Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nábytku, designu a bydlení Analýza možností uplatnění kompozitního uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu DIPLOMOVÁ PRÁCE Přílohy technické listy použitých materiálů a grafy průběhů ohybových zkoušek 2009/2010 Bc. Radek Pomp

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Analýza možností uplatnění kompozitního uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora Mendelovy univerzity o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne :...... Bc. Radek Pomp

Poděkování: Tímto děkuji Ing. Milanu Šimkovi, Ph.D. za odborné vedení diplomové práce a za udržení nadhledu při řešení problematiky. Dále děkuji Ing. Janu Tippnerovi za užitečné konzultace, Miroslavu Havlovi za konzultace, darování materiálu a ukázku provozu a Ing. Rudolfu Beranovi za konzultace a poskytnutí materiálu. Chtěl bych tímto poděkovat i rodině a přítelkyni za trpělivost a podporu při studiu a řešení diplomové práce.

Jméno / Name : Bc. Radek Pomp Název diplomové práce : Analýza možností uplatnění kompozitního uhlíkového materiálu v nábytkářském průmyslu Name of work : Analysis of possibilities of using carbon composite material in furniture industry Abstrakt: Diplomová práce se zabývá studiem kompozitů, technologiemi výroby kompozitů, uhlíkových vláken a jejich kombinací s materiály používanými v nábytkářském průmyslu. Cílem je najít kombinaci uhlíkového materiálu a materiálu na bázi dřeva, který by našel v tomto průmyslu využití. Kritérii při volbě materiálů jsou: dobré mechanické vlastnosti, možnosti využití výsledného kompozitu, možnost zpracování nábytkářskou technologií, ekologie a nízká cena. U výsledného kompozitu jsou mechanické vlastnosti ověřeny zkouškou tříbodým ohybem a popsány možnosti aplikace v nábytkářském průmyslu. Klíčová slova: uhlíková vlákna, kompozit, vlnitá lepenka Abstract: Diploma work solves questions about composites, composite production technologies, carbon fibres and their combination with materials used in furniture industry. The aim of the work is to find a combination of carbon material and wood base material and possibility analysis of carbon composite usage in furniture industry. Criteria of materials selection are: good mechanical characteristics, possibilities of usage, possibility processing with furniture industry technologies, ecology and low price. Mechanical characteristic are verified with three-point bend. Work summarises informations about the new composite s usage. Keywords: carbon fibre, composite, cardboard

Obsah: 1 Úvod...1 2 Cíl práce...2 3 Literární rešerše...3 3.1 Uhlík - základní informace, použití... 3 3.1.1 Formy uhlíku... 3 3.1.2 Vlastnosti a použití uhlíku... 4 3.1.3 Progresivní uhlíkové materiály... 6 3.2 Uhlíková vlákna... 8 3.2.1 Postup výroby uhlíkového vlákna... 9 3.2.2 Mikrotextura uhlíkového vlákna... 10 3.2.3 Vlastnosti uhlíkových vláken... 11 3.3 Kompozity... 13 3.3.1 Definice kompozitu... 13 3.3.2 Druhy vláken kompozitů... 14 3.3.3 Druhy matric kompozitů... 20 3.4 Technologie výroby kompozitů... 25 3.4.1 Technologie ručního kladení... 25 3.4.2 Stříkání... 26 3.4.3 Lisování za tepla a tlaku... 27 3.4.4 Vysokotlaké vstřikování (RTM resin transfer moulding)... 28 3.4.5 Vakuové prosycování vakuum infusion... 28 3.4.6 Tažení - pultruze... 29 3.4.7 Navíjení... 30 3.4.8 Odstředivé lití... 30 3.5 Možné defekty kompozitů... 31 3.6 Ceny uhlíkových vláken... 32 3.7 Použití uhlíkového kompozitu... 35 3.7.1 Použití uhlíkového kompozitu v nábytku... 37 3.8 Materiál na bázi dřeva... 39 3.8.1 Vlnitá lepenka... 40 4. Materiál a metodika...45 4.1 Popis použité technologie... 46

4.2 Technologický postup výroby vzorků... 46 4.3 Použitý materiál... 47 4.4 Zkouška tříbodým ohybem... 47 4.4.1 Měření... 49 5. Výsledky...50 5.1 Použití papíru v kombinaci s polyesterovou pryskyřicí... 51 5.2 Použití vlnité lepenky pojené PVAc lepidlem... 51 5.2.1 Výsledky měření modul pružnosti a pevnost v ohybu... 53 6. Diskuze...57 7. Závěr...63 8. Summary...64 9. Seznam použité literatury...65 10. Přílohy - technické listy použitých materiálů a grafy průběhů ohybových zkoušek

1 Úvod Kompozitní materiály z uhlíkových vláken jsou dnes chápány jako drahý, nadčasový materiál s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a líbivým 3D efektem tkaniny. V této práci nahlížím na tento materiál jako na čistě konstrukční prvek a hledám nové kombinace a možnosti použití tohoto materiálu v nábytkářském průmyslu. 1

2 Cíl práce Cílem práce je najít nové kombinace uhlíkového materiálu s materiálem na bázi dřeva. Cílem je vytvořit kompozit kombinací drahého uhlíkového materiálu s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a levného, lehkého materiálu na bázi dřeva. Snahou je najít materiál s dobrými mechanickými vlastnostmi, který by našel použití v nábytkářském průmyslu. Důraz je kladen také na ekologii a nízkou výslednou cenu kompozitu. Souběžně se studiem tohoto kompozitu budou zhotovovány zkušební tělíska pro potvrzení, nebo naopak vyvrácení teoretických poznatků. U navrženého kompozitu budou rámcově zjištěny jeho vlastnosti, které budou porovnány s jinými materiály na bázi dřeva. 2

