130

Click here to load reader

Kompozitni materijali

Embed Size (px)

DESCRIPTION

predavanja

Citation preview

Page 1: Kompozitni materijali

PROIZVODNJA KOMPOZITNIH TVOREVINA

Prof. dr. sc. Mladen ŠercerDr. sc. Ana Pilipović

Page 2: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Definicija kompozita

Kombinacije dvaju ili više faza (jednofaznih ili višefaznih), od kojih se svaki upotrebljava i kao samostalni materijal - osnovni materijal (matrica) i dodatni materijal (ojačavalo ili punilo).

Homogeni materijali dobiveni spajanjem dvaju ili više različitih materijala s ciljem postizanja specifičnih karakteristika i svojstava kakva ne posjeduje niti jedan sastojak sam za sebe.

Page 3: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Kompoziti se dijele prema: Materijalu matrice

metalni kompoziti MMC (e. Metal matrix composite) polimerni kompoziti PMC (e. Polymer Matrix

Composite) keramički kompoziti CMC (e. Ceramic Matrix

Composite) Materijalu ojačavala, npr.

kompoziti sa staklenim vlaknima kompoziti s metalnim ojačanjem itd.

Obliku ojačavala, npr. vlaknasti kompoziti kompoziti sa česticama itd.

Podjela kompozita

Page 4: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Rasporedu ojačavala kontinuirani kompoziti diskontinuirani kompoziti

Postupku izrade izravno prešani kompoziti namotavani kompoziti itd.

Primjeni konstrukcijski kompoziti elektrotehnički kompoziti itd.

Podjela kompozita

Page 5: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ponašanje polimernih kompozita ovisi o: Svojstvima materijala i ojačala Veličini i rasporedu konstituenata Volumnom udjelu konstituenata Obliku konstituenata Prirodi i jakosti veza među konstituentima

Polimerni kompoziti

Page 6: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Mehanizmi postizanja svojstava kompozita Adicijski efekt - doprinos pojedinog sastojka neovisan je o

doprinosu drugih (npr. gustoća kompozita je približnosrednja vrijednost gustoće njegovih sastojakaproporcionalno njihovim masenim udjelima)

Komplementarni efekt - svaki sastojak doprinosi ostvarenju samo određenog svojstva kompozita (npr. slojasti (sendvič) kompoziti - unutarnji sloj preuzima i prenosi opterećenja, a vanjski slojevi služe primjerice samo za poboljšanje postojanosti na atmosferske utjecaje)

Interakcijski efekt - određena svojstva kompozita bolja su nego pojedinačna svojstva njegovih sastojaka - dolazi do sinergističkog djelovanja sastojaka (npr. čvrstoća nekih staklenim vlaknima ojačanih polimernih kompozita znatno je viša od one kod bilo kojeg sastojka posebno).

Page 7: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Polimerni kompoziti Najproširenija vrsta kompozita Zastupljeni u raznim granama industrijske proizvodnje,

gdje vrlo uspješno zamjenjuju klasične konstrukcijske materijale

U automobilskoj industriji, brodogradnji, građevinarstvu, elektrotehnici i elektronici, a sve više u zrakoplovstvu, vojnoj industriji, te u raznim svemirskim programima.

Kompoziti mogu istovremeno postići: visoku čvrstoću, visoku krutost i malu masu, postojanost na

različite medije i druge kombinacije svojstava. mogućnost izrade složenih oblika Smanjenje troškova naknadne obrade dijelova Mogućnost spajanja dijelova tijekom izrade Dimenzijska stabilnost pri ekstremnim radnim uvjetima

Page 8: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Povijesni razvoj

1907. - L. Baekeland - fenol/folmaldehidne smole ojačane azbestnim vlaknima, odnosno drvnim brašnom –bakeliti.

Razvoj staklenih vlakana i nezasićenih poliesterskih (UP) smola u razdoblju između 1930. i 1935.

Oko 1940. – proizvodnja tvorevina od UP-smole ojačane staklenim vlaknima za brodove, avione i aute - nagli rast tehničke primjene vlaknima ojačanih plastičnih materijala.

Page 9: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Sastav polimernih kompozita

Osnovu jednofaznih polimernih kompozita čini polimerna matrica (dispergirajuća faza) u kojoj je na odgovarajući način raspoređeno ojačavalo (disperzna faza) najčešće u obliku vlakana različite duljine i od različitih materijala, te prianjala, tvari koja omogućuju funkcionalno povezivanje matrice i ojačala.

Page 10: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

MATRICA

OJAČAVALO

PRIANJALO

Shematski prikaz polimernih kompozita

Page 11: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

kompoziti s vlaknastim ojačanjima – nositelji meh. svojstava su vlakna

kompoziti s dispergiranim česticama – nositelj meh. svojstava je matrica

hibridni kompoziti s vlaknima i dispergiranim česticama

Podjela prema vrsti ojačavala

Page 12: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Polimerni kompoziti sa vlaknastim ojačanjima

Vlakna se razlikuju prema: vrsti materijala duljini promjeru orijentaciji i hibridizaciji

S obzirom na duljinu i orijentaciju vlakana dijele se na kompozite s: s kratkim vlaknima i česticama s dugim jednosmjerno orijentiranim vlaknima s dugim višesmjerno orijentiranim vlaknima – najveća

djelotvornost ojačanja

Page 13: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Funkcije matrice i vlakana

Vlakna: nose opterećenje zbog visoke čvrstoće mogu zaustaviti širenje pukotine

Matrica: povezuje vlakna prenosi opterećenja na vlakna zaštićuje vlakna od okolnih utjecaja i oštećenja matrica ne smije kemijski reagirati s vlaknom i mora

dobro prijanjati uz vlakna

Page 14: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Raspored vlakana

a) kontinuirana jednosmjerna vlaknab) slučajno usmjerena diskontinuirana vlaknac) ortogonalno raspoređena vlaknad) višesmjerno usmjerena vlakna

a) b)

c) d)

Page 15: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlakna

Viskeri - vrlo tanke niti monokristala, posjeduju izvrsna meh. svojstva zbog pravilne kristalne strukture. Imaju velik omjer duljina/promjer. Mogu biti od ugljika (grafit), SiC, SN, Al2O3. To su štapići promjera 0,1 do 5 m i duljine 5 mm.

Niti (vlakna u užem smislu) -izvrsna mehanička svojstva, ali izrazito anizotropna (u smjeru vlakana čvrstoća materijala je vrlo često i do nekoliko puta veća nego okomito na vlakna).

Page 16: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlakna

Anizotropni materijali - znatno bolja svojstva u smjeru vlakana

Pojava usmjerenosti mehaničkih svojstava uklanja se laminiranjem nekoliko slojeva kompozita od kojih svaki ima vlakna usmjerena u drugom smjeru.

