KOMPOZYTY (COMPOSITES) 2(2002)3
Wacław Królikowski1
Politechnika Szczecińska, Instytut Polimerów, ul. Pułaskiego 10, 70-322 Szczecin
NOWOCZESNE KONSTRUKCYJNE POLIMEROWE MATERIAAY
KOMPOZYTOWE
(ARTYKUA ZAMAWIANY)
MODERN STRUCTURAL POLYMER COMPOSITE MATERIALS
The paper presents a review of methods of producing modern thermosetting composites, particularly modern structural
polymer composite materials. First the production process (Fig. 1) and the structure (Fig. 2) of sheet moulding compounds
(SMC) have been briefly characterised and ways of their further processing mentioned. Then subsequent moulding methods
have been described: the method of winding, the fiber placement method (Fig. 3), the pultrusion process. Three-dimensional re-
inforcement of composites and preforms has been touched in turn, and the following methods of its production presented: weav-
ing (Figs 5, 6), stranding (Fig. 7), needling and sewing (Fig. 8), and knitting (Figs 9, 10). Next the fiber-reinforced
thermoplastic granulated products, including long fiber thermoplastics (LFT), have been presented (Fig. 12), being followed by
a description of structural composites obtained by the melt compression moulding - in mould lamination (MCM-IML)
method. Then go thermoplastic materials reinforced with roving mats (TWM), and finally the method of reaction injection mo-
ulding for structural elements (S-RIM) has been described.
The paper presents also application examples of individual composites and discuss their advantages and disadvantages.
WSTP
Polimerowe materiały kompozytowe znalazły już od
prasowanie nisko- i wysokociśnieniowe na mokro, for-
szeregu lat trwałe i szerokie zastosowanie w technice
mowanie sposobami nawijania, różne sposoby wytwa-
światowej, a także w Polsce. Przyczyniły się do tego
rzania rur i walczaków, przeciąganie profili, formowa-
dobre właściwości konstrukcyjne, mały ciężar właściwy,
nie płyt płaskich i falistych, wreszcie wytwarzanie tło-
łatwość formowania wyrobów, także o dużych gabary-
czyw miękkich i sypkich (DMC - Dough Moulding
tach, różnorodność technik przetwarzania oraz duża
Compounds) lub warstwowych (SMC - Sheet Moulding
możliwość różnicowania właściwości w zależności od
Compounds) i ich przetwórstwo metodami prasowania
użytych półproduktów wyjściowych i technik przetwór-
tłocznego, przetłocznego lub wtrysku.
czych. W pierwszym długoletnim okresie wyroby kom-
Rosnąca konkurencja kompozytów termoplastycz-
pozytowe były wytwarzane z polimerów termoutwar-
nych, jak i lekkich stopów metali - szczególnie w dziedzi-
dzalnych, głównie żywic poliestrowych i epoksydowych
nie technik motoryzacyjnych - oraz dążenie do polep-
wzmocnionych włóknami szklanymi (typu E). W ostat-
szenia jakościowych charakterystyk wyrobów i obniże-
nich dziesięciu latach nastąpił znaczny rozwój wytwa-
nia kosztów spowodowały znaczny rozwój techniczny
rzania kompozytów na podstawie termoplastów oraz za-
wielu z wymienianych wyżej metod wytwarzania
stosowań wzmocnień z włókien karbonizowanych (wę-
kompozytowych materiałów termoutwardzalnych. Ze
glowych i grafitowych), aramidowych, specjalnych poli-
względu na ograniczoną objętość w tym artykule będą
etylenowych, organicznych włókien naturalnych, a także
bliżej przedstawione tylko niektóre ciekawsze unowo-
specjalnych mineralnych (np. Wollastonit). Rozwinięte
cześnienia w tej dziedzinie oraz ważniejsze typy kompo-
też zostały nowe formy wzmocnień włóknistych.
zytów termoplastycznych.
KOMPOZYTY TERMOUTWARDZALNE
POLIESTROWE TAOCZYWA WARSTWOWE
Wyroby z kompozytów termoutwardzalnych wytwa- SMC
rzane są następującymi bardzo różnymi metodami: lami-
SMC mają istotne tonażowo i finansowo udziały
nowanie ręczne, natrysk, formowanie z workiem ela-
w produkcji polimerowych materiałów kompozytowych i
stycznym i w autoklawach, metodą wtłaczania żywicy
między dwie formy - RTM (Resin Transfer Moulding),
1
prof. zw. dr inż.
Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe 17
7
4 3 6 6 3 4 1 5 9
8
2
Rys. 1. Schemat urządzenia trzeciej generacji do wytwarzania tłoczyw SMC sposobem ciągłym: 1 - giętkie taśmy ściskające pakiet SMC
o obiegu zamkniętym, 2 - taśma elastyczna podkładowa, 3 - rakle do nakładania masy impregnującej, 4 - folie PE,
5 - stalowe walce impregnacyjne ułożone meandrycznie, 6 - krajalnice rovingu, 7 - rury prowadzące roving z nadmuchem powie-
trza, 8 - pasma rovingu ciągłego, układane wzdłużnie lub pętlicowo, 9 - pakiet wytworzonego SMC nawijanego na wał odbiorczy
Fig. 1. The scheme of the third generation device for continuous production of SMCs: 1 - flexible closed-circuit bands compressing SMC
packet, 2 - elastic ground belt, 3 - squeegees for applying impregnating material, 4 - PE foils, 5 - steel impregnating rolls arranged
in meanders, 6 - roving cutters, 7 - roving-leading pipes with air blowing, continuous roving strands laid (LAY) lengthwise or
looping, 9 - packet of the produced SMC wound at the receiving roll
wykazują stosunkowo duży trend wzrostu wytwarzania i nych lub chromowanych w temperaturze 130 do 160C
zastosowań [1].
pod ciśnieniem 510 MPa.
