Composites with thermoplastic matrix and automotive, Part 3

Uhlíková a další vlákna a plniva

Uhlíková vlákna jsou krystalická a mají oproti amorfním sklen�ným vlákn�m ni�ší m�rnou hmotnost - sklen�ná vlákna od cca 2, 45 do cca 2, 55 g/ccm, uhlíková vlákna od 1, 8 do 2, 0 g/ccm - p�i vyšších mechanických vlastnostech.

Uhlíková vlákna se p�evá�n� vyráb�jí z vláken polyakrylonitrilových - PAN - vláken novoloidu, vláken fenolaldehydových a ze sulfonovaného polyethylenu.

Postup výroby uhlíkového vlákna z PAN vláken se d�lí na t�i etapy:

 - stabilizace - p�i teplotách 200 a� 300 °C, za p�sobení tahového nap�tí a v oxida�ním prost�edí je PAN vlákno stabilizováno - dojde k cyklizaci vazeb v �et�zci makromolekuly PAN - vytvo�ení paralelních �eb�íkovitých makromolekul a k vzájemnému zesít�ní makromolekul kyslíkovými m�stky - vlákno se stane netavitelným

 - karbonizace - p�i teplotách od 1 000 do 1 800 °C v inertním prost�edí vysoce �istého dusíku ve vláknu prob�hne karbonizace - odstraní se vodík a sní�í obsah dusíku a kyslíku, 80 a� 95 % hmotnosti tvo�í uhlík, vlákno dosahuje maximální pevnosti vtahu

 - grafitizace - probíhá p�i teplotách do 3 000 °C v prost�edí argonu, zvýší se obsah uhlíku, vznikají dokonalejší mikrokrystaly, zvyšuje se tuhost vlákna na úkor jeho pevnosti

Pro výrobu nejtu�ších uhlíkových vláken se pou�ívá mesofázových smol, tj. zbytk� po destilaci ropných deht� nebo deht� z �erného uhlí.

Izotropní uhelná smola a anizotropní mesofázová smola se také pou�ívají pro výrobu dutých uhlíkových vláken - dutý tvar je obvykle dosahován zvlák�ovací tryskou tvaru uzav�eného C. Dutá vlákna lze také získat p�i teplotách oxida�ní stabilizace u vlhkého PAN vlákna. Kompozit pln�ný dutými uhlíkovými vlákny je o 25 a� 40 % leh�í ne� kompozit s obvyklých uhlíkových vláken. 

Stejn� jako sklen�ná vlákna, jsou uhlíková dodate�n� upravována, p�i�em� úpravy slou�í k odstran�ní - z povrchu vláken - látek bránících v kontaktu s matricí, k omezení adsorpce plyn� na povrch vláken, k zvýšení reaktivity povrchu v��i vazebným prost�edk�m a matrici, k ochran� vlákna p�ed vzájemnou abrazí - uhlíková vlákna jsou k�eh�í ne� sklen�ná. 

Krátká uhlíková vlákna VGCF - Vapour - Grown Carbon Fibres - s obvyklým pr�m�rem vláken od 150 do 200 nm - se pou�ívají do kompozit� pro aplikace:

• vyztu�ení a zpevn�ní termoplastické matrice
• zvýšení elektrické vodivosti kompozitu
• zvýšení tepelné vodivosti kompozitu
• k elektromagnetickému stín�ní kompozitu
• k odstra�ování statické elekt�iny

Poniklovaná krátká uhlíková vlákna zvyšují elektrickou vodivost a zajiš�ují feromagnetické vlastnosti kompozitu.

Výrazn�jšímu rozší�ení kompozit� s uhlíkovými vlákny prozatím brání jejich relativn� vysoká cena, kterou se sna�í jednotlivý výrobci sní�it. Cílem je dosa�ení ceny - pro automobilové aplikace - okolo 10, - US dolar�/kg uhlíkových vláken.

Krom� uhlíkových a sklen�ných vláken se do kompozit� s termoplastickou matricí pou�ívají i další druhy a typy vláken:

 - vlákna p�írodní - rostlinná - typu:

• lýková - juta, len, konopí, ramie, kenaf
• ze semen - bavlna, kapok, kokosové vlákno
• z list� - sisal, abaka, manilské konopí, novozélandský len

 - vlákna polymerní:

• polyesterová, PES
• polyethylenová, PE
• polypropylenová, PP
• polyakrolonitrilová, PAN
• polyvinylalkoholová, PVAL

