Chapter 1 1.3 Polymer Matrix

Patrapon K. Fiber Reinforced Composite 1

Chapter 1

1.3 Polymer Matrix


Matrices

• Polymer matrices มี�ชื่��อเรี�ยกอ�กอย�างหนึ่��งว่�า resins • โดยทั่��ว่ไปในึ่ว่�สด�เส�นึ่ใยเสรี�มีแรีงจะใชื่� resin ปรีะมีาณ 30-

40% โดยปรี�มีาตรีของว่�สด�• หนึ่�าทั่��ของ matrix คื�อ ส�งถ่�ายแรีงไปส&� fiber ป'องก�นึ่

fiber จากอ�นึ่ตรีายต�างๆ จากส��งแว่ดล้�อมี แล้ะป'องก�นึ่fiber จากอ�นึ่ตรีายจากกล้ไกทั่างกล้ เชื่�นึ่การีเส�ยดส� การี

โก�ง เป*นึ่ต�นึ่• เนึ่��องจาก matrix เป*นึ่ส�ว่นึ่ทั่��ต�องรี�บแรีงเฉื�อนึ่ การีเล้�อกใชื่�

matrix ให�เหมีาะสมีก�บการีใชื่�งานึ่จ�งเป*นึ่ส��งส-าคื�ญ


Matrices

• ในึ่การีเล้�อกใชื่� matrix ต�องพิ�จารีณาปรีะเด0นึ่ต�อไปนึ่�1– มี�การีด&ดซึ�มีนึ่-1านึ่�อย– มี�คื�าการีหดต�ว่ต-�า– wet แล้ะ bond ก�บ fiber– มี�คื�าส�มีปรีะส�ทั่ธิ์�4การีขยายต�ว่ทั่างคืว่ามีรี�อนึ่ต-�า– มี�การีไหล้ง�ายแล้ะสามีารีถ่แทั่รีกซึ�มีเข�าไปในึ่ fiber ได�ทั่�กๆ

เส�นึ่ แล้ะในึ่ขณะ cure ต�องไมี�มี� void เหล้�ออย&�– มี�คื�า strength, modulus, แล้ะ elongation ทั่��เหมีาะ

สมี– มี�การีย�ดหย��นึ่ต�ว่พิอเหมีาะทั่��สามีารีถ่ transfer load ไปย�ง

fiber ได�


Matrices

• ในึ่การีเล้�อกใชื่� matrix ต�องพิ�จารีณาปรีะเด0นึ่ต�อ ไปนึ่�1 (ต�อ)

– สามีารีถ่คืงรี&ปรี�างได� (dimensional stability)– ง�ายต�อการีข�1นึ่รี&ปให�ได�รี&ปรี�างตามีต�องการี– มี�คืว่ามีคืงทั่นึ่ต�อสารีเคืมี� (ข�1นึ่ก�บการีใชื่�งานึ่)– มี�คืว่ามีคืงทั่นึ่ต�ออ�ณหภู&มี�ต-�า (ข�1นึ่ก�บการีใชื่�งานึ่)– มี� strength ทั่��อ�ณหภู&มี�ส&ง (ข�1นึ่ก�บการีใชื่�งานึ่)


Matrices

• นึ่อกจาก matrix มี�คืว่ามีส-าคื�ญด�งทั่��กล้�าว่ไปแล้�ว่ ย�งมี� คืว่ามีส-าคื�ญต�อการีข�1นึ่รี&ปแล้ะการีเก�ด defect ทั่��จะเก�ด

ข�1นึ่จากการีผล้�ตด�ว่ย ด�งนึ่�1นึ่การีเล้�อก matrix ทั่��มี�คืว่ามี หนึ่�ด อ�ณหภู&มี�หล้อมีต�ว่ แล้ะ curing temperature

ทั่��เหมีาะสมีจ�งมี�คืว่ามีส-าคื�ญมีาก• ในึ่ทั่��นึ่�1จะเนึ่�นึ่ matrix ทั่��อย&�ในึ่รี&ปของ polymer ซึ��ง

แบ�งได�เป*นึ่ 2 ชื่นึ่�ดคื�อ thermosetting แล้ะthermoplastics

• Matrix อ��นึ่ๆ เชื่�นึ่ metal แล้ะ ceramic จะใชื่�ในึ่งานึ่ทั่��ต�องทั่นึ่ต�ออ�ณหภู&มี�ทั่��ส&งมีากเทั่�านึ่�1นึ่