Ukoliko je potrebno proizvesti materijal izotropnih mehaničkih svojstava, primjenjuju se vlaknasta ojačavala koja nemaju pravilnu usmjerenost.

Page 17: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Laminati i hibridi

Laminati - polimerni kompoziti koji kao ojačanje imaju samo jednu vrstu vlakana, koja se ovisno o potrebi laminiraju u predviđenim smjerovima i slojevima.

Hibridi - kao ojačanje imaju više vrsta vlakana, čime su na optimalan način iskorištene prednosti i svojstva svakog pojedinačnog ojačanja (npr. tkanje jeftinih staklenih i izrazito skupih ugljikovih vlakana - relativno jeftino ojačanje poboljšanih mehaničkih svojstava).

Page 18: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlaknasti polimerni kompoziti

Prednosti: znatno više specifične čvrstoće i krutosti postojanost prema većini kiselina i lužina relativno niska cijena proizvodnje i preradbe velika mogućnost prigušenja vibracija i dobra tarna

svojstva

Page 19: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlaknasti polimerni kompoziti

Nedostaci: osjetljivost na raslojavanje i mrvljenje neplastičnost mogućnost širenja pukotina duž vlakna napetosti izazvane skupljanjem matrice pri i nakon

proizvodnje tvorevine anizotropnost svojstava visoka cijena

Page 20: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlaknasti polimerni kompoziti

Osnovne značajke: opterećenja nose vlakna, a matrica povezuje vlakna vlakna mogu biti beskonačno duga (kontinuirana vlakna)

ili kratka (diskontinuirana vlakna) promjeri vlakana (viskeri, niti, žice) su u rasponu od 1 m

do 1 mm volumni udio vlakna u kompozitu može iznositi i više od

70 %.

Page 21: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Polimerne matrice Vrste polimernih matrica:

Duromerne (poliesterske, epoksidne, vinil-esterske, fenolne smole, itd.)

Plastomerne (PA, PE, PP, ABS, visokotemperaturni plastomeri (PEEK, PPS, PEI))

Funkcije: povezuje komponente i određuje termomehaničku

postojanost kompozita zaštićuje ojačavalo od trošenja/abrazije i okoliša pomaže pri raspodjeli nametnutog opterećenja budući

da djeluje kao medij za prijenos naprezanja daje trajnost, međuslojnu žilavost i

smičnu/tlačnu/poprečnu čvrstoću sustavu održava željenu orijentaciju vlakana i razmake u

kompozitu.

Page 22: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Duromerne matrice Epoksidne smole (EP)

izvrsna mehanička svojstva postojanost na atmosferilije - proširena primjena u

zrakoplovnoj industriji vrlo dobra postojanost na djelovanje agresivnih medija

i vode u laminatnim konstrukcijama - dobro prianjanje za

ojačavalo i dobra postojanost na utjecaj vlage - idealne u izradi plovila, za izradu kvalitetnijih brodskih trupova ili češće kao površinski, zaštitni sloj trupa načinjenog od, na vodu manje postojanog, poliesterskog kompozita

dobra električna svojstva dobra otpornost na zamor materijala

Page 23: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Epoksidne smole (EP)

Nedostaci teško je dobiti proizvod koji je istovremeno žilav i

postojan pri visokim temperaturama; podložnost UV razgradnji; za visoku proizvodnost zahtijevaju umreživanje pri

povišenim temperaturama; visoka cijena.

Primjena kod postupaka namotavanja filamenata avioindustrija, brodogradnja, elektroindustrija pri izradi kalupa

Page 24: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Mikrostruktura kompozita s matricom od epoksidne smole ojačana staklenim vlaknima

Matrica od epoksidne smole ojačana aramidnim vlaknima

Epoksidne smole

Page 25: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Epoksidna smola

Gustoća kg/m3

Tlačna čvrstoća

MPa

Modul elast.GPa

Smična čvrstoća,

MPa

Smični modul Gpa

Rasteznačvrstoća

MPa

Vol. udiovlakana

%

Ugljična vlakna/Epoksidna smola

1 600 570 70 90 5 600 50

E-staklenavlakna/epoksidna smola

1 900 415 - - - 490 50-60

Page 26: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Duromerne matrice

Poliesterske smole (UP) najviše primjenjivana vrsta smole, posebice u

brodograđevnoj industriji niska cijena mješavina poliestera i monomera, najčešće stirena dodatak stirena (do 50 %) snizuje viskoznost smole i

olakšava primjenu (stiren služi za povezivanje molekula poliestera i samim time i očvršćuje materijal)

poliesteri su makromolekule na bazi diabazičnih kiselina(ortoftalna, izoftalna, tereftalna kiselina itd.) i diola kaošto su etilen glikol, propilen glikol, neopentil glikol, bisfenol itd.

Struktura poliester/staklena vlakna kompozita →

Page 27: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Poliesterske smole

Prednosti povišena rastezna i savojna čvrstoća snižena osjetljivost na krhki lom dobra kemijska postojanost i postojanost na koroziju dobra postojanost na atmosferilije lako se prerađuju

Nedostaci imaju ograničeni rok trajanja jer nakon nekog

vremena počinju gelirati (stoga se često u procesu proizvodnje dodaju male količine usporavala)

vrlo lako se razgrađuju

Page 28: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ručni postupak sa štrcanjem uz primjenu poliesterske smole

Page 29: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Poliesterske smole

Materijal Udio stakl. vlakana %

Tlačna čvrstoća

MPa

Tlačni modul, 10-3

Pa

Savojna čvrstoća,

MPa

Savojni modul, 10-3

Pa

Tlačna čvrstoća,

MPa

Ortoftalna smola

40 150 5,5 220 6,9 ….

Izoftalna smola

40 190 11,7 240 7,6 210

Page 30: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Duromerne matrice

Vinil-esterske smole po svojoj molekulskoj strukturi slične su poliesterima

– nešto bolja mehanička svojstva čvršće su od poliesterskih, te su bitno postojanije na

vlagu i kemikalije (neke kiseline, lužine i druga otapala) od poliesterskih

često se primjenjuju kao završni premaz brodskih trupova i kao različiti dodaci čime se poboljšava postojanost na djelovanje UV zraka, te vatrootpornost

mogu se primjeniti do temperature ≈ 125 °C

Mikrostruktura kompozita s vinil-esterskommatricom i staklenim vlaknima →

Page 31: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vinil-esterske smole

Gustoća, kg/m3

Tlačna čvrstoća,

MPa

Savojni modul,

GPa

Savojna čvrstoća,

MPa

Modul rastezljivosti, GPa

Rastezna čvrstoća,

MPa

Volumni udio

vlakana, %

Ugljična vlakna/vinil-ester

1500-1650 900-1100 65-85 800-1000 136 900-1200 55-60

Poliaramidnavlakna/vinil-ester

1200-1400 100-300 17-22 150-250 - 800-1000 50-60

Page 32: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Duromerne matrice

Fenolne smole toplinski su postojane,

samogasive, tvrde i imaju povišenu postojanost prema utjecaju organskih otapala i kiselina.

pri umreživanju otpuštaju veliku količinu hlapljivih tvari, što nepovoljno utječe na mehanička svojstva smole kao matrice. Relativno su krhke i slabijih mehaničkih svojstava od epoksidnih i poliesterskih smola.

