Technologie výroby kompozitů.......................................................................... 25 3.4.1 Technologie ručního kladení.......................................................................... 25 3.4.2 Stříkání........................................................................................................... 26 3.4.3 Lisování za tepla a tlaku ................................................................................ 27 3.4.4 Vysokotlaké vstřikování (RTM – resin transfer moulding)........................... 28 3.4.5 Vakuové prosycování – vakuum infusion ...................................................... 28 3.4.6 Tažení - pultruze ............................................................................................ 29 3.4.7 Navíjení.......................................................................................................... 30 3.4.8 Odstředivé lití................................................................................................. 30 3.5 Možné defekty kompozitů .................................................................................. 31 3.6 Ceny uhlíkových vláken ..................................................................................... 32 3.7 Použití uhlíkového kompozitu ........................................................................... 35 3.7.1 Použití uhlíkového kompozitu v nábytku ...................................................... 37 3.8 Materiál na bázi dřeva........................................................................................ 39 3.8.1 Vlnitá lepenka ................................................................................................ 40 4. Materiál a metodika..................................................................................................45 4.1 Popis použité technologie ................................................................................... 46

4.2 Technologický postup výroby vzorků ............................................................... 46 4.3 Použitý materiál .................................................................................................. 47 4.4 Zkouška tříbodým ohybem ................................................................................ 47 4.4.1 Měření ............................................................................................................ 49 5. Výsledky.....................................................................................................................50 5.1 Použití papíru v kombinaci s polyesterovou pryskyřicí .................................. 51 5.2 Použití vlnité lepenky pojené PVAc lepidlem................................................... 51 5.2.1 Výsledky měření – modul pružnosti a pevnost v ohybu................................ 53 6. Diskuze .......................................................................................................................57 7. Závěr ..........................................................................................................................63 8. Summary....................................................................................................................64 9. Seznam použité literatury ........................................................................................65 10. Přílohy - technické listy použitých materiálů a grafy průběhů ohybových zkoušek

1

Úvod Kompozitní materiály z uhlíkových vláken jsou dnes chápány jako drahý,

nadčasový materiál s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a líbivým 3D efektem tkaniny. V této práci nahlížím na tento materiál jako na čistě konstrukční prvek a hledám nové kombinace a možnosti použití tohoto materiálu v nábytkářském průmyslu.

1

2

Cíl práce Cílem práce je najít nové kombinace uhlíkového materiálu s materiálem na bázi

dřeva. Cílem je vytvořit kompozit kombinací drahého uhlíkového materiálu s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a levného, lehkého materiálu na bázi dřeva. Snahou je najít materiál s dobrými mechanickými vlastnostmi, který by našel použití v nábytkářském průmyslu. Důraz je kladen také na ekologii a nízkou výslednou cenu kompozitu. Souběžně se studiem tohoto kompozitu budou zhotovovány zkušební tělíska pro potvrzení, nebo naopak vyvrácení teoretických poznatků. U navrženého kompozitu budou rámcově zjištěny jeho vlastnosti, které budou porovnány s jinými materiály na bázi dřeva.

2

3

Literární rešerše

3.1

Uhlík - základní informace, použití Uhlík je nezbytnou součástí všech živých organismů. Sloučeniny uhlíku jsou

důležitým energetickým zdrojem lidstva v podobě fosilních paliv, zemního plynu a uhlí. Při zpracování ropy se vyrábí základní suroviny nezbytné pro chemický průmysl. Frakce ropy se používají při výrobě plastických hmot, léčiv, nátěrových hmot, umělých vláken atp. Na Zemi i ve vesmíru je uhlík poměrně značně rozšířeným prvkem. V zemské kůře je jeho obsah uváděn s relativně vysokým rozptylem v rozmezí 200 - 800 mg/kg, obsah v mořské vodě činí 28 mg/l. Ve vesmíru připadá jeden atom uhlíku přibližně na 20 000 atomů vodíku.1

3.1.1 Formy uhlíku -

grafit: Struktura grafitu se skládá z vrstev, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. van der Waalsovy síly. Grafit se díky nízké odolnosti proti otěru používá při výrobě tužek a maziv (další vlastnosti v tabulce 1).

-

diamant: je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem. Diamanty se používají pro svou tvrdost a výbornou tepelnou vodivost (nikdy se nepřehřejí) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích. Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky.1

-

fulleren: Od roku 1985 se řadí ke známým alotropickým modifikacím uhlíku – diamantu a grafitu – také fullereny. Tyto látky obecného vzorce C tvoří molekuly n

složené z dvaceti a více atomů uhlíku, často označované jako klastry, představující mnohostěny víceméně kulovitého tvaru. Atomy uhlíku jsou umístěny ve vrcholech mnohostěnů. 2

-

uhlíkové nanotrubice: jsou uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z atomů uhlíku o tloušťce pouhých několika nanometrů. Perspektiva jejich využití se nabízí např. při výrobě velmi pevných a zároveň lehkých kompozitních

1 2

http://cs.wikipedia.org/wiki/Uhl%C3%ADk, 17.11.2009 Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

3

materiálů a tkanin, v elektronice při výrobě mimořádně malých tranzistorů, jako ideálního materiálu pro uchovávání čistého vodíku pro palivové články a mnohé další.1 -

anorganické sloučeniny: uhlík vytváří řadu oxidů. Dýcháním živých organismů a spalováním fosilních paliv vzniká oxid uhličitý CO2. Tento plyn bývá dnes spojován s globálním oteplováním. Je však nezbytný při vytváření rostlinných tkání při fotosyntéze. Mezi anorganické sloučeniny uhlíku patří i toxické látky jako oxid uhelnatý CO a kyanovodík HCN.

-

organické sloučeniny: organické sloučeniny uhlíku, uhlovodíky, jsou základními jednotkami živých organismů. Je jich známo více než 10 milionů. Mohou vznikat molekuly s dlouhými řetězci, nebo molekuly s cyklickou strukturou.

3.1.2 Vlastnosti a použití uhlíku Formy uhlíku uvedené v předchozí kapitole mají i velmi různorodé a protichůdné vlastnosti a možnosti použití: -

nejtvrdší nerost diamant × mazadlo grafit

-

biogenní uhlovodíky × toxické látky oxid uhelnatý, kyanovodík

-

aktivní uhlík pohlcuje plyny × ochranná atmosféra oxidu uhličitého při svařování

Chronologie uhlíku

letopočet

„inkoust indiánů“ vyráběný ze sazí

před n. l.

zákaz používat uhlí v Anglii, protože je zdraví škodlivé

1273

první grafitová tužka z cumberlandského grafitu

1564

C.W. Scheele dokázal, že grafit je uhlík

1779

S. Tenant – objev složení diamantu

1796

první uhlíková elektroda pro elektrický oblouk

1800

označení grafitu jako modifikace uhlíku

1855

první uhlíkové vlákno (Edison)

1879

patentována příprava uhlíku chemickým rozkladem par uhlovodíků (CVD) Moissant připravil diamant v elektrickém oblouku

1880 1894

4

14

využití isotopu C pro určení geologického věku

1896

průmyslová výroba uhlíkových vláken z viskózy

50. léta 20.stol.

vývoj a výroba skelného grafitu

60. léta

vývoj uhlíkových vláken na bázi PAN

60. léta

vývoj uhlíkových vláken na bázi izotropních smol

60. léta

první uhlíková vlákna z mezofázových smol

1965

příprava uhlíkových vláken z par

70. léta

výroba diamantu drahokamové kvality

1985

uhlíkové elektrody pro palivové články

80. léta

vývoj diamond–like uhlíku (DLC)

80. léta

objev molekuly fullerenu

1985

objev supravodivosti grafitových interkalačních sloučenin K C

1990

první informace o nanotrubicích (Iijima)

1991

monokrystaly z uhlíkových nanotrubic

2001

připravena uhlíková nanopěna

2002

použití fullerenu v medicíně

2003

tranzistor z uhlíkových nanotrubic

2003

vlákno v žárovce z uhlíkových nanotrubic

2004

zjištěny paramagnetické vlastnosti uhlíkových nanopěn

20043

3

vzhled krystalů krystalová soustava tvrdost teplota tání –3

hustota [g.cm ] rozpustnost ve vodě rozpustnost v toluenu elektrická vodivost

diamant

grafit

bezbarvé, silně lámající světlo kubická nejtvrdší nerost

šedočerné, vrstevnaté hexagonální měkký

o

60

fulleren – C

60

o

hnědočerné, lesklé kubická měkký o

netaje nad 1500 C přechází na grafit 3,51

cca 3700 C

při 600 C sublimuje

2,26

1,65

nerozpustný nerozpustný

nerozpustný nerozpustný

nerozpustný rozpustný

nevodič

dobrý vodič

polovodič

Tab.1: Vlastnosti diamantu, grafitu a fullerenu Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

3

Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

5

3.1.3 Progresivní uhlíkové materiály Z různých forem uhlíku se neustále vyvíjejí nové materiály mající široké uplatnění. Mezi tyto nové materiály patří uhlíková vlákna, nanopěny, uhlíkové trubice a nanorohy, pružný grafit, pyrolytický uhlík, skelný uhlík, uhlíkové aerogely a kompozity polymer-uhlíková vlákna a uhlík-uhlíková vlákna. -

uhlíková

nanopěna:

(carbon

nanofoam)

je

nejnovější poznanou formou uhlíku. Připravil ji tým fyziků z australské národní laboratoře v Canbeře poté, co vystavil uhlíkový terčík v argonové atmosféře působení výkonného laserového pulsního systému. Mikrostruktura, která se vytvořila po zahřátí na teplotu 10 000 °C, připomíná jakési vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček, 5 nm dlouhých. Na rozdíl od všech dosud známých diamagnetických

forem

uhlíku

Obr.1: Uhlíková nanopěna Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

vykazuje

paramagnetické chování (obr. 1). -

uhlíkové nanotrubice a nanorohy: (obr. 2 a 3), (carbon

nanotube

and

nanocone)

jsou

nejmodernějším uhlíkovým materiálem s prakticky teoretickými hodnotami mechanických vlastností (E-modul

se

blíží

teoretickému

modulu,

vyplývajícímu z energie vazby mezi uhlíky, tedy 1

Obr.2: uhlíková nanotrubice Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

TPa, pevnost v tahu je předpokládána až 200 GPa). Mají schopnost zachycovat velké objemy plynů, iontů, vyztužovat polymerní vlákna a sloužit jako základní materiál v nanotechnologiích. Některé formy

mají

zajímavé

elektrické

(polovodivé)

vlastnosti. Nejnověji jsou připravovány materiály, které mají ve své stavbě i jiné atomy např. bór a dusík. Objemová výroba vychází z katalytického rozkladu plynů, obsahujících vhodně vázaný uhlík na vhodných podložkách (katalyzátory obsahují Ni,

Obr.3: uhlíkové nanotrubice Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

6

Fe apod.). Nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (single walled nanotube – SWNT) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube – MWNT). Při velmi rychlém katalytickém růstu vznikají útvary ve tvaru nanorohů (nanocones, nanohorns).

-

pyrolytický uhlík: (pyrolytic carbon, pyrocarbon, pyrolytic graphite) je monolitický materiál získaný chemickým rozkladem těkavých uhlovodíkových sloučenin na podložce v rozsahu teplot 727 – 1827 °C. Je prakticky nepropustný pro plyny, tepelná a elektrická vodivost závisí na stupni orientace vrstev a je vyšší ve směru grafitových rovin. Průmyslové využití je v oblasti rezistorů, povlaků pro jaderná paliva, v raketové technice jako vystýlka trysek, pokryvy grafitových lodiček, kelímků, kyvet a elektrod v analytické chemii.

-

pružný grafit: (obr. 4), (flexible graphite, sheetlike flexible graphite) vzniká reakcí přírodního nebo vysoce

orientovaného pyrolytického

grafitu s

oxidačními činidly a po tepelném zpracování je takto vzniklý expandovaný grafit lisován bez pojidel a výztuže na pružné fólie. Vlivem vrstevnaté struktury vykazuje pružný grafit silnou anizotropii. Používá se pro těsnění v širokém rozsahu teplot a

Obr.4: pružný grafit Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

pro agresivní média. Může být použit i jako topný článek nebo pro vykládání odlévacích forem pro roztavené kovy, které jím nejsou smáčeny.4

-

skelný uhlík: (obr. 5), (glassy carbon, vitreous carbon,

glass-like

carbon)

je

monolitický

negrafitující uhlík s velkou isotropií strukturních i fyzikálních vlastností, prakticky nepropustný pro kapaliny

i

plyny.

Vyrábí

se

pyrolýzou

termosetových polymerů, které mají vytvořenu trojrozměrnou

strukturní

síť.

Karbonizace

je

Obr.5: skelný uhlík Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

prováděna běžně na 800 - 1200°C, podle účelu využití následuje další zpracování do 3000°C. Používá se jako náhrada platiny či křemenného skla v chemických

4


7

laboratořích, v metalurgii a k výrobě stavebních prvků

v

jaderné

biokompatibilitu,

technice.

proto

Má

nachází

vysokou využití

v

medicinální praxi na implantáty.

-

uhlíkový aerogel: (obr. 6), (carbon aerogels) je vyráběn

karbonizací

aerogelů

připravených

z

resorcinformaldehydových pryskyřic. Vyznačuje se nízkou měrnou hmotností, supernízkou tepelnou vodivostí, vysokým měrným povrchem a zvláštními

Obr.6: uhlíkový aerogel Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004.

elektrickými vlastnostmi. Využití nacházejí nejen jako tepelné izolace, ale především v dobíjecích bateriích a palivových článcích a jako nosiče katalyzátorů.

