21_KOZIOL Mateusz, MYALSKI Jerzy, WROBEL Marek_PO FORM

Mateusz KOZIOŁ, Jerzy MYALSKI, Marek WRÓBEL
Politechnika Śląska,
Wydział InŜynierii Materiałowej i Metalurgii
E-mail: [email protected]
KOMPOZYTY O WZMOCNIENIU HYBRYDOWYM: WŁÓKNO
SZKLANE – WŁÓKNO NATURALNE
Streszczenie. Praca przedstawia ocenę właściwości technologicznych, jakości
przesycenia wytworzenia oraz właściwości mechanicznych laminatów hybrydowych
tkanina szklana – tkanina juty oraz włókno szklane – mata lniana wytworzonych
metodą infuzji próŜniowej. Stwierdzono, Ŝe obecność warstw tkaniny jutowej
lub włókniny lniano – konopno - jutowej znacznie przyspiesza proces nasycania
laminatu z rowingową tkaniną szklaną. Zastosowanie układu hybrydowego włókno
szklane – włókno naturalne pozwala na uzyskanie metodą infuzji laminatów z udziałem
masowym wzmocnienia na poziomie ok. 50%. Ponadto stwierdzono, Ŝe wprowadzenie
warstw tkaniny szklanej do preformy z włóknin naturalnych bardzo znacząco poprawia
wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych laminatów sprawiając, Ŝe mogą
one być stosowane jako materiały konstrukcyjne w wielu róŜnych obszarach.
Ze względu na bardzo dobre właściwości technologiczne i zadowalające właściwości
mechaniczne włókniny i tkaniny naturalne mogą stanowić bardzo dobry materiał
na rdzenie lub międzywarstwy.
HYBRID: GLASS FIBRES – NATURAL FIBRES REINFORCED
POLYMER COMPOSITES
Summary. The paper presents an evaluation of technological properties, mechanical
properties and impregnation quality of hybrid glass fabric – jute fabric and glass fabric
– flax mat laminates manufactured by vacuum infusion method. It was found that
a presence of jute fabric or the flax – hemp - jute mat layers significantly accelerates
impregnation process of roving glass fabric laminate. Selection of hybrid layout glass
fibre – natural fibre allows to obtain the infusion laminates by mass fraction of 50%.
It was additionally found that insertion of glass fabric layers into natural fibres preform
very significantly improves tensile strength of the obtained laminates causing they may
be used as construction materials in numerous areas of application. Concerning very
good technological properties and satisfactory mechanical performance the natural fibre
fabrics and mats may be very interesting materials for composites’ cores and interlayers.
Kompozyty o wzmocnieniu hybrydowym ...
175
1. WSTĘP
Włókniny z przędz naturalnych są materiałami ze źródła odnawialnego. Łatwa
jest teŜ ich utylizacja, gdyŜ są biodegradowalne i da się je skutecznie spalać bez stosowania
specjalnych środków i tworzenia szczególnych warunków. Są to cechy, które od pewnego
czasu nabierają fundamentalnego znaczenia i przyczyniają się do zwiększenia
zainteresowania włóknami naturalnymi, jako wzmocnieniem polimerowych kompozytów
włóknistych [1-3]. Materiały te posiadają liczne wady, jak higroskopijność, łatwopalność,
brak stabilnej jakości. Najbardziej istotną wadą z punktu widzenia kompozytów są jednak
ich relatywnie słabe właściwości mechaniczne. Liczne wcześniejsze badania wykazały,
Ŝe włókniny na bazie przędz naturalnych nie pozwalają na wytworzenie kompozytów
o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych [4,5]. Zastosowanie włókien naturalnych
jako samodzielnych wzmocnień w odpowiedzialnych materiałach konstrukcyjnych
jest bardzo ograniczone. Dobrym zastosowaniem dla włóknin naturalnych moŜe być
tworzenie laminatów ze wzmocnieniem hybrydowym, gdzie wytrzymałość będzie nadawana
przez włókna szklane, kevlarowe lub węglowe, zaś włókniny naturalne będą spełniać rolę
zwiększenia wskaźnika przekroju. Wstępne doświadczenia [6] wykazały, Ŝe mogą
z powodzeniem zastąpić w tego typu zastosowaniach pianki. Cechują się, bowiem duŜo
lepszymi właściwościami technologicznymi – połączenie rdzeniowej warstwy pianki
z zewnętrznymi warstwami kompozytowymi jest często problematyczne.