Interijer zrakoplova načinjen od kompozita s fenolnom smolom

Page 33: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Duromerne matrice

Poliimid može biti proziran ili mutan primjenjuje se umjesto stakla i metala zbog odličnih mehaničkih

svojstava i postojanosti na oksidaciju pri povišenim temperaturama (do 250 °C, nakratko čak i do 450 °C) →moguća upotreba za dijelove motora

nije zapaljiv nije osjetljiv na uobičajena otapala i ulja, (ugljikohidrate, estere,

etere, alkohole i freone) postojani su i na slabe kiseline, ali se ne preporučava dugo

izlaganje jakim anorganskim kiselinama primjenjuje se i u optici zbog visoke prozirnosti cijena je vrlo visoka

Panel od kompozita s poliimidnom matricom →

Page 34: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Bismaleimidi – su poliimidi s modificiranom strukturom poznati su i kao adicijski poliimidi koji se dobivaju iz

imidnih oligomera sa nezasićenim funkcijskim skupinama poput olefina, acetilena itd.

razvijeni su zbog zahtjeva određenih industrija (aeronautika i svemirska tehnika)

Prednosti imaju slabu zapaljivost visoku čvrstoću zadržavaju mehanički i toplinski integritet u

agresivnim okolinama u dužem vremenskom razdoblju.

Nedostaci krhkost

Duromerne matrice

Page 35: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice Prednosti

neograničeno dugo skladištenje preprega pri sobnoj temperaturi bez umreživanja

pogodni su za automatizirane postupke prerade mogućnost postizanja visoke kompaktnosti kompozita mogućnost recikliranja brz ciklus proizvodnje

Najčešća plastomerna matrica u kompozitima polipropilen (PP). PP ojačan uglavnom staklenim vlaknima je

žilav kompozit, s relativno visokom toplinskom postojanošću oblika (do 150 °C)

Glavna primjena u automobilskoj industriji (branici i dijelovi unutrašnjosti

automobila)

Page 36: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice

Polipropilen (PP) Prednosti

niska gustoća staklište na 160 °C otporan na zamor materijala postojan na velik broj kemijskih otapala, lužina i kiselina

Nedostaci podložan degradaciji uslijed izlaganja UV zrakama

Primjena u automobilskoj industriji (odbojnici, unutrašnjost) Izrada namještaja, čamaca

Page 37: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice

Plastomerni poliesteri – aromatsko-alifatska skupina:

Poli(etilen-tereftalat) – PET krut, otporan na trošenje i abraziju otporan na puzanje materijala može biti proziran i mutan

Poli(butilen-tereftalat) – PBT može se prerađivati na nižim temperaturama od

PET-a, ali ima i niža mehanička svojstva, te nižu temperaturu staklišta

Page 38: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice

Plastomerni poliesteri – aromatska skupina (poliarilati): dobra mehanička i električna svojstva postojani na kemikalije i otapala primjenjuju se za komponente elektromotora, u

elektronici (različiti konektori i slično), zamjenjuju nehrđajuči čelik u medicini i stomatologiji i pri izradi kirurške opreme.

Mikrostruktura kompozita s matricom od poliarilata →

Page 39: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice Poliamid (PA) Prednosti

Visoka čvrstoća, elastičnost i žilavost Otporan na abraziju Nezapaljiv, dobar omjer mase i čvrstoće - (s aramidnim vlaknima)

Primjena Ležajevi, razna kućišta Usisni sustavi u motorima Pokrov motora Sportska oprema (dijelovi bicikla, reket)

Pedala bicikla načinjena od kompozita spoliamidnom matricom (vanjsko kučište)

Page 40: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice Polisulfoni (PS) Prednosti

Upotrebljavaju se na temperaturama do 160 °C Postojani na mineralne kiseline, slana otapala i alkale, ali kod

izlaganja organskim otapalima bubre, pucaju ili se otapaju Otporni na puzanje Visoka krutost

Primjena Optika Kućišta svjetla na automobilima Izrada biosenzora i membrana (u medicini)

Membrana za spriječavanje krvnog ugruška načinjena od kompozita s matricom od

polisulfona

Page 41: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Plastomerne matrice

Poli(amid-imid) (PAI), poli(eter-imid) (PEI), poli(aril-sulfon)(PAS)... visoka toplinska postojanost, čak u vrlo ekstremnim uvjetima vlage,

agresivnih atmosfera i slično mnogi od njih samogasivi su bez dodataka

Visokotemperaturni plastomeri: Poli(fenilen-sulfid) (PPS) (npr. izrada dijelova krila Airbus-a) - masa

krila smanjuje se za oko 20 % čime se smanjuje potrošnja goriva, poboljšava se otpornost na udarna opterećenja, te se poboljšava postojanost na agresivne medije (gorivo, sredstvo za odleđivanje..)

Poli(eter-eter-keton) (PEEK) – postojanost na otapala, visoko talište (290 °C), zadržava duktilnost pri 200 °C na neograničeno vrijeme, izvrsna mehanička svojstva (rastezna čvrstoća, krutost i otpor zamoru materijala), vrlo otporan na trošenje, abraziju i ima mali koeficijent trenja klizanja Nedostatak - visoka cijena

Mikrostruktura PEEK-a ojačanog s ugljičnim vlaknima →

Page 42: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – vlaknima ojačani kompoziti

Staklena vlakna: najčešće upotrebljavana ojačavala u polimernim

kompozitima (95 %) upotrebljavaju se u obliku mata, tkanine ili struka

(roving), runa, itd staklena vlakna (filamenti) dobivaju se raznim

tehnološkim postupcima iz staklene taljevine. Na tako proizvedena vlakna nanosi se apretura koja vlaknima daje potrebna mehanička svojstva i specifičnu kompatibilnost s različitim smolama za postupke proizvodnje kompozitnih proizvoda

Page 43: Kompozitni materijali

Ojačavala - staklena vlakna

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Stakleni mat

Staklenatkanina

Page 44: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – proizvodnja staklenih vlakana

Iz mješalice sirovina stakla se (kvarcni pijesak, soda, kaolin, vapnenac, kalcit, dolomit) prebacuje u peći za taljenje pri temperaturi 1600 C