Polymeric Matrices• Polymer matrix แบ�งได�เป*นึ่

2 ชื่นึ่�ดคื�อ thermosets แล้ะthermoplastics

• Thermosetting matrix เชื่�นึ่ polyester, epoxies,

phenolics, แล้ะ polyimides• Thermoplastic matrix เชื่�นึ่

nylon, PET, PC, PEEK, PPS, PEI, PAI

• Thermoplastics แบ�งย�อยได� อ�ก 2 ชื่นึ่�ด คื�อ amorphous แล้ะ crystalline plastics


Thermoplastics vs. Thermosets


Amorphous vs. Crystalling


Semi-Crystalline


Polymeric Matrices

• ส-าหรี�บ polymer matrix นึ่อกเหนึ่�อจากคื�ณสมีบ�ต� ทั่างกล้แล้�ว่ส��งส-าคื�ญอ�กส��งทั่��ต�องพิ�จารีณาคื�อ

dimensional stability ทั่��อ�ณหภู&มี�ส&งๆ แล้ะการีคืงทั่นึ่ต�อคืว่ามีชื่�1นึ่แล้ะสารีเคืมี�

• ในึ่การีพิ�จารีณาว่�า matrix แต�ล้ะชื่นึ่�ดสามีารีถ่ทั่นึ่ อ�ณหภู&มี�ได�ส&งแคื�ไหนึ่เรีาจะด&ทั่��คื�า glass transition

temperature (Tg) โดยทั่��ถ่�าคื�า Tg ส&งหมีายถ่�งmatrix จะทั่นึ่อ�ณหภู&มี�ได�ส&งกว่�า matrix ทั่��มี�คื�า Tg ต-�า

• ในึ่การีเล้�อกเพิ��อการีใชื่�งานึ่ เรีาต�องเล้�อกใชื่� matrix ทั่��มี� คื�า Tg ส&งกว่�าอ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่


Glass Transition Temperature


Glass Transition Temperature of Epoxy


Polymeric Matrices

• ส-าหรี�บการีคืงทั่นึ่ต�อคืว่ามีชื่�1นึ่แล้ะสารีเคืมี� หรี�อ คืว่ามีชื่�1นึ่แล้ะอ�ณหภู&มี�ส&งนึ่�1นึ่ หมีายคืว่ามีว่�าเมี��อ

matrix เจอทั่�1งคืว่ามีชื่�1นึ่แล้ะสารีเคืมี�พิรี�อมีก�นึ่ จะ ต�องไมี�ล้ะล้าย บว่มี (swell) มี�รีอยแตกรี�าว่

(crack) หรี�อแตกล้ายงา (craze) ต�ว่อย�างสารี เคืมี� เชื่�นึ่นึ่-1ามี�นึ่เชื่�1อเพิล้�งต�างๆ ส� antifreeze

หรี�อสารีอ��นึ่ๆทั่��ใชื่�ในึ่เคืรี��องยนึ่ต7ต�างๆ


Polymeric Matrices

คุ�ณสมบั�ติ Thermoset Thermoplastic

รีาคืาของเรีซึ�นึ่ ต-�า-คื�อนึ่ข�างส&ง ต-�า-ส&งส&ตรีในึ่การีผสมี ย��งยาก ง�ายคืว่ามีหนึ่�ด ต-�ามีาก ส&งการีเคืล้�อบต�ดผ�ว่ ทั่-าได�ง�าย ยากเว่ล้าในึ่การีข�1นึ่รี&ป นึ่านึ่ เรี0ว่-นึ่านึ่รีาคืาในึ่การีข�1นึ่รี&ป ส&ง, ต-�า ต-�าคื�ณสมีบ�ต�ทั่างกล้ของคือมีฯ

คื�อนึ่ข�างด�-ด� ด�

คืว่ามีคืงทั่นึ่ แย�-ด�มีาก พิอใชื่�-ด�


Thermosets

• เป*นึ่ matrix ชื่นึ่�ดทั่��ใชื่�มีากทั่��ส�ด เพิรีาะใชื่�อ�ณหภู&มี�ในึ่การี ผล้�ตต-�า ไหล้ง�ายทั่-าให�สามีารีถ่เคืล้�อบผ�ว่ fiber ได�ทั่��ว่ถ่�ง