W skład tych tłoczyw wchodzą nienasycone żywice
Stosunkowo małe ciśnienia prasowania tłoczyw SMC
poliestrowe różnych typów, włókna szklane, napełniacze
pozwalają na wytwarzanie wyprasek o dużych gabary-
proszkowe nieorganiczne (najczęściej węglan wapnia),
tach (np. dach samochodu). Zastosowanie tłoczyw o
tzw. zagęszczacz chemiczny w postaci MgO, utwardza- małym, a nawet zerowym skurczu prasowniczym (z tzw.
cze nadtlenkowe i bardzo różne środki modyfikujące
dodatkami low profile) oraz zrobotyzowanej techniki
(pigmenty, inhibitory, dodatki antyskurczowe
nanoszenia na powstającą wypraskę
i uniepalniające, środki poślizgowe - np. grafit, PTFE,
w trakcie cyklu prasowania specjalnych kompozycji
antystatyki, dodatki elektroprzewodzące). Wszystkie
powłokowych (tzw. in mould coating - IMC) umożliwia
dodatki wprowadzane są do tłoczyw w różnych zesta-
wach zależnie od przeznaczenia wyrobu. Głównym
użytkownikiem tłoczyw SMC jest przemysł motoryza-
cyjny (elementy karoserii) i elektromaszynowy (np.
obudowy maszyn i urządzeń).
Tłoczywa te wytwarzane są w procesie ciągłym na
wysoko zmechanizowanych urządzeniach trzeciej gene-
racji (rys. 1). Umożliwiają one wytwarzanie materiału
o różnej strukturze wzmocnienia (rys. 2), a więc i różnych
właściwościach wytrzymałościowych i przetwórczych.
Długość włókien ciętych wynosi zwykle ok. 550 mm,
ich zawartość najczęściej ok. 35%. Zawartość napełnia-
czy mineralnych waha się w granicach 3550%, zaś
żywicy 3035%. Obecnie używane urządzenia trzeciej
generacji wytwarzają ok. 12 ton tłoczyw na dobę.
wytwarzanie wyprasek o gładkości i połysku klasy A,
Formowanie wyrobów z SMC (np. elementów karo-
wymaganej przez przemysł samochodowy.
serii) odbywa się w specjalnie zmodyfikowanych pra-
Rys. 2. Struktura włókien różnych typów SMC: a) SMC-R - Random Fiber,
sach hydraulicznych, w formach stalowych polerowa- b) SMC-D - Directional Fiber, c) SMC-C - Continuous
Fiber, d) SMC-R/C - kombinacje układu R i C, e) SMC-R
18 W. Królikowski
z układem C, f) SMC wyłącznie z pasmami rovingu ułożonymi pę-
kien obwodowych cięte włókna, ułożone wzdłużnie, oraz
tlicowo
napełniacz w postaci piasku.
Fig. 2. Fiber structure for various SMC types: a) SMC-R - random fibers, b)
Problem rdzenia upraszcza się w przypadku, gdy sta-
SMC-D - directional fibers, c) SMC-C - continuous fibers,
d) SMC-R/C combined random and continuous fibers, e) SMC-R nowi on wewnętrzny integralny element wyrobu. Rdze-
with looping C, f) SMC of looping roving strands only
nie takie określa się jako rdzenie stracone . Tworzą
Przykładem takiego zastosowania jest kabina angiel-
one wewnętrzną warstwę np. antykorozyjną lub uszczel-
skich ciężarówek ERF, składająca się z 17 wyprasek
niającą. Najczęściej są wykonywane ze sztywnych ter-
o łącznej masie 173 kg. Innym są pokrywy silników
moplastów lub blachy. Metoda nawijania stosowana
samochodów Citron, zderzaki samochodów Renault
była w USA początkowo w latach 50. w technice rakie-
oraz cała karoseria samochodu Renault Espace. Duże
towej. Obecnie wytwarza się tą metodą przemysłowe
koncerny przemysłu metalowego dostarczają całe zauto-
zbiorniki stałe, cysterny samochodowe i kolejowe, rury i
matyzowane i skomputeryzowane linie produkcyjne do
wyroby sportowe. Wzrasta też stosowanie obok włókien
wytwarzania wyprasek z SMC dla przemysłu motoryza-
szklanych włókien karbonizowanych (C). Ważnym kie-
cyjnego. Obszerny opis stanu techniki SMC znajduje się
runkiem zastosowań są butle do gazów sprężonych, np.
w ostatnich publikacjach krajowych [1-3].
do napędu gazowego samochodu, do nurkowania i wspi-
naczki wysokogórskiej, gdzie zastosowanie włókien C
pozwala na znaczne oszczędności ciężarowe w stosunku
NAWIJANIE [4-7]
do butli stalowych. Ten rynek
w USA szacowany jest na około 250 tys. dolarów.