Rastaljeno staklo prolazi kroz izolacijsku cijev do uređaja za izradu filamenata

Page 45: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala Primjena Građevina (profili, cijevi) Brodogradnja (brodski trupovi)

Vrste staklenih vlakana E staklo (kalcij – aluminij – borosilikatna) – za

proizvode u elektroničkim uređajima (dobra izolacijska svojstva, omjer cijene i mehaničkih svojstava)

C staklo – primjenjuje se gdje se zahtjeva veća kemijska postojanost

S staklo – vlakna s povećanim udjelom silikata, primjenjuje se pri višim temperaturama od ostalih skupina

A (alkalna), D (borosilikatna), R (aluminatno-silikatna) i M stakla

Page 46: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Kompoziti sa staklenim vlaknima imaju: povišenu rasteznu čvrstoću i modul rastezljivosti povoljnog su omjera čvrstoće i mase postojani su pri povišenim temperaturama i

korozijskim opterećenjima dimenzijski su stabilni imaju dobra električna svojstva postojani su na starenje relativno se jednostavno i jeftino prerađuju u gotove

proizvode niska cijena

Ojačavala

Page 47: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ugljikova vlakna: dobivaju se kontroliranom oksidacijom,

karbonizacijom (1200 – 1500 C) i grafitizacijom ugljikom bogatih organskih prethodnika koji su u vlaknastom obliku. Najčešći takav prethodnik je poliakrilonitril (PAN) koji daje najbolja svojstva vlaknima

vlakna se još proizvode i od katrana i celuloze. podešavanjem parametara tijekom procesa

grafitizacije dobivaju se ili vlakna visoke rastezne čvrstoće (pri 2600 °C) ili vlakna visokog modula rastezljivosti.

Ojačavala – ugljična vlakna

Page 48: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala

Postupak dobivanja ugljikovih vlakana

Page 49: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ugljikova vlakna Nakon oblikovanja, vlakna se tretiraju (nanošenje

tzv. apreture) kako bi se poboljšalo njihovo prianjanje uz matricu.

Imaju: najveću krutost od svih komercijalno dostupnih vlakana vrlo visoku rasteznu i pritisnu čvrstoću odličnu otpornost na koroziju, puzanje i zamor materijala primjenjuju se u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji,

za izradu sportske opreme itd.

Ojačavala

Page 50: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Aramidna vlakna sintetski organski polimeri (aromatski poliamid) proizvedeni

predenjem kontinuiranog vlakna iz kapljevite smjese. Takodobivena vlakna imaju tipičnu zlatno-žutu boju, a karakterizira ihvisoka rastezna čvrstoća i niska gustoća.

Prednosti Visoka čvrstoća Visoki modul rastezanja Visoka postojanost puzanju Niža cijena od ugljikovih vlakana Niski faktor trenja i toplinskog rastezanja

Nedostaci Osjetljivost na UV zrake Teško se prerađuju

Ojačavala – aramidna vlakna

Page 51: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Dijele se na temelju vrijednosti modularastezljivosti. Svi tipovi aramidnih vlakana imajudobru udarnu žilavost, a oni s nižim modulomrastezljivosti vrlo intenzivno se primjenjuju u balistici.

Poznati pod imenom Kevlar (trgovački naziv zavlakna američke tvrtke DuPont). Kevlar 29 – visoka žilavost Kevlar 149 – vrlo visoki modul rastezanja Kevlar 49 – visoki modul rastezanja

Ojačavala

Page 52: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Svojstva Kevlar vlakana

Svojstva K 29 K 49 K 68 K 119 K 129 K 149

Gustoća (g/cm3) 1,44 1,45 1,44 1,44 1,45 1,47

Promjer (μm) 12 12 12 12 12 12

Rastezna čvrstoća (GPa) 2,8 2,8 2,8 3,0 3,4 2,4

Rastezni modul (GPa) 65 125 101 55 100 147

Koeficijent širenja (10-6 K-1) - 4,0 - 4,9 - - - -

Page 53: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Borna vlakna ugljikova ili metalna vlakna ponekad se prevlače

slojem bora kako bi se poboljšala ukupna svojstvavlakna

ekstremno visoka cijena ograničava upotrebu tihvlakana samo za zrakoplovne konstrukcije s velikimtoplinskim opterećenjima i na specijalizirane sportskeproizvode

Prednosti Visoka čvrstoća i krutost Niska gustoća

Ojačavala – borna vlakna

Page 54: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Bor/ugljikov hibrid u epoksidnoj matrici ima bolja mehanička svojstva nego bilo koje vlakno pojedinačno

Vlakna se odlikuju dobrim svojstvima obzirom na pritisna opterećenja, torziju i druga kombinirana opterećenja. Poteškoće se javljaju pri obradi zbog visoke tvrdoće tih vlakana.

Ojačavala

Page 55: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Hibridna vlakna: vlakna sastavljena od dvaju ili više vrsti vlakana,

postižu se optimalna svojstva najčešće se primjenjuje hibrid ugljikovih/

aramidnih/staklenih vlakana - u brodogradnji i zrakoplovstvu

upotrebom hibrida proizvodu se poboljšava udarna žilavost, spriječava galvanska korozija i snizuje cijena.

Ojačavala

Page 56: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – mineralna vlakna

Mineralna vlakna: glavni predstavnik skupine je azbest iako se odlikuju vrlo dobrim mehaničkim svojstvima i

niskom cijenom, zbog lošeg utjecaja na zdravlje čovjeka njihova primjena je u nekim državama u potpunosti zabranjena.

odlikuju se dobrom toplinskom postojanosti, postojanosti na različite kemikalije, prigušuju zvuk i niske su cijene. Zapaljiva su, pa se pri upotrebi za zaštitu od vatre često miješaju sa cementom, te se pletu u tkanine ili matove.

Azbestna vlakna (igličasta) →

Page 57: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – keramička vlakna

Keramička vlakna vlakna anorganskog porijekla proizvode se od različitih vrsta keramičkih

materijala, najčešće aluminijevog oksida isilicijevog ugljika

Prednosti visoka toplinska postojanost, postojanosti na

djelovanje vlage i postojanost na koroziju visok modul rastezanja visoko talište

Nedostaci Visoka cijena

Keramička vlakna →

Page 58: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlakna biljnog porijekla: u drvno-plastomernim kompozitima ili kao zamjena za

neka od prije spomenutih vlakana najčešće se rabe drvna vlakna (bor, jasen, hrast),

konoplja, juta, vlakna agave, ljuske riže i kukuruz u usporedbi sa staklenim vlaknima - postiže se manja

proizvodnost, imaju slabija mehanička svojstva, slabiju postojanost na vlagu i okolišne uvjete

prednosti su im niža gustoća, niža cijena, te lakše recikliranje

Ojačavala – vlakna biljnog porijekla

Page 59: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Dimenzije nekih prirodnih vlakana

Izvor pulpe Duljina vlakana, mm Promjer vlakana, μm

Crnogorično drveće 3,0 30

Listopadno drveće 1,0 16

Pšenična slama 1,5 13

Rižina slama 1,5 9

Trska 1,5 13

Bambus 2,7 14

Pamuk 25,0 20

Page 60: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vlakna biljnog porijekla Agava

zbog mogućnosti recikliranja počela se primjenjivati kao zamjena za azbestna i staklena vlakna i to pretežno u automobilskoj industriji, te za izradu sportske opreme. Vlakna se dobivaju iz listova agave, koji se trgaju i suše, a zatim se gnječe tako da na kraju ostanu samo vlakna. Iz jednog lista može se prosječno dobiti oko 1000 vlakana.

Bambus tekstilno vlakno, dobiva se od bambusove pulpe. Mekša su od

pamuka i posjeduju antibakterijska svojstva. Juta

jedna od najjeftinijih prirodnih vlakana. Mogu biti dužine 1 – 4 m, te su prljavo bijele do smeđe boje.

Konoplja U posljednjih stotinjak godina proizvodnja se smanjila, iako je prije

industrijske revolucije bila vrlo popularna zbog svoje čvrstoće i brzog rasta. Proizvodi čak do 250 % više vlakana nego pamuk. Mogu se izravno ili injekcijski prešati.

Crnogorica najčešće se primjenjuju vlakna bora. Kao matrica se često koristi

polipropilen.

Ojačavala

Page 61: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Daska za surfanje sa vlaknima agave

Page 62: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prirodna vlakna

1950.-90. - Trabant - prvi automobil napravljen od prirodnih vlakana - poliester ojačan pamučnim vlaknima

1941. – Henry Ford proizveo je prvi automobil od konopljekoji je pokretan etanolom dobivenim od konoplje.

Page 63: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – česticama ojačani kompoziti

Staklene čestice dodaju se kompozitima već

ojačanim staklenim vlaknima zbog poboljšanja kvalitete površine

spriječavaju skupljanje izradka u kalupu

povećavaju krutost matrice kompozita Šuplje staklene kuglice veličine

od 19 μm do 68 µm

Page 64: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ojačavala – česticama ojačani kompoziti

Mineralne čestice povisuju krutost i snižavaju troškove pri

izradi imaju dobru toplinsku i kemijsku

postojanost, postojanost na vlagu i dobra izolacijska svojstva

nedostatci su im što snizuju mehanička svojstva i izazivaju varijacije u boji gotovih proizvoda

čestice pretežno imaju oblik malih pločica Vrste:

Kaolin, talk, feldspar, barij-sulfat

Kristali talka

Page 65: Kompozitni materijali

Sustavi za ojačavanje

Sustavi za ojačavanje: Osmoljeni list SMC (e. Sheet Moulding Compound) –

ojačani pripremci potrebni pri izravnom prešanju kapljevitih duromernih pretpolimera

Preprezi Plastomer ojačan staklenim matom – GMT (e. Glass

Mat-reinforced Thermoplastic)

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 66: Kompozitni materijali

Osmoljeni listovi - SMC SMC je smjesa za izravno prešanje koja se pretežno

sastoji od nezasićene poliesterske smole, očvršćivala, mineralnih punila, vlaknastih ojačavala i ostalih dodataka.

Debljina osmoljenog lista je 2 do 3 mm, a vlakna duljine 12 do 50 mm koja mogu biti slučajno ili usmjereno raspoređena.

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

1 – beskonačni struk, 2 – rezna naprava,3 – smola s punilom, 4 – noseća folija,5 – elementi za stlačivanje, 6 – svitak zanamotavanje

Page 67: Kompozitni materijali

Preprezi Preprezi se prave najčešće od epoksidnih i fenolnih smola i

ojačavala, ali im se za razliku od SMC-a ne dodaju punila i ostali dodaci.

Nakon natapanja sa smolom tkanina prolazi kroz valjke gdje se odvaja višak smole i prolazi kroz peć gdje se isparavaju otapala i dolazi do prve faze očvršćivanja. Prepreg se zatim hladi da se spriječi daljnje očvršćivanje koje će se postići prilikom izrada proizvoda

Preprege je moguće prerađivati postupcima prešanja i postupcima kod kojih kompozit očvršćuje u autoklavima

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 68: Kompozitni materijali

Plastomer ojačan staklenim matom GMT

GMT se natapa najčešće polipropilenom, ali moguće je i poliamidom

Izrada je moguća pomoću ekstrudera, pri čemu se u ekstruderu rastaljeni plastomer ekstrudira između dva sloja staklenog mata, plastomerne folije ili papira

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ekstruzijsko pravljenje GMT-a:1 – stakleni mat2 – plastomerna folija3 – mlaznica ekstrudera4 – dvovrpčana preša5 – područje vrućeg kaširanja6 – rashladna zona7 – gotovi plastomerni

pripremak (GMT)

Page 69: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Primjena kompozita

Page 70: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci proizvodnje polimernih kompozita

Page 71: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci proizvodnje polimernih kompozita

ručni dodirni postupak laminiranja dodirni postupak sa štrcanjem podtlačno oblikovanje laminata (autoklav) izravno prešanje SMC-a i BMC-a postupak RTM (e. Resin Transfer Moulding) centrifugalno lijevanje pultrudiranje (40 – 70 % ojačala) namotavanje filamenata (e. Filament Winding)

Page 72: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ručni dodirni postupak laminiranja

Na kalup premazan tvari za lakše odvajanje, najprije se kistom nanosi sloj smole spremne za polireakciju uz umreživanje, ali bez ojačavala i punila. Zatim se redom nanose slojevi staklenog mata ili tkanine natopljeni hladno umrežujućom smolom, a valjkom se istiskuje zrak zadržan između slojeva.

Smola bez ojačavala i punila čini i završni sloj u debljini dovoljnoj da pokrije stakleno ojačanje. Tako se dobije slojevit izradak, laminat.

Kalupi za ručno laminiranje otvoreni su i nastoje se graditi jednostavno i od jeftinog materijala, od drva ili nekoga polimernog materijala, rjeđe od metala.

Matrice: svi materijali - poliesteri, vinil esteri, epoksidne smole, fenoli itd.

Svi tipovi vlakana (problemi se jedino mogu javiti u slučaju težih aramidnih vlakana koje je teže natopiti ručno).

Page 73: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ručni dodirni postupak laminiranja

Page 74: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prednosti vrlo jednostavan postupak koji se primjenjuje već dulje vrijeme malen trošak izrade alata veliki izbor vrsti materijala i dobavljača udio vlakana je veći i vlakna su dulja nego u slučaju polaganja

naštrcavanjem mogućnost izrade komplicirane geometrije i velikih volumena

Nedostaci kvaliteta postupka u velikoj mjeri ovisi o radniku teško je proizvesti kompozite s malim udjelom smole bez pukotina smole obično imaju manju molekularnu masu, što znači da mogu biti

štetniji od proizvoda s većom molekularnom masom problem je uklanjanje stirena nastalog iz poliestera i vinil estera,

moraju koristiti smole male viskoznosti što znatno utječe na svojstva.

Ručni dodirni postupak laminiranja

Page 75: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ručni dodirni postupak laminiranja

Page 76: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

POLIESTERSKI KOMPOZITNI DIO ZA GRAĐEVINSKE STROJEVE (Razvoj Katedra za preradu polimera, 2003.)

Page 77: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 78: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Dodirni postupak sa štrcanjem

Proces ručnoga dodirnog laminiranja može se ubrzati djelomičnim mehaniziranjem postupka ako se nanosi na ravnu ploču ili u kalup s pomoću stlačenoga zraka smjesa smole i isjeckanih staklenih vlakana.

Smola se nalazi u dva spremnika, u jednome pomiješana s umreživalom, u drugome s ubrzavalom. Te se dvije smjese štrcaju odvojene iz dvostrukog pištolja, a istodobno se štrca i vlakno u obliku struka, pa se sve te komponente spoje i očvršćuju tek na površini kalupa. Pri tome se uključeni zrak mora istiskivati valjkom.

Kao materijal matrice se uglavnom koriste poliesteri, dok se za ojačanje koristi isključivo stakleni roving.

Page 79: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Dodirni postupak sa štrcanjem

Page 80: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prednosti široka primjena postupka već niz godina vrlo jeftin način taloženja vlakna i smole mali trošak izrade alata visoka brzina

Nedostaci sadrže nešto veću količinu smole tako da imaju veću masu za ojačanja se koriste samo kratka i sječena vlakna, tako da

konačni proizvod ima ograničena mehanička svojstva smole moraju imati malu viskoznost kako bi se mogle

naštrcavati, a to najčešće ide na štetu mehaničkih i toplinskih svojstava

problem može predstavljati i udio stirena koji je u nekim slučajevima i zakonom ograničen

teže postizanje jednolične debljine

Dodirni postupak sa štrcanjem

Page 81: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Dodirni postupak sa štrcanjem

Page 82: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Izrada glisera ručnim laminiranjem i štrcanjem

Page 83: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Pultrudiranje Klasični postupak povlačnoga ekstrudiranja,

pultrudiranja, prikladan je za masovnu proizvodnju jednoosnih punih ili šupljih beskonačnih profila.

Struk i stakleno pletivo natapaju se smolom, prolaze kroz mlaznicu za praoblikovanje, zagrijavaju se u protočnoj stazi i uz polireakciju i umreživanje očvršćuju.

Povlačni valjci izvlače izradak, koji se zatim reže na potrebnu duljinu.

Karakteristike postupka: ujednačen presjek kontinuirana duljina anizotropnost mogućnost izrade kompliciranih oblika profila hibridna ojačala

Page 84: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

1 – natični kalem (stakleno pletivo), 2 – kada sa smolom, 3 – alat za praoblikovanje, 4 – reakcijski (zagrijani) alat za očvršćivanje (polireakciju i umreživanje), 5 – povlačni valjci, 6 – kružna pila, 7 – izradak

Pultrudiranje

Page 85: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Pultrudiranje

Page 86: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Pultrudiranje Prednosti

Neograničena duljina profila Dobra kvaliteta površine Kemijska postojanost Dimenzijska stabilnost Visoka čvrstoća Dobra mehanička svojstva u smjeru vlakana

Nedostaci Velika ulaganja Dobra mehanička svojstva samo u uzdužnom smjeru Isključivo izrada profila Ograničena veličina u poprečnom smjeru

Primjena automobilska industrija, građevinarstvo, zrakoplovna industrija,

proizvodnja sportske opreme, te proizvodi široke potrošnje

Page 87: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Pultrudirani profili od polimernih kompozita u graditeljstvu

Page 88: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ostali postupci pultrudiranja

povlačno oblikovanje (e. Pullshaping) - pomoću njega se mogu proizvoditi profili nelinearnih oblika

Postoje dva načina proizvodnje: Kod prvog načina vlakna se natapaju smolom te

prolaze kroz alata za praoblikovanje i zatim prolaze kroz dvije mlaznice. Te dvije mlaznice nalaze se na okvirima koji se mogu rotirati, te se upravo njihovim rotiranjem dobiva zakrivljeni oblik

Kod drugog načina obje mlaznice su fiksne, te također druga mlaznica ima šupljinu u obliku željene krivulje po cijeloj svojoj duljini

Page 89: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ostali postupci pultrudiranja

Proizvodi dobiveni postupkom povlačnog oblikovanja

Page 90: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Namotavanje filamenata

Postupak obodnoga (prstenastog) namotavanja primjenjuje se u proizvodnji cilindričnih šupljih tijela različite duljine, od proizvoda dugačkih nekoliko centimetara do uličnih rasvjetnih stupova.

Vlaknaste tvari u obliku struka ili traka prolaze kroz kadu i natapaju se smolom, a zatim se namotavaju na rotirajuću jezgru, koja se poslije može rastaviti ili uništiti. Kut namotavanja može se prema potrebi različito namjestiti, namotavati se može i oko polova jezgre i sl. Namotani oblik zatim očvršćuje uz polireakciju i umreživanje.

Page 91: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Namotavanje filamenata

Page 92: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Vrste namotavanja

Page 93: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Namotavanje filamenata

Page 94: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 95: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prednosti vrlo brza i ekonomična metoda može se regulirati udio smole na vlaknima troškovi su manji zbog toga što se rabe pojedinačna vlakna, a ne

tkanja mogu se dobiti odlična mehanička svojstva kompozita ako se

vlakna poslažu u smjeru djelovanja opterećenja.

Nedostaci oblici proizvoda koji se dobivaju su ograničeni smještaj vlakana na različite oblike nije uvijek lagan troškovi dijela na koju se namotava mogu biti visoki u slučaju

izrade velikih dijelova vanjska površina proizvoda nije uvijek estetski prihvatljiva.

Namotavanje filamenata

Page 96: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Primjeri polimernih kompozita napravljenih namotavanjem

Page 97: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Izravno prešanje (e. Compression Moulding)

Postoje dva postupka: hladno i toplo prešanje

Kod hladnog izravnog prešanja, kalup se najprije premazuje odvajalom i gelnom prevlakom. Nakon toga, ulaže se predoblik tkanine koji služi kao ojačavalo. Poslije se u kalup ulijeva odgovarajuća količina smole, nakon čega se kalup zatvara i smola umrežuje pri sobnoj temperaturi.