แล้ะมี�รีาคืาถ่&ก มี�การีคื�บ (creep) ต-�า นึ่อกจากนึ่�1ย�งสามีารีถ่ทั่นึ่อ�ณหภู&มี�แล้ะสารีเคืมี�ได�ด�อ�กด�ว่ย

• อย�างไรีก0ตามี ข�อด�อยคื�ออาย�การีใชื่�งานึ่ส�1นึ่ (ทั่��อ�ณหภู&มี�ห�อง) เว่ล้าทั่��ใชื่�ในึ่การีผล้�ตเพิ��อข�1นึ่รี&ปเป*นึ่ชื่�1นึ่งานึ่ต�างๆ นึ่านึ่

คื�า strain to failure ต-�า แล้ะทั่นึ่แรีงกรีะแทั่กได�ต-�า• เป*นึ่ matrix ทั่��ต�องมี�การี cure จ�งจะใชื่�งานึ่ได� โดยการี

cure ทั่-าได�ทั่�1งทั่��อ�ณหภู&มี�ห�องแล้ะอ�ณหภู&มี�ส&งกว่�าอ�ณหภู&มี� ห�อง ข�1นึ่ก�บชื่นึ่�ดของ TS


Thermoplastics• ข�อด�ของ thermoplastics matrix คื�อรี�บแรีง

กรีะแทั่กได�ส&ง แล้ะทั่นึ่ต�อการีแตกห�กได�ด�กว่�า มี�คื�าstrain to failure ส&งกว่�าทั่-าให�การีเก�ด crack ยากกว่�า

แล้ะไมี�จ-าเป*นึ่ต�องมี�การี cure


Thermoplastics

• ข�อด�อ��นึ่ๆ ของ thermoplastic matrix คื�อ– มี�อาย�การีใชื่�งานึ่ไมี�จ-าก�ด– เว่ล้าทั่��ใชื่�ในึ่การีผล้�ตเพิ��อข�1นึ่รี&ปเป*นึ่ชื่�1นึ่งานึ่ต�างๆ ส�1นึ่– สามีารีถ่ด�ดโคื�ง หรี�อเปล้��ยนึ่รี&ปทั่รีงได�ง�าย– ซึ�อมีแซึมีได�ง�าย ( เชื่�นึ่ เชื่��อมี)– หย�บจ�บได�สะดว่ก ไมี�เหนึ่�ยว่ต�ดมี�อ– Recycle ได�

• แต�การีใชื่�งานึ่ยากกว่�าเพิรีาะมี�คืว่ามีหนึ่�ดมีาก


ป9ญหาทั่��เก��ยว่ข�องก�บการีใชื่�thermoset

• คื�ณสมีบ�ต�ไมี�คืงทั่�� (batch to batch)– ผล้จาก impurity – ผล้จากการีเปล้��ยนึ่แปล้งทั่��เก��ยว่ข�องด�านึ่เคืมี�– ผล้จากการีเปล้��ยนึ่บรี�ษั�ทั่ทั่��ส� �งซึ�1อ หรี�อบรี�ษั�ทั่ทั่��ผล้�ต

เปล้��ยนึ่สถ่านึ่ทั่��ต�1ง• มี�ฟองอากาศ (void)

– การีเก�ด gel เรี0ว่เก�ดไป– การีให�คืว่ามีด�นึ่เรี0ว่เก�นึ่ไป– เก�ดการีด&ดซึ�มีนึ่-1า


ป9ญหาทั่��เก��ยว่ข�องก�บการีใชื่�thermoset

• การีเปล้��ยนึ่แปล้งในึ่กรีะบว่นึ่การีผล้�ต– การีด&ดซึ�มีนึ่-1าของ prepreg– รีะยะเว่ล้าการีเก0บรี�กษัาในึ่ห�องเย0นึ่– รีะยะเว่ล้าการีนึ่-าออกมีาจาห�องเย0นึ่จนึ่กรีะทั่��ง cure– การีส&ญเส�ย solvent ในึ่รีะบบการีข�1นึ่รี&ปแบบเป=ยก

(wet system)


ข�อคืว่รีทั่รีาบเก��ยว่ก�บการีใชื่�thermoset

• ย��งอ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่ส&งข�1นึ่เทั่�าไรี strain to failure จะย��งต-�าเทั่�านึ่�1นึ่

• ย��งอ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่ส&งข�1นึ่ทั่�าไรี การีข�1นึ่รี&ปย��งยากข�1นึ่เทั่�านึ่�1นึ่เนึ่��องจาก– สารีรีะเหยในึ่ matrix– คืว่ามีหนึ่�ดส&ง– รีะยะเว่ล้าในึ่การี cure ส&ง

• ย��งอ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่ส&งข�1นึ่เทั่�าไรี หรี�อย��งอ�ณหภู&มี�ในึ่การี cure ส&งข�1นึ่เทั่�าไรี โอกาสทั่�� matrix จะเปล้��ยนึ่ส�ย��งมีากเทั่�านึ่�1นึ่


TS: Epoxy Resins• คื�ณสมีบ�ต�ทั่างกล้ด�มีาก• ทั่��อ�ณหภู&มี�แล้ะคืว่ามีชื่�1นึ่ส&ง ย�งคืงมี�

คื�ณสมีบ�ต�ทั่างกล้ส&ง• คืว่ามีต�านึ่ทั่านึ่ต�อสารีเคืมี�ส&ง• รี&ปรี�างไมี�เปล้��ยนึ่แปล้งง�าย• ใชื่�งานึ่ง�าย (ease of

processing)• Good adhesion ต�อ fiber

ชื่นึ่�ดต�างๆ• ใชื่�งานึ่ได�ในึ่ชื่�ว่ง 125-175 oC• มี�ส�มีปรีะส�ทั่ธิ์�4การีขยายต�ว่ทั่าง

คืว่ามีรี�อนึ่ส&ง

• มี�คื�ณสมีบ�ต�หล้ากหล้าย ข�1นึ่อย&�ก�บ การีเล้�อกสารีต�1งต�นึ่ (starting

materials) curing agents แล้ะ modifiers

• ในึ่ขณะทั่�� cure จะไมี�มี� สารีรีะเหย• คื�าการีหดต�ว่ต-�า• รีาคืาคื�อนึ่ข�างแพิง• ใชื่�เว่ล้าในึ่การี cure นึ่านึ่• มี� 2 ชื่นึ่�ด cure ทั่�� 121 แล้ะทั่��

177 oC• ด&ดซึ�มีนึ่-1าทั่-าให�คืว่ามีคืงทั่นึ่ต�อ

อ�ณหภู&มี�ล้ดต-�าล้ง คื�ณสมีบ�ต�ทั่าง กายภูาพิล้ดล้ง ขนึ่าด

เปล้��ยนึ่แปล้ง


TS: Epoxy Resins


TS: Epoxy Resins

• สารีต�1งต�นึ่ของ epoxy คื�อสารีทั่��มี�กล้��มีพิ�นึ่ธิ์ะทั่าง เคืมี�ทั่��เรี�ยกว่�า epoxide group ด�งรี&ป

• ซึ��งสารีต�1งต�นึ่ทั่��มี�กล้��มีพิ�นึ่ธิ์ะนึ่�1อย&�ทั่��ใชื่�ก�นึ่ทั่��ว่ไปคื�อdiglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) ซึ��งจะมี� epoxide groups อย&�ทั่��

ปล้ายโมีเล้ก�ล้ทั่�1งสองปล้าย


TS: Epoxy Resins

• ในึ่การีใชื่�งานึ่ ต�องมี�การีผสมีสารีต�างๆ เชื่�นึ่– diluent เชื่�นึ่ diethylenetriamine (DETA)

เพิ��อล้ดคืว่ามีหนึ่�ดแล้ะย�งทั่-าหนึ่�าทั่��เป*นึ่ cross-linking agent โดยการีต�อเชื่��อมีก�บunsaturated point ของ epoxide group ของDGEBA

– Accelerator เพิ��อทั่-าให�ปฏิ�ก�รี�ยาเก�ดเรี0ว่ข�1นึ่– flexibilizers เชื่�นึ่ hydroquinone หรี�อ

benzoquinone เพิ��อเพิ��มีคื�ณสมีบ�ต�ในึ่การีต�านึ่ทั่านึ่การีกรีะแทั่ก


TS: Epoxy Resins

• การี cure เก�ดข�1นึ่ได�เมี��อเต�มี reactive curing agent ล้งไป ซึ��ง reactive curing agent ทั่��

ใชื่�อาจเป*นึ่ diethylenetriamine (DETA) ด�งรี&ป

• อะตอมีไฮโดรีเจนึ่ในึ่กล้��มี amine จะทั่-าปฏิ�ก�รี�ยา ก�บ epoxide group ด�งรี&ป


TS: Epoxy Resins• ปฏิ�ก�รี�ยาจะเก�ดต�อเนึ่��องเป*นึ่ล้&กโซึ�ไปเรี��อยๆ แล้ะได�

epoxy ทั่��แข0งต�ว่


TS: Epoxy Resins

• ถ่�าเรีาทั่-าให�ปฏิ�ก�รี�ยาทั่��เก�ดข�1นึ่ชื่�าล้ง เชื่�นึ่ ล้ดอ�ณหภู&มี�ในึ่ การี cure ล้ง เรีาจะได� resin ทั่��อย&�ในึ่สภูาว่ะ B-stage

ซึ��งเป*นึ่สภูาว่ะทั่��การี cross linking ทั่��เก�ดข�1นึ่จะย�งไมี� สมีบ&รีณ7 แล้ะรี�างแหทั่��เก�ดข�1นึ่ก0จะ form ต�ว่แบบห�างๆ

• Resin ทั่��อย&�ในึ่สภูาว่ะ B-stage จะสามีารีถ่ cure ต�อไปจนึ่สมีบ&รีณ7ได�เมี��อเรีาต�องการี

• Reactive agent มี�ได�หล้ายชื่นึ่�ด แต�ล้ะชื่นึ่�ดต�องการี อ�ณหภู&มี�ในึ่การี cure ต�างก�นึ่ แล้ะใชื่�เว่ล้าต�างก�นึ่

• คื�ณสมีบ�ต�ของ cured epoxy resins จ�งสามีารีถ่แปล้งให�ใกล้�เคื�ยงก�บทั่��เรีาต�องการีได�


TS: B-Stage


Prepreg

• Prepreg ชื่�ว่ยล้ดการีส&ญเส�ยเนึ่��องจากการี handling เส�นึ่ใยแห�ง• Prepreg ชื่�ว่ยให�คื�ณสมีบ�ต�ของ laminate ด�ข�1นึ่เนึ่��องจากมี�การีก

รีะจายต�ว่ของเส�นึ่ใยส�1นึ่ด�กว่�า• Prepreg ทั่-าให�สามีารีถ่ใชื่�งานึ่ matrix ทั่��ผสมียากได�ง�ายข�1นึ่• Prepreg ทั่-าให�ได�ใชื่� matrix ทั่��มี�การีผสมีผสานึ่ทั่��ด� เนึ่��องจากมี�การี

ตรีว่จสอบก�อนึ่ใชื่�• การี cure โดยใชื่�คืว่ามีรี�อนึ่ทั่-าให�เส�นึ่ใยมี�เว่ล้ามีากข�1นึ่ในึ่การีจ�ด

ว่างต�ว่แล้ะย�งชื่�ว่ยให� matrix มี�การีเคืล้��อนึ่ต�ว่ได�ด� ทั่-าให�การีdegas เก�ดได�ด�ข�1นึ่

• การีใชื่�คืว่ามีด�นึ่ชื่�ว่ย ล้ดการีเก�ด void แล้ะชื่�ว่ยให�เส�นึ่ใย wet ได�ด�ข�1นึ่

• Prepreg ได�รี�บการีปรี�บปรี�งให�เหมีาะสมีก�บกรีะบว่นึ่การีผล้�ตแต�ล้ะกรีะบว่นึ่การี


TS: Epoxy Resins• โดยทั่��ว่ไป เมี��อเรีาเพิ��มี cross-

link density– คื�ณสมีบ�ต�ต�อไปนึ่�1จะเพิ��มี

• Tensile modulus• Glass transition temp.• Thermal stability• Chemical resistance

– คื�ณสมีบ�ต�ต�อไปนึ่�1จะล้ด• Strain to failure• Fracture

toughness


TS: Polyester• สารีต�1งต�นึ่คื�อ unsaturated polyester resin ซึ��งมี�

พิ�นึ่ธิ์ะ double bond อย&�

• ในึ่การีใชื่�งานึ่จะมี�การีเต�มี dilulent เชื่�นึ่ styrene เพิ��อให�resin มี�คืว่ามีหนึ่�ดนึ่�อยล้ง แล้ะย�งเต�มี catalyst เชื่�นึ่organic peroxide ด�ว่ย