 - vlákna aramidová - aramid=aromatický polyamid - obchodní název Kevlar, proto i kevlarová vlákna - hlavní výhody - nízká hustota, velká odolnost proti abrazi, schopnost se plasticky deformovat p�i kolmém p�sobení na vlákna, mají vysokou pevnost v tahu, vysokou tepelnou odolnost a vysoké moduly pru�nosti v tahu i ohybu, jsou neho�lavé (Nomex)

 - whiskery - monokrystalová vlákna o tlouš�ce 0, 1 a� 30 mikrometru a délce cca 0, 25 a� 25 mm, mají velký povrch, tvar je rozdílný, obvykle nekruhový a závisí na krystalické struktu�e monokrystalu, od ostatních výztu�í se liší nejvyšší specifickou pevností a E - modulem, mají vysokou elektrickou vodivost, do kategorie whisker� je mo�no za�adit i C whiskery - uhlíkové; do polymerních matric se míchají i amorfní whiskery Al - B nebo SiO2, které mají velmi vysokou vyztu�ující schopnost díky své extrémn� vysoké pevnosti ve vztahu ke své velikosti.

Pro speciální aplikace - tepeln�, elektricky vodivé plasty, plasty s antistatickými vlastnostmi, magnetické polymery, atd.  - jsou pou�ívány a vyvíjeny další plniva:

- tepelná a elektrická vodivost - �ásticová plniva na kovové nebo keramické bázi - st�íbro, m��, hliník, oxid hlinitý, nitrid hlinitý, nitrid bóru; vláknitá plniva - saze, nano�ástice uhlíku, �ástice syntetického grafitu, C vlákna, kovová vlákna
- magnetické plasty - magnetické feritové prášky, prášky z kysli�ník� vzácných zemin

Základy vst�ikování kompozit� s termoplastickou matricí vyztu�ených dlouhými vlákny - LFRT

Jak ji� bylo zmín�no, jedním z nejv�tších problém� p�i vst�ikování kompozit� s dlouhými vlákny je minimalizace degradace - zkrácení - vyztu�ující vláknité výztu�e.

Granulát dlouho vláknitých kompozit� má tvar vále�ku o pr�m�ru cca 2 a� 3 mm a délce 8 a� 25 mm, nej�ast�ji cca 10 mm, p�i�em� délka vláken je stejná jako délka granule - pelety.

Na degradaci vyztu�ujících vláken má, jak je uvedeno v kapitole Kompozity s dlouhými vlákny, nejv�tší vliv p�íprava taveniny v plastika�ním válci vst�ikovacího stroje a doprava dávky taveniny do tvarové dutiny formy od okam�iku zahájení vst�ikovací fáze do okam�iku p�epnutí ze vst�ikovacího tlaku na dotlak.

V další textu rozebereme mo�nosti ovlivn�ní a optimalizaci parametr� minimalizujících degrada�ní vlivy na dlouho vláknité kompozity, zejména se zam��ením na nej�ast�ji zpracovávané kompozity s polyamidovou matricí.

1. Vst�ikovací stroj

Obecn� lze uvést, �e kompozity typu LFRT je mo�no ekonomicky vst�ikovat na standardních - konven�ních vst�ikovacích strojích.

Jedním z hlavních úkol� vst�ikovacího stroje je p�ipravit v plastika�ním válci teplotn� co nejhomogenn�jší taveninu. Vyp�j�ím-li si názvosloví z výpo�etní techniky, tak hardware, který ovliv�uje mo�né zkrácení délky vláken je šnek, zp�tný uzáv�r na šneku, plastika�ní válec, topná t�lesa plastika�ního válce, násypka a tryska plastika�ního válce.

Šnek - standardn� jsou plastika�ní jednotky vst�ikovacích stroj� osazovány universálními, t�í zónovými šneky s pom�rem délka L/pr�m�r D 18:1 a� 22 (25):1. Šneky uvedeného typu jsou vhodné pro zpracování LFRT.

Pro sní�ení mo�nosti degradace vláken by hloubka šroubovice šneku pod násypkou m�la mít hloubku alespo� 3 mm a šnek by m�l mít kompresní pom�r, tj. objem jednoho stoupání šneku pod násypkou k objemu jednoho stoupání šneku u jeho špi�ky 2:1 a� 2, 5:1. Minimální pr�m�r šneku by m�l být v�tší ne� 35 mm, ale s v�domím degradace lze pracovat i se šneky menších pr�m�r�, do cca 22 mm.

Geometrie universálního šneku - výrobci granulát� LFRT doporu�ují u t�ízónových šnek� délku dávkovací zóny - u násypky - cca 60 % z celkové délky šneku, délku kompresní - prost�ední - zóny cca 20 % a délku míchací zóny také cca 20 % z celkové délky šneku.