Prednosti Nema grijanja kalupa Sile držanja kalupa su niske Jefitnija proizvodnja

Nedostaci Niža proizvodnost

Page 98: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Izravno prešanje (e. Compression Moulding)

Kod toplog izravnog prešanja vlaknasti preprezi ulažu se u grijani kalup preše. Povišenom temperaturom i tlakom postiže se tečenje smjese smole i vlakana. Nakon što je kalupna šupljina popunjena slijedi umrežavanje pri čemu je kalup još uvijek pod tlakom. Nakon dovoljnog stupnja umreživanja, vade se otpresci iz kalupa i umreživanje se može nastaviti u pećima.

Prednosti Otpresci visoke krutosti i čvrstoće Visoka kvaliteta površine Postupak pogodan za masovnu proizvodnju.

Nedostaci Potreba za pripremom i pravilnim umetanjem pripremaka Skupi strojevi i kalupi

Page 99: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Izravno prešanje (e. Compression Moulding)

Proizvodi dobiveni izravnim prešanjem

Page 100: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Podtlačno oblikovanje Ručno se slože sve komponente kompozita nakon čega se na njega

stavlja polimerna folija Pomoću podtlačne pumpe uklanja se zrak i podtlak kojim se

poboljšava spajanje elemenata kompozita Matrice: fenolne i epoksidne smole, zato što kod poliestera i vinil

estera problem može predstavljati povećana ekstrakcija stirena Mogu se upotrijebiti sve vrste vlakana

Page 101: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje - oprema

Odvodnik smole – spriječava usisavanje smole zajedno s zrakom, jer prilikom popunjavanja proizvoda smolom, smola ulazi u cijevi za zrak

Spiralna cijev za odvod zraka i viška smole – dovod smole uobičajeno postavlja na sredinu kalupa, dok cijevi za odvod zraka postavljaju se na rub kalupa. Cijev ima propusnost po cijeloj duljini pa zrak izlazi jednoliko po rubovima kalupa. Ona se može primjeniti i za dovođenje smole, tada otvori za propusnost služe za natapanje površinu kalupa

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 102: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje - oprema Odvojiva folija – stavlja se kad su vlakna postavljena u

kalup. Najčešće se izrađuje od gusto pletenog poliamida impregniranog odvajalom. Folija se zalijepi za vlakna, ali se lagano kasnije skine. Njezina propusnost omogućava prolaz smole. Upotreba nije obavezna, ali se primjenjuje zbog izgleda unutrašnjeg sloja

Film za odjeljivanje – film se stavlja na odvojivu foliju ili izravno na vlakna i ne lijepi se na njih

Vreća kojom se brtvi i zatvara kalup – vreća je završni dio. Prvo se postavlja na jednu stranu kalupa gdje se brtvi trakom i zatim postavlja na suprotnu stranu kalupa

Gumeni profil za prijenos smole – kad se gumeni profil u potpunosti napuni sa smolom, tek tada počinje teći i natapati vlakna

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 103: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje – faze postupka Priprema kalupa (čišćenje i

nanošenje odvajala (npr. Silikon, vosak))

Lijepljenje trake za brtvljenje i spiralne cijevi

Postavljanje vlakana ili pjene (npr PVC ili PE) ako je potrebna veća debljina u kalup. Prije postavljanja svakog sloja potrebno je nanijeti adhezijsko sredstvo (najčešće naštrcavanjem) da se izbjegne međuslojno pomicanje vlakana prilikom stvaranja podtlaka

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

PVC pjenaUgljična vlakna isačasta struktura

pjena

1

2

3

Page 104: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje – faze postupka Postavljanje odvojive folije Postavljanje filma za odjeljivanje Postavljanje gumenog profila za prijenos smole

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

4 5 6

Page 105: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje – faze postupka Postavljanje vreće za brtvljenje kalupa Smješavanje smole, ubrzavala, umreživala Podešavanje podtlaka (npr. 0,2 – 0,3 bara) Nakon natapanja cijelog kompozita, dotok smole se

zatvara, a podtlak se održava dok se ne odvoji višak smole u odvodnik i do potpunog očvršćivanja smole

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

7 8

Page 106: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 107: Kompozitni materijali

Podtlačno oblikovanje

Film - Vacuum injection Moulding_WMV V8.wmv

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Page 108: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prednosti proizvodnja kompozita s većim udjelom vlakana manje pukotina u materijalu bolje je vlaženje vlakana i protok smole kroz ojačanja zbog

djelovanja povišenog tlaka vakuumski pokrov smanjuje količinu ishlapljenih štetnih tvari

tijekom skrućivanja

Nedostaci proces je nešto skuplji i zahtjeva prilično veliku vještinu

operatera (vrlo bitno kod kontrole miješanja i udjela smole)

Podtlačno oblikovanje

Page 109: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Injekcijsko-posredno prešanje kapljevite smole s uloženim trodimenzionalnim ojačavajućim

predoblikom - RTM

Predoblik od vlakana se postavlja u kalup (mogu se stvoriti različiti oblici koji se drže vezivom)

Kalup se zatvara te se u njega ubrizgava smola (može se upotrijebiti i podtlak)

Nakon što je kalup popunjen zatvaraju se mjesta nakojima je ubrizgana smola i dolazi do skrućivanja(umrežavanja) pri povišenim ili sobnim temperaturama

Mogu se upotrijebiti gotovo sve vrste matrica i vlakana

Page 110: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

RTM

Page 111: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Prednosti proizvodnja kompozita s visokim udjelom vlakana i s niskim

udjelom pukotina u materijalu budući da je smola zatvorena u kalup, ne predstavlja opasnost

za okoliš puno bolji izgled površine

Nedostaci vrlo skup i težak alat proizvodnja je ograničena na manje komade mogu se pojaviti mjesta na proizvodu koja nisu popunjena

smolom, što može dovesti do velikog škarta

RTM

Page 112: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Podtlačno ulijevanje (RI) i podtlačni injekcijski postupak (VI)

Pri RI postupku predoblik se natapa djelovanjem podtlaka koji povlači smolu

Za VI postupak potrebno je stvoriti viši ili niži podtlak i blag gravitacijski nadtlak zraka, povezan s prilagodljivim protukalupom. Brzine ubrizgavanja mnogo su niže, a time i vrijeme geliranja, što produljuje ciklus.

Debljina stijenke proizvoda nije ravnomjerna

Page 113: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

RI i VI

Prednosti proizvodnja ekološki prihvatljivih kompozita s velikim udjelom vlakana dobra mehanička svojstva koja se pripisuju krutom inicijalnom stanju

polimera manji troškovi nego u slučaju prepregova manja je mogućnost pojave područja koja nisu ispunjena smolom.

Nedostaci potrebna je peć i podtlačno pakiranje alat mora izdržati temperature od 60-100 °C.

