Kereskedelmi forgalomban kapható szálak kiszerelési formái

Kompozitok tervezésénél a széles mátrix választék mellett ugyancsak széles szálskálából kell kiválasztani azokat a komponenseket, amelyekkel árban is versenyképes termékeket lehet kialakítani. Jellemző tervezési viszonyszám a szál/mátrix arány, amely meghatározó a mechanikai-, fizikai- és kémiai követelmények mellett a kialakítható tömegre és a költségekre [5]. Az alacsony költségszintű, nem szerkezeti anyagként alkalmazandó termékeknél ez az arány általában 20/80. A szerkezeti anyagoknál (pl. néhány speciális pultrudált terméknél) 70/30, a fejlett kompozitoknál 60/40, de nagyobb érték is előfordulhat. A kívánt műszaki paramétereket ugyanakkor sokféle erősítő szállal vagy a szálak kombinációjával is ki lehet alakítani.

A szálorientáció a mátrixban tudatosan alakítható, ha a megfelelő típusú szálat használjuk fel. Kereskedelmi forgalomban ezért különböző formában kaphatók az egyes szálak, közülük legfontosabbak a folytonos szálak, szövetek és darabolt szálak. A szál helyes kiválasztásával a kompozit szerkezete a terhelések irányának megfelelően optimalizálható. Izotróp vagy anizotróp szerkezet is létrehozható akár egy munkadarabon belül is.

A felhasználás típusától függően számos kiszerelési forma létezik [1] (44. ábra).

44. ábra - Szálak kiszerelési formái (a. kábel; b. őrölt szál; c. vágott szál; d. fonal; e.

roving (köteg); f. szövet; g. paplan; h. font termék; i. prepreg; j. méhsejt)

A kábel (tow) több ezer, egymással párhuzamos folytonos elemi szálból áll, sodrás nélkül. Elemi szál tartalmát az ezres egységeket jelölő „K” érték mutatja (44. ábra/a). Az őrölt szálaknak (milled fibre) főként az elektromos tulajdonságok kialakításánál van szerepe (44. ábra/b). A vágott szálakat (chopped fibre) egyre nagyobb mennyiségben használják a hőre lágyuló mátrixú kompozitok területén (44. ábra/c).

A fonal (yarn) általában vágott szálakból épül fel sodrással (44. ábra/d), de készíthető folytonos szálakból is esetenként. Erősítő hatásuk gyengébb, mint a párhuzamos, sodratot nem tartalmazó folytonos szálaké.

A roving részkábelek egyesítésével, sodoratlanul felcsévélt szálköteg. Két típust különböztetünk meg a rovingok csoportjában. Egy végű (single-end) roving esetében a szálelhúzás több csévéről, a szálkötegek végének egyesítésével, párhuzamosan történik. Az egyesített végű (multiple-end) rovingok esetében viszont az egyes rovingok eleje és vége van összeragasztva. A rovingok apríthatók, szőhetők, vagy más egyéb módon feldolgozhatók, a másodlagos szálas rendszerek létrehozásához (paplanok, szőtt-, fonatolt-, vagy kötött termékek, esetleg hibrid szerkezetek). Ez a kiszerelési forma üvegszálaknál nagyon jellemző (44. ábra/e).

45. ábra - Különböző szövési formák (a: egyszerű szövésű (1-1); b: kosárszövésű (2-1);

c: sávolyszövésű (3-1); d: lúdlábszövésű (4-1); e: nyolchevederes szövésű (8-1))

Az unidirekcionális (UD) termékek azonos feszültséggel párhuzamosított, és rögzített struktúrát jelentenek, egészen 50g/m²-től. A rögzítéshez nagyobb mennyiségű sizingot, ragasztót használnak, ami kismértékben befolyásolja az alkalmazhatóságot is. Elsősorban multiaxiális erősítő szerkezetek kialakításához alkalmazzák, ahol több ilyen réteg különböző irányban történő egymásra rakásával és rögzítésével érhető el a kívánt struktúra.

A szőtt termékek (szövetek, 44. ábra/f) választéka nagyon széles a súly, szövési mód és a szélesség tekintetében. A szőtt termékek húzószilárdsága a szövés típusától függően (45. ábra) valamivel kisebb, mint az unidirekcionális (UD) termékeké a szálak hullámos elhelyezkedéséből adódóan. Ezek a szálak ugyanis húzás hatására ki akarnak egyenesedni, amellyel feszültséget ébresztenek a mátrix rendszerben is.

A paplanok, fátylak nem szőtt termékek, és a szálakat általában vegyi kötőanyag tartja össze. Vágott és folyamatos szálból is készíthető. A vágott szál paplan véletlenszerű eloszlású szálakat tartalmaz mindhárom dimenzióban, a szálai jellemzően 28-63,5mm hosszúságúak. Mivel az elemi szálak irányultsága véletlenszerű, a paplan kvázi izotróp jellegű, tehát minden irányból azonos a teherbírása (44. ábra/g). A vágott szálból előállított paplanok alacsony költségigényű erősítést tesznek lehetővé a kézi laminálással és néhány zárt sajtolással készített alkalmazásnál.

A font termékek (44. ábra/h) általában drágábbak, mint a szövetek, mert bonyolultabb gyártási folyamattal készülnek és súlyuk is nagyobb. A fonatok folyamatos felépítésűek, és van legalább egy tengelyirányú szál, ami egyenes marad a készítés során. A szálak ily módon történő rendezése hatékony tehereloszlást eredményez a teljes szerkezetben.

A gyantával impregnált, tovább feldolgozható erősítő szerkezeteket (prepreg, 44. ábra/i), a szálszerkezet tervezett mennyiségű hőre keményedő műgyantával vagy hőre lágyuló polimerrel történő impregnálásával hozzák létre. A legtöbb hőre keményedő prepreget szobahőmérséklet alatt kell tartani, és a felhasználhatóságuk időben korlátozott, a hőre lágyuló prepregek esetében nincs ilyen megkötés.

Egyéb kiszerelési formák: pl. szendvicsszerkezetek készítéséhez különféle geometriájú erősítő anyagokat gyártanak, pl. Nomex® méhsejt szerkezet (44. ábra/j), amelyet a nagy porozitásából következő nagyon kicsi sűrűsége miatt alkalmaznak előszeretettel.

2.2. Töltőanyagok

A töltőanyagok közül néhányan inaktívak, mások aktívak, vagyis erősítő hatást is kifejtenek. Az inaktív, vagy extender töltőanyagok a mennyiséget növelik, ezzel együtt a termék árát csökkentik. Az aktív, vagy erősítő töltőanyagok mechanikai és fizikai tulajdonságokat javítanak.

Az alkalmazott koncentráció széles tartományban változik: a néhány százalék keményítőtől egészen a majdnem 100%-ban alkalmazott fémporokig. Előbbit a biológiai lebomlás elősegítésére alkalmazzák, utóbbit pedig nagy

elektromos és hővezető képességű anyagok előállításához. A töltőanyagok legjellemzőbb koncentráció-tartományát és az általuk kifejtett hatást a 14. táblázatban foglaltuk össze [14].

14. táblázat - Hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagokban alkalmazott töltőanyagok és fontosabb hatásaik

töltőanyag műanyag koncentráció, m/m% javított jellemző

szervetlen

CaCO3 PE, PVC, PPS, PB, UP <33 ár, fényesség

kálium-titanát PA 40 méretstabilitás

csillám PUR, UP <25 méretstabilitás, merevség,

keménység

kvarc PE, PMMA, EP <45 hőstabilitás, törés

homok EP, UP, PF <60 zsugorodás

Al, Zn, Cu, Ni… PA, POM, PP <95 vezetőképesség (hő és

elektromos)

MgO UP <70 merevség, keménység

ZnO PP, PUR, UP, EP <70 UV-stabilitás, hővezető

képesség

wollasztonit EP, PMMA, PUR, PP, PA,

PBT, PVC, UP, PF

~20 elektromos szigetelés,

keménység, vízállóság szerves

korom PVC, HDPE, PUR, PI, PE <60 UV-stabilitás,

pigmentáció, térhálósítás

grafit EP, MF, PB, PI, PPS, UP,

PMMA, PTFE

<50 merevség, kúszás

töltőanyag műanyag koncentráció, m/m% javított jellemző

faliszt PF, MF, UF, UP, PP <50 zsugorodás, ütőszilárdság

keményítő PVA, PE <7 biológiai lebomlás

szén nanocső PEEK, PMMA, EP <3 merevség, keménység,

vezetőképesség (hő és elektromos)

A gyakori megközelítés az, hogy a töltőanyagok alkalmazása főleg a költségcsökkentésre irányul, de közülük számos típusnak van nagyon előnyös hatása is a különböző műanyagok tulajdonságaira. Javíthatják a mechanikai tulajdonságokat, különösen a moduluszt, módosíthatják az elektromos jellemzőket, változtathatják a sűrűséget, javítják az égésállóságot és csökkentik a füstképződést az égés során.

A töltőanyagok alkalmazása hőre keményedő gyantákban gyakran előnyös a térhálósodási reakció során keletkező fölösleges exoterm hő csökkentése szempontjából, amely miatt máskülönben megtörne a gyanta.

Gazdasági szempontból viszont hátrányos, hogy a töltőanyagok növelik a folyékony gyanták viszkozitását a gyártóberendezésekben, amellyel néhány feldolgozási műveletet nehezebbé tesznek, még akkor is, ha a töltőanyag részecskék felületét előzetesen kezelik.

Magas töltőanyag-tartalom esetén megnő az üregek kialakulásának valószínűsége is. A szakító- és hajlítószilárdság, illetve a szakadási nyúlás ellenkező irányban változnak, ennek mértéke azonban függ a töltőanyag és a polimer típusától, illetve a töltőanyag részecskeméretétől.

Az ipari gyakorlatban általában 30m/m% töltőanyagot alkalmaznak, és a pontosabb térfogatszázalék helyett a tömegszázalékos összetételt használják.

A töltőanyagok lehetnek kristályosak vagy amorfak. A kristályos töltőanyagokhoz tartoznak a kalcium-karbonát (CaCO3) és titán-dioxid (TiO2), míg az üveggyöngyök például amorfak. Számos, de nem minden töltőanyagot a földkéregből bányásznak vagy kőfejtéssel nyernek ki, pl. CaCO3, talkum, bentonit, wollasztonit, montmorillonit és TiO2. Több töltőanyagot csak szennyezésekkel együtt tudnak kinyerni, amelyek viszont erőteljesen befolyásolják a színt, elektromos tulajdonságokat és a műanyagok toxicitását, hiába távolítják el őket. Mások, mint pl. a faliszt, egyéb szerves anyagokat is tartalmaznak a cellulózon kívül. A töltőanyagokat jelen esetben szervetlen és szerves töltőanyagok csoportjára osztottuk, és ezen belül ismertetjük a legfontosabb típusokat.