3.2 Uhlíková vlákna Za vynálezce uhlíkových vláken je označován Edison, který v roce 1879 zveřejnil svůj vynález žárovky s karbonizovaným bambusovým vláknem. Průmyslovým způsobem se uhlíková vlákna začala vyrábět až o půl století později. První vlákna vznikla rozkladem metanu, propanu a ethylenu při 1200°C na křemenných podložkách. Další uhlíková vlákna se vyráběla pyrolýzou viskózových vláken. Dnes se uhlíková vlákna vyrábějí převážně z vláken polyakrylonitrilových (PAN) a nejnověji z vláken novoloidu – vláken fenol-aldehydových. Viskóza se dnes nepoužívá, při karbonizaci viskózy na uhlíkové vlákno se přemění pouze 25% hmoty původního vlákna. Surovinou pro výrobu nejpevnějších uhlíkových vláken jsou smoly (zbytky po destilaci černého uhlí a ropy). Vysoce tuhá a přitom pevná vlákna poskytují pouze tzv. mezofázové smoly (angl. “MesoPhase Pitch”, MPP). V současnosti se výroba uhlíkových vláken dělí podle výsledných mechanických vlastností na: –

uhlíková vlákna nižších parametrů - pevnost v tahu < 1000 MPa, modul

pružnosti v tahu < 100 GPa. Tato vlákna jsou obvykle připravována přímo ve formě textilních útvarů - tkanin, pásků, apod. Prekurzorem je viskóza nebo izotropní smoly. Používají

se

jako

tepelné

izolace,

elektromagnetické

stínění,

odstraňování

elektrostatických nábojů v povrchových vrstvách kompozitních struktur.

8

–

uhlíková vlákna s vysokými mechanickými parametry (high performance carbon

fibers) – pevnost v tahu 3,5 - 7 GPa, modul pružnosti 230 - 930 GPa. Do této skupiny zahrnujeme vlákna připravená z polyakrylonitrilové suroviny, z mezofázových smol a vlákna charakteru whiskerů připravených katalytickým rozkladem plynných uhlovodíků (VGCF – vapor grown CF). Podle konkrétních mechanických vlastností je tato skupina dále členěna na vysocepevná vlákna (high tensile or high tenacity – HT fibers), vysokomodulová vlákna označená HM, středně modulová vlákna (intermediate modulus – IM fibers) a vlákna se supervysokým modulem (ultrahigh modulus – UHM fibers).5

3.2.1 Postup výroby uhlíkového vlákna Vlákna se vyrábějí složitým stupňovitým termickým procesem v inertním prostředí. Díky nákladné výrobě je jejich cena prozatím vysoká, a proto je snahou tuto technologii zlevnit. V současnosti probíhá výzkum tohoto problému např. na Univerzitě v Tennessee, Space Institute. Postup výroby uhlíkového vlákna z PAN je možno rozdělit do tří etap (schématicky znázorňuje obr. 7): • Stabilizace - při teplotách 220 až 300 °C, za působení tahového napětí a v oxidačním prostředí je PAN vlákno stabilizováno. Dojde k cyklizaci vazeb v řetězci makromolekuly PAN (vytvoření paralelních žebříkovitých makromolekul) a k vzájemnému zesítění makromolekul kyslíkovými můstky. Vlákno při této etapě zčerná a stane se netavitelným. • Karbonizace - při teplotách od 1000 do 1500 °C v inertním prostředí (velmi čistý dusík) ve vláknu proběhne karbonizace (odstraní se vodík a sníží obsah dusíku a kyslíku, 80 až 95 % hmoty tvoří uhlík). Vlákno dosáhne maximální pevnosti v tahu. • Grafitizace - při teplotách od 1800 do 3000 °C v inertním prostředí (velmi čistý dusík). Dále se zvýší obsah uhlíku a umožní se vznik dokonalejších mikrokrystalů. Vyvinutější mikrokrystaly vedou ke zvýšení tuhosti vlákna. U standardních vláken z PAN je přírůstek tuhosti dosažen za cenu poklesu pevnosti, protože zvetšení velikosti mikrokrystalu vede též k zvětšování defektu mezi nimi. U nejtužších vláken je

5


9

používáno dloužení při grafitizaci. Při dloužení se zmenší úhel odklonu mikrokrystalu od osy vlákna (tzv. vysokomodulová vlákna z PAN).6

Obr.7: Schématický postup výroby uhlíkového vlákna z PAN a změny struktury PAN Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

3.2.2 Mikrotextura uhlíkového vlákna Je známo, že krystal grafitu je vysoce anizotropní, ve směru kolmém k bazálním rovinám šesterečné mřížky působí jen slabé Van der Waalsovy vazby, kdežto v rovinách bazálních vrstev, v tzv. „aromatických“ rovinách, jsou atomy vázány velmi pevnými kovalentními vazbami. Teoretická pevnost grafitového monokrystalu namáhaného tahem ve směru rovnoběžném s bazálními rovinami činí přibližně 100 GPa a teoretický modul pružnosti v tahu je přibližně 1000 GPa. Polykrystalický grafit s náhodně orientovanými krystaly je měkký a drobivý v důsledku málo pevné vazby mezi hustě obsazenými rovinami. Modul pružnosti v tahu je pouze 10 GPa a pevnost v tahu 20 MPa. Při smykovém namáhání ve směru rovnoběžném s rovinami se pevné kovalentní vazby mezi uhlíkovými atomy v bazálních rovinách neporušují a dochází k snadnému pohybu těchto rovin vůči sobě. To je příčinou známého mazacího účinku grafitu (např. při suchém tření). Vysoké pevnosti a tuhosti aromatických rovin je

6

KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

10

využito v uhlíkových vláknech, ve kterých jsou bazální roviny orientovány převážně rovnoběžně s podélnou osou vlákna.7

3.2.3 Vlastnosti uhlíkových vláken Uhlíková vlákna mají široké spektrum mechanických vlastností podle výchozí suroviny a technologie výroby. Díky pevným kovalentním vazbám, které jsou během výroby orientovány do podélné osy, jsou vlákna velmi pevná v tahu. Proto jsou skořepiny z uhlíkového kompozitu navrhovány tak, aby bylo vlákno namáháno právě tahem. Podobně jako u překližované desky se jednotlivé vrstvy vláken, resp. pláten utkaných z vláken, skládají pod úhlem, aby konstrukce odolala vícesměrnému namáhání. A podobně jako u překližovaných desek, i zde platí pravidlo symetrie. Tedy, že složený soubor pláten musí být symetrický vůči střední rovině. Další, spíše nevýhodnou vlastností uhlíkových vláken je jejich křehkost. Přetržení nastává u vláken již při 2% poměrného prodloužení. Hustota je oproti rostlému dřevu (buk 685 kg/m3) vyšší. Uhlíková vlákna se vyrábějí v hustotách od 1400 do 2000 kg/m3. Avšak ani rostlé dřevo, aglomerované materiály na bázi dřeva, ani konstrukce z lehkých kovů (hořčík - 1738 kg/m3) nejsou lehčí než kompozity z uhlíkových vláken. Kompozity v tomto vyhrávají díky pevnosti v tahu. Ta dovoluje vytvářet subtilní, zpravidla skořepinové konstrukce. Díky vynikajícím vlastnostem mohou být skořepiny tenčí při srovnatelných mechanických vlastnostech a méně použitého materiálu znamená nižší hmotnost. Proto se používají v leteckém a kosmickém průmyslu, kde je hmotnost důležitějším kritériem než jejich cena. Novoloid (Kynol®) Teplota zpracování, °C Hustota, g/cm³ Obsah uhlíku, % hmotnostních Pevnost v tahu, MPa Poměrné prodloužení při přetržení, % Modul pružnosti, GPa Teplota počátku ztráty hmotnosti, °C Tepelná odolnost, 350°C vzduch ztráty hmotnosti, % 400°C vzduch Chemická afinita k epox. pryskyřicím

800 1,5 95 500-700 2,0-3,0 200-300 476

2000 1,4 99,8 400-600 1,5-2,5 150-200 573

PAN 1500 1,8-1,9 93 1500 1,0 150 560

0 2,8

2,2 dobrá

2000 1,9-2,0 99,5 3000 1,5 300 560

0 2,4 horší

Tab.2: Porovnání vlastností uhlíkových vláken ze dvou syntetických polymerních prekurzorů Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

7


11

Průměr [µm] Hustota [g/cm³] Modul E [GPa] osový příčný Pevnost v tahu [MPa] Prodloužení při přetržení [%] Souč. délk. tepel. roztažnosti [10-6 l/K] osový příčný Tepelná vodivost [W/mK] Obsah uhlíku [%]

T300 7-8 1,76 230 3,53 1,5

M40J 7 1,77 377 40 4,41 1,2

T800H 5-6 1,81 294 21 5,49 1,9

-0,7 10 8,5 92-97

-0,5 7 70 99

7 92-97

T1000G 5 1,8 294

M60J 4 1,92 588

5,3-6,8 2,0-2,5

4,21 0,7

96

96

Tab.3: Vlastnosti některých uhlíkových vláken z PAN při teplotě 20 °C (podle prospektu firmy Toray Industrie z roku 1997) Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

12

3.3 Kompozity 3.3.1 Definice kompozitu Kompozitní materiály jsou složeny ze dvou nebo více chemicky a fyzikálně odlišných složek (fází). Tvrdší, tužší a pevnější nespojitá složka se nazývá výztuž, spojitá a obvykle poddajnější složka, která zastává funkci pojiva výztuže, se nazývá matrice. Podle současného chápání pojmu kompozit musí být k zařazení vícefázového materiálu mezi kompozitní materiály splněny následující podmínky: •

podíl výztuže musí být vetší než 5 %

•

vlastnosti výztuže a matrice (mechanické, fyzikální i chemické) se liší, výztuž je významně pevnější v tahu a obvykle tužší než matrice

•

kompozit musí být připraven smícháním složek8

Kompozitem je tedy i železobeton. Ocelové pruty nebo ocelová síť zde vyztužují matrici, tedy beton. Jistou podobnost má v tomto smyslu s uhlíkovým kompozitem i dřevo. Je přírodním vláknitým kompozitem složeným z celulosových vláken (výztuž), roznesení zatížení působící na celulosová vlákna zajišťuje lignin. Rozdělení kompozitů je patrné na obrázku 8.

8


13

Obr.8: Rozdělení kompozitů podle geometrie a orientace výztuže Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

3.3.2 Druhy vláken kompozitů Podle předchozího rozdělení kompozitů se budeme zabývat vláknitými kompozity. V této kapitole budou představeny používané druhy vláken, jejich vlastnosti a oblasti jejich použití. Nejdříve je však nutné znát druhy vláknitých produktů: •

roving – je sdružený pramen několika tisíců vláken. Pro některé technologie výroby jsou rovingy přímým materiálem určeným k výrobě kompozitů, pro jiné technologie výroby se z rovingů spřádají různé druhy tkanin a úpletů.

•

jednoduchá příze – zkrucováním vláken a jejich sdružováním vzniká příze. Příze se používá k výrobě technických tkanin – geotextilií, filtračních a izolačních tkanin.

•

rohože – vyrábějí se z navzájem různě propletených vláken.

14

•

sekané prameny – používají se při výrobě plastických hmot vyztužených vlákny. Takovéto plastické hmoty se vyrábějí lisováním, nebo vstřikováním do forem.

•

prepreg – je materiál obsahující rovingy, tkaninu nebo rohož s polovytvrzenou reaktoplastickou nebo

termoplastickou matricí. Pryskyřice je v prepregu

vytvrzena do stavu resitolu (stav lepivého gelu). Při dalším zpracování se matrice nataví, dojde ke spojení matrice s výztuží a konečnému vytvrzení matrice. •

tkaniny – z rovingů se nadále tkají různé druhy pláten. Druh použité tkaniny se volí podle požadovaných mechanických vlastností a také podle členitosti formy. Druhy tkanin znázorňuje níže přiložený obrázek 9.

Obr.9: Druhy tkanin Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

Druhy vláken: 1) Skleněná vlákna Skleněná vlákna mají silikátový základ (SiO2). Vyrábějí se tažením taveniny směsi oxidu Si (s příměsí oxidu Al, Ca, Mg a B) s velmi malým podílem oxidu alkalických kovů Na a K. Potřebného průměru vláken se dosáhne dloužením proudu skla 15

vytékajícího tryskami (průměr trysky 1 mm) ze dna zvlákňovací hlavy. Konečný průměr vlákna je dán rozdílem mezi rychlostí vytékání skloviny a rychlostí odtahování „monovláken“. Monovlákna se po povrchové úpravě (vodní emulze) sdružují do pramene a navíjejí na cívku. Sdružením pramenu vzniká roving (pramenec nebo kabílek).9 Skleněná vlákna jsou poměrně levná, mají dobré mechanické a elektrické vlastnosti (nevodivost, velký povrchový odpor). Další vlastnosti skleněných vláken jsou popsány v tabulce č.4. Použití:

ze skleněných vláken se vyrábí tzv. sklolaminát. V našem okolí jsou z něj vyrobeny skluzavky, bazény, střešní krytina „eternit“, sportovní potřeby – tenisové rakety, výztuže hokejek apod.

Průměr [µm] Hustota [g/cm3] Modul pružnosti [GPa] Pevnost v tahu [GPa] Prodloužení [%]

křemenné sklo 8,9 2,19 69 3,45 5

Tab.4: Vlastnosti skleněných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

2) Uhlíková vlákna Jak již bylo popsáno v kapitole 3.2.1, výroba uhlíkového vlákna je technologicky složitější a dražší než výroba skleněných vláken. Uhlíková vlákna mají menší průměr (4-8 µm - tloušťka lidského vlasu je cca 50-70 µm). Pevnost v tahu je srovnatelná se skleněnými vlákny (3 GPa), díky menšímu průměru je modul pružnosti uhlíkových vláken o řád vyšší. Také hustota je u uhlíkových vláken menší – 1,8-2 g/cm3. Jsou také křehčí, lom nastává už při 2% prodloužení – podobně jako dřevo namáhané tahem podélně s vlákny. Jsou elektricky vodivá, mletá vlákna se používají pro dosažení elektrické vodivosti i jako výztuž termoplastů.

9


16

Další vlastnosti uhlíkových vláken: •

anizotropie mechanických vlastností - ve směru kolmém k ose vlákna mají vlákna modul pružnosti výrazně menší, na úrovni hodnot polykrystalického grafitu.

•

křehkostí - prodloužení při přetržení je menší než u skleněných vláken, minimální poloměr při ohýbání je proto vetší než u skleněných vláken.

•

záporným koeficient délkové teplotní roztažnosti α, tj. při ohřevu se vlákno zkracuje. Ve směru kolmém má α kladnou hodnotu a je vetší než u vláken skleněných.

•

v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor (jen 1,9 .10-6 Ω/m u nejtužších vláken).10

Hustota [kg/m3] Poměrné prodloužení při přetržení [%] Pevnost v tahu [MPa] Modul pružnosti [GPa]

uhlíkový

skleněná

dřevo (BK-podél a

kompozit

vlákna

napříč vláken)

1800-2000

2200

685

1738

2

5

1

/

3500

123; 4,4

255

69

15; 1,5

42

3000; napříč tuhost grafitu 300

magnesium

Tab.5: Porovnání vlastností uhlíkových vláken s vybranými materiály

Z tabulky č. 5 vyplývá, že uhlíková a skleněná vlákna vynikají oproti ostatním materiálům díky pevnosti v tahu. Hodnota pevnosti v tahu u skleněných a uhlíkových vláken je přibližně stejná, uhlíková vlákna však mají menší průměr, proto je jejich modul pružnosti vyšší. Konstrukce z těchto vláken proto mohou být subtilnější a lehčí. Skořepiny z těchto kompozitů se musí navrhovat tak, aby byla vlákna namáhána právě tahem. Odolnosti vůči vícesměrnému zatížení lze dosáhnout skladbou vláken pod různými úhly (podobně jako u překližky).

Při použití kompozitu na povrchových

vrstvách sendvičových materiálů také dochází k namáhání povrchové vrstvy tahem, protože má nenulovou vzdálenost od neutrální osy (viz obrázek 10).

10


17

Obr.10: Druhy namáhání v jádrovém kompozitu při jeho zatížení

3) Polymerní vlákna Mezi nejznámější polymerní vlákna patří Kevlar® a Nomex® firmy Du Pont. Kevlar® vyniká díky své malé hustotě (1440 kg/m3), odolnosti proti abrazi a schopnosti se plasticky deformovat při působení síly kolmo na osu vlákna, oproti uhlíkovým vláknům tedy nejsou křehká. Teplota měknutí vláken je 520 °C. Kevlarová vlákna se používají v leteckém průmyslu, díky své odolnosti se z nich vyrábějí neprůstřelné vesty, potahy balistických střel, ochranné oděvy a rukavice, zpevňují se jimi optické kabely. Při textilním zpracování je přínosná jejich dobrá kluzná vlastnost. Tohoto se využívá i při zpracování polyamidů – ve formě sekaných vláken se přidávají do směsi plastických hmot. Nomexová vlákna zpravidla nedosahují mechanických vlastností kevlarových vláken, ale jsou také nehořlavá a odolná proti vysokým teplotám (nevytvářejí taveninu). Jsou chemicky odolná. Používají se při výrobě nehořlavých kombinéz. Rozdílné vlastnosti nomexových a kevlarových vláken ukazuje tabulka 6.

Pevnost v tahu

Modul pružnosti

[MPa]

[GPa]

Kevlar 29

3600

Nomex

700

Prodloužení [%]

Hustota [kg/m3]

80

4

1440

17,3

22,6

1400

Tab.6: Porovnání vlastností Kevlar 29 a Nomex firmy Du Pont Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

18

4) Přírodní vlákna z rostlin Vlákna rostlin se na nejrůznější účely používají snad odjakživa. Jmenujme výrobu papíru, oděvů, lan, rybářských sítí atd. V minulém století byly dokonce zbytky bavlny požívány na výrobu kompozitu pro panely karoserie vozu Trabant. Ikdyž dnešní synteticky vyrobená vlákna v mnohém tato rostlinná vlákna překonávají, přesto se najdou výhody, díky kterým se používají dodnes. Jde o obnovitelnou surovinu, jsou dostupné, levné, recyklovatelné a biodegradabilní. Používají se jako laciná výztuž při zpracování polymerů. Rostlinná vlákna také nezpůsobují opotřebení strojů. Další porovnání přírodních vláken obsahuje tabulka č. 7. Vlákno

Hustota [kg/m3]

Konopí Juta Len Bavlna

1520 1300 1520 1520

Pevnost v tahu [MPa] 460 442 840 200-800

Modul pružnosti [GPa] 70 60 100 27

Mezní prodloužení [%] 1,7 2 1,8 6-12

Tab.7: Porovnání vlastností vybraných rostlinných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

5) Přírodní minerální vlákna – čedičová Technologie výroby čedičových vláken je shodná jako u vláken skleněných. Teplota tavení je 1400 °C. Cena činí asi 60% ceny skleněných vláken, proto za studené války začaly čedičová vlákna nahrazovat skleněná vlákna v leteckém průmyslu. V tabulce č. 8 můžeme srovnat další vlastnosti čedičových a skleněných vláken. Vlákno

Hustota [kg/m3]

Pevnost v tahu [MPa]

Čedičové Skleněné

2750 2600

4840 3450

Modul pružnosti [GPa] 89 77

Teplota tavení [°C] 1450 1400

Prodloužení při přetržení [%] 3,15 4,7

Tab.8: Porovnání vlastností čedičových a skleněných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

6) Proteinová vlákna Vlákna pavouků, ačkoliv mají vysoké poměrné prodloužení při přetržení (14% čtyřikrát vetší než Kevlar), nejsou v potřebném množství dostupná bez genetického inženýrství. Pavouci se nedají hromadně chovat jako bourec morušový, protože jsou 19

agresivní a potřebují ovládat své teritorium. Transplantací žlázových genů pavouků do mléčných žláz koz však bylo dosaženo, že v mléku jsou přítomny potřebné proteiny. Mléko se nejprve odstředí (aby se zbavilo tuku), potom se k mléku přidá blíže neurčená sůl. Ke dnu klesnou vysrážené proteiny. Směs se znovu odstředí, mléko se scedí a v dalším kroku se sediment rozpustí ve vodě. Vznikne zlatavá emulze, z níž se spřádá vlákno. Komerční produkt zvaný BioSteel® vyrábí firma Nexia Biotechnologies, Kanada. Získaná vlákna jsou biodegradabilní a jsou proto vhodná pro rybářské vlasce a pro chirurgii jako šicí vlákna. V USA se hledalo jejich použití na protibalistickou výzbroj, výhodou je nižší cena vláken než u syntetických vláken a poměrně malá hustota. Pevnost v tahu dosahuje 10 MPa, modul pružnosti 123 MPa.11

3.3.3 Druhy matric kompozitů Matrice – spojitá složka kompozitu zastává několik funkcí. Jednou z hlavních funkcí je spojit vlákna do jednoho souboru, jejich vzájemné oddálení. Některé druhy vláken jsou křehké a neodolávají abrazi, vzájemným třením o sebe by se poškodily. Matrice jsou zpravidla poddajnější než vlákna a hodnoty mechanických vlastností nedosahují hodnot vláken ( i o několik řádů). Při deformaci kompozitu se díky matrici přenese tahové napětí na vlákna. Na kompozity se spojitými vlákny se nejvíce používají matrice polymerní – reaktoplastické (polyestery UP, vinylestery VE a epoxidy EP), nebo termoplastické (polypropylen PP a polyamid PA). Druhy matric: 1) Polyesterové pryskyřice (UP) Patří k nejpoužívanějším pryskyřicím. Lineární nenasycený polyester je připraven reakcí dvoufunkčních složek (polypropylenglykolu a kyseliny ftalové, kumaronové, maleinové nebo anhydridu (ftalanhydridu, maleianhydridu). Vzniklý předpolymer je poté rozpuštěn v reaktivním rozpouštědle (obvykle styrenu). Katalyzátorem (iniciátorem) síťovací reakce jsou organické peroxidy (nejčastěji metyletylketonperoxid, MEKP), 11

aktivátorem

(urychlovačem)

obvykle

naftenan

kobaltnatý.

Volbou


20

vytvrzovacího systému lze dosáhnout širokého rozmezí doby gelace a doby vytvrzení. Polyesterové pryskyřice lze proto použít pro všechny technologie. Viskozitu pryskyřice určuje podíl reaktivního rozpouštědla. Nemodifikované nenasycené polyesterové pryskyřice mají velké smrštění při vytvrzování (7 až 8 %). Jsou křehké, snadno v nich vznikají mikrotrhliny. Elektrické vlastnosti (nevodivost, hodnota relativní permitivity) jsou dobré, stejně jako odolnost proti ultrafialovému záření. Pryskyřice dobře smáčejí skleněná vlákna, ale pevnost vazby matrice - skleněné vlákno je menší (nejsou tak dobrými „lepidly“ jako epoxidové pryskyřice). Pro dosažení menšího smrštění při vytvrzování a kvalitnějšího povrchu kompozitu (např. bez propadlin u výlisku v místech připojení žeber) je nutno použít směsi pryskyřice s plnivy nebo práškovými termoplasty. Tyto přísady však nejen redukují smrštění, ale také snižují tekutost směsi (dosahuje se pastovité konzistence) a proto se jich používá jen ve směsích pro lisování. Základní druhy nenasycených polyesterových pryskyřic jsou: • orthoftalová -

nejnižší cena, maximální pracovní teplota 80 °C

• izoftalová -

dražší a kvalitnější než orthoftalová, lepší chemická a tepelná odolnost, maximální pracovní teplota 90 °C

• fumarová -

dobrá chemická i tepelná odolnost, maximální pracovní teplota 130 °C

• chlorftalová -

je nehořlavá, mechanické vlastnosti jsou horší, maximální pracovní teplota 140 °C

• tereftalová -

velmi dobrá chemická i tepelná odolnost, pryskyřice pro pultruzi je levnější než izoftalová UP12

2) Vinylesterové pryskyřice (VE) Jsou to nenasycené estery epoxidových pryskyřic. Vyrábějí se buď z bisfenolu nebo jako novolakové VE pryskyřice. Obsahují reaktivní rozpouštědlo (obvykle styren). Makromolekula předpolymeru VE má méně reaktivních míst než u UP, dvojná vazba je umístěna pouze na koncích řetězce. Důsledkem je menší stupeň zesítění, vedoucí k vetší pružnosti pryskyřice a vetší odolností proti tvorbě mikrotrhlin. Kompozity s

12


21

vinylesterovými pryskyřicemi mají vetší mezilaminární smykovou pevnost a vetší houževnatost než kompozity s nenasycenými polyestery. Pryskyřice má ve srovnání s UP také: 1. lepší odolnost proti korozi 2. vyšší teplotu skelného přechodu (vetší tepelnou odolnost) 3. vyšší cenu 4. pomalejší reakci při vytvrzování 3) Epoxidové pryskyřice Epoxidové pryskyřice mají vysoký rozsah vlastností, jsou všestranně použitelné. Mají výbornou adhezi k vláknům, jsou chemicky odolné. Po vytvrzení mají nižší smrštění než pryskyřice polyesterové. Jsou také UV stálé. Mezi nevýhody těchto pryskyřic patří kvůli polárnosti (přítomnosti hydroxylových skupin) jejich navlhavost. Jsou také dražší než pryskyřice polyesterové a vinylesterové. Vytvrzování je pomalejší a stupňovité (doba vytvrzování při pokojové teplotě se udává 24hodin, u polyesterových pryskyřic řádově hodiny). Základními druhy epoxidových pryskyřic pro kompozity jsou: • glycidyly bisfenolu A, např. diglycidylether BPA - zkratka DGEBPA • novolakové pryskyřice, např. glycidylether fenolického novolaku (vyšší teplotní odolnost) • třífunkční epoxidy, např.triglycidylethertrifenylmethan (TGETPM) nebo triglycidylaminofenol (TGAF) • tetrafunkční epoxidy, např. tetraglycidylmethylendianilin (TGMDA)

22

4) Formaldehydové pryskyřice (UF a MF) Močovinoformaldehydové a melaminoformaldehydové reaktoplastické pryskyřice jsou produkty polykondenzace. Jsou vhodné pro lisování a injekční vstřikování (IM). Levnější je UF, která dobře odolává tukům, esterům olejů, petroleji, alkoholům, acetonu, detergentům a slabým kyselinám a zásadám. UF jsou nehořlavé, tepelně odolné a odolné proti elektrickému oblouku. Ceněna je jejich odolnost proti poškrábání. Používají se většinou nevyztužené v domácnosti (kliky, sedadla na toaletách, nádobí, plochy kuchyňských linek, vrchní vrstvy podlah a různé elektrické součásti). Melaminoformaldehydové pryskyřice mají oproti UF vetší odolnost proti teplu a chemikáliím a vetší odolnost proti plazivým proudům a elektrickému oblouku. MF pryskyřice jsou křehké, ale vyznačují se dobrou vazbou (vysokou adhezí) k vláknům obsahujícím celulózu. Proto se hodí k tvorbě kompozitu zpevněných přírodními vlákny (len, bavlna, konopí a další bioprodukty). V porovnání s kompozity se skleněnými vlákny jsou tyto kompozity lehčí. Protože přírodní vlákna jsou ohebná, kompozit lépe odolává únavě než kompozit se skleněnými vlákny. Trhlinky matrice se vytvářejí mimo rozhraní vlákno/matrice. Jak fenol, tak formaldehyd jsou jedovaté látky, nezreagovaný formaldehyd se uvolňuje do ovzduší a má karcinogenní účinky.13 5) Biopryskyřice a biotermoplasty Na výrobu těchto bioproduktů se dají využít deriváty oleje sóji, kukuřice, cukrové třtiny a řepky olejky. Z kukuřice a cukrové třtiny lze získat ethanol, z řepky olejky methylester, z oleje sóji polyol. Olej ze sóji a ethanol z kukuřice byly použity k výrobě nenasycených polyesterových pryskyřic. Kompozitní panely z nich vyrobené byly použity jako kapotáže traktorů John Deer (u kombajnu tohoto výrobce bylo použito 159kg těchto panelů). Z kukuřičného škrobu nebo z cukrové třtiny lze vyrábět termoplast polyaktid (PLA). S vlákny kolagenu se tyto biopolymery používají v medicíně jako náhrada kostí.

13


23

6) Termoplasty Z termoplastických polymerů se používá nejčastěji polypropylen (PP) a polyamidy (PA). Objemový podíl vláken u těchto směsí však nedosahuje 50%, proto se v literatuře uvádí spíše než kompozit s termoplastickou matricí pojem plastická hmota vyztužená vlákny. Dalším přínosem vláken ve směsi je zlepšení tečení roztavených plastických hmot ve formě. Při použití termoplastických matric se jako výztuž využívá sekaných vláken. Termoplasty vyztužené vlákny se vyrábějí zpravidla technologiemi vstřikování a rotačního odlévání. 7) Kovové a keramické matrice Kovové a keramické matrice se používají pro kompozity určené do prostředí s vysokou teplotou. Používají se zvláště v leteckém a kosmickém průmyslu. Keramické matrice mají dobrou pevnost v tahu i při teplotách, kterým některé kovové matrice neodolávají. Přípravou kompozitu s kontinuálními keramickými vlákny v keramické matricí se získají materiály s vetší lomovou houževnatostí, než má monolitická keramika. Technologie výroby Kovové a keramické matrice je možno vyrábět technologiemi odlévání, dále je možno je lisovat za tepla ve vakuu. Při výrobě disperzně zpěněných kovů se využívá prášková technologie výroby.

24

3.4 Technologie výroby kompozitů Výrobní technologie je dána především charakterem výrobku a její volba se řídí několika zásadními faktory: a) sériovost dílce b) velikost a členitost výrobku c) kvalita povrchu d) požadované vlastnosti, zejména pevnost a hmotnost e) limit nákladů14 Některé technologie jsou nákladné díky složité výrobě formy, jiné technologie dovolují jen omezené tvary konečných výrobků a orientaci výztuže. Pokud je kladen požadavek na oboustranně hladký výrobek,

nevyhoví např. technologie ručního

kladení, která je také charakterizována nízkou produktivitou.

3.4.1 Technologie ručního kladení Jedná se o starou, jednoduchou a tím pádem rozšířenou technologii. Vzhledem k nenáročnosti se používá k výrobě prototypů. Nevýhodou této technologie je již zmíněná nízká produktivita (série do 1000 ks) a také otevřenost – jedna strana formy není uzavřená, těkavé látky se vypařují do pracovního ovzduší (u polyesterových pryskyřic rozpouštědlo styren). Mezi další nevýhody patří větší podíl matrice. Pouze při odstranění přebytečné pryskyřice před jejím zgelovatěním se dosahuje podílu výztuže okolo 50%. Při této technologii se používá výztuže v podobě tkanin nebo rohoží. Pryskyřice musí být v tekutém stavu. Prosycování tkanin výztuže se provádí ručně pomocí štětce, stěrky nebo válečku (viz obr. 11).

14

http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popis-a-schemata.html, 14.1.2010

25

Obr.11: Technologie ručního kladení Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popisa-schemata.html , 14.1.2010

3.4.2 Stříkání Při této technologii se používá vláken ve formě rovingu. Průchodem vlákna přes speciální stříkací pistoli dochází k nánosu natužené pryskyřice. Obalené vlákno je stříkáno na negativní formu (viz obr. 12). Mezi nevýhody této technologie patří větší podíl matrice a také drahé zařízení – stříkací zařízení, odsávací boxy. Touto technologií se zpravidla vyrábějí sanitární výrobky – vany, umyvadla, dna sprchových koutů.

Obr.12: Technologie stříkání Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popisa-schemata.html , 14.1.2010

26

3.4.3 Lisování za tepla a tlaku Kompozity vyrobené touto technologií mají hladký povrch z obou stran. Hladký povrch vytvoří kvalitně opracované a leštěné lisovací plochy. Výroba forem je ovšem velmi nákladná. Materiály používanými při této technologii jsou nejčastěji prepregy, lisovací těsta a směsi. Za zvýšené teploty a tlaku dojde v lisovacím zařízení k formování materiálů a k vytvrzení pryskyřice (viz obr. 13). Lisování je velmi produktivní metoda pro velkosériovou výrobu (2-5 tisíců kusů). Výhodou jsou několika minutové výrobní cykly, vysoká kvalita a přesnost rozměrů. Přínosem je možnost automatizace výroby, nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady na formy a lisovací zařízení.

Obr.13: Schéma lisování za tepla Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologie-jejich-popisa-schemata.html , 14.1.2010

27

3.4.4 Vysokotlaké vstřikování (RTM – resin transfer moulding) U této technologie se také používá kovových, nebo polymerbetonových forem. Suchá výztuž se navrství do lisovací formy, ta se uzavře a poté je do formy vstříknuta pryskyřice (viz obr. 14). Jako výztuže se používají nejrůznější rohože.

Obr.14: Schéma lisování za tepla Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76Technologie-jejich-popis-a-schemata.html , 14.1.2010

3.4.5 Vakuové prosycování – vakuum infusion Kompozity vyrobené touto technologií jsou pouze jednostranně hladké. Náklady na výrobní zařízení jsou nižší. Jako výztuž se dají použít nejrůznější tkaniny, rohože, matrice musejí být tekuté. Postup výroby: do negativní formy se navrství výztuž v podobě tkanin nebo rohoží. Forma se uzavře a utěsní krycí fólií nebo membránou. Z pod membrány se odsaje vzduch. Do vytvořeného vakua ( používá se asi 40% vakua) se přivádí pryskyřice. Aby nedošlo k přisátí krycí membrány k rohoži nebo formě a tudíž k neprosycení výztuže pryskyřicí, pokládá se kromě konstrukčních vrstev výztuže ještě tzv. roznášecí vrstva - prodyšná tkanina nebo rouno. Skladbu vrstev znázorňuje obrázek č. 15.

28

Obr.15: Schéma souboru při vakuovém prosycování

3.4.6 Tažení - pultruze Touto technologií se vyrábějí plné, duté a tvarové profily. Výhodou této technologie je výsledný obsah výztuže ve výrobku – až 80%. Jako výztuž se u této technologie používají skleněná a uhlíková vlákna. Pro příčné zpevnění profilů se používají úplety – stuhy. Vlákna nebo stuhy procházejí lázní s iniciovanou pryskyřicí. Po prosycení jsou vtahovány do vytvrzovacích průvlaků – forem, jejichž dutina odpovídá tvaru konečného výrobku (viz obr. 16). V průvlaku dochází k vytvrzení za pomocí tepla (formy jsou vyhřívány elektricky, nebo účinkem vysokofrekvenčního pole). Po vytvrzení je kompozitní profil odtahován čelistmi a krácen na potřebné délky.

Obr.16: Schéma technologie tažení – pultruze Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologiejejich-popis-a-schemata.html , 17.1.2010

29

3.4.7 Navíjení Navíjením se vyrábí různé trubky a rotační předměty. Výztuž ve formě prosycených rovingů se navíjí na rotační trn (viz obr. 17). Napnutím rovingů v navíjecím zařízení se dosahuje předpětí, které pozitivně působí na výsledné mechanické vlastnosti výrobků. Oscilace navíjecího trnu ovlivňuje úhel vláken vůči podélné ose trnu. Velikostí oscilace můžeme tedy vyrobit výrobky podle způsobu zatížení při jejich použití (úhel 90° - obvodové vyztužení, úhel 0° - osové vyztužení).

Obr.17: Schéma technologie navíjení Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologiejejich-popis-a-schemata.html , 17.1.2010

3.4.8 Odstředivé lití Pro tuto technologii se používá dutých rotačních nádob, které mají negativní tvar konečného výrobku. Do rotující nádoby se vstřikují sekaná vlákna (zpravidla skleněná vlákna) společně s iniciovanou pryskyřicí. Díky odstředivé síle se vstříknutý materiál drží na obvodu až do vytvrzení pryskyřice (viz obr. 18). Zhutnění je možné zvýšením počtu otáček. Po vytvrzení pryskyřice je vytažení z nádoby možné díky smrštění pryskyřice.

30

Obr.18: Schéma technologie odstředivého lití Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-Technologie/76-Technologiejejich-popis-a-schemata.html , 17.1.2010

3.5 Možné defekty kompozitů Při výrobě kompozitů může nastat celá řada defektů. Je třeba si uvědomit, že vláknité kompozity se chovají zcela jinak než např. kovy, nebo dřevo. Při výrobě se sleduje např. objemový podíl vláken, který má vliv na pevnost konstrukce. Požadavkem je dosáhnout co nejvyššího podílu vláken. Nejvyššího podílu se dosahuje u technologie výroby – pultruze – až 80%. Objemový podíl se u kompozitů stanovuje vážením jednotlivých složek. Dalším problémem je delaminace. Syntetické pryskyřice se po vytvrzení smrští (u PES 8%). Díky smrštění může dojít k roztržení jednotlivých vrstev laminátu. Nevýhodné jsou v kompozitu i vzduchové bubliny - dutiny. Ty mohou iniciovat trhlinu a následnou delaminaci. K delaminaci může také dojít díky volným okrajům laminátu. Na okrajích laminátu mohou být neprosycená vlákna. Vzdušná vlhkost může způsobit hydrolýzu vazebných prostředků povrchu vlákna a tím způsobit delaminaci. Podobně jako dýhy u překližované desky i některé druhy vláken jsou navlhavé. Díky přijímání a odevzdávání vlhkosti z prostředí dochází k tvarovým změnám. U kompozitů dochází k tvarovým změnám i díky změnám teploty - kvůli rozdílné tepelné roztažnosti matrice a vlákna. Proto se jednotlivé vrstvy tkanin vrství pod různými úhly. Stejně jako u překližky zde máme střední, neutrální vrstvu. Dalším přínosem této skladby je orientace vláken. Kompozit s orientovanými vrstvami odolá vícesměrnému

31

namáhání lépe, než kompozit s orthotropní vrstvou – vlákna ukládány pouze jedním směrem. Uhlíková vlákna mají díky velkému počtu monovláken velkou aktivní plochu. Na tuto plochu mohou během skladování adsorbovat vzdušné plyny, u skleněných vláken je problematické hlavně přijímání vzdušné vlhkosti. Takovéto vlákno by nebylo možné použít pro výrobu. Povrch vlákna by se nespojil s matricí. Proto se ihned po výrobě vláken jejich povrch upravuje. Skleněná vlákna se musí balit do polyethylenových folií a před výrobou kompozitu tyto vlákna vysušit v horkovzdušné sušárně. Povrch uhlíkových vláken se lubrikuje. Lubrikační látku je třeba před výrobou kompozitů odstranit. Přínosem lubrikace je i usnadnění textilního zpracování – vlákna lépe kloužou a jsou antistatická. Při textilním zpracování uhlíkových vláken se podle slov p. Havla (Havel Composites) používá namísto vzduchových stavů stavy jehličkové. Je to kvůli možné karcinogenitě vlákna. Podobně jako u azbestu jsou vlákna nebo částice velmi malé (průměr vlákna cca 4 µm). Možnými onemocněními jsou progresivní fibróza plic, onemocnění pohrudnice a zhoubné nádory. Při práci s těmito vlákny je tedy nezbytné chránit si ústa a nos respirátorem, nebo dýchací maskou!

3.6 Ceny uhlíkových vláken Ceny uhlíkových vláken se snižují s rostoucí poptávkou. Materiál nachází stále nová uplatnění od stavebnictví až po lékařské protézy. Např. výrobce dopravních letadel společnost Boeing použila na výrobu svého modelu 747 pouhé jedno procento kompozitních materiálů. Na výrobu novějšího modelu 777 však již bylo použito celých 11% kompozitů. 50% hmotnosti nejnovějšího modelu 787 (první start plánován na rok 2010) tvoří uhlíkový kompozit. Je z něj zkonstruován trup, vodorovné a svislé ocasní plochy. Tento materiál čím dál více používají i úpravci sportovních automobilů. Zde jde však mnohdy jen o efektní vzhled než o snížení váhy. Napovídá tomu i fakt, že téměř žádný úpravce neuvádí váhu nově vyrobených dílů. Uhlíkový kompozit, neboli karbon je dnes často chápán jako nadčasový, luxusní a drahý materiál. 3D efekt tkaniny je velmi líbivý. Tato práce se snaží pohled na tento materiál pozměnit. Cílem je pochopit podstatu tohoto materiálu hlavně z hlediska mechanických vlastností.

32

Pro srovnání cen se skleněnými vlákny uvedu maloobchodní cenu z internetového obchodu společnosti Havel Composites (cena platná k datu 30.1.2010). Jedná se o klasické tkaniny o plošné hmotnosti 196 (uhlíková tkanina), resp. 195 (tkanina ze skelných vláken) g/m2. Zatímco cena jednoho metru čtverečního skelné tkaniny činí 35, 50 Kč bez DPH, cena uhlíkových vláken je 30 krát dražší

Graf 1: Vývoj cen uhlíkových vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

– 945 Kč. Vývoj ceny od roku 1987 znázorňuje graf 1. Za vysokou cenou uhlíkové tkaniny

stojí

hlavně

nákladná

výroba.

V současné době probíhá několik výzkumů s cílem zlevnit výrobu uhlíkového vlákna. Výrobce

vlákna

„Oak

Ridge

National

Laboratory“ (ORNL) společně s konsorciem automobilových producentů složených z firem Ford Motor Co., General Motors Corp. a Daimler Chrysler AG vyvinuli technologii vysokorychlostní oxidace. Výzkum byl veden pro použití a dostupnost tohoto materiálu v automobilovém průmyslu. Space Institut, The University of Tennessee se také zabývá nízkonákladovou

výrobou.

Z pohledu

zpracování dřeva je zásadní výzkum výroby

Obr.19: Vzorky na tahovou zkoušku, Space Institut, The University of Tennessee Zdroj: Low Cost Carbon Fiber Technology Development, Final Report

uhlíkového vlákna z ligninu jako odpadního materiálu při zpracování buničiny. V rámci výzkumu „FreedomCAR“ se tímto problémem zabývají laboratoře ORNL společně s Pacifik Northwest National Laboratory. Největším problémem výroby z ligninu je jeho fyzikální a chemické čištění.

33

Lze tedy předpokládat, že cena nových uhlíkových vláken pro automobilový průmysl by mohla kompenzovat současné zdražování uhlíkových vláken a pohybovala by se mezi 15 a 30 $/kg. 15 Na obrázku 19 jsou vyfoceny vzorky určené k tahové zkoušce. Kromě duralových úchytů jsou vzorky ze dřeva určené na tahovou zkoušku totožné.

15


34

3.7 Použití uhlíkového kompozitu Jak již bylo naznačeno v předchozí kapitole, uhlíkový kompozit se dnes již používá v nejrůznějších odvětvích průmyslu, ale také v lékařství. První využití našel tento kompozit v leteckém a kosmickém průmyslu. Bez těchto odvětví by také možná nebyl vyvíjen. U leteckých konstrukcí je kladen důraz hlavně na nízkou váhu a vysokou tuhost konstrukcí. Společnost Boeing použila uhlíková vlákna na konstrukce

letadel

(vodorovných

Obr.20: Detail trupu Boeingu 787 Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009

ocasních

ploch) již v roce 1976. Přednosti tohoto materiálu zatím žádný jiný materiál nepřekonal, proto je trup nejnovějšího modelu Boeing 787 z 50% zkonstruován z uhlíkového kompozitu (viz obr. 20). Dopravní letadlo Airbus A380 obsahuje 22% uhlíkového kompozitu. Další použití našel tento kompozit ve strojnictví pro přesné rotující součásti. Používá se i na rotory turbin. Zajímavé je jeho použití v lékařství. Díky propustnosti RTG záření se z něj

vyrábějí

lůžka

a

další

vybavení

Obr.21: Nožní protézy z uhlíkového kompozitu Zdroj: http://www.carbonfibergear.com/wpcontent/uploads/2009/10/3-ellie-maycarbon-fiber-legs.jpg , 31.1.2010

rentgenových komor. Vyrábí se z něj i protézy. Na obrázku 21 je pětiletá Ellie May, které po amputaci končetin vyrobili z kompozitu nožní protézy. Z karbonu je vyrobena i klíční kost slavného cyklisty Lance Armstronga. Po pádu měl kost několikrát zlomenou, proto se lékaři rozhodli udělat mu tuto náhradu (viz obr. 22). Dalším odvětvím, kde tento materiál nachází

své

V seismicky

uplatnění aktivních

je

stavebnictví.

oblastech

jako

je

Obr.22: Náhrada klíční kosti Lance Armstronga, Zdroj: http://www.roadcycling.com/ artman2/uploads/1/lance_armstrong_carb on_clavicle_collarboneinform_implant.jpg , 31.1.2010

35

Japonsko se betonové stavby vyztužují pásy nebo sítí z uhlíkových kompozitů. Náhradou ocelové sítě pevnější uhlíkovou může být betonový panel tenčí a jeho váha klesne až na polovinu (viz obr. 23). Dalším přínosem je odolnost proti korozi. Této

přednosti

se

využívá

i

v chemickém

průmyslu. Díky odolnosti vůči kyselinám i zásadám se z něj vyrábí korozivzdorné nádoby. Téměř v každém odvětví vrcholového sportu by se dala najít sportovní potřeba vyrobená

Obr.23: Betonová zeď se sítí z uhlíkového kompozitu Zdroj:http://www.carbonfibergear.com/wpcontent/uploads/2009/08/1-carbon-fibergrid-reinforcement.jpg , 31.1.2010

z tohoto materiálu. Vyrábí se z něj tenisové rakety, hokejky, lyže (viz obr. 24), golfové hole, vesla, kajaky, jízdní kola, rybářské pruty atd. Díky svým přednostem našel využití i v automobilovém průmyslu. Téměř celé šasi formulí 1 jsou dnes navrhovány z uhlíkového kompozitu. Konstruktéři si mohou navrhnout díky široké škále vláken a tkanin materiál, který potřebují. Nejsou omezeni ani tvarem, pouze dostupnou technologií. Na obrázku 25 můžeme vidět složitou zadní část

Obr.24: Průřez sendvičem lyže Voelkl Zdroj:http://www.voelkl.cz/content/files/im ages/voelkl-technologie/freeski/vkl_powerconstruction-poweredbycarbon_big.jpg , 31.1.2010

monopostu F1.

Obr.25: Pohled na zadní difuzor vozu F1 Zdroj: http://i42.tinypic.com/vrx0lu.jpg , 31.1.2010

36

3.7.1 Použití uhlíkového kompozitu v nábytku Z uvedených vlastností, výhod a hlavně nedostatků (například ceně) je zřejmé, že uhlíkový kompozit se zatím v nábytkové výrobě neuplatní ve velkých sériích. Nízká hmotnost je například u židlí spíše nevýhodou. Naopak výhodou je jistě tuhost takového nábytku. Většinou se jedná o složité skořepiny, které demonstrují možnosti tohoto materiálu, proto je nábytek často extravagantních tvarů. Z uhlíkového kompozitu se vyrábějí nejvíce židle, stoly a konferenční stolky. Již v roce 1987 navrhl italský designér Alberto Meda svou židli Light Light. Jméno si zasloužila svou váhou 980 gramů. Židle je z jádrového kompozitu. Jádro tvoří nomexová voština tvaru plástve a povrchové vrstvy tvoří uhlíková vlákna v různých směrech. Poslední pohledová vrstva je pokryta tkaninou z uhlíkových vláken (na obr. 26). Další zajímavou konstrukcí je židle Marca Newsona. Nejedná se o jádrový kompozit, židle je zkonstruována z navrstvených tkanin. Sedák se v místě nohou propadá v trubku (viz obr. 27).

Obr.26: Židle Light Light Zdroj: http://www.designboom.com/ eng/interview/meda/light.jpg, 2.2..2010

Obr.27: Carbon Chair, Marc Newson Zdroj: http://www.designophy.com/uploadedimages/tmn/ 2009/11/10/designophy_com_c1_1000000019_11 2.jpg, 2.2..2010

37

Při výrobě stolů z uhlíkového kompozitu se využívá výborná tuhost skořepiny. Jak můžeme vidět na obrázku 28, stůl designérského studia Olgoj Chorchoj má pouze jednu nohu a přesto je dostatečně tuhý. Díky použití epoxidové pryskyřice je povrch nábytku tvrdý a odolný. Nízká hmotnost skořepin je výhodná při stěhování nábytku.

Obr.28: Stůl designérského studia Olgoj Chorchoj Zdroj: www.olgojchorchoj.cz, 7.4.2010

38

3.8 Materiál na bázi dřeva Použitím uhlíkového kompozitu na konstrukci nábytkových dílů bychom dosáhli uspokojivých výsledků. Cílem této práce je však nalézt možnosti kombinace uhlíkového kompozitu s materiály na bázi dřeva. Snahou je také další využití dřevních třísek nebo vláken, které mohou být odpadem při výrobě nábytku z masivního dřeva. Z dřevních vláken je vyrobena například vlnitá lepenka. Ačkoliv je lepenka spíše obalovým materiálem, splňuje následující podmínky : lehkost a dobré mechanické vlastnosti. Je také často vyráběna z recyklovaných materiálů. Z vlnité lepenky se vyrábějí např. noční stolky, ale i různá křesla (viz obr. 29). Otázkou je, zda se podaří skloubit tyto různé materiály a zda se toto spojení projeví zlepšením mechanických vlastností vlnité lepenky. Další snahou je upustit od použití neekologického pojiva - polyesterové pryskyřice. Nevýhodou tohoto pojiva je 30% obsah karcinogenního styrenu. V nábytkářském průmyslu se používá celá řada nátěrových hmot a lepidel, která jsou méně toxická. Například vodou ředitelné nátěrové hmoty a lepidla na vodní bázi. Výhodou těchto materiálů je, že při aplikaci nezatěžují pracovní prostředí těkavými látkami. Tyto materiály však zasychají fyzikálně – odpařením vody. Otázkou je, zda materiál na vodní bázi nebude uhlíkové vlákno odpuzovat a zda dojde ke smočení vláken a přilnutí jednotlivých vrstev materiálů.

Obr.29: sedací nábytek z vlnité lepenky Zdroj:http://fast2.mediamatic.nl/f/rgxv/i mage/675/16224-500-452.jpg, 7.4.2010

39

3.8.1 Vlnitá lepenka Vlnitá lepenka vzniká spojením jedné nebo více vrstev zvlněného papíru, které se střídavě lepí mezi vrstvy rovného papíru. Vlnitá lepenka kombinuje dobré vlastnosti hladkých lepenek a zároveň eliminuje jejich nedostatky. Fyzikální vlastnosti rozdílných druhů vlnité lepenky jsou přesně určeny, podle toho, jaké vlastnosti materiálu jsou požadovány. Vlnitá lepenka je relativně odolná proti nárazu, neboť náraz nejprve deformuje vlny - je tedy nižší riziko, že poškodí obsah obalu. Mezi hlavní nároky kladené na lepenku, podle konkrétního užití, jsou především tzv. průtlak, průraz a pevnost na hranu (čím je vyšší hodnota pevnosti na hranu, tím je materiál „stohovatelnější“ – lze na sebe ukládat větší počet krabic). V obalovém průmyslu patří lepenka k nejpoužívanějším materiálům - vyrábí se z ní až 75 % obalů. Nevýhodu vlnité lepenky, pokud není povrchově upravena, je její nízká odolnost proti působení vody a proti plošnému zatížení, které může vést k deformaci zvlněné vrstvy. Historie vlnité lepenky Vlnitá lepenka má za sebou téměř stopadesátiletou historii. První informace o „drážkování papíru nebo jiných materiálů“ nacházíme v britském patentu Edwarda G. Healyho a Edwarda E. Allena z roku 1856. Výrobu vlnité lepenky patentoval už v roce 1871 Američan Albert Jones. Traduje se, že první zvlňovací stroj vyrobil z upravených hlavní vysloužilých děl americké občanské války. Inspirací k tvarování papíru do pevnějšího, zvlněného objemu mu bylo plisování dámských sukní. Toužil nalézt elegantní způsob bezpečného a pevnějšího balení pro skleněné lahve. Jeho patent zdokonalil o tři roky později Oliver Long tím, že na zvlněnou vrstvu nalepil hladkou vrstvu papíru, a tak vznikla dvouvrstvá lepenka. V roce 1883 byla v Londýně uvedena do provozu první evropská továrna na výrobu vlnité lepenky. Dvacáté století přineslo rozvoj strojů na zvlňování a lepení vrstev papíru.16 Výroba vlnité lepenky Výroba vlnité lepenky může být rozdělena do několika fází: • • • 16

tvorba vln a lepení vln kašírování sušení

http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2.2010

40

Tvoření vln Základním zařízením pro výrobu vlnité lepenky je zvlňovací stroj, do něho jsou přiváděny dva pásy papíru. Papír určený ke zvlnění prochází párem válců s vyfrézovanými podélnými drážkami (horní a spodní rýhovaný válec), které se zahřívají párou na teplotu 180°C. Bezprostředně po vytvoření vln se pomocí dalších válců nanese na hřbety vln škrobové lepidlo. Poté je zvlněný papír mírným tlakem přítlačných válců spojen s vrstvou druhého krycího papíru. Takto vzniká takzvaná dvouvrstvá vlnitá lepenka (výroba znázorněna na obr. 30). Tato lepenka je dále vedena k dalšímu zpracování. Obr.30: Tvorba vln, 1 – papír na vlnu, 2 – horní rýhovací válec, 3 – spodní rýhovací válec, 4 – válec pro nanášení lepidla, 5 – přítlačný válec, 6 – krycí papír, 7 – lepidlo, 8 – dvouvrstvá lepenka Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/omaterialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

Kašírování, lepení a sušení Kašírování je technologie, kterou se nanáší horní vrstva z jiného materiálu na podkladový materiál. Když jsou horní hřbety vln pevně spojeny s první krycí vrstvou, jsou spodní hřbety v kašírovací části opatřeny lepidlem a spojeny s druhou krycí vrstvou. Takto mohou vzniknout jednovlnné nebo vícevlnné lepenky. Proces vysušování v sušicím stole způsobí zgelovatění škrobového lepidla a tím pevné spojení papíru. Výroba pětivrstvé lepenky je schématicka znázorněna na obrázku 31.

41

Obr.31: Výroba pětivrstvé lepenky: 1 – přítlačný válec, 2 – nanášecí válec, 3 – sušící stůl Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/omaterialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

Výchozí materiály pro výrobu vlnité lepenky K tvorbě vlnité lepenky může sloužit celá řada různých papírů rozdílných vlastností, kvality a plošných hmotností, podle toho, k jakému dalšímu zpracování je konkrétní vlnitá lepenka určena. Aby mohla vzniknout vlnitá lepenka, je nutné slepit krycí papír se zvlněným papírem. V běžném obalovém průmyslu se tyto papíry dělí v kvalitativním pořadí následovně: Vlnité papíry •

Fluting – nebělený polobuničitý papír z listového dřeva s min. 65% podílem primárních vláken.

•

Wellenstoff – převážně z tříděného starého papíru

•

Šedák – papír ze směsi obvyklého starého papíru jako odpadů z tisku, šedé lepenky, lepenkových dutinek atd.

Krycí papíry •

Kraftliner – sulfátový, buničitý papír v přírodní hnědé barvě nebo s bělenou krycí vrstvou (white top) z jehličnatého dřeva s min. 80% podílem primárních vláken.

•

Testliner – většinou dvouvrstvé papíry z rozdílných vláknitých materiálů papíru, přičemž krycí vrstva může obsahovat kvalitativně vysoce hodnotný vláknitý

42

materiál. Není určeno složení vlákniny, proto jsou pevnostní vlastnosti definovány a rovněž garantovány. Šedák – papír ze směsi obvyklého sběrového papíru.

•

Plošná hmotnost papíru se uvádí v g/m2. Pro krycí papíry se používají výše uvedené druhy papírů od 100-300g/m2. Pro vlny je používán papír o plošné hmotnosti 80 do 180 g/m2. Při výrobě vlnité lepenky se jako lepidlo používá modifikovaný škrob. Jsou ale používány i další speciální receptury, disperzní lepidla, záleží opět na určení lepenky například pro pevnost za mokra.17 Druhy vlnité lepenky Vlnitá lepenka je tvořena určitým počtem vrstev hladkého – krycího a zvlněného papíru (obrázky 32-37). Vlnitá lepenka se může skládat ze dvou až sedmi vrstev papíru. Lepenku můžeme dělit podle dvou kritérií: •

podle výšky vlny/profilu

•

podle složení suroviny/materiálu

Odborné názvy vlnitých lepenek podle jejich struktur jsou následující:

Obr.32: Dvouvrstvá vlnitá lepenka s vlnou A, výška lepenky 4,4 mm, vlnová rozteč 8,6mm Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

Obr.33: Třívrstvá lepenka s vlnou C, výška lepenky 3,5 mm,vlnová rozteč 7,3 mm Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

Obr.34: Třívrstvá lepenka s vlnou B, výška lepenky 2,7 mm,vlnová rozteč 6,1 mm Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

17


43

Obr.35: Třívrstvá lepenka s vlnou E(mikrovlna), výška lep. 1,4 mm,vlnová rozteč 3,7 mm Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

D Dále existují ještě menší minivlny symbolizované písmenem F, mají výšku pouhých 0,8 mm. Tyto malé vlny však nejsou poslední a nejmenší variantou. Existují také mikroprofily, uváděné písmeny G a O, jejichž výška je pouze 0,3 mm.18

Obr.36: Pětivrstvá vlnitá lepenka – nejčastěji se dvěma různými profily vln (BC, BE) Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

Obr.37: Sedmivrstvá vlnitá lepenka – kombinace dvou, nebo tří profilů vln Zdroj: http://www.mlady-obal.cz/o-materialech/lepenka/vlnita-lepenka/a85, 2.2..2010

18


44

4. Materiál a metodika Pro potvrzení nebo naopak vyvrácení možných kombinací materiálů budou průběžně zhotovována zkušební tělíska. Mechanické a další vlastnosti jednotlivých variant budou hodnoceny nejdříve podle toho, zda splňují zásady, které jsme si stanovili jako cíle. Výsledné vzorky budou podrobeny zkoušce tříbodým ohybem na zkušebním stroji INSTRON 3365 se zatěžovací hlavou 5 kN. Rozměry zkušebních tělísek jsou: délka 200mm, šířka 50mm a tloušťka 5,5mm. Rozteč ohýbacích trnů je 150 mm. Jako uhlíkový materiál jsem zvolil keprovou tkaninu o plošné hmotnosti 200 2

g/m . Pokud bude potřeba porovnat vzorek z uhlíkového kompozitu se vzorkem vyrobeným z tkanin utkaných z jiných vláken, existují na českém trhu tkaniny se stejnou plošnou hmotností, např. skelné tkaniny o plošné hmotnosti 200 g/m2. Lze tudíž zajistit ekvivalentní vzorky za použití tkanin z různých vláken. Potřebám této práce nejvíce vyhovovalo pojivo – polyesterová pryskyřice. Výhodou tohoto syntetického pojiva je doba vytvrzení a také cena. Doba vytvrzení polyesterové pryskyřice je při pokojové teplotě několik hodin. K vytvrzení u epoxidové pryskyřice dojde po několika desítkách hodin. Cena polyesterové pryskyřice je dvoutřetinová

v porovnání

s pryskyřicí

epoxidovou.

Nevýhodou

polyesterové

pryskyřice je 30% obsah rozpouštědla, karcinogenního styrenu. Výrobní technologii jsem zvolil vakuové prosycování. Musím však podotknout, že tuto technologii jsem pro tento účel zjednodušil. K prosycení souboru tkanin dojde již před vytvořením vakua. Odsátý vzduch ze souboru zde umožňuje pouze vytvoření jednostranně hladkého povrchu vzorku a stlačení souboru tkanin. Podtlak však neslouží pro nasávání pojiva.

45

Obr.38: Soubory vzorků po odsátí vzduchu

4.1 Popis použité technologie Jako základní stůl poslouží starší rám okna. Sklo umožňuje vytvořit jednostranně hladký povrch vzorků. K odsávání vzduchu používám modelářský membránový kompresor. Hadice odsávající vzduch je zapojena na vstup kompresoru. Prostor, kde jsou umístěny vzorky je přikryt polyethylenovou folií a po obvodu utěsněn lepící páskou. Z tohoto prostoru je odsáván vzduch pomocí 6mm plastové hadice.

4.2 Technologický postup výroby vzorků Aby nedošlo k přilepení vzorků ke skleněnému stolu, je nutné sklo naseparovat. Separace je provedena několika vrstvami separačního vosku. Po separaci můžeme prosytit připravené a nastříhané tkaniny pryskyřicí. Tu je potřeba nejdříve smíchat s tužidlem. Po natužení doporučuje výrobce počkat asi 5 minut k iniciaci vytvrzovací reakce. Pomocí štětce prosytíme každou vrstvu tkaniny, kterou poté položíme na

46

skleněný stůl. Po navrstvení souboru vzorku přikryjeme vzorek folií. Pod folii vložíme odsávací hadici a utěsníme obvod folie. Nyní můžeme zapnout kompresor a odsávat. Odsávání je nutné až do zgelovatění pryskyřice. Při pokojové teplotě dojde k želatinaci pryskyřice za cca 30-40 minut. K úplnému vytvrzení dojde po cca 4 hodinách. Doba vytvrzení závisí na množství použitého tužidla a na teplotě prostředí.

4.3 Použitý materiál 1) třívrstvá lepenka – na zhotovení vzorků byla použita třívrstvá lepenka s vlnou C, výška lepenky 2,7 mm, vlnová rozteč 7,3 mm. 2) polyesterová pryskyřice – z výše popsaných důvodů byla na zhotovení vzorků použita

polyesterová

pryskyřice

(technický

list

v příloze). 3) lepidlo PVAc - pro slepení vzorků bylo použito lepidlo dodané firmou Lear, a.s. Vinalep 924x1 (technický list v příloze).

4.4 Zkouška tříbodým ohybem Zkušební vzorky byly zhotoveny ze dvou třívrstvých vlnitých lepenek s vlnou C. Tloušťka vlnité lepenky je 2,7 mm. Od každého druhu vzorku bylo vyrobeno 5 kusů. Abychom mohli vzorky statisticky vyhodnotit, bylo by jich potřeba mnohem více. K rámcovému zjištění vlastností a porovnání různých druhů vzorků mezi sebou však tento počet stačí. Také experimentální povaze práce a ceně uhlíkové tkaniny více vyhovuje větší počet druhů a naopak menší počet kusů vzorků. Není v možnostech této práce vyrobit od každého druhu vzorku dostatečný počet kusů pro rozsáhlou statistiku. Rozměry zkušebních vzorků jsou 200×50×5,5 mm. Rozpon ohýbacích trnů je 150 mm. Na zkušebním stroji jsme se rozhodli podrobit tříbodému ohybu nejdříve tzv. „referenční“ vzorky. Jde o dvě třívrstvé vlnité lepenky slepené k sobě PVAc lepidlem. Povrch těchto souborů není překryt tkaninou, ale je opatřen nánosem PVAc lepidla o velikosti cca 200 g/m2. Vzorky byly vyrobeny proto, aby bylo možno porovnat přínos výztuže v podobě tkaniny. Abychom zjistili, zda má lepenka rozdílné vlastnosti podél a napříč vln, byly zhotoveny referenční vzorky dvoje, jedny s vlnitou lepenkou s vlnami 47

napříč podélné osy vzorků (dále jen vzorky 1, nebo vzorky –lepenka ║), jedny s vlnami podél osy (dále jen vzorky 2, nebo vzorky - lepenka┴). Povrch dalších vzorků byl překryt uhlíkovou keprovou tkaninou o plošné hmotnosti 200 g/m2. Nános lepidla zůstal stejný jako v případě referenčních vzorků, tedy 200 g/m2 (dále jen vzorky 4, nebo vzorky – lepenka┴ +uhl. tk.+PVAc). Abychom mohli porovnat mechanické vlastnosti uhlíkové a také mnohem levnější skelné tkaniny, byl povrch dalších vzorků překryt skelnou tkaninou o plošné hmotnosti 200 g/m2 ( dále jen vzorky 3, nebo vzorky - lepenka║+sk.tk.+PVAc). Kvůli porovnání rozdílů v chování polyesterové pryskyřice a PVAc lepidla byly další vzorky pojeny polyesterovou pryskyřicí. Na tyto vzorky byla použita uhlíková tkanina o plošné hmotnosti 200 g/m2 (dále jen vzorky 5, nebo vzorky lepenka║+uhl.tk.+PES). Přínos nebo naopak negativní efekt výseků v lepence byl vyzkoušen na pěti vzorcích. Na povrchu těchto vzorků byla použita uhlíková keprová tkanina. Nános PVAc lepidla byl kvůli otvorům větší. Váhově byl změřen na cca 400 g/m2 ( dále jen vzorky 6, nebo vzorky - lepenka║s otvory+sk.tk.+PVAc). Název vzorků

Pojivo

Výztuž

Otvory

Orientace vln lepenky

Počet ks

(podél ║, napříč ┴) 1) Referenční, vlny

PVAc

-

×

║

5

PVAc

-

×

┴

6

PVAc

Skelná tkanina

×

║

5

PVAc

Uhlíková tkanina

×

┴

4

PES

Uhlíková tkanina

×

║

3

PVAc

Uhlíková tkanina

ANO

║

5

podél 2) Referenční, vlny napříč 3) Skelná tkanina, vlny podél 4) Uhlíková tkanina, vlny napříč 5) Uhlíková tkanina +PES, vlny podél 6) Uhlíková tkanina, vysek. otvory

Tab.9: Soupis vzorků

48

4.4.1 Měření Měřením bude zjištěn modul pružnosti v ohybu a pevnost v ohybu podle normy ČSN EN 310. Modul pružnosti v ohybu Em: 3 l1 × ( F2 − F1 ) Em = [ MPa] [1.] 4 × b × t 3 × (a 2 − a 2 ) l1 vzdálenost mezi středy podpěr v mm b šířka zkušebního tělesa v mm t tloušťka zkušebního tělesa v mm F2-F1 přírůstek zatížení v přímkové části grafu zatěžovací křivky. F1 = 10% a F2 40% maximálního zatížení. a2-a1 přírůstek průhybu zkušebního tělesa ve středu vzdálenosti zkušebních podpěr (působišti zatížení), odpovídající přírůstku zatížení (F2-F1) v mm. Pevnost v ohybu fm:

fm = Fmax l1 b t

3 × Fmax × l1 [ MPa] 2×b×t2

[2.]

zatížení zkušebního tělesa (v době porušení) v N vzdálenost podpěr v mm šířka zkušebního tělesa v mm tloušťka zkušebního tělesa v mm

Podmínky měření: teplota:

20,5 °C

relativní vlhkost:

38 %

zkušební stroj:

INSTRON 3365 se zatěžovací hlavou ± 5 kN

software:

INSTORN Bluehill Lite

rychlost ohybu:

15 mm / min.

rozměry vzorků:

200 × 50 × 5,5 mm

49

5. Výsledky Jak bylo již vysvětleno v kapitole 3.8, snahou je kombinovat tento materiál drahý a neekologický uhlíkový kompozit s materiálem jiným, na bázi dřeva nebo dřevních vláken. Tento materiál používaný v nábytkářském průmyslu by měl být levný, ekologický, snadno dostupný a s dobrými mechanickými vlastnostmi. Uhlíkové vlákno zajišťuje výbornou pevnost v tahu, nabízí se tedy možnost vytvoření jádrového kompozitu a uhlíková vlákna použít na povrchu materiálu. Zatížení se u jádrového kompozitu přenáší na tah v povrchových vrstvách. Na jádro nového kompozitu tedy potřebujeme pevný a lehký materiál. Kontinuitu materiálu a větší rozměry dílců zajišťuje uhlíkové vlákno ve formě tkaniny. Na jádro kompozitu bychom mohli použít materiál složený z částic – dřevních stěpek, třísek nebo vláken. Jistou inspirací v tomto směru byl materiál použitý na židli Piiroinen designéra Samuli Naamankaiho. Sedák a opěradlo jsou

zhotoveny

z tvarového výlisku. Výlisek je slisován z dřevních vláken, podobá se tedy dřevovláknité desce. Výroba takovýchto tvarových výlisků je však technologicky velmi náročná. Výrobní závody na dřevovláknité desky jsou plně automatizovány. Ani zde by nebylo možné zhotovit experimentální vzorky. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli vyrobit jádra zkušebních vzorků z papíru.