Formowanie metodą nawijania pozwala na stosowa-
Istotnym elementem rozwoju technologii nawijania w
nie dużego stopnia automatyzacji i sterowania kompute-
ostatnim okresie jest stosowanie zamiast żywic termo-
rowego oraz umożliwia znaczną redukcję kosztów
utwardzalnych polimerów termoplastycznych. Podsta-
robocizny. Stosowane są dwa podstawowe systemy na-
wową trudnością dla dużej szybkości nawijania
wijania [8]:
z użyciem termoplastów jest trudność impregnacji włó-
" nawijanie obwodowe lub śrubowo-pętlicowe urzą-
kien, gdyż stopy termoplastów mają lepkość o parę rzę-
dzeniami opartymi na działaniu typu tokarki (obro-
dów większą niż żywice termoutwardzalne. Stosuje się
towy rdzeń, przesuwny suport),
tu więc wstępnie impregnowane pasma lub taśmy włó-
" nawijanie planetarne pozwalające na uzyskanie na-
kien, które są nawijane na rdzeń, poddawane topieniu i
woju obwodowego i poosiowego (wzdłużnego).
chłodzeniu, lub pasma przędz hybrydowych, składające
Systemy te mogą być łączone. W zakresie budowy urzą-
się z włókien wzmacniających (szklanych, węglowych) i
dzeń nawijających nastąpił znaczy rozwój. Do nie-
filamentów termoplastycznych, które topią się pod
dużych elementów stosowane są nawijarki wielotrzpie-
wpływem różnych sposobów nagrzewania
niowe, mające nawet do 30 wrzecion obrotowych, na
i łatwo impregnują sąsiednie włókna strukturalne. Sto-
których montowane są rdzenie. Dostarczane są kompute-
sowane są też przędze rdzeniowe (rdzeń np. z włókna
rowe programy do sterowania przy wytwarzaniu
szklanego pokryty polimerem termoplastycznym).
nawet skomplikowanych kształtów o układzie wzmoc-
nień, zapewniającym uzyskanie optymalnych właściwoś-
ci wytrzymałościowych struktury nawijanej, uwzględ-
FORMOWANIE METOD UKAADANIA WAÓKIEN
niające rozkład naprężeń w eksploatowanym wyrobie.
LUB TAŚM [8-13]
Istotnym ograniczeniem techniki nawijania jest trudność
uzyskania elementów o płaszczyznach wklęsłych. Pro-
Metoda ta została pierwotnie zastosowana w techni-
blemem jest również konstrukcja i materiał rdzeni, na
ce lotnictwa wojskowego w USA, szczególnie w przy-
których powstaje nawijana struktura kompozytowa, a
padku elementów o powierzchniach wklęsłych i wyma-
które w zasadzie muszą być z niej po utwardzeniu wyję-
gających określonego zorientowania wzmocnienia (np.
te. W tym zakresie dąży się stale do unowocześnienia
skrzydła i usterzenie). Pozwala ona, podobnie jak nawi-
rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych. Interesują-
janie, na uzyskanie dużego stopnia robotyzacji, automa-
ca jest konstrukcja rdzenia poprzez tworzenie go z nawi-
tyzacji i komputerowego projektowania i sterowania
janej na trzpienie rozporowe elastycznej taśmy stalowej
układów włókien. W tej metodzie w ostatnim okresie
bez końca. Rdzeń taki w metodzie Drostholm Prod. Inc.
stosowane są już także termoplasty. Schemat metody
stanowi ok. 8 cm taśma, tworząca układ
przedstawia rysunek 3.
zamknięty, pozwalająca na prowadzenie nawijania me-
Ujemną cechą metody jest konieczność wielokrotne-
todą ciągłą wyrobów rurowych o średnicach od ok. 30
go, posuwisto-zwrotnego nakładania impregnowanego
do 2000 cm. Metodą tą wytwarzane są poliestrowe rury i
wzmocnienia w postaci płaskiego paska szerokości kilku
walczaki w firmie Nordcap Plastic koło Gdańska. Rury
mm w celu uzyskania wyrobu o dużej powierzchni. Sto-
te mają strukturę przekładkową, zawierającą obok włó-
sowanie szerszych pasków utrudnia ścisłe ułożenie na
powierzchniach o zróżnicowanym kształcie
Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe 19
i może powodować luki w układzie wzmocnienia. że warstwy tkanin lub mat, zapewniające wytrzymałość
Metodą tą wytwarza się elementy struktur samolotów poprzeczną lub obwodową (rys. 4).
(górna powierzchnia skrzydła przechylnego wiropłatu Powiększyły się także rozmiary poprzeczne wytwa-
V22). W metodzie rozwija się stosowanie nowych rzanych profili. Zastosowano też ogrzewanie prądami
1
wysokiej częstotliwości, co zapewniało równomierne
sieciowanie żywic termoutwardzalnych w przekrojach
2 o dużych wymiarach (np. prętów masywnych). Wprowa-
dzono też kombinacje typowego przeciągania wzdłuż-
3
nych włókien z procesem równoczesnego nawijania
7
obwodowego (proces zwany pullwinding ). Proces ten
8
pozwala na wytwarzanie profili z ciągłym rdzeniem
obcym. Rozpoczęto też wytwarzanie profili z użyciem
termoplastów np. przy zastosowaniu preimpregnowa-
nych włókien. Wprowadzono też specjalny segment,
6
w którym stopiony termoplast jest tłoczony pod ciśnie-
4
niem, co przypomina metodę RTM, ale pracującą
5
dynamicznie (w ruchu) - rys. 4b.
typów włókien i polimerów np. utwardzanych wiązką
elektronów. W przypadku elementów, w których nastę-
2
1
a
pują znaczne koncentracje naprężeń, np. wokół otworów
4
9
7
lub gwałtownych zmian kształtu, stosuje się tzw. mini-
5 6
fibre placement, pozwalające na optymalne, gęste ułoże-
12
nie włókien, skutkujące znacznym wzrostem wytrzyma-
łości w tych krytycznych miejscach konstrukcji.