TS: Polyester• ภูายใต�สภูาว่ะทั่��เหมีาะสมี พิ�นึ่ธิ์ะ double bond

ก0จะทั่-าปฏิ�ก�รี�ยา แล้ะได�โคืรีงสรี�างแบบรี�างแหข�1นึ่ด�งรี&ป


TS: Polyester

• คื�ณสมีบ�ต�ของ polyester resin เหมี�อนึ่ด�งทั่��กล้�าว่แล้�ว่ในึ่กรีณ�ของepoxy resin คื�อจะมี�คืว่ามีหล้ากหล้ายซึ��งข�1นึ่อย&�ก�บ

ส�ดส�ว่นึ่ปรี�มีาณของสารีทั่��ใชื่� เชื่�นึ่styrene ทั่��ใชื่�เป*นึ่สารีdiluent ถ่�าใชื่�มีากจะทั่-าให�modulus ของ cured polyester ล้ดล้ง เนึ่��องจาก

ล้ด cross-link density แต� ถ่�าใชื่�มีากเก�นึ่ไป cure time จะ

นึ่านึ่มีาก แล้ะคื�ณสมีบ�ต�จะกล้าย เป*นึ่คื�ณสมีบ�ต�

ของPolystyrene ไป


TS: Polyester

• มี�คื�ณสมีบ�ต�หล้ากหล้าย ต�1งแต� hard and

brittle ไปจนึ่ถ่�ง soft and flexible

• รีาคืาถ่&ก

• คืว่ามีหนึ่�ดต-�า• Cure time เรี0ว่• มี�คื�าการีหดต�ว่ส&ง


TS: Polyester• ในึ่การีใชื่�งานึ่ ต�องมี�การีผสมีสารีต�างๆ เชื่�นึ่

– Reactive diluent เชื่�นึ่ styrene เพิ��อล้ดคืว่ามีหนึ่�ดทั่-าให�การีใชื่� งานึ่ง�ายข�1นึ่ แล้ะย�งทั่-าหนึ่�าทั่��เป*นึ่ cross-linking agent โดยการีต�อ

เชื่��อมีก�บ unsaturated point ของpolyester (styrene: flammability and potential carcinogenic health hazard)

– Inhibitor เชื่�นึ่ hydroquinone หรี�อ benzoquinone เพิ��อเป*นึ่ ต�ว่ย�บย�1งไมี�ให�เก�ดการี cure ในึ่รีะหว่�างย�งไมี�ได�ใชื่�งานึ่

– Catalyst เชื่�นึ่ organic peroxide หรี�อ aliphatic azo compound

– Accelerator เชื่�นึ่ cobolt naphthanate เพิ��อเป*นึ่ catalyst ส-าหรี�บ primary catalyst

• เมี��อให�อ�ณหภู&มี�ทั่��เหมีาะสมีส-าหรี�บส&ตรีแต�ล้ะส&ตรี การี cure ต�ว่ก0 สามีารีถ่ด-าเนึ่�นึ่ไปได�อย�างเหมีาะสมี ถ่�าใชื่�อ�ณหภู&มี�ส&งเก�นึ่ไป free

radicals จะเก�ดข�1นึ่เรี0ว่มีากจนึ่ไมี�สามีารีถ่คืว่บคื�มีปฏิ�ก�รี�ยาได�


TS: Vinyl Ester

• สารีต�1งต�นึ่คื�อ unsaturated vinyl ester resin ซึ��งเก�ดจากการีทั่-าปฏิ�ก�รี�ยารีะหว่�างunsaturated carboxylic acid แล้ะepoxy resin


TS: Vinyl Ester

• พิ�นึ่ธิ์ะ double bond ทั่��ใชื่�ทั่-าปฏิ�ก�รี�ยาต�อจะเก�ด ข�1นึ่เฉืพิาะทั่��ปล้ายสองข�างเทั่�านึ่�1นึ่ ด�งนึ่�1นึ่ cross-

link จะเก�ดข�1นึ่ได�เฉืพิาะทั่��ปล้ายทั่�1งสอง


TS: Vinyl Ester

• เนึ่��องจากจ-านึ่ว่นึ่ cross-link นึ่�อย cured vinyl ester resin จ�งคื�อนึ่ข�าง flexible แล้ะมี�คื�า fracture toughness มีากกว่�า cured polyester resin

• แล้ะเนึ่��องจากมี�พิ�นึ่ธิ์ะ OH อย&�ด�ว่ยตล้อดคืว่ามียาว่ของ โมีเล้ก�ล้ ทั่-าให�สามีารีถ่เก�ด hydrogen bond ก�บ glass

fiber ได�ง�ายด�งนึ่�1นึ่จ�ง wet ผ�ว่ fiber ได�ด�• มี�คื�ณสมีบ�ต�ทั่��ด�ของ epoxy แล้ะ polyester รีว่มีก�นึ่

