Upload
others
View
95
Download
10
Embed Size (px)
Materiale polimerice avansate. © UPB
1
Curs 3:
- Materiale compozite - generalitati
- Matrici polimerice
- Agenti de armare - fibre
Materiale polimerice avansate
Materiale compozite - generalitati
Materiale polimerice avansate. © UPB
2
Materiale compozite
Materiale compozite:
- sistem complex, alcătuit din mai multe materiale de natură diferită
- au apărut din necesitatea de a obţine noi materiale cu performanţe
mecanice și/sau termice ridicate
Materiale compozite
Naturale
BambusOaseLemn Muşchi
Sintetice
Metalice PolimericeCeramice
- sunt alcătuite din 2 sau mai multe materiale distincte d.p.d.v. fizic (cu o
dispersare controlata a unui material în celălalt)
- au proprietăţi superioare componentelor individuale (realizarea unui MC
trebuie să fie justificată prin creșterea a cel puțin unei proprietăți)
Materiale compozite polimerice
Compozitele polimerice sunt materiale alcătuite, în principiu, din:
- agent de reticulare (întărire) – necesar de obicei în cazul matricilor
termoreactive – duce la întărirea răşinii polimerice lichide (printr-o
reacție chimică) şi obţinerea produsului final. Sunt situații, chiar în
cazul polimerilor termoreactivi când reactia de reticulare se face prin
simplă încălzire, fără a mai fi necesar agentul de reticulare.
- matrice polimerică - poate fi un polimer termoplastic sau termoreactiv –
faza continuă
- agentul de ranforsare (armare) sau de umplutură - dispersat omogen în
matricea polimerică, dar nu se dizolvă în aceasta – faza discontinuă
Caracteristica de bază a compozitelor polimerice: proprietăţi mecanice
specifice foarte ridicate (raportul rezistenţă/greutate) → materialele
compozite performante întrec cele mai bune oţeluri
Materiale polimerice avansate. © UPB
3
Materiale compozite polimerice
Clasificare după forma, dimensiunea şi distribuţia fazelor în MC:
- fibre continue (lungi) în matrice
- fibre scurte în matrice
- particule dispersate în matrice
- structuri lamelare
- reţele interpenetrate
- multicomponente: fibre, particule
- interfaţa influențează proprietăţile materialului compozit
- interfaţa dintre componente poate fi identificată prin metode fizice
Nu numai componentele MC sunt importante, ci şi interfaţa dintre ele
Matrici polimerice
Polimeri cu
performanţe medii
Termoplastici Termoreactivi Elastomeri de uz general
Polipropilena (PP) FenoplasteButadien-stirenic (SBR)
Polibutadienic (PBR)
Poliizoprenic (PIZR)
Policloroprenic (Neopren)
Răşini fenol-
formaldehidice (FFR)
Răşini ureo-
formaldehidice (UFR)
Răşini melamino-
formaldehidice (MFR)
Materiale polimerice avansate. © UPB
4
Matrici polimerice
Polimeri cu "înalte performanţe", dar
cu termostabilitate redusă
Termoplastici Termoreactivi Elastomeri
Poliamide (PA)
Policarbonaţi (PC)
Poliesteri saturaţi (SPE)
Poliacetali (PAC)
Poliesteri nesaturaţi (PEN)
Răşini epoxidice (ER)
Răşini vinil-esterice (VER)
Poliuretani
Matrici polimerice
Polimeri termostabili cu
performanţe ridicate
Termoplastice Termoreactivi Elastomeri
Polifenilensulfură (PPS)
Polisulfone (PS)
Poli(eter-eter)cetone (PEEK)
Polietercetone (PEK)
Polifenilensulfone (PPS)
Polietersulfone (PES)
Poliamidimide (PAI)
Poliimide (PI)
Polistirilpiridine (PSTP)
Siliconici
Materiale polimerice avansate. © UPB
5
Matrici termoreactive
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
mn
OH
OO
CCOO
CH3
CH2 CH
OO
CCOO
CH3
CH2 CHCC
O O
OHO
CH3
CH2 CH
RPN = în catena principală grupe esterice –COO– şi duble legături C=C .
Aceste dublele legãturi permit reticularea rãşinii cu ajutorul unor monomeri
de polimerizare (uzual stiren)
- rãşina se livreazã sub formã de soluţie în stiren (monomer) → conţinut de
35-40% monomer în produsul livrat
- pentru a preveni gelifierea în timpul depozitãrii se introduc inhibitori
(hidrochinonã, fenoli substituiţi etc.), în cantitate de 50-100 ppm.
Materiale polimerice avansate. © UPB
6
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Reticularea (întărirea) RPN
În urma copolimerizãrii rãşinii cu monomerul vinilic se obţine un produs
tridimensional total insolubil şi infuzibil.
A
R
R
R
R
R
RR
R
R
R
R
R
Cat
Cat
CatCat
III
B
A
R
RR
R
R R R R
R
R
R
R
RR
R
- procesul de reticulare (întãrire) are loc în prezenţa iniţiatorilor:
- peroxizi (la temp. ridicată)
- sistemelor redox de iniţiere (la temp. camerei, ex: peroxid de metil-
etil-cetonă / naftenat sau octoat de cobalt)
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Proprietăţile RPN depind de:
- compoziţia chimică a răşinii → factor hotărâtor care influenţează
proprietăţile funcţie de scopul urmărit
- masa moleculară - creşte masa moleculară → cresc proprietăţile
mecanice şi duritatea, rezistenţa la temperatură şi la agenţi chimici
- gradul de nesaturare (numărul de duble legături) → determină densitatea
reticulării → creşte gradul de nesaturare → cresc proprietăţile
mecanice şi duritatea, rezistenţa la temperatură
Materiale polimerice avansate. © UPB
7
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Tipuri de RPN
-(n+m) H2O
HO OH
CH3
CH2 CH++ (n+m+1)(m+1)n
OO
CO
C
CO
C
O Om
n
OH
OO
CCOO
CH3
CH2 CH
OO
CCOO
CH3
CH2 CHCC
O O
OHO
CH3
CH2 CH
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Domenii de utilizare a RPN
Poliesterii nesaturaţi se pot utiliza sub forma nearmată sau ranforsaţi cu fibre
de sticlă (în general).
