Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone,...
Transcript of Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone,...
Materiale polimerice si compozite. © UPB
1
Materiale polimerice şi
compozite
Curs 11:
- Fibre de sticlă
- Fibre de carbon
- Fibre aramidice
Fibre de sticlă
Sticla = material solid, amorf – vitros (necristalin) – obţinut dintr-un
amestec de nisip şi alţi oxizi
- Sticla cu aplicaţiile sale - cunoscută încă din antichitate
- sec. XVII - fizicianul englez Robert Hooke a descris primele experimente
cu filamente din fibre de sticlă
- sec. XVIII - René Antoine Ferchault de Réamur a prezis prelucrarea
fibrelor de sticlă în ţesături pliabile
- 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 si compozite. © UPB
2
Fibre de sticlă
Compoziţia sticlei / fibrelor de sticlă
Există mai multe sorturi de sticlă, diferenţiate după compoziţia oxidică →
proprietăţi fizico-chimice diferite.
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
Materiale polimerice si compozite. © UPB
3
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
Fibre de sticlă
Obţinerea fibrelor de sticlă prin tragere filamentelor prin filiere
1- cuptor pentru topirea sticlei
2- bile de sticlă
3- filieră (102-104 orificii)
4- filamente de sticlă
5- sistem de răcire a filamentelor de sticlă
6- sistem de tratare pe suprafaţa filamentelor
7- dispozitiv de asamblare a filamentelor
8- dispozitiv de bobinare a fibrelor de sticlă
Imediat după obţinere, filamentele de sticlă sunt supuse unor tratamente de
finisare temporară şi permanentă (6).
Materiale polimerice si compozite. © UPB
4
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
Tratament temporar → dacă fibrele de sticlă sunt destinate prelucrării prin
operaţiile de ţesere sau împletire:
- protejează fibrele de uzura prin abraziune pe durata ţeserii
- asigură formarea de ţesături fără scămoşeli şi încreţituri
- se folosesc soluţii apoase de amidon, alcool polivinilic sau poliacetat de
vinil
- pelicula protectoare este îndepărtată prin spălare sau încălzire
- după aceea, ţesătura este retratată cu agentul de cuplare.
Materiale polimerice si compozite. © UPB
5
Fibre de sticlă - proprietăţi
Unele proprietăţi se măsoară direct pe un filament individual sau pe
mănunchiuri de filamente:
- rezistenţa la întindere
- modulul de elasticitate
- rezistenţa chimică
Alte proprietăţi se măsoară de obicei pe epruvete din sticlă masivă (bloc):
- densitatea
- caracteristicile electrice
- coeficientul de dilatare termică
- indicele de refracţie
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 si compozite. © UPB
6
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, poliimide
Materiale polimerice si compozite. © UPB
7
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 si compozite. © UPB
8
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)
Fibre de carbon
Istoric
- sfârşitul sec. XIX → Thomas Edison → primele fibre de carbon
obţinute prin piroliza fibrelor celulozice → utilizate ca filamente în
lămpile incandescente până în 1909 când a fost descoperit
filamentul de Wolfram → scade interesul pentru FC
- performanţele mecanice ale FC au crescut din 1959 de peste 10 ori,
prin îmbunătăţirea procedeelor de fabricaţie
- cercetările se reiau în 1950
- 1959 → începe producţia industrială tot din fibre celulozice
- 1960 → metoda de obţinere din fibre de poliacrilonitril
- 1965 → metoda de obţinere din smoală
Materiale polimerice si compozite. © UPB
9
Fibre de carbon
Precursori = fibrele organice utilizate pentru obţinerea fibrelor de carbon
Conform cerinţelor de mai sus, cei mai buni precursori sunt celuloza,
poliacrilonitrilul 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
Obţinerea fibrelor de carbon din poliacrilonitril
Etape: fabricarea precursorului, etirarea (orientarea) precursorului,
stabilizarea (ciclizare), carbonizarea şi grafitizarea.
Fabricarea precursorului - filarea
- Poliacrilonitrilul (PAN), după sinteză, filtrare, spălare, uscare, trebuie
supus filării
- PAN se descompune fără a se topi → filarea se face din soluţie, utilizându-
se solvenţi foarte polari (dimetilformamidă, dimetilsulfoxid)
Materiale polimerice si compozite. © UPB
10
Fibre de carbon
Etirarea precursorului - orientarea macromoleculelor cu axa longitudinală
paralelă cu axa fibrei (etirare în apă fierbinte) → pentru obţinerea unor
fibre de carbon cu rezistenţă şi modul ridicate
Stabilizarea fibrelor
- este necesară pentru a preveni fenomenele de relaxare şi scindare a
catenelor în timpul carbonizarii
- se realizează la 200-250°C, în prezenţă de aer pentru a realiza o oxidare
menajată, foarte delicată, care conduce într-o primă fază la ciclizarea
grupărilor nitrilice şi formarea unui polimer de tip scară
- procesul de ciclizare este însoţit de eliminarea unor cantităţi însemnate de
gaze (HCN şi NH3).
- stabilizarea prin oxidare menajată a fibrelor se realizează sub tensiune →
pentru a menţine gradul de orientare a macromoleculelor.
Fibre de carbon
Carbonizarea
- piroliza fibrei PAN stabilizate şi transformarea în fibră de carbon → se ating
performanţele mecanice ridicate ale fibrelor de carbon
- constă într-un tratament termic la temperaturi cuprinse între 1000 şi 1500°C,
în atmosferă inertă.
- prin încălzire se degajă o mare cantitate de gaze din precursor → se elimină
ceilalţi atomi (H, N, O), crescând conţinutul de C (la 400-600°C se elimină
hidrogenul, la 600-1300° azotul)
Grafitizarea
- această etapă se realizează numai pentru obţinerea de fibre cu modulul de
elasticitate foarte ridicat → tratament termic la 1800-3000°C sub tensiune
- 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 si compozite. © UPB
11
Fibre de carbon
Obţinerea fibrelor de carbon din smoală
- încălzirea smoalei la 400-450°C, timp îndelungat, în atmosferă inertă →
trecere în starea de mezofază (cristal lichid) → moleculele adoptă,
preferenţial orientarea paralelă de-a lungul axei lor
- filarea (din topitură) smoalei în starea de mezofază → fibre cu ordonare
avansată a moleculelor
- carbonizarea fibrelor la 1500°C (precarbonizare la 950-1000°C)
- grafitizare la 3000°C.
- termoreticularea fibrelor → cu scopul evitării tendinţei de relaxare în etapa
de carbonizare (smoala - material termoplastic) → printr-un tratament
termic la 300°C, în atmosferă/lichid oxidant
Fibre de carbon
Obţinerea fibrelor de carbon din celuloză
- filarea fibrelor celulozice (de obicei fibre de viscoză – celuloză regenerată)
- stabilizare prin încălzire la 400°C în atmosferă reactivă
- carbonizare la 1000-1500°C în atmosferă inertă, sub tensiune
- grafitizare la 2800-3000°C, timp foarte scurt, sub tensiune, la un grad de
etirare de 100% → pentru a evita deformările plastice pe care le pot
suferi fibrele la această temperatură
Materiale polimerice si compozite. © UPB
12
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
- excelente proprietăţi mecanice la tracţiune şi compresie
- rezistenţă termica foarte buna (în absenta atmosferei oxidante)
- excelentă inerţie chimică la temperatura ambiantă
- bună conductivitate termică
Fibrele de carbon se utilizează la obţinerea MC cu:
- răşini termoreactive (epoxidice, poliesterice, poliimidice)
- polimeri termoplastici (poliimide, polisulfone, polifenilensulfură, Nylon 6,6)
Materiale polimerice si compozite. © UPB
13
Fibre de carbon
Deficienţe:
- rezistenţă scăzută la şoc
- rezistenţă scăzută la abraziune
- sunt atacate de oxigen şi acizi oxidanţi (H2SO4, HNO3) la temperaturi mai
mari de 400°C
- are loc o coroziune de tip galvanic la contactul cu metale şi aliaje
- preţ foarte ridicat
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
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 si compozite. © UPB
14
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 si compozite. © UPB
15
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