เชื่�นึ่ คืว่ามีทั่นึ่ทั่านึ่ต�อสารีเคืมี� tensile strength ส&ง แล้ะ คืว่ามีหนึ่�ดต-�า cured เรี0ว่ อย�างไรีก0ตามีย�งคืงมี�ข�อเส�ยของ

polyester อย&�นึ่� �นึ่คื�อมี�คื�าการีหดต�ว่ส&ง (5-10%)


TS: Vinyl Ester

• เมี��อเทั่�ยบก�บ epoxy แล้�ว่ vinyl ester มี�คื�าadhesion ต�อ fiber ต�างๆต-�ากว่�า

• คื�า tensile แล้ะ flexural properties ไมี� เปล้��ยนึ่ตามีสารีต�1งต�นึ่แล้ะปรี�มีาณทั่��ใชื่� อย�างไรี

ก0ตามี heat deflection temperature แล้ะthermal stability สามีารีถ่ทั่-าให�เพิ��มีข�1นึ่ได�โดย

การีใชื่� epoxy resin ชื่นึ่�ด heat resistance เชื่�นึ่ phenolic-novolac เป*นึ่ต�นึ่


TS: Polyimide• Polyimide มี�หล้ายชื่นึ่�ด เชื่�นึ่ Bismaleimdes

(BMI), PMR-15, หรี�อ ACTP• BMI เป*นึ่ชื่นึ่�ดทั่��นึ่�ยมีใชื่�เป*นึ่ส�ว่นึ่มีาก เหมีาะก�บงานึ่ทั่��

ต�องทั่นึ่อ�ณหภู&มี�ส&ง 127-232 oC (PMR 288 oC แล้ะ ACTP 316 oC) แล้ะทั่นึ่ต�อสารีเคืมี�ส&ง

• อย�างไรีก0ตามี BMI จะแตกรี�าว่ได�ง�ายเพิรีาะมี� cross-link density ส&ง แล้ะอาจเก�ดป9ญหาmicrocracking ได�ง�าย การีแก�ไขทั่-าได�โดยการีเต�มีtough thermoplastic polyimides ล้งไป

อย�างไรีก0ตามีการี cure จะใชื่�เว่ล้านึ่านึ่ข�1นึ่ แต�ก0ทั่-าให� มี� processing window กว่�างข�1นึ่


TS: Polyimide


TP: Polyether Ether Ketone

• PEEK มี�โคืรีงสรี�างทั่างเคืมี�ทั่��เก�ดจากการีเอาหนึ่�ว่ยพิ�1นึ่ฐานึ่ด�งรี&ปมีาต�อเข�าด�ว่ยก�นึ่เป*นึ่สายยาว่ๆ

• เนึ่��องจากเป*นึ่ semi-crystalline ทั่-าให�ทั่นึ่ต�อ สารีเคืมี�ได�ด� โดยย��งเป*นึ่ semi-crystalline

มีากเทั่�าใด การีด&ดซึ�มีสารีเคืมี�ย��งนึ่�อยล้งเทั่�านึ่�1นึ่



• PEEK จ�ดเป*นึ่ semi-crystalline polymer

โดยเมี��อ cure แล้�ว่มี�คื�าcrystallinity ปรีะมีาณ30-35% ถ่�าเต�มี fiber

เข�าไปคื�า crystallinity จะเพิ��มีข�1นึ่อ�ก

• การีเพิ��มี crystallinity จะทั่-าให�ทั่� 1ง modulus

แล้ะ yield strength ของPEEK เพิ��มีข�1นึ่ แต�

คื�า strain-to-failure จะล้ดล้ง



• PEEK มี�คื�า glass transition temperature ทั่��143 oC แล้ะคื�า crystalling melting point ทั่��335 oC. อ�ณหภู&มี�ทั่��ใชื่�ในึ่การีข�1นึ่รี&ปอย&�ในึ่ชื่�ว่ง 370-400 oC. อ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่ส&งส�ดคื�อ 250 oC.