Poliesteri nearmaţi:
- lacuri pentru mobilă
- butoane
- chituri / masticuri
- aditiv în mortare şi betoane
- înlocuiri de lemn
Materiale polimerice avansate. © UPB
8
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Domenii de utilizare a RPN
Construcţii:
- plăci plane / ondulate (pentru acoperişuri sau elemente de faţadă)
- articole sanitare
- mobilier urban
- cabine telefonice
- barăci de şantier
- panouri de semnalizare
- prefabricate pentru piscine etc.
Poliesteri nesaturaţi armaţi cu fibre de sticlă:
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Domenii de utilizare a RPN
Poliesteri nesaturaţi armaţi cu fibre de sticlă:
Electrotehnică şi electronică:
- cutii, şeminee pentru cabluri, cabine izolante
- izolatori
- antene
- suporturi pentru circuite imprimate
Rezervoare, cisterne, conducte:
- cisterne pentru îngrăşăminte lichide
- silozuri (pentru materiale pulverulente, cereale, furaje etc.)
- containere marine
- conducte pentru staţii de epurare
- fose septice
- conducte pentru ventilaţie, pentru transportul produselor chimice
Materiale polimerice avansate. © UPB
9
Răşini Poliesterice Nesaturate (RPN)
Domenii de utilizare a RPN
Poliesteri nesaturaţi armaţi cu fibre de sticlă:
Transporturi:
- piese de caroserie pentru automobile şi autovehicule sportive
- bare de protecţie pentru autovehicule
- cabine pentru camioane şi tractoare
- caroserii utilitare (camioane izoterme, frigorifice)
- telecabine
Industria nautică şi sportivă:
- ambarcaţiuni sportive
- accesorii (geamanduri, pontoane, rame etc.)
- undiţe de pescuit
Răşini epoxidice
Poliepoxizii (răşini epoxidice) sunt răşini termoreactive ce conţin în
moleculă două sau mai multe grupări reactive epoxi
CH2
O
OC
CH3
CH3
O CH2 CH2CH
OH
OC
CH3
CH3
O CH2
On
CH2CH2OC
CH3
CH3
OH2C CH
O
CH2HC
O
Reticularea: deschiderea ciclurilor epoxidice → produs reticulat,
tridimensional, insolubil şi infuzibil.
- cu amine (la temp. ambiantă sau ridicată)
- cu anhidride (la temp. ridicată)
Materiale polimerice avansate. © UPB
10
Răşini epoxidice - proprietăţi
Proprietăţile răşinilor epoxidice depind de:
- structura chimică
- masa moleculară
- gradul de reticulare
- natura agentului de reticulare
- natura şi cantitatea de agent de ranforsare / umplutură
Rolul fiecărei grupări la proprietăţile finale ale RE:
Răşini epoxidice - proprietăţi
Influenţa prezenţei nucleelor benzenice:
- stabilitatea termică şi rezistenţa chimică cresc prin introducerea unui
număr mai mare de nuclee aromatice
Influenţa agentului de reticulare:
- întărire cu anhidride → proprietăţi superioare celor obţinute cu diamine
(grupele C-O-C formate cu anhidride mai rezistente decât cele C-N-C
formate cu amine)
- întărire cu amine aromatice → performanţe superioare celor obţinute cu
amine alifatice (prezenţa nucleelor benzenice)
Materiale polimerice avansate. © UPB
11
Răşini epoxidice - proprietăţi
Influenţa masei moleculare:
- creşte masa moleculară → scade nr. de grupări epoxidice pe unitatea de
volum → scade densitatea de reticulare → scade rigiditatea, creşte
rezistenţa la şoc şi la temperaturi scăzute.
Influenţa agentului de armare:
- fibre de sticlă, aramidice sau carbon → compozite cu rez. mecanice mari
- agenţi de umplutură (pulberi) → proprietăţi mecanice medii, dar cresc
propr. termice, conductivitatea, poate scădea preţul
- scade masa moleculară → creşte numărul de grupări epoxidice pe unit. de
volum → densitate de reticulare mai mare → cresc rezistenţa chimică
şi termică, densitatea, rezistenţa la rupere şi rigiditatea
Răşini epoxidice - proprietăţi
Proprietăţi termice
- rezistenţa termică a RE este, în general, cuprinsă în intervalul 150-180°C
(pentru funcţionare continuă). Pentru intervale scurte de timp, ele
suportă temperaturi de până la 200°C → valori necorespunzătoare
pentru utilizare în industria aeronautică
Proprietăţi electrice:
- proprietăţi dielectrice foarte bune şi nu se modifică într-un interval larg de
temperatură (-70 la 150°C)
- pentru aeronautică → modificarea componenţilor răşinii, respectiv
întăritorului (structură chimică diferită, grupe funcţionale cu rezistenţă
termică ridicată) → utilizare până la 250-350°C
Materiale polimerice avansate. © UPB
12
Răşini epoxidice - proprietăţi
Rezistenţă la foc:
- comportare la flacără foarte bună → neîntreţinând arderea (proprietăţi de
autostingere). Existenţa atomilor de Br în reactanţi (bisfenol A
tetrabromurat) → aceste proprietăţi devin şi mai bune.
Rezistenţă chimică:
- rezistenţă chimică la apă, baze diluate şi concentrate, hidrocarburi, acizi
slabi şi solvenţi organici este excelentă. Sunt atacate de acizi tari,
acetonă, acetat de etil şi solvenţi cloruraţi.