U standardních t�ízónových šnek� se teplotní profil obvykle nastavuje tak, �e u trysky je teplota nejvyšší a klesá k násypce - délka zón je obvykle rozd�lena na t�etiny. V�dy by, ale m�lo platit, �e granulát, respektive tavenina by do kompresní zóny m�la, u �áste�n� krystalických matric vstupovat oh�átá nad teplotu tání krystalického podílu.

P�i pou�ití standardního šneku nebo p�i v�tší dávce ne� cca 2 a� 3 pr�m�ry šneku je doporu�eno nastavit plochý teplotní profil nebo zejména pro v�tší dávky, profil obrácený, tj. klesající od násypky k trysce.

V p�ípad� správn� nastavených teplotních profilech na plastika�ním válci bude opot�ebení šneku a vnit�ního povrchu plastika�ní komory, zp�tného uzáv�ru na šneku i trysky ni�ší ne� u kompozit� pln�ných krátkými vlákny. To je zap�í�in�no skute�ností, �e kompozity s krátkými vlákny mají podstatn� v�tší mno�ství konc� vláken, které zp�sobují abrazi ne� kompozity s vlákny dlouhými.

Šneky s integrovanými mixa�ními elementy, odvzduš�ovací šneky nebo šneky vybavené jinými elementy vyvolávajícími p�ídavné smykové namáhání taveniny, v�etn� trysek plastika�ních komor se statickými mícha�i, sítky, atp. nejsou doporu�eny pro zpracování kompozit� LFT.

Násypka - pokud není pou�ito centrálního zásobování vst�ikovacího stroje je granulát dodáván do vstupu do plastika�ní jednotky p�es násypku. Úhel sklonu násypky by m�l být minimáln� 45 °, optimáln� 60 °, vstupní otvor do šnekové jednotky kruhový, bez p�epá�ek, magnetické separátory nebo jiné vlo�ky umíst�né v násypce mohou bránit v plynulém zásobování šneku granulátem. Volný prostor pro pohyb granulátu s délkou 10 mm by m�l být minimáln� 15 mm. Vnit�ní povrch násypky musí být hladký, bez vnit�ních šv�, vstupní otvor obdélníkový je mén� výhodný ne� kruhový.

Doprava granulátu do násypky - LFT granule jsou v p�ípad� sklen�ných vláken asi 3 x a� 4 x t�ší ne� granule s krátkými vlákny. Vakuové dopravní systémy by m�ly granulát dopravovat pomalu, aby se sní�ila p�ípadná nárazová rychlost do tvarovek potrubí a násypky. Granulát by m�l být dopravován na co nejkratší vzdálenost, oblouky a další tvarovky potrubí by m�ly být z tvrzené oceli, skla nebo keramiky, pr�m�r potrubí minimáln� 50 mm, zajistit dopad granulátu na plochu te�n�.

Zp�tný uzáv�r na šneku - jeho úkolem je zajistit reprodukovatelné pln�ní tvarové dutiny nebo dutin, u více násobných forem, polymerní taveninou - vst�ikovací tlak a dotlak, konstantní dávka cyklus od cyklu.

Nej�ast�ji pou�ívaný zp�tný uzáv�r je tvo�en špi�kou šneku, sedlem uzáv�ru a posuvným krou�kem.

N�kdy jsou plastika�ní komory osazeny zp�tnými uzáv�ry s kuli�kou, ale tyto nejsou pro materiály LFT doporu�eny.

Zp�tný uzáv�r na šneku, respektive kanály, jimi� proudí tavenina z míchací zóny plastika�ního šneku  p�es zp�tný uzáv�r p�ed špi�ku šneku - posuvný krou�ek je v p�ední poloze - a zde vytvá�í dávku taveniny, která bude dopravena do tvarových dutin formy - p�i vst�ikování se posuvný krou�ek posune dozadu a dosedne na sedlo, �ím uzav�e prostor šneku od prostoru, v n�m� se nahromadila vst�ikovaná dávka - musí mít dostate�ný pr��ez, aby v nich nedocházelo ke zvýšenému smykovému namáhání.