3 Literární rešerše 3.1 Uhlík - základní informace, použití Uhlík je nezbytnou součástí všech živých organismů. Sloučeniny uhlíku jsou důležitým energetickým zdrojem lidstva v podobě fosilních paliv, zemního plynu a uhlí. Při zpracování ropy se vyrábí základní suroviny nezbytné pro chemický průmysl. Frakce ropy se používají při výrobě plastických hmot, léčiv, nátěrových hmot, umělých vláken atp. Na Zemi i ve vesmíru je uhlík poměrně značně rozšířeným prvkem. V zemské kůře je jeho obsah uváděn s relativně vysokým rozptylem v rozmezí 200-800 mg/kg, obsah v mořské vodě činí 28 mg/l. Ve vesmíru připadá jeden atom uhlíku přibližně na 20 000 atomů vodíku. 1 3.1.1 Formy uhlíku - grafit: Struktura grafitu se skládá z vrstev, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. van der Waalsovy síly. Grafit se díky nízké odolnosti proti otěru používá při výrobě tužek a maziv (další vlastnosti v tabulce 1). - diamant: je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové a je nejtvrdším a velmi cenným přírodním nerostem. Diamanty se používají pro svou tvrdost a výbornou tepelnou vodivost (nikdy se nepřehřejí) v nejrůznějších řezných a vrtných nástrojích. Pro vysokou cenu bývají diamanty vyráběny synteticky. 1 - fulleren: Od roku 1985 se řadí ke známým alotropickým modifikacím uhlíku diamantu a grafitu také fullereny. Tyto látky obecného vzorce C tvoří molekuly n složené z dvaceti a více atomů uhlíku, často označované jako klastry, představující mnohostěny víceméně kulovitého tvaru. Atomy uhlíku jsou umístěny ve vrcholech mnohostěnů. 2 - uhlíkové nanotrubice: jsou uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z atomů uhlíku o tloušťce pouhých několika nanometrů. Perspektiva jejich využití se nabízí např. při výrobě velmi pevných a zároveň lehkých kompozitních 1 http://cs.wikipedia.org/wiki/uhl%c3%adk, 17.11.2009 2 Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 3

materiálů a tkanin, v elektronice při výrobě mimořádně malých tranzistorů, jako ideálního materiálu pro uchovávání čistého vodíku pro palivové články a mnohé další. 1 - anorganické sloučeniny: uhlík vytváří řadu oxidů. Dýcháním živých organismů a spalováním fosilních paliv vzniká oxid uhličitý CO 2. Tento plyn bývá dnes spojován s globálním oteplováním. Je však nezbytný při vytváření rostlinných tkání při fotosyntéze. Mezi anorganické sloučeniny uhlíku patří i toxické látky jako oxid uhelnatý CO a kyanovodík HCN. - organické sloučeniny: organické sloučeniny uhlíku, uhlovodíky, jsou základními jednotkami živých organismů. Je jich známo více než 10 milionů. Mohou vznikat molekuly s dlouhými řetězci, nebo molekuly s cyklickou strukturou. 3.1.2 Vlastnosti a použití uhlíku Formy uhlíku uvedené v předchozí kapitole mají i velmi různorodé a protichůdné vlastnosti a možnosti použití: - nejtvrdší nerost diamant mazadlo grafit - biogenní uhlovodíky toxické látky oxid uhelnatý, kyanovodík - aktivní uhlík pohlcuje plyny ochranná atmosféra oxidu uhličitého při svařování Chronologie uhlíku letopočet inkoust indiánů vyráběný ze sazí před n. l. zákaz používat uhlí v Anglii, protože je zdraví škodlivé 1273 první grafitová tužka z cumberlandského grafitu 1564 C.W. Scheele dokázal, že grafit je uhlík 1779 S. Tenant objev složení diamantu 1796 první uhlíková elektroda pro elektrický oblouk 1800 označení grafitu jako modifikace uhlíku 1855 první uhlíkové vlákno (Edison) 1879 patentována příprava uhlíku chemickým rozkladem par uhlovodíků (CVD) 1880 Moissant připravil diamant v elektrickém oblouku 1894 4

využití isotopu 14 C pro určení geologického věku 1896 průmyslová výroba uhlíkových vláken z viskózy 50. léta 20.stol. vývoj a výroba skelného grafitu 60. léta vývoj uhlíkových vláken na bázi PAN 60. léta vývoj uhlíkových vláken na bázi izotropních smol 60. léta první uhlíková vlákna z mezofázových smol 1965 příprava uhlíkových vláken z par 70. léta výroba diamantu drahokamové kvality 1985 uhlíkové elektrody pro palivové články 80. léta vývoj diamond like uhlíku (DLC) 80. léta objev molekuly fullerenu 1985 objev supravodivosti grafitových interkalačních sloučenin K C 3 60 1990 první informace o nanotrubicích (Iijima) 1991 monokrystaly z uhlíkových nanotrubic 2001 připravena uhlíková nanopěna 2002 použití fullerenu v medicíně 2003 tranzistor z uhlíkových nanotrubic 2003 vlákno v žárovce z uhlíkových nanotrubic 2004 zjištěny paramagnetické vlastnosti uhlíkových nanopěn 2004 3 diamant grafit fulleren C 60 vzhled krystalů bezbarvé, silně lámající světlo šedočerné, vrstevnaté hnědočerné, lesklé krystalová soustava kubická hexagonální kubická tvrdost nejtvrdší nerost měkký měkký teplota tání netaje nad 1500 o C cca 3700 o C při 600 o C sublimuje přechází na grafit hustota [g.cm 3 ] 3,51 2,26 1,65 rozpustnost ve vodě nerozpustný nerozpustný nerozpustný rozpustnost v nerozpustný nerozpustný rozpustný toluenu elektrická vodivost nevodič dobrý vodič polovodič Tab.1: Vlastnosti diamantu, grafitu a fullerenu Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 3 Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 5