8 10
Rys. 3. Schemat wytwarzania kompozytu metodą układania włókien: 3
1 - indywidualne impregnowane pasma rovingu S lub C o kontro-
lowanym napięciu, 2 - kolimator łączący pasmo w taśmę,
b
2
1
3 - wałki ciągnące i zagęszczające, 4 - wałek nakładający, 5 - po-
4
wierzchnia elementu konstrukcyjnego, 6 - nagrzewacz, 7 - nóż do 7 9
odcinania taśmy, 8 - taśma włókien
5 6
Fig. 3. Scheme of production of the composite by the fiber placement
method: 1 - individual impregnated S or C roving strands
of controlled tension, 2 - collimator joining strands into a band,
3 - driving and compacting rolls, 4 - placing roll, 5 - structural ele-
ment surface, 6 - heater, 7 - band cutting knife, 8 - band of fibers
8 10
13 15
14
Rys. 4. Schematy urządzeń do wytwarzania profili: a) urządzenie typowe z
FORMOWANIE PROFILI (PULTRUSION) [16-21]
wanną impregnacyjną do pasm włókien, b) urządzenie z wprowa-
dzeniem tkanin oraz z segmentem impregnacji pod ciśnieniem; 1 -
Ogólnie proces pultruzji polega na impregnacji
nawoje rovingu, 2 - zwoje tkanin, 3 - prowadnice formujące, 4 -
ciągłych pasm włókien (np. szklanych, węglowych)
prowadnice, 5 - narzędzie formujące profil, 6 - urządzenie grzew-
cze, 7 - odciąg profilu, 8 - suwaki hydrauliczne odciągu, 9 - prze-
ciekłą żywicą, przeciągnięciu ich przez ustniki formują-
suwna piła tnąca, 10 - gotowy profil ciągniony,
ce, przez zespół grzejny o określonym profilu temperatu-
11 - wanna impregnacyjna, 12 - wałki napinające i odciskające, 13
rowym dla utwardzenia, a dalej pocięciu produktu na - podgrzewacz wstępny wzmocnienia, 14 - naczynie ciśnieniowe z
żywicą, 15 - wtłaczanie ciekłego polimeru (żywicy)
odpowiednie odcinki. Metoda ta stanowi prawdziwie
Fig. 4. Schemes of devices for pultrusion process: a) typical device fitted
ciągły proces wytwarzania strukturalnych elementów
with fiber band impregnation tank, b) the device introducing cloths
kompozytowych z dużą wydajnością, stosunkowo niski-
fitted with pressure impregnation unit; 1 - roving beams,
2 - cloth rolls, 3 - shaping guides, 4 - guides, 5 - section shaping
mi kosztami, bez odpadów i przy dużej automatyzacji.
tool, 6 - heater, 7 - section broaching device, 8 - hydraulic sliders,
Została ona wprowadzona do techniki w latach 50., np.
9 - sliding cut-off saw, 10 - finished drawn section, 11 - impregna-
przy wytwarzaniu prętów elektroizolacyjnych, spinin-
tion tank, 12 - tightening rollers, 13 - initial heater of the reinforce-
ment, 14 - resin pressure tank, 15 - liquid resin injection
gów, anten prętowych i profili konstrukcyjnych w wer-
sjach ceowników i teowników. W dalszym okresie po
rozwoju urządzeń i głowic formujących asortyment pro-
fili objął kształty bardzo skomplikowane, np. ram okien-
WZMOCNIENIA TRÓJWYMIAROWE
nych, rur o przekroju kołowym i prostokątnym, posiada-
KOMPOZYTÓW I PREFORMY [22-35]
jących w strukturze nie tylko włókna wzdłużne, ale tak-
Wzmocnienia o strukturze przestrzennej (3D) wy-
twarzane są różnymi technikami, takimi jak: tkanie,
20 W. Królikowski
Fig. 6. Scheme of structure of various 3-D reinforcements: a) 3-D cloth, b)
splatanie i oplatanie, igłowanie i dzianie. Tymi metoda-
distance clothes
mi wytwarzane są trójwymiarowe preformy różnych
kształtów do otrzymywania kompozytów różnymi tech-
Wadą takich preform jest ułożenie włókien dwukie-
nologiami.
runkowo, tj. pod kątem 0 lub 90 do osi preformy. Po-
woduje to, że kompozyty tak wzmocnione mają małą
Tkanie
wytrzymałość na ścinanie i skręcanie. Prowadzone są
Przy niewielkich modyfikacjach typowych maszyn
więc prace nad rozwojem urządzeń pozwalających na
tkackich można wytwarzać wielowarstwowe wzmocnie-
wytwarzanie preform z włóknami ułożonymi pod kątem
nia tkane o dużej różnicy struktury. Mogą tu być stoso-
0, 45 i 90. Stosunkowo wysokie koszty wytwarzania
wane różne włókna lub ich kombinacje, np. włókien
preform tkanych ogranicza ich zastosowanie do celów
szklanych z węglowymi. Tak wytwarza się prefor-
specjalnych w technikach lotniczych i kosmicznych.
mowane wielowarstwowe wzmocnienia, np. o kształcie
Prowadzi się więc prace nad obniżeniem kosztów wy-
dwuteownika (rys. 5).
twarzanie przez konstrukcje ulepszonych krosien. Roz-
wojowym kierunkiem zastosowania tkania 3D jest wy-
twarzanie struktur warstwowych i przekładkowych (ang.