Plastika�ní válec - v plastika�ním válci se vedením tepla z vn�jších, samostatn� regulovaných zdroj� - topných odporových pas� - a frik�ním teplem - granulát se t�e mezi h�betem šneku a vnit�ním povrchem válce - z granulátu vytvá�í tavenina; v odstavci pojednávajícím o geometrii šneku byly uvedeny doporu�ené teplotní profily;teplo do vst�ikovacího válce p�i zpracování kompozit� typu LFRT by m�lo být, z nejv�tší �ásti, generováno práv� z topných pas�:

- granulát by m�l být ji� nataven p�ed vstupem do kompresní zóny šneku - správný teplotní profil 
- mno�ství tepla dodaného frikcí má být malé, tj. plastikace má probíhat s nízkými otá�kami šneku, s nízkým zp�tným odporem
- teplota vstupního otvoru mezi násypkou a plastika�ním válcem má mít teplotu sušení granulátu - co� usnadní oh�ev na teplotu taveniny - pro PA LFT 80 a� 100 °C

Tryska plastika�ní komory - tryska plastika�ního a vst�ikovacího válce vst�ikovacího stroje propojuje válec s vtokovým systémem vst�ikovací formy. Pro materiály LFT je mo�no pou�ívat jak trysky otev�ené, tak trysky uzavíratelné, ale preferovány jsou trysky prvn� uvedené, p�i�em� oba typy trysek musí mít vlastní vytáp�ní s regulací.

Trysky by m�ly mít výstupní pr�m�r dostate�n� velký (cca 1, 4 násobek maximální tlouš�ky st�ny výst�iku), kanál v trysce by m�l být krátký - vše s cílem sní�it smykové namáhání taveniny - oh�ev taveniny, degradace vláken - na minimum mo�ného.

Dotyková plocha trysky - kulová nebo rovná - by m�la být s povrchem vtokové vlo�ky formy v co nejmenší ploše a v co nejkratším kontaktu - rozdíl teplot mezi komorou a tryskou je pom�rn� výrazný a zejména u delších trysek by mohlo docházet k jejich zamrzání a tedy i ke zvýšenému smykovému namáhání vst�ikované taveniny.

P�i pou�ití uzavíratelných trysek je nutno vzít v úvahu, �e tokové kanály v tryskách nesmí mít komplikované vedení, pr�tokové kanály musí být hladké, bez ostrých roh�, hran, atd. P�ednost mají uzavíratelné trysky s osov� posunovatelnou uzavírací jehlou, ovládanou zven�í pákovým systémem - nej�ast�ji hydraulicky.

Pru�inové systémy obvykle mají menší tokové pr��ezy - pru�iny vyvolávají menší uzavírací sílu - a tedy vyšší smyková namáhání taveniny a p�i delším pou�ívání i nep�esnou regulaci ve fázi dotlaku - “vytahaná“ pru�ina. 

P�echod mezi tryskou vst�ikovacího stroje a vtokovou vlo�kou - pro LFT kompozity platí stejné zásady jako pro všechny vst�ikované materiály:

- osa formy a plastika�ní komory musí být stejná
- výstupní pr�m�r trysky stroje musí být o cca 0, 5 mm menší ne� vstupní pr�m�r vtokové vlo�ky formy
- rádius koule dosedu trysky musí být o cca 1 mm menší ne� rádius koule vtokové vlo�ky formy

Volba velikosti vst�ikovacího stroje - op�t platí obecné zásady, jako p�i volb� jakéhokoliv vst�ikovacího stroje, kdy je nutno vzít v úvahu zejména velikost vst�ikovací formy - pr�chod mezi vodícími sloupy nebo velikost upínacích desek stroje, stavební výšku formy, objem vst�ikovaného materiálu - velikost dávky minimáln� 1 a� maximáln� 4 pr�m�ry šneku, pot�ebnou uzavírací sílu, atd.

P�i výb�ru vst�ikovacího stroje pro zpracování granulát� typu LFT je, krom� obecných po�adavk�, pot�eba pamatovat na jejich abrazivitu a obvykle nutnost pracovat s vyššími vst�ikovacími tlaky, které vyvolají vyšší vnit�ní tlaky v tvarových dutinách vst�ikovacích forem a tedy, p�i ur�ování pot�ebné uzavírací síly, krom� pr�m�tné plochy vst�ikovaného zdvihu po�ítat s vnit�ním tlakem 500 a� 800 bar� místo standardního 500 bar�.  

Rychlé ur�ení uzavírací síly pro standardní granuláty = 5 kN (500 bar) x pr�m�tná plocha zdvihu, v�etn� vtokových rozvod� v centimetrech �tvere�ních = pot�ebná uzavírací síla pro výrobu výst�ik� bez p�etok� v d�lící rovin� v kN.

Pro materiály LFRT doporu�uji pou�ít výpo�et - 7, 5 kN (750 bar) x pr�m�tná plocha.

1. �as� »

2. �as� »

• pokra�ovanie �lánku bude uverejnené 05.01.2015.