C
CH3
CH3
OHHO
Br
Br
Br
Br
Bisfenol A tetrabromuratBisfenol A tetraclorurat
Cl
Cl
Cl
Cl
C
CH3
CH3
OHHO
Răşini epoxidice - proprietăţi
Alte avantaje:
- Bună stabilitate dimensională.
- Bune proprietăţi adezive.
- Contracţie redusă la formare.
Dezavantaje:
- Ciclul lung de formare.
- Necesitatea utilizării unor agenţi de demulare corespunzători
(datorită proprietăţilor adezive ale răşinii).
Materiale polimerice avansate. © UPB
13
Răşini epoxidice - utilizări
Adezivi:
- în funcţie de structura chimică, adezivii pot prezenta:
- întărire lentă/rapidă
- flexibilitate / rigiditate
- transparenţă / opacitate / pot fi coloraţi
- RE pot fi utilizate ca adezivi pentru metal, lemn, sticlă, ceramică, piatră
şi unele materiale plastice
- utilizat acolo unde este necesară o rezistenţă foarte mare a adeziunii:
aviaţie, automobile, bărci, articole sportive (biciclete, skiuri, etc)
Răşini epoxidice - utilizări
Lacuri de acoperire şi anticorozive
- lacurile de impregnare pentru electronică, pentru încapsularea
componentelor
- întărire rapidă, rezistenţă UV, bună duritate
- pentru acoperire de fier, oţel, aluminiu
- în industria auto → rezistenţă termică mai bună decât lacurile alchidice
- grunduri de acoperire, sub stratul de vopsea, pentru a creşte rezistenţa
părţilor metalice la coroziune (ex: domeniul naval)
- acoperirea pardoselilor: rezistenţă la uzură, aspect decorativ plăcut,
permite utilizarea de agenţi de umplutură coloraţi
Materiale polimerice avansate. © UPB
14
Răşini epoxidice - utilizări
Electrotehnică şi electronică
- plăci pentru circuite imprimate (laminat ţesătură fibre sticlă + RE), având
şi rolul de adeziv între folia de Cu (pentru circuite) şi placa suport
- foarte bun izolator → protejează circuitele electrice de scurt-circuit, praf
şi umiditate
- RE sunt utilizate pentru motoare electrice, generatoare, transformatoare,
comutatoare
- conductivitate termică mai bună decât aerul → facilitează dispersarea
căldurii ce poate apare în transformatoare
- încapsulare de circuite integrate, tranzistori
Răşini epoxidice - utilizări
Materiale compozite
- cea mai utilizată răşină pentru obţinerea de compozite
- industria aeronautică (palete de elicopter, elemente de fuzelaj, etc.)
- industria chimică (cisterne, cuve de stocaj, conducte pentru produse
corosive etc.)
- industria materialelor sportive
- pale pentru elici de centrale eoliene
- prin ranforsare cu fibre de sticlă, carbon, aramidice sau bor se pot obţine
prepreguri sau materiale compozite
- agenţi de umplutură micro şi nano: talc, silice, alumină, nanotuburi de
carbon
Materiale polimerice avansate. © UPB
15
Răşini vinil-esterice
R'
CH2C
O
COOC
O
CH2C
R'
R
OH
CH CH2CH2
OH
CH CH2CH2 + coreactant + inhibitori
R =
CH3
CH3
C OOîn care: si CH3R' = H sau
- grupare metacrilică (R’ = CH3) - cel mai utilizat → conduce la produşi
cu rezistenţă chimică mai ridicată
- grupare acrilică (R’ = H) → pentru obţinerea răşinilor reticulabile cu
radiaţii ultraviolete, datorită reactivităţii mai mari.
- la baza obţinerii lor stau răşinile epoxidice (cele mai utilizate), poliesterii
sau poliuretanii cu grupe terminale hidroxil.
- produşii obţinuţi pot fi utilizaţi ca atare sau sub formă de soluţie în
solvenţi reactivi (ex. stiren) sau nereactivi (ex. toluen).
Răşini vinil-esterice
Reticularea:
- homo- sau copolimerizarea grupelor reactive terminale de tip acrilat sau
metacrilat
- copolimerizare cu stiren (solvent reactiv) (similar cu RPN)
- fotopolimerizare – cu radiaţie în domeniul ultraviolet sau vizibil UV / VIS
- necesită activatori → substanţe care se descompun sub acţiunea
radiaţiei de tipul respectiv, declanşând procesul de reticulare
Materiale polimerice avansate. © UPB
16
Răşini vinil-esterice - utilizări
RVE sunt utilizate la obţinerea diferitelor repere prin întărire în prezenţa
radiaţiilor
- mai indicate grupele terminale acrilice - au reactivitate mai ridicată în
procesul de reticulare cu radiaţii UV sau flux de electroni
Avantajele utilizării întăririi cu radiaţii faţă de întărirea termică sunt:
- eficienţa ridicată a energiei utilizate, viteza mai mare a procesului
- reducerea sau eliminarea produşilor secundari volatili
- întărirea la temperatura mediului ambiant
- preţ scăzut al echipamentului utilizat
Aplicaţie – mat. compozite dentare: reticulare UV / VIS
Răşini vinil-esterice - utilizări
Materiale compozite pe bază de RVE armate cu fibre (de sticlă):
- placări anticorosive şi mortare
- se utilizează în industria chimică şi petrolieră, agricultură, industria
minieră şi alimentară → datorită rezistenţei chimice deosebite a
acestora, întreţinerea uşoară, uşurinţa de instalare, raportul favorabil
cost/performanţe în comparaţie cu oţelul şi alte aliaje anticorozive.