Distance lub Spacer Fabrics) - rys. 6, służących jako
lekkie konstrukcje lotnicze.
Splatanie
Tą metodą wytwarza się wzmocnienia tak płaskie
2D, jak i trójwymiarowe 3D. Te ostatnie wprowadzono
do techniki w końcu lat 60. Wytwarza się takie preformy
splatane z włókien szklanych, węglowych, aramido-
wych, przy zastosowaniu różnych urządzeń splatających
Rys. 5. Schemat struktury tkanej preformy dwuteownika o budowie tek-
stylnej
Fig. 5. Scheme of the woven preform of textile structure I-section
a)
(rys. 7).
Rys. 7. Schemat horyzontalnego splatania preformy o skomplikowanej
geometrii: 1 - stały rdzeń, 2 - obrotowe i przesuwne urządzenie
Fig. 7. Scheme of horizontal stranding of a geometrically complicated
preform: 1 - constant core, 2 - rotating and sliding device
b)
Wytwarza się splatane preformy o strukturze prze-
strzennej (np. zakończenie dziobowe rakiet). Ułożenie
włókien we wzmocnieniach splatanych może być różno-
kątowe. Limitem jest tu wymiar poprzeczny preformy,
co ogranicza konstrukcja urządzeń splatających. Wydaj-
ność procesu splatania nie jest duża, gdyż proces jest
dość wolny, co ogranicza szersze jego stosowanie.
Igłowanie i zszywanie
Proces wytwarzanie preform metodą igłowania jest
Rys. 6. Schemat struktury różnych wzmocnień 3D: a) tkanina 3D,
stosowany dla technik lotniczych i kosmicznych. Pier-
b) tkaniny dystansowe
wotnie igłowanie stosowano do wytwarzania wielowar-
Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe 21
stwowych preform z tkanin dla ich złączania i uzyskania
wyrobu o pożądanym kształcie (rys. 8).
Dalszym celem było uzyskanie podwyższonej udar-
ności kompozytów otrzymywanych z wielowarstwowych
wzmocnień preformowanych o skomplikowanych kształ-
tach. Takie struktury wymagają specjalnych wielo-
igłowych maszyn, działających na zasadzie robotów, co
podraża jednak koszty inwestycyjne. Obecnie stosowane
Rys. 10. Schemat struktury dzianego wzmocnienia 3D (dystansowego)
maszyny igłujące wytwarzają wielowarstwowe wzmoc-
Fig. 10. Scheme of the structure of knitted 3-D (distance) reinforcement
nienia preformowane o szerokości do 1 m i grubości 5
mm. Prowadzone są prace nad dalszym rozwojem wy-
Kompozyty wytwarzane ze wzmocnieniem dzianym
twarzania preform tą metodą np. w koncernie Boeninga
cechuje stosunkowa duża udarność, lecz mała wytrzy-
do wytworzenia preformy skrzydła samolotu, a także w
małość na rozciąganie i zginanie. Znajdują one różne
Advanced Composite Technology Center
zastosowania specjalne w przemyśle maszynowym,
w NASA.
lotniczym, kosmicznym i protez medycznych. Ostatnio
prowadzone są prace nad kombinacją procesów dziania
i tkania w celu uzyskania wzmocnień zapewniających
kompozytom dużą wytrzymałość i udarność.
WZMOCNIONE GRANULATY
TERMOPLASTYCZNE [36-44]
Obecnie na rynku znajdują się praktycznie wszystkie
polimery termoplastyczne wzmocnione włóknami, głów-
nie szklanymi. Jednak tonażowo najważniejsze są po-
Rys. 8. Schemat igłowanych tkanin warstwowych o różnym kącie przędzy
liamidy i polipropylen. W przypadku termoplastów, jak
wiążącej
to powiedziano już wcześniej, istotnym problemem jest
Fig. 8. Scheme of needled laminar clothes with various angle of binding
impregnacja i zwilżanie włókien polimerami w stopie o
yarn
dużych lepkościach, znacznie większych niż lepkość
oligomerycznych żywic termoutwardzalnych. Tradycyj-
Dzianie ne już granulaty termoplastyczne z włóknem krótkim są
wytwarzane w wytłaczarkach ślimakowych, do których
Preformy otrzymywane metodą dziania są szczegól-
obok granulatu termoplastu wprowadzane jest ok.
nie elastyczne (rys. 9) i mają zastosowanie do wytwa-
1535% ciętych włókien szklanych o długości zwykle
rzania struktur kompozytowych o skomplikowanych
3 mm. Mieszanie i zwilżanie włókien następuje w sto-
i głębokich kształtach.
pie. Jako produkt otrzymuje się granulat wzmocniony, w
którym włókna rozmieszczone chaotycznie w przestrze-
ni mają długość mniejszą niż wprowadzonych wskutek
łamania w procesie wytłaczania. Wytwarzanie wyrobów
z takich granulatów odbywa się metodą wtrysku. Wsku-
tek dalszego uszkadzania i łamania we wtryskarce śli-
makowej włókna w gotowym wyrobie są bardzo krótkie,
a ich długość wynosi na ogół mniej niż
0,5 mm i jest zwykle mniejsza niż długość krytyczna,
a więc i efekt wzmacniający jest niewielki.