3.1.3 Progresivní uhlíkové materiály Z různých forem uhlíku se neustále vyvíjejí nové materiály mající široké uplatnění. Mezi tyto nové materiály patří uhlíková vlákna, nanopěny, uhlíkové trubice a nanorohy, pružný grafit, pyrolytický uhlík, skelný uhlík, uhlíkové aerogely a kompozity polymer-uhlíková vlákna a uhlík-uhlíková vlákna. - uhlíková nanopěna: (carbon nanofoam) je nejnovější poznanou formou uhlíku. Připravil ji tým fyziků z australské národní laboratoře v Canbeře poté, co vystavil uhlíkový terčík v argonové atmosféře působení výkonného laserového pulsního systému. Mikrostruktura, která se vytvořila po zahřátí na teplotu 10 000 C, připomíná jakési vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček, 5 nm dlouhých. Na rozdíl od všech dosud známých diamagnetických forem uhlíku vykazuje paramagnetické chování (obr. 1). - uhlíkové nanotrubice a nanorohy: (obr. 2 a 3), (carbon nanotube and nanocone) jsou nejmodernějším uhlíkovým materiálem s prakticky teoretickými hodnotami mechanických vlastností (E-modul se blíží teoretickému modulu, vyplývajícímu z energie vazby mezi uhlíky, tedy 1 TPa, pevnost v tahu je předpokládána až 200 GPa). Mají schopnost zachycovat velké objemy plynů, iontů, vyztužovat polymerní vlákna a sloužit jako základní materiál v nanotechnologiích. Některé formy mají zajímavé elektrické (polovodivé) vlastnosti. Nejnověji jsou připravovány materiály, které mají ve své stavbě i jiné atomy např. bór a dusík. Objemová výroba vychází z katalytického rozkladu plynů, obsahujících vhodně vázaný uhlík na vhodných podložkách (katalyzátory obsahují Ni, Obr.1: Uhlíková nanopěna Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. Obr.2: uhlíková nanotrubice Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. Obr.3: uhlíkové nanotrubice Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 6

Fe apod.). Nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (single walled nanotube SWNT) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube MWNT). Při velmi rychlém katalytickém růstu vznikají útvary ve tvaru nanorohů (nanocones, nanohorns). - pyrolytický uhlík: (pyrolytic carbon, pyrocarbon, pyrolytic graphite) je monolitický materiál získaný chemickým rozkladem těkavých uhlovodíkových sloučenin na podložce v rozsahu teplot 727 1827 C. Je prakticky nepropustný pro plyny, tepelná a elektrická vodivost závisí na stupni orientace vrstev a je vyšší ve směru grafitových rovin. Průmyslové využití je v oblasti rezistorů, povlaků pro jaderná paliva, v raketové technice jako vystýlka trysek, pokryvy grafitových lodiček, kelímků, kyvet a elektrod v analytické chemii. - pružný grafit: (obr. 4), (flexible graphite, sheetlike flexible graphite) vzniká reakcí přírodního nebo vysoce orientovaného pyrolytického grafitu s oxidačními činidly a po tepelném zpracování je takto vzniklý expandovaný grafit lisován bez pojidel a výztuže na pružné fólie. Vlivem vrstevnaté struktury vykazuje pružný grafit silnou anizotropii. Používá se pro těsnění v širokém rozsahu teplot a pro agresivní média. Může být použit i jako topný článek nebo pro vykládání odlévacích forem pro roztavené kovy, které jím nejsou smáčeny. 4 - skelný uhlík: (obr. 5), (glassy carbon, vitreous Obr.4: pružný grafit Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. carbon, glass-like carbon) je monolitický negrafitující uhlík s velkou isotropií strukturních i fyzikálních vlastností, prakticky nepropustný pro kapaliny i plyny. Vyrábí se pyrolýzou Obr.5: skelný uhlík termosetových polymerů, které mají vytvořenu Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU trojrozměrnou strukturní síť. Karbonizace je v Liberci, 2004. prováděna běžně na 800-1200 C, podle účelu využití následuje další zpracování do 3000 C. Používá se jako náhrada platiny či křemenného skla v chemických 4 Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 7

