Mechanical Composites based on polypropylene (part 2)

Kompozity se sklen�nými vlákny

Sklen�ná vlákna pat�í k nejrozší�en�jším plniv�m pou�ívaným v kompozitech s PP matricí. Pr�m�r vláken, pro p�edstavu, je od cca 2, 5 do cca 24 mikrón�. Nej�ast�ji jsou vyráb�na ze skloviny typu E – bezalkalická nebo typu S, která má podstatn� vyšší pevnost, a� o 70 %. P�ed zamícháním do polymerní taveniny se opat�ují apretací. Obsah vláken se pohybuje od 5 do 70 %, nej�ast�ji od 30 do 40 %. Do obsahu vláken cca 40 % roste pevnost a rázová hou�evnatost kompozit�, modul pru�nosti roste i nad uvedenou hranicí. 

Krátká sklen�ná vlákna

Délka vláken v granulátu bývá nej�ast�ji okolo 3 mm. Takováto plniva v kompozitech zvyšují modul pru�nosti, zvyšují tepelnou odolnost a mají za následek výraznou anizotropii smršt�ní a i mechanických vlastností. Materiály s krátkými sklen�nými vlákny se vyu�ívají u aplikací, kde jsou zvýšené po�adavky na tuhost oproti, nap�íklad výst�ik�m z materiál� s minerálními �ásticovými plnivy. V poslední dob� se za�ínají vyu�ívat i tam, kde mohou nahradit nap�íklad materiály typu polyamid 6 nebo 66 vyztu�ené sklen�nými krátkými vlákny a navíc uspo�it na hmotnosti a� cca 15 % oproti uvedeným PA kompozit�m.

Dlouhá sklen�ná vlákna

Granulát s t�mito vlákny je obvykle vyráb�n kontinuální technologií pultruze, kdy je na nekone�né vlákno nanášena ve vytla�ovací hlav� matrice a po ochlazení pramence je tento sekán na granule o délce cca 10 a� 16 mm, která odpovídá i délce vlákna obsa�eného v granulátu. P�i vst�ikování krátkých sklen�ných vláken dochází p�i toku taveniny v d�sledku smykových sil k orientaci vláken ve sm�ru toku  -  dochází, jak ji� bylo uvedeno k anizotropii, tj. r�zným vlastnostem podél toku a nap�í�. U materiál� s dlouhými vlákny se tento jev m�ní na vznik trojrozm�rné struktury, která má zásadní vliv na vlastnosti výst�ik� s dlouhými vlákny. Výrazn� se zlepší anizotropie vlastností, zejména smršt�ní a rozm�rové stabilita, zvýší se rázová hou�evnatost, tepelná odolnost, odolnost proti ší�ení trhliny, výst�iky mají dobré creepové vlastnost - odolnost proti toku za studena, zvýšení modulu pru�nosti je úm�rné tlouš�ce výst�iku. Kompozity s polypropylenovou matricí a dlouhým sklen�ným vláknem mohou op�t, jako v p�ípad� s krátkými vlákny, nahradit dra�ší kompozity a navíc ušet�it na hmotnosti p�íslušného dílu. V automobilové konstrukci se s nimi m��eme setkat v rámech p�ístrojových desek, p�i konstrukci front  -  end�, atd.

Polypropylen pln�ný sklen�nými mikrokuli�kami

V t�chto kompozitech je obvyklý obsah sklen�ných kuli�ek od 10 do 50 %. Jejich velikost se pohybuje od 6 do 8 mikrometr�. Sklen�né kuli�ky jako plnivo mají vliv na zvýšení rázové hou�evnatosti, pevnosti v ohybu, tvrdost a sní�ení anizotropie smršt�ní. Poslední zvýhodn�ní má i vliv na sní�ení deformací, p�i�em�, ale musíme mít na pam�ti, �e i mechanické vlastnosti jsou ni�ší ne� u materiálu s krátkým sklen�ným vláknem. V praxi se té� setkáváme s kombinovaným plnivem - sklen�né kuli�ky s krátkými sklen�nými vlákny.

Polypropylen pln�ný talkem (mastkem)

Talek je nej�ast�jším plnivem pou�ívaným v PP kompozitech. Jedná se m�kké minerální plnivo s lamelární strukturou, tj. je to plnivo �ásticové -  jedná se o tenké desti�ky vodného hydroxidu ho�e�natého mezi vrstvami siliky. D�vody jeho pou�ívání - sni�uje cenu kompozitu, zvyšuje pevnost v tahu, rozm�rovou stabilitu, chemickou a tepelnou odolnost. Zde je nutno podotknou, �e zvýšení uvedených vlastností není tak velké jako u pln�ní sklen�nými vlákny. Mechanické vlastnosti výsledného kompozitu s talkem ovliv�uje jeho podíl, s v�tším obsahem talku rostou jejich hodnoty  -  nej�ast�jší je obsah talku 20 %, v nabídce jsou materiály s obsahem a� 60 %. Na výsledných vlastnostech má sv�j podíl i velikost �ástic a pom�r jejich rozm�r�. V automobilovém pr�myslu nacházejí tyto materiálu velmi široké uplatn�ní jak u interiérových díl�, nap�íklad oblo�ení vnit�ních sloupk� karosérií, oblo�ení zavazadlového prostoru, apod., tak i po modifikaci proti UV zá�ení a zvýšení hou�evnatosti u díl� exteriérových - nárazníky, bo�ní ochranné lišty, atd.

Polypropylen pln�ný uhli�itanem vápenatým

Uhli�itan vápenatý, minerální �ásticové plnivo, je z pohledu objemu plniv do plast� hojn� vyu�íván. Jeho celková spot�eba do plast� je cca 65 % - odhadem asi 6 milión� tun, p�i�em� do PP matric se spot�ebuje cca 10 % z uvedeného mno�ství. Pou�ívají se dva typy  -  p�írodní, jeho� vlastnosti jsou odvislé od místa t�by a syntetické (srá�ené), které oproti p�írodním mají vyšší �istotu a b�lost, v�etn� u�ší distribuce velikosti �ástic. Velikost �ástic uhli�itanu vápenatého bývá v rozmezí 5 a� 100 mikrometr�, p�ed zamícháním do polymeru je povrch �ástic lubrikován pro zvýšení mechanických a elektrických vlastností, pro lepší odolnost vlhkosti a lepší zpracovatelnost. Výhodou uhli�itanu vápenatého jako plniva je jeho nízká cena, která sni�uje i cenu výsledného koupandu, zdravotní nezávadnost, dobrá dispergovatelnost, nízký obsah vlhkosti.

Toto �ásticové plnivo nijak výrazn� nezvyšuje mechanické vlastnost a to ani p�i vysokém stupni napln�ní, a� 60 %. P�i porovnání zvýšení mechanických vlastností kompozit� s uhli�itanem vápenatým, talkem a krátkými sklen�nými vlákny je první uvedené plnivo nejhorší, následuje talek a nejlépe, jak vyplývá i z jeho podstaty - vláknité plnivo - vychází sklen�né vlákno. Aplikace jsou zejména tam, kde nejsou pot�ebné vysoké mechanické vlastnosti p�i po�adavku na nízkou cenu materiálu.

Polypropylen pln�ný slídou

Obecn� lze �íci, �e se nejedná o p�íliš rozší�ený materiál. Jako slída je ozna�ována skupina minerál� pat�ících mezi hlinitok�emi�itany, nejrozší�en�jším je muskovit. Její charakteristickou vlastností je vrstevnatá struktura, díky ní� je ji mo�no št�pit na tenké desti�ky o velikosti �ástic cca 10 a� 100 mikrometr�. Slída je nevodivá a neho�lavá. Díky vrstevnaté struktu�e mají kompozity se slídou dobrou pevnost v ohybu a tahu, vysokou tvrdost, odolnost proti deformacím a odolnost proti poškrábání. Slída se v n�kterých aplikacích kombinuje se sklen�ným vláknem. Obvyklé pln�ní je 20 a� 40 % (60 %). Vyu�ití kompozit� se slídou je obdobné jako u výše uvedených materiál� s polypropylenovou matricí.

Polypropylen pln�ný wollastonitem

Wollastonit je dalším z minerálních plniv vhodných do kompozit� s polypropylenovou matricí. Jedná se o silikát vápníku - minerální k�emi�itan vápenatý. Je to bílý a� šedý, pr�svitný a� nepr�hledný, lesklý minerál. Z pohledu plniva je jeho výhodou b�lost a odolnost proti poškrábání, co� p�ináší do kompozitu vyšší odolnost proti od�ru. Jako materiál pro automobilový pr�mysl není p�íliš vyu�íván. Je vhodný zejména pro interiérové aplikace, u nich� je nebezpe�í poškrábání.

Polypropylenové kompozity s nanoplnivy

Nanoplnivy jsou plniva, jejich� rozm�ry jsou v �ádu nanometr�, tj. deset na mínus devátou metru, na rozdíl od výše uvedených plniv, jejich� rozm�ry jsou v �ádu deset na mínus šestou, tj. o t�i �ády v�tší. Velikost nano�ástic plniva se blí�í velikosti molekuly matrice. Tento malý rozdíl ve velikosti plniva a matrice umo��uje velmi blízké spojení matrice a plniva, p�i�em� interakce mezi �ásticí plniva a molekulou vytvá�í na povrchu �ástice spojenou oblast, která znemo�ní pohyb p�íslušné �ásti polymerní matrice. Do skupiny nanoplniv se �adí minerální jíly, uhlíková nanovlákna, uhlíkové nanotrubi�ky, tzv. fullereny, co� je strukturní forma uhlíku tvo�ená p�ti nebo šestiúhelníky. Pro výrobu nanokompozit� s polypropylenovou matricí jsou nejvýznamn�jší minerální jíly pat�ící mezi vrstevnatá plniva. Mají vrstevnatou, desti�kovou strukturu o tlouš�ce v nanometrech a velkou plochu desti�ek. Nejznám�jším zástupcem jíl� je aluminosilikátový minerál montmorillonit - MMT.

Výraznou zm�nou oproti b�ným kompozit�m pln�ných minerály je u nanokompozit� dispergace plniva. Z pohledu dispergace vrstev plniva se nanokompozity obvykle d�lí do t�í skupin:

 - mikrokompozity - fázov� separované nanokompozity u nich� je zachována vrstevnatá struktura o tlouš�ce v �ádu mikrometr�

- interkalované nanokompozity  -  molekuly polymeru jsou zabudovány do vrstevnaté struktury plniva, u nich� pomocí interkala�ních �inidel, nap�íklad alkylamoniové soli, dochází interakcí ke zv�tšování vzdáleností mezi desti�kami plniva

- exfoliované nanokompozity - p�i dosa�ení vysokého stupn� interkalace ji� nanovrtstvy nejsou pohromad�, ale jsou rovnom�rn� rozptýleny v polymerní matrici, dochází ke zm�n� jejich tvaru z krychlového - sada desti�ek, na tvar jednotlivých desti�ek o velkém povrchu.

Pro p�íklad m��e slou�it nanoplnivo montmorillonit, jeho� 1g má více jak 700 m² fiktivního povrchu ve styku s polymerní matricí. B�n� pou�ívaný talek o stejné hmotnosti má povrch pouze cca 30 m². Obvyklý obsah nanoplniva v kompozitu je 3 a� 7 %. Nano�ástice tedy zlepšují mechanické vlastnosti polymerní matrice a mohou redukovat obsah p�ísad nutných k dosa�ení po�adovaných výhod kompozitních materiál� a tím jejich pou�ití vede i k redukci hmotnosti konkrétního výst�iku v porovnání s tradi�ními pln�nými termoplasty.

Mohou pln� nahradit �ásticová minerální i vláknitá (sklen�ná vlákna) plniva i retardéry ho�ení. Dále zlepšují nepropustnost, odolnost v��i chemikáliím a navlhavost, v�etn� zvýšení jakosti povrchu výst�ik� a zvýšení lesku. Nízký obsah nanoplniva umo��uje výborné probarvení materiálu a� po mo�nost vypušt�ní dodate�ného lakování výst�ik�. Technologické podmínky vst�ikování (op�t v d�sledku nízkého obsahu plniva) nejsou závislé na jeho hmotnostním mno�ství. P�i výrob� nanokompozit� jsou �ástice vysušeny, a proto není nutno granulát p�ed vst�ikováním sušit (p�i pou�ití nenavlhavé matrice). P�ínosem nanoplniv je tedy získání lepších materiálových vlastností ne� u standardních, výše popsaných minerálních plniv. Jedná se nap�íklad o zvýšení rozm�rové stability, modulu pru�nosti, tepelné odolnosti, bariérových vlastností, zvýšení odolnosti proti poškrábání, a to p�i, jak ji� bylo uvedeno, sou�asném sní�ení hmotnosti výst�iku.

Polypropylenové kompozity s p�írodními vlákny

Skupina kompozit� s p�írodními plnivy je obvykle ozna�ována trochu zavád�jící zkratkou WPC - Wood Plastic Composites. U t�chto kompozit� jsou jako plniva pou�ívány rostliny, nap�íklad bavlna, len, juta, konopí, sisal, d�ev�né št�pky z jehli�natých i listnatých strom� a palem. Jejich pou�ití jako plniva je, mimo jiné, vedeno myšlenkou na zvýšení biologicky degradovatelných materiál� ve výrobcích automobilového pr�myslu. Krom� výše uvedené myšlenky jsou to i jejich vlastnosti. Rostlinná vlákna mají nízkou specifickou hustotu, relativn� vysokou pevnost a tuhost v pom�ru k jejich hmotnosti, pozitivní akustické vlastnosti, nejsou abrazivní, je s nimi mo�no dosáhnout vysokých stup�� pln�ní - 60 a� 80 %, jsou zdravotn� nezávadná.  

Základní nevýhodou kompozit� s p�írodními vlákny je práv� p�írodní p�vod vláken. Jejich fyzikální vlastnosti jsou výrazn� závislé na zdroji vláken, navíc tato vlákna mají sklon k tvorb� agregát�, mají nízkou tepelnou stabilitu a nízkou odolnost proti navlhání. Plniva jsou vysoce polární a proto je problém i s komptabilitou mezi matricí a plnivem. Pro odstran�ní obou nevýhodných vlastností vláken se do kompozit� vpravují hydrofilní p�ísady - vlhkost v kompozitech má za následek jejich poréznost a tím špatné mechanické vlastnost, v�etn� sní�ení rozm�rové stability - a kompatibilizátory pro zvýšení adheze mezi matricí a vlákny. Velkým problémem p�i jejich vývoji je, v d�sledku organického p�vodu plniv, výb�r matric. Vlákna snáší relativn� nízké tepelné zatí�ení a proto i matrice tomuto faktu musí být p�izp�sobena, aby nedocházelo p�i zpracování kompozit� k tepelné degradaci a sní�ení jejich mechanických vlastností, v�etn� vysoké pórovitosti. Tepelná degradace ohro�uje i barevnou stálost a má vliv na vznik nepovolených zápach�.

Pevnostní charakteristiky zejména ovliv�uje velikost vláken. Obecn� platí, �e vlákna o pr�m�rné velikosti �ástic cca od 0, 24 do 0, 35 mm vykazují lepší vlastnosti ne� �ástice o v�tších rozm�rech, mají vyšší specifický povrch a lepší slu�itelnost s polymerní matricí. P�esto, �e p�írodní plniva mají, v porovnání s pr�myslov� vyráb�nými vláknitými plnivy, horší mechanické vlastnosti, díky dobrému pom�ru výkon/náklady - cena nap�íklad ln�ných a konopných vláken je o cca 40 % ni�ší ne� cena krátkých sklen�ných vláken - nalézají stále širší uplatn�ní a to zejména v aplikacích, kde uvedené vlastnosti nejsou prioritní. Pro názornost - modul pru�nosti v GPa sklen�ného vlákna typu E je cca 70, jutové vlákno má tento modul cca 27, sisal cca 20, m�kké d�evo 40 a na druhém konci uhlíkové vlákno cca 230. Polypropylenové kompozity s p�írodními plnivy z pohledu automobilového pr�myslu m��eme o�ekávat v n�kterých aplikacích v interiérech - dve�ní výpln�, tepeln� - akustické izolace, atd. Pou�ití u exteriérových díl� není výrazn�ji rozší�eno.

Speciální polypropylenové kompaundy

Polypropylen jako matrice se pou�ívá i do kompaudovaných sm�sí, ve kterých jako plnivo jsou pou�ity uhlíková nanoplniva nebo kovové prášky. Jedná se o kompozity tepeln� vodivé a elektricky nevodivé, tepeln� vodivé a elektricky vodivé, s antistatickými vlastnostmi - elektricky vodivé zabra�ující akumulaci elektrostatického náboje, ESD - C a elektromagneticky stín�né, EMI. Kompozity typu ESD - C mají m�rný povrchový odpor vyjád�ený v ohmech na centimetr od deseti na prvou a� do deseti na šestou, b�né nepln�né plasty deset na dvanáctou a více, kovy deset na mínus prvou a� deset na mínus pátou. Materiály t�chto typ� jsou vhodné pro aplikace ve výbušných prost�edích, pro pracovišt� kde je ne�ádoucí elektrostatický náboj.

Tepeln� vodivé kompozity, a� u� elektricky vodivé nebo nevodivé, mají široké pole pou�ití všude tam, kde tepeln� izola�ní vlastnosti plast� nejsou výhodné. Velké vyu�ití nalézají nap�íklad jako chladící sou�ásti osv�tlení s vyu�itím LED diod. B�né nepln�né plasty mají sou�initel tepelné vodivosti vyjád�ený ve watech na metr a Kelvin mezi cca 0, 03 a� 0, 2. Tepeln� vodivé plasty od 1 do cca 20. Pro porovnání - uhlíková ocel s obsahem uhlíku 0, 2 % má sou�initel tepelné vodivosti cca 50, hliník 220, m�� 400, speciální kovové slitiny, které lze vst�ikovat cca 110.   

Na záv�r je mo�no konstatovat, �e automobilový pr�mysl se, po obalovém pr�myslu, stává jedním z nejv�tších u�ivatel� polypropylenu a to zejména v podob� jeho kompozit�. D�vodem tohoto stavu je snaha o co nejvyšší ziskovost výroby. Výrobci polypropylenu, kompaudé�i, zpracovatelé jsou tla�eni stále do v�tších úspor a proto musí automobilkám nabízet �ešení, která výrazn� sní�í jejich náklady. To ve velké mí�e platí nap�íklad pro nástup kompozit� s dlouhými sklen�nými vlákny. Tyto materiály se nepou�ívají jen jako náhrada za ji� pou�ívané materiály, ale stále �ast�ji jako vstupní materiál pro nové konstrukce. Polypropylen a jeho kompozity nejen pomáhají sni�ovat cenu automobil�, ale jak ji� bylo uvedeno na za�átku poskytují dobré mo�nosti pro klí�ový úkol jím� je sni�ování hmotnosti navrhovaných automobil�.

1. �ást »