- obţinerea diferitelor repere prin turnare (fitinguri, rotoare pentru pompe
centrifuge, componente pentru automobile etc)
Materiale polimerice avansate. © UPB
17
Matrici termoplastice
termostabile cu performanta ridicata
Matrici termoreactive - dezavantaje
- “timp de viaţă” limitat → posibilitatea reticulării în timpul stocării →
necesitatea stocării răşinilor polimerice şi a semifabricatelor
(materiale preimpregnate) la temperaturi scăzute
- polimerul (compozitul) final rezultă în urma procesului de întărire în
matriţă a reactanţilor iniţiali → este exclus un control riguros al
procesului de formare → probleme de reproductibilitate în obţinerea
polimerului final cu caracteristici dorite
- cicluri lungi de formare, datorită timpilor de reticulare corespunzători
atingerii gradului de întărire şi a rezistenţei finale
Materiale polimerice avansate. © UPB
18
Matrici termoreactive - dezavantaje
- procesul de întărire poate fi însoţit de eliminarea unor compuşi cu
moleculă mică, volatili → defecte sructurale în produşii finali (bule)
- după terminarea ciclului de viaţă al produsului final reticulat →
polimerul (materialul compozit) nu poate fi reciclat
- deşeurile de fabricaţie şi bavurile → nu sunt recuperabile / nu pot fi
distruse prin incinerare sau prin alte metode → probleme ecologice.
Matrici termoplastice - avantaje
- “timp de viaţă” indefinit / nu necesită condiţii speciale de stocare
- ciclul de formare foarte scurt → prelucrarea are loc pe maşini de mare
productivitate (maşini de injecţie, extrudere etc.), în forme foarte
complicate → rezultă piese finite ce nu necesită finisări ulterioare.
- polimerul utilizat în calitate de matrice se sintetizează anterior fabricării
compozitului → se pot controla caracterisiticile acestuia
- întărirea finală are loc ca urmare a unui proces fizic (solidificarea
topiturii) şi nu printr-un proces chimic → nu rezultă compuşi cu
moleculă mică → nu apar pori
- deşeurile de fabricaţie şi bavurile sunt recuperabile şi reciclabile
Materiale polimerice avansate. © UPB
19
Matrici termoplastice
Dezavantajele utilizării matricilor polimerice termoplastice
- termostabilitate mai redusă
- modificarea proprietăţilor în timp (oboseală, fisuri)
Polimeri termoplastici ce pot fi utilizaţi în calitate de matrice pentru MC:
- polimeri cu performanţe medii (polietilena, polipropena, polistirenul şi
copolimerii săi, policlorura de vinil)
- polimeri termostabili cu performanţe ridicate (exemple prezentate în
continuare)
- polimeri cu “performante înalte”, dar cu termostabilitate redusă
(poliacetalii, poliamidele, policarbonaţii, poliesterii saturaţi)
Poli(eter-eter) cetone (PEEK)
OO C
O
n
Proprietăţi:
- excelentă inerţie chimică, atacată de acizi
- bune proprietăţi mecanice ce se păstrează şi la temperaturi ridicate
- bună comportare la flacără
- excelente proprietăţi dielectrice în condiţii severe de exploatare
(temperaturi ridicate, agenţi chimici foarte agresivi)
- unul dintre cei mai scumpi polimeri termoplastici (75-110 USD/kg)
Materiale polimerice avansate. © UPB
20
Poli(eter-eter) cetone (PEEK)
Aplicaţii:
- aeronautică → piese pentru motoare, materiale pentru cabinele
interioare, conducte pentru aer, părţi exterioare nestructurale
- izolarea cablurilor în electrotehnică şi electronică
- acoperiri anticorozive etc.
- biomaterial → poate fi folosit pentru implanturi
- materiale compozite armate cu fibre de sticlă sau carbon.
- componente de pompe pentru industria chimică
- componente ptr pompe UHV (Ultra High Vacuum – 10-7 Pa) → pentru
aparatura electronică necesară diferitelor metode de analiză
performante
Polifenilensulfura (PPS)
+ 2n NaCl200-300°C
10-20 atm+ n Na2Sn Cl Cl
n
S
Proprietăţi:
- insolubil în toţi solvenţii până la 200C
- bune proprietăţi mecanice, în special MC armate cu fibre de sticlă
- excelente proprietăţi dielectrice
- inerţie chimică ridicată
- rezistenţă la radiaţii UV
- bună comportare la flacără
- bună stabilitate termică → poate fi utilizat timp îndelungat la 220C /
degradarea termică începe la 247C
Materiale polimerice avansate. © UPB
21
Polifenilensulfura (PPS)Utilizări:
- materiale compozite armate cu fibre de sticlă sau cu fibre de azbest
- corpuri de pompe, vane, compresoare, racorduri etc. → în special pentru
rafinării şi instalaţii petrochimice
- repere pentru submarine şi nave maritime → datorită rezistenţei deosebite
la acţiunea apei de mare
- în electrotehnică şi electronică → dulii, fasunguri, prize, perii colectoare
pentru motoare, circuite integrate, condensatoare încapsulate
- diferite repere în industria de automobile, aeronautică, tehnică militară,
echipamente sportive etc.