laboratořích, v metalurgii a k výrobě stavebních prvků v jaderné technice. Má vysokou biokompatibilitu, proto nachází využití v medicinální praxi na implantáty. - uhlíkový aerogel: (obr. 6), (carbon aerogels) je vyráběn karbonizací aerogelů připravených z resorcinformaldehydových pryskyřic. Vyznačuje se nízkou měrnou hmotností, supernízkou tepelnou vodivostí, vysokým měrným povrchem a zvláštními Obr.6: uhlíkový aerogel Zdroj: Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. elektrickými vlastnostmi. Využití nacházejí nejen jako tepelné izolace, ale především v dobíjecích bateriích a palivových článcích a jako nosiče katalyzátorů. 3.2 Uhlíková vlákna Za vynálezce uhlíkových vláken je označován Edison, který v roce 1879 zveřejnil svůj vynález žárovky s karbonizovaným bambusovým vláknem. Průmyslovým způsobem se uhlíková vlákna začala vyrábět až o půl století později. První vlákna vznikla rozkladem metanu, propanu a ethylenu při 1200 C na křemenných podložkách. Další uhlíková vlákna se vyráběla pyrolýzou viskózových vláken. Dnes se uhlíková vlákna vyrábějí převážně z vláken polyakrylonitrilových (PAN) a nejnověji z vláken novoloidu vláken fenol-aldehydových. Viskóza se dnes nepoužívá, při karbonizaci viskózy na uhlíkové vlákno se přemění pouze 25% hmoty původního vlákna. Surovinou pro výrobu nejpevnějších uhlíkových vláken jsou smoly (zbytky po destilaci černého uhlí a ropy). Vysoce tuhá a přitom pevná vlákna poskytují pouze tzv. mezofázové smoly (angl. MesoPhase Pitch, MPP). V současnosti se výroba uhlíkových vláken dělí podle výsledných mechanických vlastností na: uhlíková vlákna nižších parametrů - pevnost v tahu < 1000 MPa, modul pružnosti v tahu < 100 GPa. Tato vlákna jsou obvykle připravována přímo ve formě textilních útvarů - tkanin, pásků, apod. Prekurzorem je viskóza nebo izotropní smoly. Používají se jako tepelné izolace, elektromagnetické stínění, odstraňování elektrostatických nábojů v povrchových vrstvách kompozitních struktur. 8

uhlíková vlákna s vysokými mechanickými parametry (high performance carbon fibers) pevnost v tahu 3,5-7 GPa, modul pružnosti 230-930 GPa. Do této skupiny zahrnujeme vlákna připravená z polyakrylonitrilové suroviny, z mezofázových smol a vlákna charakteru whiskerů připravených katalytickým rozkladem plynných uhlovodíků (VGCF vapor grown CF). Podle konkrétních mechanických vlastností je tato skupina dále členěna na vysocepevná vlákna (high tensile or high tenacity HT fibers), vysokomodulová vlákna označená HM, středně modulová vlákna (intermediate modulus IM fibers) a vlákna se supervysokým modulem (ultrahigh modulus UHM fibers). 5 3.2.1 Postup výroby uhlíkového vlákna Vlákna se vyrábějí složitým stupňovitým termickým procesem v inertním prostředí. Díky nákladné výrobě je jejich cena prozatím vysoká, a proto je snahou tuto technologii zlevnit. V současnosti probíhá výzkum tohoto problému např. na Univerzitě v Tennessee, Space Institute. Postup výroby uhlíkového vlákna z PAN je možno rozdělit do tří etap (schématicky znázorňuje obr. 7): Stabilizace - při teplotách 220 až 300 C, za působení tahového napětí a v oxidačním prostředí je PAN vlákno stabilizováno. Dojde k cyklizaci vazeb v řetězci makromolekuly PAN (vytvoření paralelních žebříkovitých makromolekul) a k vzájemnému zesítění makromolekul kyslíkovými můstky. Vlákno při této etapě zčerná a stane se netavitelným. Karbonizace - při teplotách od 1000 do 1500 C v inertním prostředí (velmi čistý dusík) ve vláknu proběhne karbonizace (odstraní se vodík a sníží obsah dusíku a kyslíku, 80 až 95 % hmoty tvoří uhlík). Vlákno dosáhne maximální pevnosti v tahu. Grafitizace - při teplotách od 1800 do 3000 C v inertním prostředí (velmi čistý dusík). Dále se zvýší obsah uhlíku a umožní se vznik dokonalejších mikrokrystalů. Vyvinutější mikrokrystaly vedou ke zvýšení tuhosti vlákna. U standardních vláken z PAN je přírůstek tuhosti dosažen za cenu poklesu pevnosti, protože zvetšení velikosti mikrokrystalu vede též k zvětšování defektu mezi nimi. U nejtužších vláken je 5 Grégr.J, Povrchové vlastnosti uhlíkových vláken. TU v Liberci, 2004. 9

používáno dloužení při grafitizaci. Při dloužení se zmenší úhel odklonu mikrokrystalu od osy vlákna (tzv. vysokomodulová vlákna z PAN). 6 Obr.7: Schématický postup výroby uhlíkového vlákna z PAN a změny struktury PAN Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 3.2.2 Mikrotextura uhlíkového vlákna Je známo, že krystal grafitu je vysoce anizotropní, ve směru kolmém k bazálním rovinám šesterečné mřížky působí jen slabé Van der Waalsovy vazby, kdežto v rovinách bazálních vrstev, v tzv. aromatických rovinách, jsou atomy vázány velmi pevnými kovalentními vazbami. Teoretická pevnost grafitového monokrystalu namáhaného tahem ve směru rovnoběžném s bazálními rovinami činí přibližně 100 GPa a teoretický modul pružnosti v tahu je přibližně 1000 GPa. Polykrystalický grafit s náhodně orientovanými krystaly je měkký a drobivý v důsledku málo pevné vazby mezi hustě obsazenými rovinami. Modul pružnosti v tahu je pouze 10 GPa a pevnost v tahu 20 MPa. Při smykovém namáhání ve směru rovnoběžném s rovinami se pevné kovalentní vazby mezi uhlíkovými atomy v bazálních rovinách neporušují a dochází k snadnému pohybu těchto rovin vůči sobě. To je příčinou známého mazacího účinku grafitu (např. při suchém tření). Vysoké pevnosti a tuhosti aromatických rovin je 6 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 10