Page 114: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Recikliranje kompozitnih tvorevina

Page 115: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

1. Spriječitinastanakotpada

2. Ponovnokorištenje proizvoda

3. Recikliranje materijala

4. Energijska oporaba

5. Odlagalište otpada

Zašto reciklirati?Strategija upravljanja

otpadom u EU

Ponovna upotreba proizvoda -Primjena raznih starih komponenata u istim primjenama

Recikliranje – postupak ponovne primjene materijala

Energijska oporaba – primjena otpada za proizvodnju energije

Page 116: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Otpad nastao u proizvodnji Otpad nastao zbog dotrajalosti proizvoda

Vrste kompozitnih otpada

Page 117: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Otpad nastao u proizvodnji rubovi laminata, izrezani dijelovi, prašina nastala od

brušenja zaostali materijal (umrežena smola i ojačani dijelovi) zastarjeli preprezi prenaštrcana staklena vlakna i smole škart razna otapala, dodaci i dr.

Vrste kompozitnih otpada

Page 118: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Otpad nastao zbog dotrajalosti proizvoda predug vijek trajanja proizvoda nehomogena smjesa materijala mali volumeni u usporedbi s ostalim otpadom skupo sakupljanje i razvrstavanje teško je predvidjeti količine takvih otpada kontaminirani i degradirani materijal

Vrste kompozitnih otpada

Page 119: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Poteškoće prilikom recikliranja kompozitnih tvorevina

Sakupljanje, sortiranje, transport, rastavljanje od ostalih proizvoda, potrebno smanjenje dimenzija

Manji volumeni u usporedbi sa ostalim otpadom

Nejednoličan sastav materijala Mala potražnja za recikliranim

kompozitnim tvorevinama

Page 120: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci recikliranja kompozita

Mehanička oporaba tj. recikliranje - usitnjavanje kompozitnih tvorevina i njihovo pretvaranje u materijal ili primjena kao anorganska vlakna i punila

Energijska oporaba – spaljivanje kompozitnog otpada

Kombinacija energetske oporabe i mehaničkog recikliranja – primjena ostatka pepela nastalog energetskom oporabom

Kemijsko recikliranje - postupci razgradnje usitnjenih kompozitnih smola pomoću postupaka hidrolize i pirolize

Page 121: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Ciljevi postupaka recikliranja kompozita: Ponovna uporaba u novim proizvodima sa sličnim

svojstvima Ponovna upotreba u novim manje zahtjevnijim

proizvodima Razgradnja otpada u osnovne kemikalije pomoću

pirolize, hidrolize i postupka pretvaranja u plin Spaljivanje otpada i iskorištenje energije za npr.

grijanje

Postupci recikliranja kompozita

Page 122: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Kod mehaničkog recikliranja potrebno je: Sakupljanje i razvrstavanje otpada Identifikacija materijala Usitnjavanje (usitnjeni materijal se može iskoristiti

kao punilo ili kao ojačalo u izvornom materijalu). Reciklirani materijal nanosi se posebnim uređajem za štrcanje

Smola mora biti potpuno umrežena

Postupci recikliranja kompozita

Page 123: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Energijska oporaba: Iskorištenje energije otpada Anorganska ojačala staklenim vlaknima i mineralna punila ostati će u preostalom pepelu

Potrebno je smanjenje dimenzija proizvoda U kombinaciji sa mehaničkim recikliranjem bolja je provedivost

energetske oporabe

Postupci recikliranja kompozita

RTM na 700 °C 17 % O2

RTM na 1000 °C 17 % O2

Ugljična vlakna/epoksidna

smola nakon 20 min na 700 °C 4 % O2

Ugljična vlakna/epoksidna smola nakon 3 h

na 700 °C 4 % O2

Page 124: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci recikliranja kompozita – sadržaj energije

Page 125: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci recikliranja kompozita

Kombinacija mehaničkog recikliranja i energijske oporabe Kompozitni otpad čisti se sa uređajem vrtložnim

strujama Omogućeno je odvajanje metala od polimera Uređaj sadrži pijesak silicij (IV) oksida koji

pomoću zraka ulazi u tok vrtložnih struja Reaktor se grije na gornjoj površini sve dok ne

postigne određenu temperaturu prerade Kompozitni otpad predgrijava se zajedno s

pijeskom na 480 °C Postupak traje između 1 – 2 sata

Page 126: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Kombinacija mehaničkog recikliranja i energijske oporabe - projekt VAMP 18 Postupak pokazuje mogućnost oporabe ugljičnih vlakna

iz otpada epoksidnih preprega Kontroliranim izgaranjem epoksidne matrice u

vrtložnim strujama omogućena je ponovna upotreba ugljičnih vlakana u kompozitima

Smanjena su mehanička svojstva vlakana, ali optimizacija postupka izgaranja može rezultirati boljim svojstvima vlakana

Postupci recikliranja kompozita

Page 127: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Postupci recikliranja kompozita

Projekt VAMP 18 - Svojstva ugljičnih vlakana prije i poslije recikliranja

Izvorna vlakna1)

Reciklirana vlakna

Gustoća, g/cm2 1,77 1,4

Rastezna čvrstoća, MPa 3950 1300

Modul rastezljivosti, GPa 238 80

Prekidno istezanje, % 1,55 2,4

Promjer filamenta, m 7 6,5

1) Podaci od proizvođača ugljičnih vlakana

Page 128: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

U EU u automobilskoj industriji nastane oko 8 - 9 milijuna tona otpada

U današnjim automobilima ima oko 75 % metala i 25 % nemetala (polimeri, staklo, guma, tkanina)

1953. god. proizvedena je Chevrolet Corvette od kompozitnog materijala

Danas se najviše upotrebljava plastomer (ojačan sa kratkim staklenim vlaknima)

I oko 30 drugih različitih polimernih materijala (PP, PA i ABS)

Kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima – podvozje SMC (osmoljeni list - prepreg) – prednji, stražnji i bočni

branici, krov i razni paneli

Vrste kompozitnih otpada - Otpad nastao u automobilskoj industriji

Page 129: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Kompozitni otpad - Otpad u automobilskoj industriji

Izvor: European Alliance for SMC

Page 130: Kompozitni materijali

Fakultet strojarstva i brodogradnjeKatedra za preradu polimera

Potrebno je napraviti novi koncept upravljanja otpadom prema EU standardima

Industrija se sve više okreće novim upravljanjima otpadom (mehaničkim recikliranjem i energetskoj oporabi)

U budućnosti se očekuje porast sakupljanja kompozitnih tvorevina

Troškovi upravljanja otpadom značajno će porasti Potaknuti proizvođače na upotrebu kompozitnog reciklata Potaknuti potrošaće na odvojeno sakupljanje

Zaključak recikliranja kompozita