- fibre → haine rezistente la flacără
- membrane de filtrare
Polisulfone (PSU)
CH3
CH3
C O
O
O
SO
nProprietăţi:
- polimer rigid, transparent
- bune proprietăţi mecanice (exceptând rezistenţa la şoc)
- este considerat un înlocuitor superior pentru policarbonat
- proprietăţile mecanice se păstrează pe intervalul -100 ÷ +150°C
- bune proprietăţi dielectrice
- excelentă rezistenţă la hidroliză (superior policarbonaţilor, poliesterilor)
- rezistenţă chimică ridicată la acţiunea soluţiilor de săruri şi acizi minerali
- solubil în solvenţi cloruraţi, hidrocarburi aromatice, cetone
- slabă rezistenţă la factorii de mediu → apar fisuri, crăpături
Materiale polimerice avansate. © UPB
22
Polisulfone (PSU)
Utilizări:
- piese, ustensile pentru medicină şi industria alimentară (datorită
posibilităţilor de spălare şi sterilizare cu apă fierbinte)
- industria electronică - circuite imprimate, conectoare, dielectric în
condensatori
- membrane de filtrare (dimensiunea porilor până la 0,2 μm)
- membrane cu pori de până la 40 nm (hemodializă, recuperarea apelor
uzate)
Polietersulfone (PSU)
SO2ClOnSolvent polar
Acid LewisO S
O
O
n
+ (n-1) HCl
Proprietăţi:
- polimer transparent
- rezistenţe termice şi mecanice ridicate (datorate grupelor sulfonice)
- bună prelucrabilitate pe echipamente convenţionale, la temperaturi
moderate (datorită grupelor eterice → conferă mobilitate catenelor)
- stabilitate termică şi dimensională ridicată → pot fi utilizate timp
îndelungat la temperaturi de 180C şi timp scurt până la 200-210°C
- bune proprietăţi electrice într-un interval larg de temperatură (de la -
75C până la 200C)
Materiale polimerice avansate. © UPB
23
Polietersulfone (PSU)
Proprietăţi:
- rezistenţe ridicate la şoc
- bună rezistenţă chimică (solvenţi, uleiuri, acizi şi baze)
- solubile în solvenţi polari
- bună comportare la flacără
- slabă rezistenţă la agenţii de mediu (nerecomandat pentru utilizare în
exterior)
- prezintă o uşoară absorbţie de apă
Polietersulfone (PSU)
Prelucrare:
- prin injecţie, suflare, extrudere, formare sub vacuum la temperaturi între
340-380C.
Utilizări:
- filme, pelicule pentru impregnarea fibrelor de sticlă şi carbon sau pentru
acoperiri anticorozive
- sunt utilizate singure sau armate cu fibre de sticlă sau carbon în industriile
electrotehnică şi electronică, automobile, tehnică aerospaţială,
medicină, hidraulică şi bunuri de larg consum.
Materiale polimerice avansate. © UPB
24
Poliarilsulfone (PAS)
S
O
O
n
Proprietăţi:
- rezistenţă termică remarcabilă
- înaltă rezistenţă la şoc
- transparenţă
- rezistenţă superioară la hidroliză
- solubile în solvenţi organici (ex: clorura de metilen)
- rezistenţă scăzută la esteri, cetone şi hidrocarburi aromatice →
apariţia de crăpături în obiectele finite
Prelucrare şi utilizări - similar cu PSU şi PES.
Fibre
Generalitati
Tipuri de fibre pentru armare compozite
Materiale polimerice avansate. © UPB
25
Materiale (agenţi) de ranforsare
Materiale de ranforsare într-o matrice → îmbunătăţesc proprietăţile
mecanice → în special rigiditatea, modulul şi rezistenţa specifică.
- particule macroscopice şi microscopice → în formă de sferă, fulgi →
reduc contracţia la formare şi îmbunătăţesc caracteristicile de curgere
a răşinii (fluiditatea), uneori scad preţul materialului compozit
Ranforsarea polimerilor se realizează cu:
- fibre → folosite ca atare sau sub formă de ţesături şi împletituri →
măresc rezistenţa la solicitări mecanice şi termice, rigiditatea
compozitului şi reduc fluajul şi absorbţia de umiditate.
Agenţi de ranforsare - Fibre
Fibrele pentru ranforsarea polimerilor pot fi:
- filamente monocristaline (whiskers) → asigură materialului compozit
rezistenţă şi module mult mai mari în raport cu fibrele de aceeaşi
compoziţie chimică → datorită raportului lungime/diametru foarte
mare (100-15.000) şi prin perfecţiunea structurii cristaline (reduce la
minimum influenţa defectelor asupra rezistenţei mecanice)
- fibre continue (sau lungi) → conferă materialului compozit caracteristici
mecanice ridicate
- fibre discontinue (sau scurte) → proprietăţi mecanice inferioare faţă de
fibrele continue (raport lungime/diametru mai mic) → avantaje la
prelucrare şi posibilitatea orientării privilegiate
Materiale polimerice avansate. © UPB
26
Fibre – proprietăţi mecanice
Cele mai utilizate fibre: de carbon, de bor, de sticlă, de carbură de siliciu şi
fibre aramidice.
Materiale compozite hibride
Materialele tip sandwich pot fi considerate compozite hibride = feţele sunt
compozite laminate multistrat, miezul din spumă sau faguri.
Modalităţi de combinare a fibrelor într-o structură hibridă:
- în diverse straturi ale semifabricatului sau, uneori, în părţi complet
diferite ale aceluiaşi element structural
Material compozit hibrid = ranforsarea polimerilor cu două sau mai multe
tipuri de fibre diferite, într-o matrice comună → fiecare dintre tipurile
de fibre având un rol bine determinat → contribuie cu proprietăţi
caracteristice
- pot fi aglomerate împreună cu un liant într-un "mat"
- ţesute sau împletite împreună în produse textile hibride
Materiale polimerice avansate. © UPB
27
Materiale compozite hibride - exemple
Compozite unidirecţionale matrice epoxidică / fibre de sticlă → prin
introducerea de fibre de bor → cresc rezistenţa la încovoiere şi modulul
de elasticitate Young
Materialele compozite obţinute cu fibre de bor sau de carbon cu modul înalt
sunt sensibile la impact → combinarea lor cu fibre Kevlar sau fibre de
sticlă (tip E sau S) măreşte rezistenţa la impact şi reduce costul
Compozite tip sandwich → miezul
(fagure, spumă, profile) scade f.
mult greutatea compozitului la
acelaşi volum, creşte izolarea
termică şi fonică.
