Click here to load reader

Ingineria materialelor compozite polimerice si procese de prelucrare

  • View
    225

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Ingineria materialelor compozite polimerice si procese de prelucrare

  • 1

    Ingineria materialelor compozite polimerice si procese de prelucrare

    a acestora

    ef lucr.dr.ing. CONSTANA IBNESCU

  • 2

    CUPRINS I. MATERIALE COMPOZITE TERMOPLASTICE

    I.1. INTRODUCERE I.2. SCURT ISTORIC AL MATERIALELOR COMPOZITE I.3. DEFINIII. TIPURI DE MATERIALE COMPOZITE

    I.3.1. Sisteme poroase impregnate cu polimeri I.3.2. Compozite macroscopice

    I.3.2.1. Materiale plastice metalizate

    I.3.2.2. Materiale stratificate cu suport I.3.2.3. Materiale stratificate

    constituite din mai multe straturi de material plastic

    I.3.3. Polimeri arjai I.3.3.1. Compozite cu umpluturi disperse

    .3.3.2. Compozite cu umpluturi fibroase

    II. PRINCIPIILE OBINERII COMPOZITELOR TERMOPLASTICE

    II.1. PRINCIPIILE RAMFORSRII CU MATERIALE DE UMPLUTUR

    II. 1.1. Mecanismele de transmitere a tensiunii de la matrice la materialul de umplutur

    II.1.1.1. Fibre de armare

    II.1.1.2. Umpluturi disperse(fibre scurte) II.1.2. Modele teoretice pentru descrierea proprietilor fizice i mecanice ale compozitelor polimerice II.2. CALCULUL PROPRIETILOR ELASTICE ALE COMPOZITELOR CU UMPLUTURI DISPERSE (FIBRE SCURTE) II.3. ADEZIUNEA LA INTERFA

    4

    4

    8

    10

    11

    11

    13

    14

    16

    17

    17

    20

    22

    22

    22

    22

    27

    31

    31

    35

  • 3

    II.4. MEZOFAZA II.5. FENOMENE DE INTERFA N SISTEMELE

    POLIMER-SOLID II.5.1. Fenomene fizico-chimice la grania de separare a fazelor material de umplutur-polimer II.5.2. Noiuni de termodinamica legturii polimer-solid II.5.3. Metode de modificare a legturilor la limita de

    separare polimer-solid II.6. AGENI DE CUPLARE II.6.1. Introducere II.6.2. Mecanismul de cuplare la materialul de umplutur

    II.6.3. Interaciunea cu polimerul II.6.4. Aplicaii n cazul poliolefinelor

    II.6.5. Grefarea agenilor de cuplare pe poliolefine II.6.6. Ageni de cuplare silanici

    II.7. MODIFICAREA MATRICII POLIMERICE II.8. COMPOZIII PENTRU TRATAMENTUL DE SUPRAFA AL FIBRELOR DE STICL DESTINATE FABRICRII MATERIALELOR COMPOZITE CU MATRICE POLIPROPILENIC

    III. MATERIALE DE UMPLUTUR III.1. TRSTURI GENERALE III.2. MATERIALE DE UMPLUTUR PE BAZ DE STICL

    III.2.1. Fibre de sticl III.2.1.1. Principii de fabricare a fibrelor de sticl III.2.2. Bile de sticl IV. TEHNOLOGII DE OBINERE A COMPOZITELOR POLIOLEFINICE CONINND MATERIALE DE ARMARE V. BIBLIOGRAFIE

    38

    42

    45

    47

    51

    54

    54

    56

    59

    60

    62

    64

    69

    75

    78

    78

    83

    83

    90

    95

    96

    104

  • 4

    I. MATERIALE COMPOZITE TERMOPLASTICE

    I.1. INTRODUCERE Materialele de umplutur i/sau armare sunt adugate polimerilor n

    general pentru a le mbunti proprietile fizico-mecanice i/sau preul de

    cost (Opinie general).

    Este mult timp de cnd aceast fraz a nceput s circule n lucrrile

    tiinifice, reviste i monografii, dar ea nu este mai puin important azi, dup

    cum nu va fi mai puin important mine. Muli cercettori i ingineri angajai

    n industria de polimeri cred c viitorul aparine compozitelor i, spre sfritul

    acestui secol, polimerii fr materiale de umplutur vor fi considerai

    semifabricate, aa cum se consider azi cauciucurile sau rinile

    carbamidice.

    Multe materiale termoreactive sunt deja utilizate sub forma

    compoziiilor cu grad nalt de umplere, iar compozitele rezistente, cu module

    nalte, ramforsate cu fibre au devenit o clas de materiale de sine stttoare.

    n multe cazuri i acoperirile polimerice i adezivii sunt tot materiale cu

    umplutur.

    Ce teritoriu a rmas neinvadat de materialele de umplutur?

    Termoplasticele comune? Fibrele? Filmele? Dar poli(clorura de vinil) (PVC)

    fusese de mult i cu succes umplut cu carbonat de calciu n cazul fabricrii

    linoleumului i al dalelor decorative. Polipropilena cu material de umplutur a

    devenit cel mai popular material plastic cu aplicaii inginereti. De

    asemenea, n literatura de specialitate se pot gsi referiri la filme i fibre cu

    material de umplutur.

    ns mai exist preobleme n direcia perfecionrii materialelor de

    umplere. mbuntirile aduse ntregului complex de proprieti fizice,

    mecanice, reologice, fizico-chimice, termice, electrice, magnetice, constituie

    probleme ce nu pot fi rezolvate ntotdeauna spre satisfacia final. n ceea

    ce privete materialele comune problema cea mai important este legat de

    mbuntirea economicitii. Rezolvarea const fie n scderea preului de

    cost al materialului, fie n mbuntirea prelucrabilitii i a performanelor.

  • 5

    Criza de petrol i creterea costului enrgiei sunt, de asemenea, factori ce

    stimuleaz dezvoltarea materialelor compozite.

    O expunere cuprinztoare a tuturor materialelor de umplutur

    minerale, organice i sintetice, curent utilizate, a fost publicat de Katz i

    Milewski [1]. Dac la aceast list impresionant adugm aerul, gazele i

    cteva lichide vom ajunge la concluzia c aproape toate materialele, fie ele

    naturale sau sintetice, pot fi, ntr-o form sau alta amestecate cu o matrice

    polimeric pentru a forma un compozit util. Tuturor materialelor de umplutur

    trebuie s li se confere forma potrivit i distribuia dimensional cea mai

    indicat a particulelor; mai mult, ele trebuie s fie n mod adecvat distribuite

    n matricea polimeric. n cazul materialelor de umplutur rigide, suprafeele

    trebuie tratate pentru a ndeprta umiditatea i gazele adsorbite sau pentru a

    se asigura straturi speciale de tranziie. Tehnologia modern a materialelor

    compozite se bazeaz pe dou tehnici principale: impregnarea materialelor

    de umplutur cu o topitur de polimer i compundarea materialelor de

    umplutur cu polimer topit. Dar acest lucru nu nseamn, bineneles, c nu

    exist i alte procedee i, mai ales, c nu apar mereu noi tehnici. Un

    exemplu n acest sens l reprezint umplerea n timpul polimerizrii.

    Stadiul actual n domeniul fabricrii compozitelor cu matrice

    polimeric nu permite discutarea tuturor problemelor de interes dintr-un

    punct de vedere unitar. Cantitatea de date acumulate pn acum este prea

    mare peantru a permite o analiz cuprinztoare a tuturor aspectelor

    implicate, chiar n cadrul unei monografii.

    Este uor s se postuleze necesitatea umplerii la scar de mas a

    termoplasticelor pe fondul tendinei generale de cretere a preului petrolului

    i energiei. Dar, oricine accept aceast idee trebuie s fie pregtit s

    rspund la cel puin trei ntrebri:

    1. Exist ci de a pastra, n materialele cu umplutur, plasticitatea

    i rezistena la oc, eseniale n termoplasticele fr umplutur?

    2. Cum s se asigure acelai grad de prelucrabilitate n materialul

    cu umplutur, ca i n cel fr?

  • 6

    3. Cum s amesteci materialul de umplutur cu matricea

    polimeric fr consum suplimentar de putere i fr

    deteriorarea proprietilor componentelor individuale?

    Aceste ntrebri au devenit acute n ultimii ani datorit creterii

    competiiei dintre materialele compozite i cele cu structur convenional.

    Ele sunt n mod repetat discutate n literatur [2, 3]. Totui suntem nc

    departe de inta utilizrii pe scar larg a materialelor termoplastice cu

    umplutur, deoarece producia lor total nu a atins dect 1% din producia

    anual a termoplasticelor obinuite. Muli specialiti susin c umpluturile

    minerale mbuntesc rigiditatea, duritatea i stabilitatea dimensional a

    produselor, dar alii insist c ele vor crete friabilitatea i vscozitatea

    topiturii. n plus, materialele de umplutur fibroase sunt capabile s

    mbunteasc rezistena mecanic i rezistena la traciune dar, n afara

    avantajelor menionate, ele fac materialul mai costisitor.

    Exist motive s se presupun c cele mai multe companii de

    prelucrare a materialelor plastice au desfurat cercetri intense, n ultimele

    decenii, n domeniul compozitelor. n cele mai multe cazuri cercetarea se

    bazeaz pe urmtoarele postulate:

    1. Matrice poate fi orice polimer sau copolimer comercial.

    2. Tehnica de baz n producerea compozitelor este amestecarea

    sau compoundarea materialului de umplutur cu polimerul topit

    ntr-un dispozitiv mecanic adecvat.

    3. ntruct producia i controlul proprietilor materialelor plastice

    i compozitelor sunt ramuri ale tehnologiei prin ele nsele, tot

    ceea ce un specialist n compozite are de fcut este de a

    combina componenii potrivii i de a alege aditivii capabili s

    modifice proprietile structurilor de interfa.

    O serie de aspecte teoretice i tehnologice, nc nerezolvate, ridic

    probleme specialitilor. Cteva din cele mai importante sunt:

  • 7

    A) Aspecte teoretice: 1. Principiile ramforsrii polimerilor cu materiale de umplutur disperse, la

    deformaii joase i nalte, nu sunt nc complet elucidate. n timp ce

    adugarea de negru de fum ultrafin dispersat i silice n elastomeri

    conduce la mbuntirea global a proprietilor, suntem, nc, departe

    de obinerea unui efect similar n cazul materialelor termoplastice.

    2. Calculele proprietilor mecanice ale compozitelor cu matrice polimeric,

    n termenii mecanicii liniar-elastice, sunt n concordan suficient de

    bun cu experienele. Totui, apar dificulti teoretice considerabile n

    cazul rapoartelor de umplere mari sau medii, una din principalele

    probleme fiind inte