W ostatnim okresie opracowano metody wytwarzania
termoplastycznych granulatów z włóknem długim. W
Rys. 9. Schemat struktury wzmocnienia dzianego
Europie wprowadzono je do techniki na początku lat 90.
Fig. 9. Scheme of the structure of knitted reinforcement
pod nazwą Long Fibre Thermoplastics (LFT).
W wyrobach wtryskiwanych z tych nowych granulatów
Tą metodą można wytwarzać wzmocnienia 2D i 3D przy zoptymalizowanych parametrach wtrysku włókna
(rys. 10). są stosunkowo długie, sięgające kilku milimetrów, a
więc na ogół przekraczające długość krytyczną. Wła-
ściwości wytrzymałościowe takich wyprasek są więc
22 W. Królikowski
drying zone, 4 - cross head, 5 - extruder, 6 - cooling zone,
wysokie, znacznie większe niż tradycyjnych z włóknem
7 - broaching rollers, 8 - cutter
krótkim (rys. 11).
Z różnych stosowanych przemysłowo metod wytwa-
rzania granulatów długowłóknistych można wymienić
dwie główne, z których pierwsza jest szerzej stosowana:
KOMPOZYTY KONSTRUKCYJNE OTRZYMYWANE
" impregnacja ciągłego rovingu w głowicy krzyżowej
METOD WYTAACZANIA, DEPOZYCJI
wytłaczarki (rys. 12) i następnie cięcie na sztabki
I NISKOCIŚNIENIOWEJ KOMPRESJI [45]
(peletki) o długościach: 6, 12, 18, 25 i 50 mm. Włók-
Sposób ten, rozwijany w ostatnich kilku latach z za-
na o tych długościach ułożone są równolegle do osi
stosowaniem głównie na elementy samochodowe i prze-
sztabki. Zawartość włókien od ok. 30 do 50% wag.;
mysłu maszynowego, zwany z ang. Melt Compresion
" wprowadzenie do dwuślimakowej wytłaczarki koro-
Moulding - In Mould Lamination - MCM-IML, polega
tacyjnej ciągłego rovingu, który owija się na rdzeniu
na wytworzeniu w wytłaczarce materiału typu LFT
ślimaka i zostaje rozrywany zwojami drugiego. W
i wytłaczaniu przez ustnik szczelinowy w głowicy
efekcie otrzymuje się granulat o bardzo różnej długo-
taśmy, która jest układana w dwuczęściowej formie
ści włókien i różnym ich rozkładzie przestrzennym.
umieszczonej w prasie. Głowica porusza się w trzech
osiach xyz, co umożliwia równomierne ułożenie taśmy w
formie o powierzchni sfalowanej i skomplikowanej. Po
pokryciu całej formy następuje etap niskociśnieniowego
sprasowania, schłodzenia wypraski i jej wyjęcia. W tym
procesie można włożyć do formy przed sprasowaniem
powierzchniowy materiał dekoracyjny (np. tkanina welu-
rowa) i uzyskać gotową wypraskę, np. wewnętrznej
strony drzwi samochodowych. Proces może być wysoko
zautomatyzowany. Cykl wytwarzania takiej wypraski
wynosi ok. 60 s. Właściwości wytrzymałościowe są
wysokie, ponieważ włókna nie ulegają uszkodzeniu jak
Rys. 11. Udarność i moduł sprężystości termoplastów wzmocnionych
włóknem krótkim (tradycyjne) i długim wg nowych technologii:
w procesie wtrysku.
1-9 kompozyty z różnymi termoplastami z włóknem długim, 10-
18 z włóknem krótkim
Fig. 11. Impact resistance and elasticity modulus of thermoplastics rein-
forced with short fibers (traditional) and long fibers
TERMOPLASTY WZMOCNIONE MAT
according to the new LFT technology: 1-9 composites with vari-
ROVINGOW - TWM [40, 46-49]
ous thermoplastics with long fibers, 10-18 with short fibers
Stosunkowo nowymi materiałami konstrukcyjnymi
Kompozyty typu LFT znajdują szybko rosnące zasto- o charakterze płyt są termoplasty wzmocnione matą
rovingową lub ciętym rovingiem. Głównymi polimerami
sowanie w przemyśle maszynowym.
używanymi w tej technologii są poliamidy, polipropylen,
a ostatnio także ABS, poliwęglany, poliestry nasycone i
8
7
1
3
stopy (PC/PBT). Stosowanych jest kilka metod wytwa-
4
rzania tych materiałów. Klasyczna technologia firmy
amerykańskiej Azdel Inc., stosowana także przez szereg
firm europejskich, polega na wytłaczaniu z głowicy
szczelinowej wytłaczarki płyty termoplastu i wtłaczaniu
w nią na gorąco dwu warstw maty szklanej z rovingu
6
ciętego w prasie taśmowej, po czym przejściu tego mate-
2
riału do chłodzonej sekcji prasy taśmowej, a następnie
5
pocięciu kompozytu na płyty
o grubości 16 mm. W tej technologii są stosowane
także maty pętlicowe z rovingu ciągłego (Unifilo),
Rys. 12. Schemat otrzymywania kompozytów termoplastycznych (granula-
tów) z włóknem długim (LFT) w głowicy krzyżowej wytłaczarki:
a może być wprowadzona także tkanina szklana. Pro-
1 - nawoje rovingu, 2 - strefa ewentualnego nanoszenia preparacji
dukcja tą metodą jest procesem ciągłym. W zależności
powierzchniowej, 3 - strefa ogrzewania i suszenia,
4 - głowica krzyżowa, 5 - wytłaczarka, 6 - strefa chłodzenia, od rodzaju stosowanego polimeru produkty wg technolo-
7 - wałki odciągowe, 8 - krajalnica
gii Azdel mają nazwy Azdel, Azmet i Azloy.
Fig. 12. Scheme of production of granulated long fiber thermoplastic com-
Stosowana jest też metoda papiernicza , polegająca
posites by means of extrusion cross head: 1 - roving beams, 2 -
na wytworzeniu w zbiorniku suspensji wodnej polimeru
zone of possible applying of surface preparation, 3 - heating and
w postaci drobnego proszku oraz ciętych włókien rovin-
Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe 23
[2] Królikowski W., Materiały III Szkoły Kompozytów, Wisła
gu szklanego długości ok. 12 mm. Suspensja ta jest po-
10-12 grudnia 2001, Politechnika Warszawska, 159.
dawana na taśmę dziurkowaną, z której woda jest odsy-
[3] Królikowski W., Inżynieria Materiałowa 2002, 1-2 (w druku).
sana, a wytworzona warstwa polimeru i włókien prze- cho-
[4] Bannister M., Composites 2001, Part A, 32, 901.
dzi do sekcji grzejnej i dalej jest obrabiana jak w me-
[5] Jacobs A., Reinf. Plast. 1998, 42, September, 48.
todzie Azdel lub podawana na ogrzewany kalander.
[6] Strover D., High Perform. Comp. 1994, May/June, 26.
W tej metodzie cięty roving ulega defilamentacji i w efek-
[7] Leek C., Reinf. Plast. 1998, 42, September, 52.
cie powstaje produkt wzmocniony wysoko zdyspergo-
[8] Królikowski W., Kłosowska-Wołkowicz Z., Penczek P.,
wanymi w polimerze monowłóknami szklanymi (o śred-
Żywice i laminaty poliestrowe, WNT, Warszawa 1986,
nicy ok. 1013 źm). Właściwości mechaniczne tak wy- 570.
[9] Pasanen M. i in., Proceedings of the 5th Japan Intern.
tworzonego materiału są lepsze niż opisanego poprzed-
SAMPE Symposium 1996, 1055.
nio, ale mamy do czynienia z dużymi ilościami wody.
[10] Evans D., 38th Intern. SAMPE Symposium 1993, 80.
Wytwarzanie elementów konstrukcyjnych z TWM
[11] Fisher K., High Perform. Comp. 1995, July/August, 23.
polega na formowaniu w prasach hydraulicznych, takich
[12] Anon., High Perform. Comp. 1999, March/April, 7.
jak dla SMC, na gorąco pod ciśnieniem metodą tzw.
stampingu (ciśnienie ok. 5 N/mm2) lub prasowania z
[13] Anon., High Perform. Comp. 1999, May/June, 7.
płynięciem materiału (flow moulding) pod wyższym
[14] Goodman D. i in., 44th Intern. SAMPE Symposium 1999,
ciśnieniem (ok. 1520 N/mm2) i w istotnie wyższej 269.
[15] Dierdjevic B. i in., 44th Intern. SAMPE Symposium 1999,
temperaturze. TWM stosowane są od końca lat 70.
1240.
w europejskim przemyśle samochodowym do wytwarza-
[16] Królikowski W., Jak odnośnik 8, 564.
nia elementów podlegających silnie korozji, jak np. pro-
[17] Anon., Rein. Plast. 1991, 35, November 37.
gi, nadkola, misy olejowe, obudowy skrzyni biegów,
[18] Jrss D., Michaeli W., Kunststoffe 1992, 82, 59.
zderzaki, a także szkielety siedzeń.
[19] Fanucci J.P., Nolet S.C., Polym. Comp. 1996, 673.
[20] Weaver A., Books N., Reinf. Plast. 1996, 40, May, 22.
[21] Stickler P. i in., 44th Intern. SAMPE Symposium 1999,
RIM STRUKTURALNY - S-RIM [19, 50-53]
156.
[22] Brandt J. i in., 23 Intern. AVK Tagung, Mainz 1990, Sect.
RIM - Reaction Iniection Moulding - tzw. wtrysk re-
B2, 1.
aktywny polega na stosowaniu jako substratów substan-
[23] Mouritz A. i in., Composites 1999, 30, Part A, 1445.
cji monomerycznych, ewentualnie oligomerycznych, o
[24] Bannister M., Herszberg J., Resin Transfer Moulding for
małej lepkości, wymieszaniu ich w udarowej głowicy
Aerospace Structures - Advanced Reinforcements, Chap-
mieszającej i wpompowaniu ich do form, man and Hall, London 1998.
w których ułożone jest wzmocnienie włókniste (maty, [25] Bannister M., Nicolaidis A., 4th Intern. Symopsium for
Textile Composites 1998, 0-36-1.
tkaniny, preformy). W formie następuje polimeryzacja
[26] Wilsons S. i in., 43th Intern. SAMPE Symposium 1998,
i powstaje gotowy wielkocząsteczkowy wyrób kompozy-
1330.
towy. Metodą tą wytwarzane są głównie wyroby
[27] Dickinson L. i in., 44th Intern. SAMPE Symposium 1999, 303.
z poliuretanów i w mniejszym zakresie z poliamidów.