• เป*นึ่ TP ทั่��สามีารีถ่ใชื่�แทั่นึ่ epoxy ได� คื�ณสมีบ�ต�ทั่�� โดดเด�นึ่คื�อมี� high fracture toughness ส&ง

( ส&งกว่�า epoxy 50-100 เทั่�า)• มี�การีด&ดซึ�มีนึ่-1านึ่�อยมีาก คื�อ นึ่�อยกว่�า 0.5% ทั่�� 23

C (epoxy ด&ดซึ�มีถ่�ง 4-5%)


TP: Polyphenylene Sulfide

• PPS เป*นึ่ semi-crystalline polymer ทั่��เก�ดจากการีเอาหนึ่�ว่ยพิ�1นึ่ฐานึ่ด�งรี&ปมีาต�อเข�าด�ว่ยก�นึ่เป*นึ่สายยาว่ๆ

• PPS มี�คื�า crystallinity 65% คื�า glass transition temperature 85 oC แล้ะ คื�า crystallinity melting point 285 oC.

• อ�ณหภู&มี�ทั่��ใชื่�ในึ่การีข�1นึ่รี&ปอย&�ในึ่ชื่�ว่ง 300-345 oC. อ�ณหภู&มี�ใชื่�งานึ่ส&งส�ดคื�อ 240 oC

• PPS มี�คื�า chemical resistance ส&งมีาก


TP: Polysulfone

• Polysulfone เป*นึ่ amorphous thermoplastic ทั่��มี�หนึ่�ว่ยพิ�1นึ่ฐานึ่คื�อ

• Polysulfone มี�คื�า glass transition temperature เทั่�าก�บ 185 oC แล้ะสามีารีถ่ใชื่�งานึ่ได�

จนึ่ถ่�ง 160 oC.• อ�ณหภู&มี�ทั่��ใชื่�ในึ่การีข�1นึ่รี&ปอย&�ในึ่ชื่�ว่ง 310-410 oC.


TP: Polysulfone

• Polysulfone มี�คื�า tensile strain-to-failure ส&งมีาก (50-100%) แล้ะมี�คื�ณสมีบ�ต� hydrolytic

stability ภูายใต�สภูาว่ะทั่��รี �อนึ่แล้ะชื่�1นึ่ เชื่�นึ่ภูายใต�steam ด�มีาก

• เมี��อ Polysulfone ส�มีผ�สก�บสารีเคืมี�บางชื่นึ่�ดเชื่�นึ่ พิว่ก polar organic solvents (ketone,

chlorinated hydrocarbons, แล้ะ aromatic hydrocarbons) จะเก�ดการีบว่มีต�ว่ (swell) แตก

รี�าว่ภูายใต�คืว่ามีเคื�นึ่ (stress-crack) หรี�ออาจล้ะล้าย ได� (dissolve)


TP: Polyimide

• Thermoplastic polyimide เป*นึ่ amorphous polymer มี�คืว่ามีหนึ่�ดส&งมีาก ทั่-าให�ต�องข�1นึ่รี&ปทั่��อ�ณหภู&มี�ส&ง

• โดยทั่��ว่ไปทั่��นึ่�ยมีใชื่�คื�อ Polyetherimide (PEI) แล้ะPolyamide-imide (PAI) แล้ะ LARC-TPI (Langley Research Center Thermoplastic Imide) มี�คื�า Tg 217 C 280 C แล้ะ 265 C ตามีล้-าด�บ แล้ะมี�อ�ณหภู&มี�ในึ่

การีข�1นึ่รี&ปอย�างนึ่�อย 350 C ส-าหรี�บ 2 ชื่นึ่�ดแรีก แล้ะ300 C ส-าหรี�บชื่นึ่�ดหล้�ง

• สามีารีถ่ต�านึ่ทั่านึ่คืว่ามีรี�อนึ่แล้ะสารีเคืมี�ได�ด�• เนึ่��องจากไมี�มี� crosslink จ�งไมี� brittle เทั่�า TS

polymer แล้ะเมี��อข�1นึ่รี&ปแล้�ว่สามีารีถ่ recycle ได�


TP: Polyimide

• Polyetherimide (PEI) Polyamide-imide (PAI) แล้ะ LARC-TPI มี�โคืรีงสรี�างทั่างเคืมี�ด�งรี&ป


• Weight reduction is more than 65%.

• Provide excellent stiffness, strength, dimentional stability.

• Nanoclay platelets/ SMC achieves a 25% weight reduction below standard SMC.

Chapter 1 1.3 Polymer Matrix

Documents

Transcript of Chapter 1 1.3 Polymer Matrix