Celem pracy jest wstępna ocena laminatów otrzymanych na bazie tkanin szklanych
oraz dwóch typów włóknin naturalnych: tkaniny z przędzy jutowej oraz lniano – konopno jutowej włókniny (maty) Eko. Laminaty wytworzono metodą infuzji próŜniowej. Oceniono:
właściwości technologiczne struktur włóknistych (szybkość nasycania laminatów), jakość
wytworzonych materiałów (udział masowy włókien), właściwości mechaniczne laminatów
(wytrzymałość na rozciąganie).
2. BADANE MATERIAŁY
Do badań uŜyto laminatów napełnionych Ŝywicą ESTROMAL 14LM-03
wyprodukowaną przez ERG Pustków S. A. Jako wzmocnienia uŜyto klasycznej szklanej
tkaniny rowingowej oraz tkaniny jutowej i specjalnej grubej maty rdzeniowej produkowanej
na bazie lnu z dodatkiem konopi i juty. Zestawienie materiałów wzmocnienia
wraz z dodatkowymi informacjami zamieszczono w tabeli 1.
176
M. Kozioł, J. Myalski, M. Wróbel
Tabela 1
Zestawienie materiałów uŜytych do wzmocnienia laminatów
Materiał włókna
szkło
juta
Typ wzmocnienia
tkanina krzyŜowa
tkanina krzyŜowa
Gramatura, g/m2
350
350
Eko
(len, konpie, juta)
mata
1398
Producent
KROSGLASS S.A., Krosno
LENTEX S.A., Pabianice
Instytut Włókien Naturalnych
Zakład Doświadczalny
„LENKON”
Z tkanin wycięto przykroje o wymiarach 270 x 210 mm. UłoŜono odpowiednie stosy
i przeszyto je wzdłuŜ krawędzi nicią poliestrową, tworząc preformy wzmocnienia
hybrydowego. Opis układów warstw wzmocnienia w wytwarzanych laminatach
przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2
Układy warstw zbrojenia laminatów
Rodzaj wzmocnienia
Szkło
Eko
Eko/szkło
juta
szkło/juta
Układ warstw zbrojenia w laminacie
6 warstw, tkanina szklana
1 warstwa mata Eko
2 warstwy tk. szklana, 1 warstwa mata Eko, 2 warstwy tk szklana
6 warstw, tkanina z juty
4 warstwy tk. szklanej i 3 warstwy tk. z juty ułoŜone na przemian
Preformy wzmacniające poddano procesowi nasycania metodą infuzji próŜniowej.
3. PROCEDURA TECHNOLOGICZNA I BADAWCZA
Proces infuzji prowadzono na płaskiej płycie laminatowej. Preformę pokryto warstwą
peel-ply (tkanina nylonowa nadająca fakturę powierzchni wyrobu) oraz arkuszem worka
próŜniowego, który uszczelniono specjalnym kitem. Do wytworzenia próŜni zastosowano
pompę inŜektorową Volkmann Multijector model M90 zasilaną kompresorem Atlas Copco
model GX3 FF. Schemat układu uŜytego do nasycania laminatów przedstawiono na rys.1.
Kompozyty o wzmocnieniu hybrydowym ...
177
Rys.1. Schemat stanowiska do nasycania laminatów metodą infuzji próŜniowej. 1 - pojemnik
z Ŝywicą, 2 - taśma (kit) uszczelniająca, 3 - kanał rozprowadzający Ŝywicę, 4 - forma,
5 - zbrojenie (preforma), 6 - arkusz worka próŜniowego, 7 - zbiornik na nadmiar Ŝywicy,
8 - pompa próŜniowa, 9 - kompresor
Fig.1. Schema of vacuum infusion system. 1 - container of resin, 2 - sealing band (putty), 3 - duct
distributing resin, 4 - mold, 5 - composite’s reinforcement (preform), 6 - vacuum bag sheet,
7 - resin trap container, 8 - vacuum pump, 9 - compressor
Szybkość nasycania wyznaczano poprzez pomiar czasu od momentu zassania Ŝywicy
do formy do osiągnięcia przez front Ŝywicy przepływającej przez preformę odległości: 50,
100 oraz 250 mm od krawędzi po stronie wlotu (rys.1).
Udział masowy włókien wyznaczono poprzez porównanie masy suchej preformy
oraz nasyconej płyty laminatu (po uprzednim odcięciu bocznych naddatków) Ŝywicy.