Materiale de armare pe bază de fibre
- fibrele de bor şi cele de carbură de siliciu → se obţin sub forma unui
singur filament cu diametru relativ mare
- fibrele de carbon, de sticlă, aramidice → se obţin sub formă de
mănunchiuri de filamente continue şi fine, care pot fi folosite ca atare,
tăiate la lungimi standardizate sau prelucrate prin operaţii textile în
materiale neţesute sau în ţesături şi împletituri bi- şi tridimensionale
Mănunchiurile de filamente continue:
- Tow - mănunchi de filamente separate şi netorsionate
- Roving - ansamblu de filamente lungi, paralele, unite împreună, netorsionate
- Yarn - ansamblu de filamente reunite prin răsucire, simplu sau buclat.
Mod de prezentare a fibrelor după fabricaţie:
Materiale polimerice avansate. © UPB
28
Materiale de armare pe bază de fibre
g firului greutatea
m firului lungimea metricnumãr
m 1000
g firului greutatea tex
m 9000
g firului greutatea denier
Marcarea caracteristicilor fibrelor şi firelor se exprimă prin:
Un filament de mătase cu lungimea de 9000 m cantăreşte 1
in firului lungimea
rãsucirirãsuciri denumãr
1 2 3 4 5 6
Materiale de armare pe bază de fibre
Materiale neţesute sub formă de împâsliri (mat) → executate din fibre
tăiate sau continue, orientate întâmplător şi aglomerate mecanic sau
cu un liant polimeric
Ţesături din fibre de ranforsare → sunt caracterizate prin numărul de
noduri pe centimetrul pătrat, prin dimensiuni, porozitate şi aspectul
suprafeţei (model)
Materiale neţesute unidirecţionale → oferă proiectantului posibilitatea de
a realiza rezistenţe mecanice mari pe anumite direcţii
Materiale polimerice avansate. © UPB
29
Materiale de armare pe bază de fibre
Materiale de armare pe bază de fibre
Materiale polimerice avansate. © UPB
30
Fibre de bor
http://www.specmaterials.com/boronfiber.htm
+ 3H22BCl3 2B + 3HCl
W
Depunerea Borului se face pe un
substrat de Wolfram sau carbon.
Diametrul final al fibrei de bor -
100, 140 sau 200 µ (substrat filamente
de wolfram cu diametrul tipizat de 12,5 m - fibre
de carbon cu diametrul de 33 m)
Procedeu de obţinere → depunerea chimică a borului pe un substrat
încălzit, în atmosferă de hidrogen şi de vapori de clorură de bor.
Fibre de bor
Deficienţe:
- duritate mare (9 Mohs) → prelucrare mecanică dificilă → necesită
instrumente speciale, din aliaje dure, diamant
- preţ foarte ridicat:
- materii prime costisitoare (BCl3 şi W)
- depunerea borului / recuperarea şi reciclarea clorurii de bor
(randament mic)
- fragilitate ridicată:
- rezistenţă scăzută la lovire
- dificilă prelucrarea în forme complicate
Avantaje:
- rezistenţe mecanice excepţionale la compresiune, întindere, oboseală,
modulul mare de elasticitate Young
- densitatea mică
Materiale polimerice avansate. © UPB
31
Fibre de bor - aplicaţii
- obţinute în anul 1959 de firma Texaco (SUA) → primul material de
ranforsare destinat compozitelor de înaltă performanţă
Materiale compozite cu matrice epoxidică sau metalică armate cu fibre de
bor → în special pentru aplicaţii în domeniul aeronautic şi militar, unde
proprietăţile mecanice excelente justifică preţul ridicat → elemente de
structură ale avioanelor comerciale şi militare (ca longeroane, voleţi,
panouri de fuzelaj etc.) şi ale elicopterelor.
- F-14 (Grumman and Aerospace Corporation) - 66 kg fibre B (1970-2006)
- F-15 (McDonnel-Douglas Corporation) - 98 kg fibre (1972-2025)
Fibre de bor - aplicaţii
Materiale hibride:
- prin combinarea fibrelor de bor cu fibre mai puţin costisitoare (fibre de
carbon / de sticlă) se realizează un raport performanţă/cost avantajos
(elemente structurale mai puţin solicitate pentru Mirage 2000, B-1)
- înlocuirea fibrelor de sticlă într-o proporţie mică cu cele de bor, într-un
material compozit hibrid, îmbunătăţeşte semnificativ caracteristicile
mecanice ale acestuia. De exemplu, înlocuirea a numai 8% din volumul de
fibre de sticlă cu fibre de bor, într-un compozit unidirecţional cu matrice
epoxidică (55% fibre) măreşte rezistenţa la încovoiere de 2,5 ori şi modulul de
elasticitate longitudinal de 3 ori.
Materiale polimerice avansate. © UPB
32
Fibre de bor - aplicaţii
Materialele compozite epoxidice cu fibre de bor → articole sportive:
- undiţe
- cadru pentru bicicletele ultra-uşoare de mare performanţă (compozit fibre
de B - aluminiu)
- rachete de tenis-badminton performante
- crose de golf
Fibre de sticlăSticla = material solid, amorf – vitros (necristalin) – obţinut dintr-un
amestec de nisip şi alţi oxizi
- 1931 - începe producerea industrială şi comercializarea fibrelor de sticlă
destinate iniţial izolaţiilor electrice la temperaturi mari.
- 1943 - Materialul compozit cu matrice epoxidică şi fibre de sticlă →
realizarea fuzelajului unui avion de luptă.
Materiale polimerice avansate. © UPB
33
Fibre de sticlă
Compoziţia sticlei / fibrelor de sticlă
Sticla E → stabilitate la umiditate ridicată, proprietăţi electroizolante bune,
rezistenţa mecanică mare, susceptibilă la degradare în medii puternic
alcaline şi acide → cea mai utilizată ptr FS ptr ranforsarea polimerilor
Sticla ECR → asociază avantajele sticlei E cu rezistenţa chimică mare a sticlei C
Sticla S / R → rezistenţă mecanică înaltă şi comportare excelentă la umiditate.
FS tip S / R - utilizate la ranforsarea polimerilor destinaţi industriei
aeronautice, aerospaţiale şi pentru unele aplicaţii militare.