využito v uhlíkových vláknech, ve kterých jsou bazální roviny orientovány převážně rovnoběžně s podélnou osou vlákna. 7 3.2.3 Vlastnosti uhlíkových vláken Uhlíková vlákna mají široké spektrum mechanických vlastností podle výchozí suroviny a technologie výroby. Díky pevným kovalentním vazbám, které jsou během výroby orientovány do podélné osy, jsou vlákna velmi pevná v tahu. Proto jsou skořepiny z uhlíkového kompozitu navrhovány tak, aby bylo vlákno namáháno právě tahem. Podobně jako u překližované desky se jednotlivé vrstvy vláken, resp. pláten utkaných z vláken, skládají pod úhlem, aby konstrukce odolala vícesměrnému namáhání. A podobně jako u překližovaných desek, i zde platí pravidlo symetrie. Tedy, že složený soubor pláten musí být symetrický vůči střední rovině. Další, spíše nevýhodnou vlastností uhlíkových vláken je jejich křehkost. Přetržení nastává u vláken již při 2% poměrného prodloužení. Hustota je oproti rostlému dřevu (buk 685 kg/m 3 ) vyšší. Uhlíková vlákna se vyrábějí v hustotách od 1400 do 2000 kg/m 3. Avšak ani rostlé dřevo, aglomerované materiály na bázi dřeva, ani konstrukce z lehkých kovů (hořčík - 1738 kg/m 3 ) nejsou lehčí než kompozity z uhlíkových vláken. Kompozity v tomto vyhrávají díky pevnosti v tahu. Ta dovoluje vytvářet subtilní, zpravidla skořepinové konstrukce. Díky vynikajícím vlastnostem mohou být skořepiny tenčí při srovnatelných mechanických vlastnostech a méně použitého materiálu znamená nižší hmotnost. Proto se používají v leteckém a kosmickém průmyslu, kde je hmotnost důležitějším kritériem než jejich cena. Novoloid (Kynol ) PAN Teplota zpracování, C 800 2000 1500 2000 Hustota, g/cm³ 1,5 1,4 1,8-1,9 1,9-2,0 Obsah uhlíku, % hmotnostních 95 99,8 93 99,5 Pevnost v tahu, MPa 500-700 400-600 1500 3000 Poměrné prodloužení při přetržení, % 2,0-3,0 1,5-2,5 1,0 1,5 Modul pružnosti, GPa 200-300 150-200 150 300 Teplota počátku ztráty hmotnosti, C 476 573 560 560 Tepelná odolnost, 350 C vzduch 0 0 ztráty hmotnosti, % 400 C vzduch 2,8 2,2 2,4 Chemická afinita k epox. pryskyřicím dobrá horší Tab.2: Porovnání vlastností uhlíkových vláken ze dvou syntetických polymerních prekurzorů Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 7 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 11

T300 M40J T800H T1000G M60J Průměr [µm] 7-8 7 5-6 5 4 Hustota [g/cm³] 1,76 1,77 1,81 1,8 1,92 Modul E [GPa] osový 230 377 294 294 588 příčný 40 21 Pevnost v tahu [MPa] 3,53 4,41 5,49 5,3-6,8 4,21 Prodloužení při přetržení [%] 1,5 1,2 1,9 2,0-2,5 0,7 Souč. délk. tepel. roztažnosti [10-6 l/k] osový příčný -0,7 10-0,5 7 Tepelná vodivost [W/mK] 8,5 70 7 Obsah uhlíku [%] 92-97 99 92-97 96 96 Tab.3: Vlastnosti některých uhlíkových vláken z PAN při teplotě 20 C (podle prospektu firmy Toray Industrie z roku 1997) Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 12

3.3 Kompozity 3.3.1 Definice kompozitu Kompozitní materiály jsou složeny ze dvou nebo více chemicky a fyzikálně odlišných složek (fází). Tvrdší, tužší a pevnější nespojitá složka se nazývá výztuž, spojitá a obvykle poddajnější složka, která zastává funkci pojiva výztuže, se nazývá matrice. Podle současného chápání pojmu kompozit musí být k zařazení vícefázového materiálu mezi kompozitní materiály splněny následující podmínky: podíl výztuže musí být vetší než 5 % vlastnosti výztuže a matrice (mechanické, fyzikální i chemické) se liší, výztuž je významně pevnější v tahu a obvykle tužší než matrice kompozit musí být připraven smícháním složek 8 Kompozitem je tedy i železobeton. Ocelové pruty nebo ocelová síť zde vyztužují matrici, tedy beton. Jistou podobnost má v tomto smyslu s uhlíkovým kompozitem i dřevo. Je přírodním vláknitým kompozitem složeným z celulosových vláken (výztuž), roznesení zatížení působící na celulosová vlákna zajišťuje lignin. Rozdělení kompozitů je patrné na obrázku 8. 8 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 13

Obr.8: Rozdělení kompozitů podle geometrie a orientace výztuže Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 3.3.2 Druhy vláken kompozitů Podle předchozího rozdělení kompozitů se budeme zabývat vláknitými kompozity. V této kapitole budou představeny používané druhy vláken, jejich vlastnosti a oblasti jejich použití. Nejdříve je však nutné znát druhy vláknitých produktů: roving je sdružený pramen několika tisíců vláken. Pro některé technologie výroby jsou rovingy přímým materiálem určeným k výrobě kompozitů, pro jiné technologie výroby se z rovingů spřádají různé druhy tkanin a úpletů. jednoduchá příze zkrucováním vláken a jejich sdružováním vzniká příze. Příze se používá k výrobě technických tkanin geotextilií, filtračních a izolačních tkanin. rohože vyrábějí se z navzájem různě propletených vláken. 14

sekané prameny používají se při výrobě plastických hmot vyztužených vlákny. Takovéto plastické hmoty se vyrábějí lisováním, nebo vstřikováním do forem. prepreg je materiál obsahující rovingy, tkaninu nebo rohož s polovytvrzenou reaktoplastickou nebo termoplastickou matricí. Pryskyřice je v prepregu vytvrzena do stavu resitolu (stav lepivého gelu). Při dalším zpracování se matrice nataví, dojde ke spojení matrice s výztuží a konečnému vytvrzení matrice. tkaniny z rovingů se nadále tkají různé druhy pláten. Druh použité tkaniny se volí podle požadovaných mechanických vlastností a také podle členitosti formy. Druhy tkanin znázorňuje níže přiložený obrázek 9. Obr.9: Druhy tkanin Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 Druhy vláken: 1) Skleněná vlákna Skleněná vlákna mají silikátový základ (SiO 2 ). Vyrábějí se tažením taveniny směsi oxidu Si (s příměsí oxidu Al, Ca, Mg a B) s velmi malým podílem oxidu alkalických kovů Na a K. Potřebného průměru vláken se dosáhne dloužením proudu skla 15

vytékajícího tryskami (průměr trysky 1 mm) ze dna zvlákňovací hlavy. Konečný průměr vlákna je dán rozdílem mezi rychlostí vytékání skloviny a rychlostí odtahování monovláken. Monovlákna se po povrchové úpravě (vodní emulze) sdružují do pramene a navíjejí na cívku. Sdružením pramenu vzniká roving (pramenec nebo kabílek). 9 Skleněná vlákna jsou poměrně levná, mají dobré mechanické a elektrické vlastnosti (nevodivost, velký povrchový odpor). Další vlastnosti skleněných vláken jsou popsány v tabulce č.4. Použití: ze skleněných vláken se vyrábí tzv. sklolaminát. V našem okolí jsou z něj vyrobeny skluzavky, bazény, střešní krytina eternit, sportovní potřeby tenisové rakety, výztuže hokejek apod. křemenné sklo Průměr [µm] 8,9 Hustota [g/cm 3 ] 2,19 Modul pružnosti [GPa] 69 Pevnost v tahu [GPa] 3,45 Prodloužení [%] 5 Tab.4: Vlastnosti skleněných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 2) Uhlíková vlákna Jak již bylo popsáno v kapitole 3.2.1, výroba uhlíkového vlákna je technologicky složitější a dražší než výroba skleněných vláken. Uhlíková vlákna mají menší průměr (4-8 µm - tloušťka lidského vlasu je cca 50-70 µm). Pevnost v tahu je srovnatelná se skleněnými vlákny (3 GPa), díky menšímu průměru je modul pružnosti uhlíkových vláken o řád vyšší. Také hustota je u uhlíkových vláken menší 1,8-2 g/cm 3. Jsou také křehčí, lom nastává už při 2% prodloužení podobně jako dřevo namáhané tahem podélně s vlákny. Jsou elektricky vodivá, mletá vlákna se používají pro dosažení elektrické vodivosti i jako výztuž termoplastů. 9 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 16

Další vlastnosti uhlíkových vláken: anizotropie mechanických vlastností - ve směru kolmém k ose vlákna mají vlákna modul pružnosti výrazně menší, na úrovni hodnot polykrystalického grafitu. křehkostí - prodloužení při přetržení je menší než u skleněných vláken, minimální poloměr při ohýbání je proto vetší než u skleněných vláken. záporným koeficient délkové teplotní roztažnosti α, tj. při ohřevu se vlákno zkracuje. Ve směru kolmém má α kladnou hodnotu a je vetší než u vláken skleněných. v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor (jen 1,9.10-6 Ω/m u nejtužších vláken). 10 uhlíkový skleněná dřevo (BK-podél a kompozit vlákna napříč vláken) magnesium Hustota [kg/m 3 ] 1800-2000 2200 685 1738 Poměrné prodloužení při přetržení [%] 2 5 1 / Pevnost v tahu [MPa] 3000; napříč tuhost grafitu 3500 123; 4,4 255 Modul pružnosti [GPa] 300 69 15; 1,5 42 Tab.5: Porovnání vlastností uhlíkových vláken s vybranými materiály Z tabulky č. 5 vyplývá, že uhlíková a skleněná vlákna vynikají oproti ostatním materiálům díky pevnosti v tahu. Hodnota pevnosti v tahu u skleněných a uhlíkových vláken je přibližně stejná, uhlíková vlákna však mají menší průměr, proto je jejich modul pružnosti vyšší. Konstrukce z těchto vláken proto mohou být subtilnější a lehčí. Skořepiny z těchto kompozitů se musí navrhovat tak, aby byla vlákna namáhána právě tahem. Odolnosti vůči vícesměrnému zatížení lze dosáhnout skladbou vláken pod různými úhly (podobně jako u překližky). Při použití kompozitu na povrchových vrstvách sendvičových materiálů také dochází k namáhání povrchové vrstvy tahem, protože má nenulovou vzdálenost od neutrální osy (viz obrázek 10). 10 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 17

Obr.10: Druhy namáhání v jádrovém kompozitu při jeho zatížení 3) Polymerní vlákna Mezi nejznámější polymerní vlákna patří Kevlar a Nomex firmy Du Pont. Kevlar vyniká díky své malé hustotě (1440 kg/m 3 ), odolnosti proti abrazi a schopnosti se plasticky deformovat při působení síly kolmo na osu vlákna, oproti uhlíkovým vláknům tedy nejsou křehká. Teplota měknutí vláken je 520 C. Kevlarová vlákna se používají v leteckém průmyslu, díky své odolnosti se z nich vyrábějí neprůstřelné vesty, potahy balistických střel, ochranné oděvy a rukavice, zpevňují se jimi optické kabely. Při textilním zpracování je přínosná jejich dobrá kluzná vlastnost. Tohoto se využívá i při zpracování polyamidů ve formě sekaných vláken se přidávají do směsi plastických hmot. Nomexová vlákna zpravidla nedosahují mechanických vlastností kevlarových vláken, ale jsou také nehořlavá a odolná proti vysokým teplotám (nevytvářejí taveninu). Jsou chemicky odolná. Používají se při výrobě nehořlavých kombinéz. Rozdílné vlastnosti nomexových a kevlarových vláken ukazuje tabulka 6. Pevnost v tahu Modul pružnosti Prodloužení [%] Hustota [kg/m 3 ] [MPa] [GPa] Kevlar 29 3600 80 4 1440 Nomex 700 17,3 22,6 1400 Tab.6: Porovnání vlastností Kevlar 29 a Nomex firmy Du Pont Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 18

4) Přírodní vlákna z rostlin Vlákna rostlin se na nejrůznější účely používají snad odjakživa. Jmenujme výrobu papíru, oděvů, lan, rybářských sítí atd. V minulém století byly dokonce zbytky bavlny požívány na výrobu kompozitu pro panely karoserie vozu Trabant. Ikdyž dnešní synteticky vyrobená vlákna v mnohém tato rostlinná vlákna překonávají, přesto se najdou výhody, díky kterým se používají dodnes. Jde o obnovitelnou surovinu, jsou dostupné, levné, recyklovatelné a biodegradabilní. Používají se jako laciná výztuž při zpracování polymerů. Rostlinná vlákna také nezpůsobují opotřebení strojů. Další porovnání přírodních vláken obsahuje tabulka č. 7. Vlákno Hustota [kg/m 3 Pevnost v tahu Modul Mezní ] [MPa] pružnosti [GPa] prodloužení [%] Konopí 1520 460 70 1,7 Juta 1300 442 60 2 Len 1520 840 100 1,8 Bavlna 1520 200-800 27 6-12 Tab.7: Porovnání vlastností vybraných rostlinných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 5) Přírodní minerální vlákna čedičová Technologie výroby čedičových vláken je shodná jako u vláken skleněných. Teplota tavení je 1400 C. Cena činí asi 60% ceny skleněných vláken, proto za studené války začaly čedičová vlákna nahrazovat skleněná vlákna v leteckém průmyslu. V tabulce č. 8 můžeme srovnat další vlastnosti čedičových a skleněných vláken. Vlákno Hustota [kg/m 3 ] Pevnost v tahu [MPa] Modul pružnosti [GPa] Teplota tavení [ C] Prodloužení při přetržení [%] Čedičové 2750 4840 89 1450 3,15 Skleněné 2600 3450 77 1400 4,7 Tab.8: Porovnání vlastností čedičových a skleněných vláken Zdroj: KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 6) Proteinová vlákna Vlákna pavouků, ačkoliv mají vysoké poměrné prodloužení při přetržení (14% - čtyřikrát vetší než Kevlar), nejsou v potřebném množství dostupná bez genetického inženýrství. Pavouci se nedají hromadně chovat jako bourec morušový, protože jsou 19

agresivní a potřebují ovládat své teritorium. Transplantací žlázových genů pavouků do mléčných žláz koz však bylo dosaženo, že v mléku jsou přítomny potřebné proteiny. Mléko se nejprve odstředí (aby se zbavilo tuku), potom se k mléku přidá blíže neurčená sůl. Ke dnu klesnou vysrážené proteiny. Směs se znovu odstředí, mléko se scedí a v dalším kroku se sediment rozpustí ve vodě. Vznikne zlatavá emulze, z níž se spřádá vlákno. Komerční produkt zvaný BioSteel vyrábí firma Nexia Biotechnologies, Kanada. Získaná vlákna jsou biodegradabilní a jsou proto vhodná pro rybářské vlasce a pro chirurgii jako šicí vlákna. V USA se hledalo jejich použití na protibalistickou výzbroj, výhodou je nižší cena vláken než u syntetických vláken a poměrně malá hustota. Pevnost v tahu dosahuje 10 MPa, modul pružnosti 123 MPa. 11 3.3.3 Druhy matric kompozitů Matrice spojitá složka kompozitu zastává několik funkcí. Jednou z hlavních funkcí je spojit vlákna do jednoho souboru, jejich vzájemné oddálení. Některé druhy vláken jsou křehké a neodolávají abrazi, vzájemným třením o sebe by se poškodily. Matrice jsou zpravidla poddajnější než vlákna a hodnoty mechanických vlastností nedosahují hodnot vláken ( i o několik řádů). Při deformaci kompozitu se díky matrici přenese tahové napětí na vlákna. Na kompozity se spojitými vlákny se nejvíce používají matrice polymerní reaktoplastické (polyestery UP, vinylestery VE a epoxidy EP), nebo termoplastické (polypropylen PP a polyamid PA). Druhy matric: 1) Polyesterové pryskyřice (UP) Patří k nejpoužívanějším pryskyřicím. Lineární nenasycený polyester je připraven reakcí dvoufunkčních složek (polypropylenglykolu a kyseliny ftalové, kumaronové, maleinové nebo anhydridu (ftalanhydridu, maleianhydridu). Vzniklý předpolymer je poté rozpuštěn v reaktivním rozpouštědle (obvykle styrenu). Katalyzátorem (iniciátorem) síťovací reakce jsou organické peroxidy (nejčastěji metyletylketonperoxid, MEKP), aktivátorem (urychlovačem) obvykle naftenan kobaltnatý. Volbou 11 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 20