Wytrzymałość na rozciąganie zmierzono z uŜyciem maszyny wytrzymałościowej
INSTRON 4469, na próbkach wiosełkowych (szerokość przekroju bazy pomiarowej 15 mm),
prędkość odkształcania 10 mm/min, głowica pomiarowa 50 kN, dokładność pomiaru 0,5 N.
Seria dla 1 punktu pomiarowego wynosiła 5 próbek. Badania wykonano zgodnie z wymogami
normy [7].
178
M. Kozioł, J. Myalski, M. Wróbel
4. ANALIZA WYNIKÓW
Wyniki pomiarów czasu nasycania preform zamieszczono w tabeli 3.
Tabela 3
Czas przemieszczenia frontu Ŝywicy na określoną odległość w preformie
podczas nasycania
Rodzaj
Czas przemieszczenia frontu Ŝywicy, min (m), sek (s)
wzmocnienia
50 mm
100 mm
250 mm
szkło
25 s
2 m 11 s
27 m 49 s
Eko
52 s
4 m 44 s
32 m
Eko/szkło
39 s
2 m 48 s
20 m
juta
25 s
56 s
6 m 21 s
szkło/juta
26 s
1m8s
8 m 22 s
Wyniki pomiarów udziału wagowego włókien w wytworzonych laminatach
oraz wyznaczone wartości wytrzymałości na rozciąganie zamieszczono w tabeli 4.
Analizując wyniki pomiaru czasu nasycania preform (tabela 3) stwierdzono, Ŝe obecność
warstw tkaniny jutowej lub włókniny Eko istotnie przyspiesza proces nasycania laminatu
z rowingową tkaniną szklaną. W przypadku połączenia tkaniny szklanej i jutowej skrócenie
czasu nasycania, w porównaniu z preformą samego włókna szklanego, wynosi ok. 15 min,
co oznacza skrócenie procesu o ok. 56%. W przypadku włókniny Eko skrócenie czasu o 7,5
min. jest równe 28% skrócenia czasu procesu. NaleŜy podkreślić, Ŝe sama mata Eko równieŜ
nasyca się dłuŜej, niŜ jej układ hybrydowy z włóknem szklanym. MoŜe to być spowodowane
wytworzeniem specyficznych warunków (kanałów) przepływu na granicy między włókniną,
a tkaniną szklaną, które nie występują w przypadku odrębnego nasycania tych struktur.
MoŜna stwierdzić, Ŝe zastosowanie włóknin naturalnych bardzo poprawia warunki nasycania
laminatów z tkaniną szklaną.
Wyniki pomiarów udziału masowego (Tabela 4) wskazują, Ŝe dodanie warstw włóknin
naturalnych powoduje jego obniŜenie w kompozycie. Dla kompozytów hybrydowych udział
masowy spada o ok. 30% w porównaniu z laminatem z tkaniną szklaną. NaleŜy wziąć jednak
pod uwagę, Ŝe włókna naturalne są lŜejsze od szklanych i zmiana efektywnego udziału
objętościowego będzie mniejsza. Po obliczeniu okazuje się, Ŝe udział objętościowy
kompozytu szkło/juta wynosi 38,5%, zaś kompozytu Eko/szkło 35%. NaleŜy nadmienić,
Ŝe w przypadku kompozytów hybrydowych udział jest stabilny we wszystkich obszarach
płyty laminatu (rys.2), a w przypadku kompozytu z włóknem szklanym występują wahania –
wyznaczony udział objętościowy wynosi od 42 do 55%. Tak znaczne róŜnice w udziale
włókien mogą być spowodowane duŜym ich upakowaniem w uporządkowanej strukturze
rowingu i małą średnicą kanałów (kapilar) pomiędzy nimi, przez które przemieszcza
się Ŝywica w trakcie nasycania.
Kompozyty o wzmocnieniu hybrydowym ...
179
Tabela 4
Udział masowy włókien w poszczególnych obszarach wytworzonych laminatów
(rys.2.) oraz wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych laminatów
Wytrzymałość na rozciąganie
Rodzaj
Udział masowy włókien, %
Rm, MPa
wzmocnienia Obszar A Obszar B
Obszar C
szkło
73
71
62
370 ± 18
Eko
34,5
35
32
35 ± 2
Eko/szkło
46
46
46
104 ± 8
juta
34
34
32,5
39 ± 2
szkło/juta
52,5
50
51
108 ± 5
Rys.2. Schemat podziału płyty laminatu na obszary. Strzałka wskazuje kierunek przepływu Ŝywicy.