Sticla A → cel mai răspândit → utilizat ptr. sticle, borcane şi geamuri. FS tip A -
sensibile la acţiunea apei, caracteristici dielectrice mai slabe
Sticla C → rezistenţă chimică remarcabilă, inclusiv acizi
Sticla D → rezistenţă termică mare, proprietăţi dielectrice foarte bune
Fibre de sticlă
Metode de obţinere
Sticla - se obţine prin topirea în cuptoare speciale a unui amestec format din
nisip (SiO2), CaCO3, Na2CO3 (K2CO3), alţi oxizi şi materiale auxiliare,
urmată de răcirea rapidă a topiturii sub temperatura de topire, pentru a
preveni cristalizarea (proces denumit subrăcire)
Fibrele de sticlă se fabrică prin trei procedee:
- dispersarea de sticlă topită, sub formă de fibre, prin centrifugare
- dispersarea prin suflare cu aer comprimat sau gaze fierbinţi
- tragerea fibrelor prin filiere → utilizat pentru obţinerea fibrelor de
sticlă continue
Materiale polimerice avansate. © UPB
34
Fibre de sticlă
Tratament permanent al FS cu ancolant, ce conţine:
- aditiv antistatizant → previne şi reduce încărcarea electrostatică de
suprafaţă (săruri cuaternare de amoniu)
- agent de finisare (liant), de obicei un polimer peliculogen (alcool
polivinilic, poliacetat de vinil) → uneşte filamentele de sticlă şi
formează o peliculă care le protejează de distrugerea prin abraziune
- lubrifiant (ulei vegetal, substanţe tensioactive) → micşorează coeficientul
mare de frecare al fibrelor, reducând uzura
- agent de cuplare (de obicei un organosilan bifuncţional) → asigură
compatibilitatea dintre fibră şi matrice.
Fibre de sticlă - proprietăţi
Proprietăţi mecanice:
- rezistenţa la tracţiune foarte mare
- modulul de elasticitate Young al FS mai mic decât pentru fibrele carbon →
flexibilitate mai mare a fibrei.
- proprietăţile mecanice ale FS scad cu creşterea temperaturii (rezistenţa la
întindere a FS scade rapid peste 250°C)
- umiditatea influenţează negativ rezistenţa mecanică a FS → La atingerea
unei tensiuni critice, sub sarcină constantă şi în mediu umed,
microfisurile existente de obicei la suprafaţa sticlei se propagă rapid şi
conduc la rupere (oboseală statică).
Materiale polimerice avansate. © UPB
35
Fibre de sticlă - proprietăţi
Alte proprietăţi:
Rezistenţa termică → nu arde, are punct de înmuiere ridicat
Proprietăţi termice → bun izolator termic
Rezistenţa chimica → bună, excepţie sticla E - susceptibilă la atacul
soluţiilor acide
Rezistenţa la umiditate → bună - totuşi, există o adsorbţie a apei la
suprafaţa fibrelor
Proprietăţi electrice → excelent izolator electric
Toate proprietăţile fibrelor depind de tipul de sticlă !!
Fibre de sticlă - aplicaţii
Avantajele utilizării fibrelor de sticlă faţă de alte tipuri de fibre:
- rezistenţa specifică mare
- uşurinţa de prelucrare textilă
- costul mai mic
Sunt utilizate pentru materiale compozite împreună cu:
- polimeri termoplastici: polipropilenă, nylon 6,6, policarbonaţi,
polisulfone, poli(eter-eter) cetone
- răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri nesaturati
Materiale polimerice avansate. © UPB
36
Fibre de sticlă - aplicaţii
Proprietăţile compozitelor depind de
- fracţia de volum a fibrelor
- modelul ţesăturii
- fibre distribuite statistic în matrice (materiale împâslite, fibre
scurte) → rezistenţe mecanice relativ uniforme în toate
direcţiile, dar mai mici.
- distribuţia fibrelor în direcţia urzelii şi a bătăturii:
- fibre unidirecţionale → rezistenţa mecanică maximă în direcţia
fibrelor
- ţesătură bidirecţională 0°/90° → rezistenţa mecanică variază
proporţional între cele două maxime date de direcţia fibrelor
Fibre de sticlă - aplicaţii
Materiale tip sandwich:
- cu feţe din polimeri termorigizi ranforsaţi cu fibre de sticlă → aplicaţii în
care solicitarea principală este flexiunea
- miezul structurilor sandwich poate fi: fagure (din aluminiu, hartie
impregnată, polimer), material celular (spumă PVC, PS, poliuretan),
lemn.
→ componente pentru avioane, elicoptere şi nave spaţiale sau în tehnica
militară, unde prioritar este raportul rezistenţă/greutate
Materiale polimerice avansate. © UPB
37
Fibre de sticlă - aplicaţii
- aeronautică – cupole pentru radare (transparente la microunde), aripi,
planoare
- construcţia de ambarcaţiuni de mici şi medii dimensiuni
- conducte de uz civil sau industrial, pentru apă potabilă, ape uzate,
sisteme de stingere a incendiilor, gaz, substanţe chimice
- rezervoare de stocare (până la 300 t), chiar pentru industria chimică,
fose septice
- automobilism – caroserii, car-kit-uri sport
- echipamente sportive (caiacuri, carturi)
- constructii – plase de armare pentru tencuieli sau coltare, plase contra
insectelor
Fibre de sticlă - aplicaţii
Materiale polimerice avansate. © UPB
38
Fibre de carbon
Precursori = fibrele organice utilizate pentru obţinerea fibrelor de carbon
Cei mai buni precursori sunt poliacrilonitrilul (PAN), celuloza şi smoala.
Condiţii pe care trebuie să le îndeplinească precursorii:
- să posede rezistenţele şi caracteristicile de prelucrare necesare menţinerii
fibrelor împreună pe durata tuturor etapelor de sinteză
- să nu se topească în nici una din etapele parcurse
- să nu se volatilizeze complet în timpul procesului de sinteză, astfel încât
procentul de carbon după piroliză să fie destul de apreciabil pentru a
justifica utilizarea sa pe baze economice
- să fie cât mai ieftin, deoarece preţul său se reflectă în costul final al FC
Fibre de carbon
Precursor (PAN)
etirare
C
CH
C
CH
C
N N
C
CH
C C
CH
C
N N
HH HHH H
ciclizare
HHH
C
C
C
C
C
N N
C
C
C C
C
C
N
Fibrã etiratã
C
C
CH
C
C
N N
C
C
CH CH
C
C
N
C
C
CH
C
C
N N
C
C
CH CH
C
C
N
O O Ocarbonizareoxidare
Structurã oxidatãFibrã carbon
Etape: fabricarea precursorului, etirarea (orientarea) precursorului,
stabilizarea (ciclizare), carbonizarea şi grafitizarea.
Grafitizarea
- pentru obţinerea de fibre cu modulul de elasticitate foarte ridicat → tratament
termic la 2000-3000°C sub tensiune (Fibre Carbon etirate)
- rezultă fibre cu un conţinut de carbon > 99% = fibre "grafitice"
ρPAN = 1,2 g/cm3; ρFC = 1,7-2,1 g/cm3; ρFG = 2,2 g/cm3
Materiale polimerice avansate. © UPB
39
Fibre de carbon
Finisarea fibrelor de carbon
- oxidare controlate la suprafaţă (cu aer, agenţi chimici sau oxidare
electrochimică) → formarea de grupări reactive pe suprafaţa fibrei →
realizarea unei legături puternice între fibră şi matricea polimerică.
- tratare cu o soluţie de alcool polivinilic, cu răşină epoxidică sau
poliimidică → realizarea unei protecţii mecanice a fibrelor (la
transport şi ţesere) / ameliorarea legăturii fibră-matrice polimerică.
Fibre de carbon
Proprietăţile fibrelor de carbon
Avantaje
- excelente proprietăţi mecanice la tracţiune şi compresiune
- rezistenţă termica foarte buna (în absenta atmosferei oxidante)
- excelentă inerţie chimică la temperatura ambiantă
- bună conductivitate termică
Deficienţe:
- rezistenţă scăzută la şoc
- rezistenţă scăzută la abraziune
- atacate de oxigen şi acizi oxidanţi (H2SO4, HNO3) la Temp. > 400°C
- preţ foarte ridicat
Materiale polimerice avansate. © UPB
40
Fibre de carbon
Pentru îmbunătăţirea unor proprietăţi, se obţin uneori compozite hibride,
utilizându-se două sau mai multe materiale de ranforsare:
- creşterea rezistenţei la şoc – fibre carbon / fibre aramidice
- scăderea costului – fibre carbon / fibre de sticlă
Fibrele de carbon se utilizează la obţinerea MC cu:
- răşini termoreactive (epoxidice, poliesterice, poliimidice)
- polimeri termoplastici (poliimide, polisulfone, polifenilensulfură, Nylon 6,6)
Fibre de carbon
Utilizările materialelor compozite cu fibre de carbon:
- aeronautică, aerospaţială – pale de elice de elicopter, fuselaje avioane,
planoare
- articole sportive: undiţe, crose pentru golf, rachete de tenis, schiuri, cadre
pentru biciclete, tacuri ptr. biliard/snooker
- corpul barcilor cu panze, canoe, ski-jeturi
- industria de automobile, kituri sport, inclusiv F1
- instrumentelor medicale şi radiologice
- instrumente muzicale (instrumente cu coarde)
- ranforsarea zonelor supuse eforturilor / reparaţii pentru fisuri, spărturi
Materiale polimerice avansate. © UPB
41
Fibre de carbon - aplicatii
Fibre de carbon - aplicatii
Materiale polimerice avansate. © UPB
42
Fibre aramidice
- fibre aramidice - termen generic pentru fibrele poliamidice aromatice, în
care peste 85% din grupările amidice sunt legate de două inele
aromatice
Nomex :
- similar fibrelor poliamidice uzuale
- bună rezistenţă termică, chimică, la radiaţii
- întârzietor de flacără → costume de protecţie, combinezoane piloţi
automobilism, aviaţie
- slabe proprietăţi mecanice
- 1962 – fibre aramidice meta-fenilenice (S.U.A., DuPont) – Nomex
- 1971 – fibre aramidice para-fenilenice (S.U.A., DuPont) – Kevlar
Fibre aramidice
C
NO H
N
CH O OH
C
N
HON
C
Kevlar :
Prezenţa inelelor aromatice în catena de bază →
rigiditate ridicată catenelor, stabilitate chimică şi
termică ridicată.
Structura liniară a macromoleculelor → împachetare
avansată a catenelor → grad ridicat de cristalinitate.
- rezistenţa şi modulul la tracţiune sunt mult mai ridicate / alungirea mult
mai scăzută în comparaţie cu alte fibre organice
- rezistenţă mare la flacără şi la temperaturi ridicate (la 500°C încep să se
descompună, nu se topesc)
- rezistenţă la solvenţi organici, carburanţi şi lubrifianţi
Materiale polimerice avansate. © UPB
43
Fibre aramidice
Aplicaţii: materiale compozite de înaltă performanţă:
- aeronautică şi aerospaţiale (elemente pentru avioanele de luptă etc.)
- tehnica militară (căşti, veste antiglonţ)
- echipamente sportive (rachete tenis, inclusiv racordaje, echipamente de
protecţie pentru hochei şi fotbal american)
- industria automobilelor (cord pentru anvelope, curele de siguranţă,
furtunuri etc.)
- industria navală (echipamente speciale pentru iahturi şi nave maritime).
- haine de protecţie termică, la foc