materiale polimerice şi - tsocmtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/mpc-curs11.pdf · polisulfone,...

15
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.

Upload: tranquynh

Post on 07-Feb-2018

253 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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.

Page 2: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 3: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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).

Page 4: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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.

Page 5: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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).

Page 6: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 7: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 8: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 9: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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)

Page 10: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 11: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 12: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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)

Page 13: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 14: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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

Page 15: Materiale polimerice şi - TSOCMtsocm.pub.ro/educatie/mpc_im/cursuri/MPC-Curs11.pdf · polisulfone, poli(eter-eter) cetone-răşini termoreactive: epoxidice, fenolice, poliesteri,

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