Obszary A oraz C liczą po ok. 10% powierzchni laminatu
Fig.2. Schema of component areas within the laminate plate. The arrow indicates a resin flow
direction. A and C areas occupy about 10% of laminate’s total area each
Oznacza to zmianę warunków infiltracji. NiezaleŜnie od tego warunki ciśnieniowe
w czasie infuzji zmieniają się wraz ze stopniem nasycenia preformy. Przy stałym
podciśnieniu wraz z czasem nasycania przez preformę przemieszcza się coraz większą ilość
Ŝywicy. Na przebieg procesu ma teŜ wpływ zachodzące sieciowanie (Ŝelowanie) Ŝywicy.
W „luźniejszej” strukturze tkanin i włóknin naturalnych przemieszczanie cieczy
jest łatwiejsze. Ogólnie jednakŜe uzyskany w kompozytach hybrydowych udział wagowy
na poziomie ok. 50% jest zadowalający i odpowiada kompozytom do zastosowań
konstrukcyjnych.
Analizując uzyskane wartości wytrzymałości na rozciąganie (tabela 4) stwierdzono,
Ŝe wprowadzenie warstw tkaniny szklanej do preformy z włóknin naturalnych bardzo
znacząco poprawia wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych laminatów. Kompozyty
na bazie samych włóknin prezentują bardzo słabe właściwości mechaniczne – ich
wytrzymałość na rozciąganie jest na poziomie niektórych powszechnie stosowanych tworzyw
polimerowych. Dodatkowe wzmocnienie laminatów naturalnych włóknem szklanym
znacząco poprawia ich właściwości wytrzymałościowe przy zachowaniu relatywnie małej
masy. Pozwala to otrzymać materiał o duŜej wytrzymałości właściwej, który moŜe być
z powodzeniem stosowany, jako tworzywo konstrukcyjne w wielu róŜnych obszarach.
Biorąc pod uwagę znaczny korzystny wpływ na przebieg nasycania laminatów
oraz na ich jakość (równomierny rozkład udziału wagowego włókien), jak i zadowalające
właściwości mechaniczne kompozytów hybrydowych, moŜna stwierdzić, Ŝe włókniny
180
M. Kozioł, J. Myalski, M. Wróbel
naturalne mogą stanowić bardzo dobry materiał na rdzenie lub międzywarstwy dla laminatów
z włóknem szklanym.
5. WNIOSKI
•
Obecność warstw tkaniny jutowej lub włókniny Eko znacznie przyspiesza proces
nasycania laminatu z rowingową tkaniną szklaną.
•
Zastosowanie układu hybrydowego włókno szklane – włókno naturalne pozwala
na uzyskanie metodą infuzji laminatów z udziałem wagowym wzmocnienia
na poziomie ok. 50%.
•
Wprowadzenie warstw tkaniny szklanej do preformy z włóknin naturalnych bardzo
znacząco poprawia wytrzymałość na rozciąganie wytworzonych laminatów.
Przy wytrzymałości powyŜej 100 MPa mogą one być stosowane jako materiały
konstrukcyjne w wielu róŜnych obszarach.
•
Ze względu na bardzo dobre właściwości technologiczne i zadowalające właściwości
mechaniczne włókniny naturalne mogą stanowić bardzo dobry materiał na rdzenie
lub międzywarstwy.
Praca współfinansowana przez ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego w ramach projektu
badawczego własnego nr N N508 440936
BIBLIOGRAFIA
1. Bledzki A.K., Gassan J.: Progress Polymer Science, 1999, Nr 24, s. 221–274.
2. Eichhorn S.J., Baillie C.A., Mwaikambo L.Y., Ansell M.P.: Journals of Materials Science,
2001, Nr 36, s. 2107 – 2131.
3. Saheb D. S., Jog J. P.: Advances in Polymer Technology, 1999, Nr 18, s. 351–363.
4. Singleton A.C.N., Baillie C.A., Beaumont P.W.R., Peijs T.: Composites: Part B, 2003, Nr
34, s. 519–526.
5. Bos H.L., Donald A.M.: Journal of Material Science, 1999, Nr 34, s. 3029 – 3034.
6. Kozioł M., Myalski J., Bogdan A.: Kompozyty 9(2009), 265-270.
7. Norma PN-EN ISO 527-4: Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknami. Określenie
właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu.