Hibrid kompozitok egynél több erősítő- és/vagy töltőanyaggaltöltőanyaggal

Az alakítható, képlékeny szálakat, mint az üveg, aramid és polietilén, szénszálak mellett alkalmazva javítható a kompozit ütőszilárdsága. A hibrid effektus a kis megnyúlással jellemezhető fázisnak, ez esetben a szénszálnak, a szakadási nyúlásban bekövetkező javulásához kapcsolható. Ugyanakkor a szakadási nyúlás növekedése a merevség csökkenésével jár, amelynek mértéke a keverési szabállyal számítható (1. egyenlet) [11].

(1. egyenlet)

ahol σkrit, σM és σF a kritikus, a mátrix, illetve a szál húzószilárdsága (MPa), vM és vF a mátrix és a szál térfogattörtje.

A szénszállal erősített kompozitok viszonylag gyenge ütésállósága jelentősen javítható üvegszál hozzáadásával, a másik oldalról nézve pedig az üvegszállal erősített kompozitok hajlítással szembeni ellenálló képessége javítható szénszál hozzáadásával.

A szénszállal erősített epoxi kompozitok szívósságának növelésére a leggyakrabban elasztomer fázist építenek be az üveges állapotú epoxiba. Az elasztomer komponens lehet karbonil végcsoporttal rendelkező butadién-akril-nitril vagy más nitril gumi. A gumi kb. 5μm-es részecskék formájában van jelen az epoxi gyantában, mert folyékony formában adagolják a gyantához, és ezért töltőanyagként viselkedik a kompozit rendszerben. A szénszálakat és gumi töltőanyagot tartalmazó hibrid epoxi kompozitban a szakadási mechanizmus nagymértékben függ a hőmérséklettől és a vizsgálat során alkalmazott keresztfej-elmozdulási sebességtől.

Alacsony hőmérsékleten és nagy sebességű igénybevétel esetén nagy szilárdságú kompozitot kapunk, mert a gumirészecskék szakadnak el, és a repedés ezeken keresztül terjed. Magas hőmérsékleten vagy kis keresztfej-elmozdulási sebesség mellett azonban kis szilárdságú lesz a kompozit, mert a gumirészecskék nem szakadnak el, hanem ezek mentén terjed a hasadás. A gyanta szívósságának nagymértékű növelésével sem lehet jelentős növekedést elérni a kompozit szívósságát tekintve, sőt, előfordulhat, hogy a szívósabb gyanta még csökkenti is a kompozit szilárdságát és moduluszát.

A szívósság növelésének másik módja az lehet, ha hőre lágyuló műanyag részecskéket használunk, pl.

poli(vinilidén-fluorid)-ot (PVDF) vagy poli(éter-éterketon)-t (PEEK). A jellemző koncentráció-tartomány 5-15m/m% az epoxi-gyanta tömegéhez viszonyítva. Ez a megoldás sokkal célravezetőbb, mert a szénszálerősítésű kompozit ütőszilárdságát a húzószilárdság és a modulusz csökkenése nélkül javítja. A gumirészecskékkel

ellentétben ugyanis a hőre lágyuló PEEK részecskék nem az erősítetlen gyanta szívósságát javítják, hanem a szálerősítésű kompozit energiaelnyelő képességét.

Szizálszál/üvegszál hibrid erősítésű LDPE kompozitnál pozitív hibrid effektus tapasztalható a szakadási nyúlás kivételével valamennyi mechanikai jellemző esetében. Kimutatható az is, hogy a szizálszálak kezelése a tulajdonságok további javulását eredményezi, és a szizálszál/üvegszál hibrid kompozitoknak kisebb a nedvesség-felvétele is, mint a tisztán szizálszállal erősített kompozitoké.

Üveg- és szénszállal erősített hibrid kompozitokban adott összes száltartalom mellett megfigyelhető, hogy ha az üvegszál/szénszál arány nagyobb, azaz az üvegszál irányába tolódik el a kettő aránya, nő mind az üveg-, mind pedig a szénszálak átlagos szálhosszúsága. Az ellenkező tendencia figyelhető meg, azaz csökken az átlagos szálhosszúság, ha az üvegszál/szénszál arány csökken, vagyis nő a szénszáltartalom az üvegszál-tartalomhoz képest. Ez azt mutatja, hogy a szénszálak és üvegszálak közötti kölcsönhatás gyengébb, mint üvegszál-üvegszál között, de erősebb, mint szénszálak között.

Az elmúlt évtizedben megnőtt a mesterséges szálak mellett természetes szálakat is tartalmazó kompozitok kutatásának, illetve alkalmazásának intenzitása, valószínűleg az egyre komolyabb környezetvédelmi előírások elfogadásával. A kutatási területek összességét tekintve leggyakrabban az üvegszálak mellett alkalmaznak valamilyen természetes szálat.

Ananász mellett üvegszálat alkalmazva a két szál arányában optimum állapítható meg poliészter mátrixú kompozit húzó- és hajlítószilárdsága esetében is (96. ábra). Hajlítószilárdság szempontjából az a kedvező, ha közel egyforma mennyiségben (V/V%) alkalmazzuk a két szálat. Ez esetben 48%-os javulás érhető el a tisztán ananásszal erősített poliészterhez képest. Húzószilárdság szempontjából a szálösszetételben az 1 rész ananász 2 rész üvegszál arány tekinthető optimálisnak. Az ananászt tartalmazó kompozithoz képest a szilárdság-növekedés ez esetben 65%-os. Abban az esetben, ha a felhasználás szempontjából mindkét jellemző fontos, az optimum az utóbbi szálaránynál állapítható meg, hiszen a szálak 1:1 arányban történő alkalmazásához képest a hajlítószilárdság alig (2%-kal) csökken, míg a húzószilárdság 12%-kal tovább növelhető.

96. ábra - Ananász/üvegszál erősítésű poliészter kompozitok szilárdsági jellemzői

Szizállal és üvegszállal együttesen erősített poliészter kompozitokban szintén megfigyelhető, hogy a tulajdonság-javulás az üvegszál-tartalom növelésével egyre jobb. A tisztán szizálszállal erősített PÉ kompozithoz képest a húzószilárdság 45%-kal, a hajlítószilárdság 40%-kal nő, ha 24,3% szizál mellett 5,7%

üvegszálat alkalmazunk. Az üvegszál arányának további növelése nem hoz számottevő különbséget ehhez képest sem húzó-, sem pedig hajlítószilárdság tekintetében. Az optimális szálarányt tehát egyéb tényezők, pl.

költség vagy nedvesség-felvétel, … döntik el.

97. ábra - Szizálszál/üvegszál erősítésű poliészter kompozitok szilárdsági jellemzői

Bazalt/kender hibrid PP kompozitokban mind szakító-, mind pedig hajlítószilárdság szempontjából kedvező, ha növeljük a kenderszál arányát. A tisztán bazaltszálat (17%) tartalmazó kompozit jellemzői érhetők el, ha a 6%

bazalt mellett 18% kendert alkalmazunk. A tisztán kenderszálat tartalmazó kompozithoz képest átlagosan 7%

növekedés tapasztalható.

98. ábra - Bazaltszál/kenderszál erősítésű PP kompozitok szilárdsági jellemzői

Bazalt mellett (18%) üvegszálat alkalmazva (98. ábra) kiugró javulás érhető el a tisztán bazaltszállal erősített PP-hez képest. Ez szakítószilárdság szempontjából 130%-os, hajlítószilárdság szempontjából 120%-os növekedést jelent. Az üvegszállal erősített kompozitokhoz képest viszont számottevő csökkenés tapasztalható, ezért ha egyéb tényezők nem kritikusak a felhasználási célt tekintve, akkor nem éri meg az üvegszál mellett bazaltszálat alkalmazni ebben az összetételben.

99. ábra - Bazaltszál/üvegszál erősítésű PP kompozitok szilárdsági jellemzői

30% szénszállal erősített PP kompozitok esetében nő a szakító- és a hajlítószilárdság is (100. ábra). Az eredmény jelentőségét további növeli, hogy mindez kisebb, összesen 27%-os száltartalommal érhető el, amelyben 9%-kal kevesebb szénszál felhasználására van szükség. Ez a két erősítőszál kereskedelmi árát tekintve minden bizonnyal jóval gazdaságosabb előállítást tesz lehetővé.

100. ábra - Bazaltszál/szénszál erősítésű PP kompozitok szilárdsági jellemzői

A különböző hibrid szálas PP kompozitok mechanikai tulajdonságai között jelentős eltérés tapasztalható (101.

ábra). 6% bazaltszálat tartalmazó kompozitok esetén mind szakító-, mind hajlítószilárdság tekintetében a szénszál alkalmazásával érhetők el a legjobb eredmények.

101. ábra - Bazaltszállal erősített hibrid PP kompozitok szilárdsági jellemzőinek

összehasonlítása

Meg kell említenünk emellett azonban, hogy 3%-kal nagyobb az összes száltartalom a bazalt/szén hibrid kompozit esetében. Megállapítható az is, hogy kender helyett üvegszálat alkalmazva több mint duplájára növelhetők a szilárdsági értékek.