Obr.39: Židle Samuli Naamankaiho, Zdroj: http://www.decordir.com/wp-content/uploads/2009/11/ComposLobby-Chair-by-Samuli-Naamanka-580x427.jpg, 28.3.2010

50

5.1 Použití papíru v kombinaci s polyesterovou pryskyřicí První experimentální vzorky byly vyrobeny z novinového papíru. Cílem bylo využít dále tento levný odpadní materiál. Jako pojivo byla zvolena polyesterová pryskyřice. Povrchové vrstvy byly překryty tkaninou z uhlíkových vláken. Při použití obvyklého nánosu pryskyřice cca 200 g/m2 došlo k nasátí pojiva novinovým papírem. Po vytvrzení došlo k delaminaci z důvodu chybějící pryskyřice mezi jednotlivými vrstvami papíru. Pokud bychom zvýšili nános pryskyřice, jistě by došlo ke spojení jednotlivých vrstev. Objemový podíl pryskyřice by však byl vysoký a takovýto materiál by neodpovídal koncepci této práce – nalézt ekologický materiál. Z tohoto důvodu jsme upustili od spojení uhlíkového kompozitu s novinovým papírem. Při dalším experimentu jsme nahradili novinový papír čalounickou lepenkou tloušťky 1,8 mm. Cílem bylo zvětšit tloušťku souboru za současného snížení počtu vrstev. I zde se opakoval problém s nasákavostí lepenky. Na třetí experiment jsme použili vlnitou lepenku. Výška vlnité lepenky s vlnou C je 2,7 mm. Také tuhost vlnité lepenky je vyšší než u lepenky čalounické. Předpokladem bylo, že díky minimu papíru v lepence nedojde k výraznému nasátí pojiva. Nános pryskyřice činil cca 200 g/m2. Podle slov p. Havla odpovídá nános pojiva plošné hmotnosti tkaniny. Po vytvrzení syntetické pryskyřice byl soubor tuhý. Díky vzduchovým mezerám a minimu materiálu papír neodsál pryskyřici a tkanina zůstala na povrchu vzorku zalita. Nejslabším místem této konstrukce však zůstal spoj vlny v lepence a krycího papíru lepenky. Když byl vzorek zatížen ohybem, porušení nastalo nejprve v tomto místě. Není proto nutné používat sice tvrdou, ale neekologickou polyesterovou pryskyřici.

5.2 Použití vlnité lepenky pojené PVAc lepidlem Při dalším experimentování jsme proto použili PVAc disperzní lepidlo. Toto lepidlo je běžně používáno při výrobě nábytku a jeho aplikace nezatěžuje pracovní prostředí těkavými látkami. Povrch uhlíkových vláken je reaktivní a váže na sebe řadu plynů z ovzduší. Při použití pryskyřice se díky organickým rozpouštědlům plyny

51

rozpustí a pryskyřice jednotlivé vlákna obalí. Otázkou při použití disperzního lepidla je, zda dojde k distribuci disperze mezi jednotlivá vlákna tkaniny a přilnutí disperze k vláknům. Na čtvrté experimentální vzorky jsme tedy použili vlnitou lepenku s vlnou C, výšky 2,7 mm. Povrch vzorku byl překryt uhlíkovou keprovou tkaninou o plošné hmotnosti 200 g/m2 a prosycen disperzí. Nános lepidla zůstal stejný jako v případě použití pryskyřice, tedy cca 200 g/m2.Po vytvrzení PVAc lepidla byl vzorek tuhý. Povrch vzorku však nebyl jednostranně hladký. Obsah sušiny lepidla je 50%, proto je na povrchu vidět reliéf keprové tkaniny. Smrštění polyesterové pryskyřice činí pouze 8%, proto bylo dosaženo u předchozích vzorků jednostranně hladkého povrchu. Při bližším prozkoumání rovingu tkaniny se vlákna od sebe neoddělují a drží pohromadě. Lze tedy říci, že došlo k přilnutí disperze k vláknům rovingu tkaniny. Vzorek se zdál stejně tuhý jako vzorek s PES pryskyřicí, při ohybu však nastal opět lom ve spojení vlny a krycího papíru lepenky. Další snahou bylo tedy eliminovat toto nejslabší místo souboru, aby nedocházelo k usmýknutí vrstev lepenky. K eliminaci tohoto problému by mohlo posloužit opět uhlíkové plátno, jehož mechanické vlastnosti tato konstrukce zatím nevyužila. Do vlnité lepenky dalších vzorků byly vyseknuty kruhové otvory průměru 10 mm. Tyto otvory umožnily propojení jednotlivých vrstev pláten. Předpokladem je zvýšit smykovou pevnost při ohybu. Možnou nevýhodou je oslabení vlnité lepenky a zprohýbání tkaniny namáhané tahem.

52

5.2.1 Výsledky měření – modul pružnosti a pevnost v ohybu

Krabicový graf m odulů pružnos tí Medián; Box: 25%-75%; Whis ker: Rozs ah neodleh. 5000 4500

Modul pružnosti [MPa]

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

vzork y 1 vzorky 3 vzorky 5 vzorky 2 vzorky 4 vzork y 6

Medián 25%-75% Rozs ah neodleh. Odlehlé Extrém y

vzorky 1 – referenční, lepenka ║ vzorky 2 – referenční, lepenka ┴ vzorky 3 - lepenka ║ + sk.tk.+PVAc vzorky 4 - lepenka ┴ + uhl.tk.+PVAc vzorky 5 - lepenka ║ + uhl.tk.+PES vzorky 6 - lepenka ║ s otvory + uhl.tk.+PVAC Graf 2: Krabicový graf naměřených modulů pružností

53

Krabicový graf pevnos tí v ohybu Medián; Box: 25%-75%; Whis ker: Rozs ah neodleh. 26 24 22

Pevnost v ohybu [MPa]

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

vzorky 1 vzorky 3 vzorky 5 vzorky 2 vzorky 4 vzorky 6

Medián 25%-75% Rozs ah neodleh. Odlehlé Extrém y

vzorky 1 – referenční, lepenka ║ vzorky 2 – referenční, lepenka ┴ vzorky 3 - lepenka ║ + sk.tk.+PVAc vzorky 4 - lepenka ┴ + uhl.tk.+PVAc vzorky 5 - lepenka ║ + uhl.tk.+PES vzorky 6 - lepenka ║ s otvory + uhl.tk.+PVAC Graf 3: Krabicový graf naměřených pevností v ohybu

54

Výsledky měření – statistické vyhodnocení aritm. průměr 1) referenční vzorky, vlny podél 2) referenční vzorky, vlny napříč 3) skelná tkanina, vlny podél 4) uhl. tkanina, vlny napříč 5) uhl. tkanina + PES, vlny podél 6) uhl. tkanina, vysek. otvory

549,8

Modul pružnosti [MPa] variační rozptyl směrodatná odchylka koef. [%] 5,8 1029 32

724,5

11,7

7239

85

1914,4

23,6

204 855

452

2164,25

10,3

49 321

222

4603

4,8

48 924

221

1174,2

15,3

32 728

180

Tab.10: Vyhodnocení měření – statistické vyhodnocení modulu pružnosti

aritm. průměr 1) referenční vzorky, vlny podél 2) referenční vzorky, vlny napříč 3) skelná tkanina, vlny podél 4) uhl. tkanina, vlny napříč 5) uhl. tkanina + PES, vlny podél 6) uhl. tkanina, vysek. otvory

4,3

Pevnost v ohybu [MPa] variační rozptyl směrodatná odchylka koef. [%] 0 0 0

3,9

18

0,5

0,7

7,9

12,5

0,99

0,99

7,1

8,8

0,39

0,62

22,6

12,3

7,75

2,78

6,4

8,9

0,33

0,57

Tab.11: Vyhodnocení měření – statistické vyhodnocení pevnosti ohybu

Obr.40: Typická deformace vzorku s lepenkou s vlnou podél

Obr.41: Typická deformace vzorku s lepenkou s vlnou napříč

55

Krabicové grafy 2 a 3 jasně ukazují, že nejlepší mechanické vlastnosti mají vzorky 5 (lepenka ║ + uhl.tk.+PES). Jejich modul pružnosti v ohybu je téměř dvojnásobný a pevnost v ohybu je skoro trojnásobná oproti vzorkům pojeným disperzním lepidlem. Z výsledků měření nelze prokázat, že vzorky s uhlíkovou tkaninou (vzorky 4) mají lepší mechanické vlastnosti než vzorky se skelnou tkaninou (vzorky 3). Jak můžeme vidět na grafu 2 i 3, horní mez modulu pružnosti i pevnosti v ohybu leží na stejné úrovni. Nejpřesněji se podařilo vyrobit referenční vzorky 1 (vzorky –lepenka ║). Variační koeficient u modulu pružnosti je 5,8 % a u pevnosti v ohybu to jsou řádově pouze desetiny procenta (viz tab.10 a 11). Naopak největší rozptyl mechanických vlastností byl zaznamenán u vzorků 3 (lepenka║+sk.tk.+PVAc). Variační koeficient byl spočítán na 23,6 %. Takto vysoký koeficient si vysvětluji nepřesnostmi ve výrobě vzorků, kde mohlo dojít k nerovnoměrnému nánosu pojiva, nebo ke zvlnění tkaniny při vrstvení souboru. Na obrázku 40 a 41 můžeme vidět typické deformace vzorků s lepenkou s vlnou podél a napříč. U vzorků s vlnou napříč osy vzorku (obr. 41) docházelo při porušení ke stlačení jádra a zvlnění vnitřní povrchové vrstvy. U vzorků s vlnou podél (obr. 40) také docházelo ke stlačení jádra. U několika vzorků došlo i k odtržení vnitřní povrchové vrstvy. Od vln lepenky se oddělil krycí papír lepenky a tkanina.

56

6. Diskuze Naměřené hodnoty modulů pružnosti a pevnosti v ohybu ukázaly, že výztuže v podobě uhlíkových a skelných tkanin zlepšují mechanické vlastnosti vzorků. V grafu 4, popisujícím průběh ohybové zkoušky referenčních vzorků, je vidět, že průběh grafu v oblasti pružných deformací, popisující vzorky s vlnou napříč, je strmější. Díky tomu je hodnota modulu pružnosti vyšší než u vzorků s vlnou podél. Hodnoty pevnosti v ohybu jsou u vzorků s vlnou napříč nižší kvůli nižší mezi pevnosti. Grafy průběhů ohybových zkoušek všech vzorků jsou zobrazeny v příloze. U referenčních vzorků lepenky s vlnou napříč (vzorky 2) ležela 10% hodnota maximální síly, potřebná pro výpočet modulu pružnosti, pod hranicí 5 N. Síla pěti Newtonů je však na samé spodní hranici citlivosti přístroje, proto jsme při výpočtu modulu pružnosti u vzorků 2 zvýšili tuto hodnotu na 20% maximální síly.

Porovnání průběhu ohybové zkoušky u vzorků 1 a 2 35 30

Síla [N]

25 typický zástupce vzorku lepenky s vlnou napříč

20

typický zástupce vzorků lepenky s vlnou podél

15 10 5

17,8

17,0

16,0

15,0

14,0

13,0

12,0

11,0

9,0

10,0

8,0

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

0

deformace [mm]

Graf 4: srovnání ohybu referenčních vzorků - lepenky s vlnou napříč a podél

Srovnání vzorků 3 (vzorky se skelnou tkaninou, vlna podél) a 4 (uhlíková tkanina, vlna napříč) nepotvrdilo lepší mechanické vlastnosti vzorků s uhlíkovou tkaninou. Horní hranice modulů pružností obou vzorků leží na úrovni 2300 MPa (patrné na grafu 2). Avšak medián i průměr modulů pružností u vzorků 3 leží níže než u vzorků

57

4, podobně jako při srovnání vzorků 1 a 2. Z tohoto důvodu bych tento výsledek spíše přisoudil orientaci vln lepenky než použité tkanině. U tohoto měření jsme tedy zjistili mechanický přínos vyztužení lepenky uhlíkovým a skelným plátnem. Přestože jsou uhlíková vlákna pevnější v tahu a mají i vyšší modul pružnosti v tahu, u tohoto použití nelze prokázat jejich lepší mechanické vlastnosti. Použité jádro – vlnitá lepenka se po zatížení stlačí v místě ohybu a nepřenese tah na povrchovou vrstvu namáhanou tahem. Abychom využili pevnost těchto vláken, muselo by jádro vykazovat větší odpor proti stlačení. Alternativním jádrem pro toto použití by mohlo být pěnové polymerní jádro AIREX®, nebo balsové jádro BALTEK®. Balsové dřevo je příčně nařezáno a jednotlivé části jsou sdruženy podobně jako u řeznického špalku. Plochu materiálu tedy tvoří příčné řezy balsy. Povrch je přelepen sítí ze skelných vláken.