[28] Verpopest i in., 35th Intern. SAMPE Symposium 1990, 461.
Opracowuje się również stosowanie substratów do
[29] Nakatani T. i in., 4th Japan Intern. SAMPE Symposium
otrzymywania innych polimerów. Tą metodą można
1995, 1473.
wytwarzać duże elementy konstrukcyjne głównie dla
[30] Rosenbaum U., Michaeli W., 22 Intern. AVK Tagung,
przemysłu samochodowego. Nowo rozwinięte systemy Mainz, 1989 Sect. 9, 1.
[31] Hrsch F., 23 Intern. AVK Tagung, Mainz 1990, Sect. B2,
pozwalają na stosowanie tanich form z tworzyw
1.
wzmocnionych (np. laminatów epoksydowych), zamy-
[32] Dexter M., 28th Intern. SAMPE Symposium 1996, 404.
kanych mechanicznie i przy bardzo małym ciśnieniu
[33] Mouritz A., Composites 1997, 28, Part A, 979.
tłoczenia. Temperatury reakcji egzotermicznej powsta-
[34] Van Vuure i in., 44th Intern. SAMPE Symposium 1999,
wania polimeru sięgają 80100C przy wyrobach gru-
293.
bości 57 mm. Wytwarzane są elementy karoseryjne
[35] Bibo G. i in., Comp. Sci. Technology 1997, 57, 129.
o dużych masach aż do 50 kg i przy cyklach formowania
[36] De S.K., White J.R., Short Fibre - Polymer Composites,
od 3 do 20 min. Metoda jest energooszczędna. Woodhead Publ. Ltd., Cambridge 1996.
Materiały typu S-RIM, TWM, LFT, SMC można trak- [37] Schmidt B., Kunststoffe 1989, 79, 624.
[38] Zettler M. Doering, Kunststoffe 1989, 79, 797.
tować jako komplementarne i uzupełniające się w zależ-
[39] Ehrenstein G., Schemme M., Materiały Symp. nt. Kompo-
ności od przeznaczenia i warunków eksploatacji wyro-
zyty i kompozycje polimerowe, Szczecin, czerwiec 1994,
bów.
33.
[40] Dittmar H., Intern. AVK-Tagung, Baden-Baden 1999.
[41] Edelmann K. i in., Intern. AVK-Tagung, Baden-Baden
LITERATURA
1999.
[1] Królikowski W., Spaay A., Polimery 1999, 54, 716.
24 W. Królikowski
[42] Brussel R., Kuhfusz R., Intern. AVK-Tagung, Baden- [48] Anon., Reinf. Plast. 1999, 43, July/August, 48.
Baden 1998.
[49] Oelgarth G. i in., Kunststoffe 1998, 71, 480.
[43] Edelmann K., Naitzel, Intern. AVK-Tagung, Baden-Baden
[50] Klepek O., Materiały Sympozjum nt. Kompozyty i kompo-
1998.
zycje polimerowe, Szczecin, czerwiec 1994, 52.
[44] O Brian K. i in., 43rd Ann. Conf. Composite Institute SPJ
[51] Begemann M., Michael W., 22-AVK Tagung, Mainz 1989,
1988 Sect. 3D.
Sect. 11, 1.
[45] Kulmann G., Intern. AVK-Tagung, Baden-Baden 1998.
[52] Echler J., Wilkinson T., 41th Ann. Conf. Composite Institu-
[46] Six J., Intern. AVK-Tagung, Mainz 1987, Sect. 22, 1-8. te SPJ 1986, 9.
[47] Jung N., Fachtagung Faserverbundwerkstoffe aut dem Weg [53] Kuhlman P. i in., 21 AVK Tagung, Mainz 1987, 33.
in die Zukunft, Wrzburg 1989, 140.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Materiały kompozytowe o osnowie polimerowejWzmocnienia konstrukcji materiałami kompozytowymi System Sika07 Hojdys L i inni Wzmacnianie sklepien murowych materialami kompozytowymiidh71Materiały kompozytowe w budownictwie cz1PERSPEKTYWY ZASTOSOWANIA NANOKRYSZTAŁÓW DO OTRZYMYWANIA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCHMateriały kompozytowe o osnowie metalowej7176515 PN81B0315000 Konstrukcje z Drewna i Materiaow Drewnipochodnych Obliczenia Statyczne i ProjekRola adhezji w połączeniu materiałów kompozytowych ze szkliwemmateriały kompozytowe w wypełnieniach stomatologicznychnowoczesne materialy konstrukcyjne pytania zaliczenioweSZKLANE CZY WĘGLOWE WŁÓKNA W KOMPOZYTACH POLIMEROWYCHMaterialy konstrukcyjne RZ 306 Rozpoznawanie materiałów i elementów konstrukcyjnychwięcej podobnych podstron