Obr.42: Pěnový polymerní materiál AIREX® Zdroj:http://img.directindustry.it/images_di/ph oto-g/materiale-d-anima-in-schiuma-percompositi-355439.jpg, 28.3.2010

Obr.43: Balsové jádro BALTEK® Zdroj:http://img.directindustry.com/images_ di/photo-g/end-grain-balsa-wood-panel404661.jpg, 28.3.2010

Pokud bychom chtěli i nadále použít ke konstrukci podobných vzorků papír, použili bychom na jádro vzorků papírovou voštinu. Výhodou takovéto voštiny je orientace papíru kolmo na plochu vzorku. Výsledný vzorek by měl lépe odolávat stlačení při zatížení ohybem. Protože výsledky měření neprokázaly lepší mechanické vlastnosti vzorků s uhlíkovou tkaninou, není nutné na tyto vzorky dále používat uhlíkovou tkaninu, jejíž cena je asi třicetkrát vyšší. Srovnatelných mechanických vlastností dosáhneme i s použitím levnější skelné tkaniny. Nejvyšší moduly pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu jsme naměřili u vzorků pojených polyesterovou pryskyřicí. Lepší výsledky si vysvětluji vyšší tvrdostí polyesterové pryskyřice v porovnání s PVAc lepidlem. Také výsledné množství

58

pryskyřice v souboru je v porovnání s PVAc lepidlem větší. Smrštění pryskyřice činí pouze 8%, množství sušiny je u PVAc lepidla 50%. K odtržení tkaniny s krycím papírem lepenky od vlnitého středu došlo při zatížení ohybem jak při použití PVAc lepidla, tak při použití PES pryskyřice. Průsak polyesterové pryskyřice i PVAc lepidla do lepenky byl tedy přibližně stejný a neovlivnil naměřené hodnoty. Hodnoty modulu pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu u vzorků s vyseknutými otvory jsou nižší, než u vzorků bez otvorů. Vysvětluji si to oslabením nosného jádra, vlnité lepenky. Menší výseky však nebylo možné do vzorků vytvořit, protože by nedošlo k prohnutí tkaniny a spojení jednotlivých tkanin při vytvrzování pojiva. Výseky by se mohly uplatnit pouze u vzorků větších příčných rozměrů. V grafu 5 můžeme vidět porovnání vzorků s vybranými materiály na bázi dřeva. Hodnotu modulu pružnosti vzorků 5 (lepenka ║ + uhl.tk.+PES ) bychom mohli srovnat se švédskou překližkou s orientací dýh napříč podélné osy vzorku. U hodnot pevností v ohybu je pevnost vzorků 5 dokonce srovnatelná s překližkou s orientací dýh podél osy vzorku. Porovnání modulů pružnosti u materiálů z materiálů na bázi dřeva 10000

Modul pružnosti v ohybu [MPa]

9000 8000

Švédská překližka s orientací dýh podél osy vzorku

7000

Švédská překližka, orientace dýh napříč osy vzorku

6000

DTD P4

5000

DVD MBH.LA2

4000

vzorek 5, pojivo PES

3000

vzorek 3, pojivo Pvac

2000 1000 0 materiály

Graf 5:Porovnání modulů pružnosti u materiálů na bázi dřeva

59

Porovnání pevnosti v ohybu u vybraných materiálů na bázi dřeva 25 Švédská překližka P30 s orientací dýh podél osy vzorku

Pevnost v ohybu [MPa]

20

Švédská překližka P30 s orientací dýh napříč osy vzorku

DTD P4 15

DVD MBH.LA2 10 vzorek 5, pojivo PES

5

vzorek 3, pojivo Pvac

0 materiály

Graf 6:Porovnání modulů pružnosti u materiálů na bázi dřeva

objemová hmotnost [kg/m3]

modul pružnosti [MPa]

pevnost v ohybu [MPa]

12

410

9200

23

12

410

4600

11,4

13-20 >10 5,5 5,5

600 600 357 353

2900 3900 4603 1914

12,5 15 22,6 7,9

tloušťka [mm] švédská překližka P 30 s orientací dýh podél osy vzorku švédská překližka P30 s orientací dýh napříč osy vzorku DTD P4 DVD MBH.LA2 vzorek 5, pojivo PES vzorek 3, pojivo PVAc

Tab.12: Tabulka vlastností materiálů použitých v grafů 5- 8 Zdroj: KOŽELOUH, B. Dřevěné konstrukce podle eurokódu 5 : Navrhování a konstrukční materiály. Step 1. Zlín, 1998. 1 s. ISBN 80-238-2620-4.

V grafech 7 a 8 je uvedeno další srovnání vlastností vzorků 3 a 5 s kompozitními materiály na bázi dřeva. Na ose Y jsou vyneseny mechanické vlastnosti materiálů (u grafu 7 je to modul pružnosti, u grafu 8 pevnost v ohybu), na ose X jejich objemová hmotnost. Můžeme tedy srovnat mechanické vlastnosti těchto materiálů s objemovou hmotností a zjistit, zda námi navržený kompozit odpovídá stanovené zásadě – nalézt lehký a pevný materiál. 60

Graf 7:Porovnání modulů pružnosti vůči objemové hmotnosti u vybraných materiálů

Graf 8:Porovnání pevnosti v ohybu vůči objemové hmotnosti u vybraných materiálů

61

Vzorky 3 i 5 mají oproti ostatním materiálům uvedeným v grafech 7 a 8 nejnižší objemovou hmotnost – okolo 350 kg/m3. Vzorky pojené polyesterovou pryskyřicí mají i nejvyšší pevnost v ohybu ze srovnávaných materiálů. Lze je tedy zařadit mezi materiály pevné a lehké. Abychom mohli použít tento nově navržený kompozit v nábytku, museli bychom vyřešit ještě mnoho otázek. U dílců s použitím PVAc lepidla by komplikace nastaly například v oblasti povrchových úprav kvůli reliéfu povrchu. Na povrch by se musela nanést nátěrová hmota. Nátěrová hmota by mohla mechanické vlastnosti dílce zlepšit, ale nabízí se otázka, proč povrchovou vrstvu rovnou neudělat ze syntetické pryskyřice v jednom technologickém kroku. Další komplikací při využití by byla úprava bočních ploch dílců. Při nahrazení vlnité lepenky papírovou voštinou za současného zvětšení tloušťky dílce, bychom mohli k uzavření bočních ploch použít ABS pásky. Takto uzavřený dílec by byl chráněn vůči vlhkosti a tvarovým změnám papírového jádra. Průběh zkoušky tříbodým ohybem ukázal, že ikdyž dojde ke zlomení jádra – vlnité lepenky, tkaniny na povrchu zůstávají neporušené. Zachování soudržnosti i po porušení může být přínosem i při použití v nábytku. Pokud bychom tento kompozit využili ke konstrukci police a došlo by například ke zlomení jádra, tkanina by zabránila úplnému rozlomení dílce, pádu předmětů uložených na polici a možnému zranění osob. Uhlíková vlákna jsou poměrně křehká, lom nastává už při 2% prodloužení při namáhání tahem. V našem experimentu a při ohybové zkoušce docházelo k porušení až při 4 – 7 %. Pokud bychom na jádro použili dvouvrstvou lepenku, kterou lze ohnout v jedné rovině, mohli bychom z tohoto kompozitu konstruovat i sedací nábytek, u kterého by docházelo k pružení v sedací části (viz obr. 44).

Obr.44: Příklad využití kompozitu na pružný sedací nábytek

62

7. Závěr Uhlíkový kompozit nachází stále nová uplatnění v různých oborech. Nově se používá ve stavebnictví a medicíně. Díky velkému množství vyvinutých materiálů z uhlíku a zásluhou mnoha druhů pojiv můžeme vyrábět materiály s širokým spektrem vlastností. Tato práce dokazuje, že uhlíkovou tkaninu je možné pojit i disperzním lepidlem. V kombinaci s vlnitou lepenkou lze uhlíkovou tkaninu použít jako zpevňující prvek a kompozit aplikovat ve výrobě nábytku na plošné dílce, v kombinaci s dvouvrstvou lepenkou i na ohyby v jedné rovině. Zkouška tříbodým ohybem podle normy ČSN EN 310 prokázala, že výztuže vlnité lepenky v podobě uhlíkových a skelných tkanin zlepšují mechanické vlastnosti. Podařilo se navrhnout lehký a pevný jádrový kompozit. Jádro kompozitu – vlnitá lepenka tento kompozit značně zlevňuje. Ekologickým přínosem navrženého kompozitu je použití pojiva - PVAc lepidlo. Zkouška však neprokázaly se však lepší mechanické vlastnosti u vzorků s uhlíkovou tkaninou. Proto není potřeba používat ve spojení s vlnitou lepenkou výrazně dražší uhlíkovou tkaninu. Obdobných vlastností dosáhneme i s použitím skelné tkaniny ekvivalentní plošné hmotnosti. Cena uhlíkových vláken se však v budoucnu může snížit např. díky výzkumu „FreedomCAR“. Tento výzkum je mimo jiné zaměřen i na výrobu uhlíkového vlákna z ligninu, odpadního materiálu při výrobě papíru. Proto by tento kompozitní materiál, vlnitá lepenka vyztužená tkaninou z uhlíkových vláken, šel teoreticky vyrobit z obnovitelného zdroje – dřeva. Zkouška dále ukázala, že vzorky s „vylehčovacími“ otvory mají horší mechanické vlastnosti než vzorky bez otvorů. Je to způsobeno oslabením nosného jádra, vlnité lepenky. Deformace se u vzorků projevila jako stlačení průřezu lepenky. Alternativní jádro by mělo vykazovat větší odpor proti stlačení . Vhodným materiálem je balsové jádro BALTEK® nebo papírová voština. Pokud porovnáme vzorky pojené polyesterovou pryskyřicí a vzorky pojené PVAc lepidlem, zjistíme, že vzorky s polyesterovou pryskyřicí mají vyšší modul pružnosti v ohybu i pevnost v ohybu a zároveň poskytuje dobrou povrchovou ochranu. Při použití pryskyřice se však do pracovního prostředí uvolňuje karcinogenní látka – styren.

63

8. Summary Carbon fibre composite finds new application in various branches. We can produce materials with a wide range of mechanical characteristics thanks to large kind of carbonic materials and due to many types of core binders. This work achieve, that is possible to tie carbon fabric with a dispersion vinyl acetate glue. Three-point bend test showed, that carbon fibres reinforced cardboard have mechanical contribution. However it didn´t approve better mechanical characteristics of specimens reinforced with carbon fibre. So it isn´t necessary to use high – priced carbon fibre with cardboard. Using glass fibre we achieve similarly mechanical characteristic. Thanks to „FreedomCAR“ research may the price of carbon fibres reduce. This research is engaged in carbon fibres production from lignose, waste material of paper manufacturing. So this composite, carbon fibre reinforced cardboard may be produced from renewable source – wood. Test further showed, that specimens with vent holes have worse mechanical characteristic, than specimens without holes. It is due to weaking cardboard core. Deformation appeared like compression of cross-section of cardboard. Alternative core should gather higher pressure on surface. Suitable material is balsa core BALTEK® or honeycomb paper core. If we compare specimens fixed with polyester resin and specimens fixed with PVAc glue, we find out, that specimens fixed with polyester resin have higher modulus of elasticity in bend and bending strength. Polyester resin also offer good surface protection. However during polyester resin usage volatilize cancerogenic material – styrene.

64

9. Seznam použité literatury 1.

HRÁZSKÝ, J. -- KRÁL, P. Kompozitní materiály na bázi dřeva : Aglomerované materiály. Část I. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2007. 253 s. ISBN 978-80-7375-034-3.

2.

KRÁL, P. -- HRÁZSKÝ, J. Kompozitní materiály na bázi dřeva Část 2: Dýhy a vrstvené masivní materiály. Brno: MZLU v Brně, 2006. 210 s. ISBN 80-7157878-9.

3.

ŠTEFKA, V. Kompozitné drevné materiály : Technológia aglomerovaných materiálov. Časť II. 2. vyd. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2002. 205 s. ISBN 80-228-1136-X.

4.

BROWNELL, B. E. Transmaterial : a catalog of materials that redefine our physical environment. New York: Princeton Architectural Press, 2006. 237 s. ISBN 978-1-56898-563-3.

5.

BROWNELL, B. E. Transmaterial 2 : a catalog of materials that redefine our physical environment. New York: Princeton Architectural Press, 2008. 247 s. ISBN 978-1-56898-722-4.

6.

SEDLIAČIK, J. Moderní procesy lepení a jejich vliv na pracovní prostředí. Zvolen: Technická univerzita,Zvolen, 2007. 212 s. Doc. Ing.Jan Sedliačik Ph.D. ISBN 80228-1697-3.

7.

SEDLIAČIK, M. Technológia spracovania dreva, časť Lepidla a pomocné látky. Zvolen: technická univerzota vo Zvolene, 1995.

8.

KOŘÍNEK,

Z.

Počítačová

podpora,

Kompozity.

[online].

2009.URL: http://www.volny.cz/zkorinek/. 9.

GRÉGR, J. Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken, TU v Liberci. [online]. 2004.URL: http://centrum.tul.cz/centrum/centrum/3Aplikace/3.1_zaverecne_zpravy/ %5B3.1.09%5D.pdf.

10.

BYARS, M. New chairs : innovations in design, technology, and materials. San Francisco: Chronicle Books, 2006. 160 s. ISBN 978-0-8118-5364-4.

11.

BYARS, M. 50 Tables: Innovations in Design and Materials. Crans-Prés-Céligny: RotoVision, 1999. 157 s. ISBN 2-88046-311-4.

12.

KOŽELOUH, B. Dřevěné konstrukce podle eurokódu 5 : Navrhování a konstrukční materiály. Step 1. Zlín, 1998. 1 s. ISBN 80-238-2620-4.

65

13.

VAKILI, Ahmad; YUE, Zhongren; FEI, Youqinq . In Low Cost Carbon Fiber Technology Development for Carbon Fiber Composite Applications. The University of Tennessee Space Institute : [s.n.], 2008-01-04 [cit. 2010-04-14]. ANSI Std. 23918298-102.

14.

Hughes Brothers, Inc. [online]. 2002 [cit. 2010-04-14]. Www.hughesbros.com. Dostupné z WWW: .

15.

HAVEL Composites CZ s.r.o. [online]. 2005 [cit. 2010-04-14]. HAVEL Composites. Dostupné z WWW: .

16.

Mladý obal [online]. 2009 [cit. 2010-04-14]. Http://www.mlady-obal.cz/. Dostupné z WWW: .

17.

Carbon

Fiber

Gear

Http://www.carbonfibergear.com/.

[online]. Dostupné

2010 z

[cit. WWW:

2010-04-14].
carbonfibergear.com/category/office/>.

66

Mendelova univerzita v Brně

Recommend Documents