vytvrzovacího systému lze dosáhnout širokého rozmezí doby gelace a doby vytvrzení. Polyesterové pryskyřice lze proto použít pro všechny technologie. Viskozitu pryskyřice určuje podíl reaktivního rozpouštědla. Nemodifikované nenasycené polyesterové pryskyřice mají velké smrštění při vytvrzování (7 až 8 %). Jsou křehké, snadno v nich vznikají mikrotrhliny. Elektrické vlastnosti (nevodivost, hodnota relativní permitivity) jsou dobré, stejně jako odolnost proti ultrafialovému záření. Pryskyřice dobře smáčejí skleněná vlákna, ale pevnost vazby matrice - skleněné vlákno je menší (nejsou tak dobrými lepidly jako epoxidové pryskyřice). Pro dosažení menšího smrštění při vytvrzování a kvalitnějšího povrchu kompozitu (např. bez propadlin u výlisku v místech připojení žeber) je nutno použít směsi pryskyřice s plnivy nebo práškovými termoplasty. Tyto přísady však nejen redukují smrštění, ale také snižují tekutost směsi (dosahuje se pastovité konzistence) a proto se jich používá jen ve směsích pro lisování. Základní druhy nenasycených polyesterových pryskyřic jsou: orthoftalová - nejnižší cena, maximální pracovní teplota 80 C izoftalová - dražší a kvalitnější než orthoftalová, lepší chemická a tepelná odolnost, maximální pracovní teplota 90 C fumarová - dobrá chemická i tepelná odolnost, maximální pracovní teplota 130 C chlorftalová - je nehořlavá, mechanické vlastnosti jsou horší, maximální pracovní teplota 140 C tereftalová - velmi dobrá chemická i tepelná odolnost, pryskyřice pro pultruzi je levnější než izoftalová UP 12 2) Vinylesterové pryskyřice (VE) Jsou to nenasycené estery epoxidových pryskyřic. Vyrábějí se buď z bisfenolu nebo jako novolakové VE pryskyřice. Obsahují reaktivní rozpouštědlo (obvykle styren). Makromolekula předpolymeru VE má méně reaktivních míst než u UP, dvojná vazba je umístěna pouze na koncích řetězce. Důsledkem je menší stupeň zesítění, vedoucí k vetší pružnosti pryskyřice a vetší odolností proti tvorbě mikrotrhlin. Kompozity s 12 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 21

vinylesterovými pryskyřicemi mají vetší mezilaminární smykovou pevnost a vetší houževnatost než kompozity s nenasycenými polyestery. Pryskyřice má ve srovnání s UP také: 1. lepší odolnost proti korozi 2. vyšší teplotu skelného přechodu (vetší tepelnou odolnost) 3. vyšší cenu 4. pomalejší reakci při vytvrzování 3) Epoxidové pryskyřice Epoxidové pryskyřice mají vysoký rozsah vlastností, jsou všestranně použitelné. Mají výbornou adhezi k vláknům, jsou chemicky odolné. Po vytvrzení mají nižší smrštění než pryskyřice polyesterové. Jsou také UV stálé. Mezi nevýhody těchto pryskyřic patří kvůli polárnosti (přítomnosti hydroxylových skupin) jejich navlhavost. Jsou také dražší než pryskyřice polyesterové a vinylesterové. Vytvrzování je pomalejší a stupňovité (doba vytvrzování při pokojové teplotě se udává 24hodin, u polyesterových pryskyřic řádově hodiny). Základními druhy epoxidových pryskyřic pro kompozity jsou: glycidyly bisfenolu A, např. diglycidylether BPA - zkratka DGEBPA novolakové pryskyřice, např. glycidylether fenolického novolaku (vyšší teplotní odolnost) třífunkční epoxidy, např.triglycidylethertrifenylmethan (TGETPM) nebo triglycidylaminofenol (TGAF) tetrafunkční epoxidy, např. tetraglycidylmethylendianilin (TGMDA) 22

4) Formaldehydové pryskyřice (UF a MF) Močovinoformaldehydové a melaminoformaldehydové reaktoplastické pryskyřice jsou produkty polykondenzace. Jsou vhodné pro lisování a injekční vstřikování (IM). Levnější je UF, která dobře odolává tukům, esterům olejů, petroleji, alkoholům, acetonu, detergentům a slabým kyselinám a zásadám. UF jsou nehořlavé, tepelně odolné a odolné proti elektrickému oblouku. Ceněna je jejich odolnost proti poškrábání. Používají se většinou nevyztužené v domácnosti (kliky, sedadla na toaletách, nádobí, plochy kuchyňských linek, vrchní vrstvy podlah a různé elektrické součásti). Melaminoformaldehydové pryskyřice mají oproti UF vetší odolnost proti teplu a chemikáliím a vetší odolnost proti plazivým proudům a elektrickému oblouku. MF pryskyřice jsou křehké, ale vyznačují se dobrou vazbou (vysokou adhezí) k vláknům obsahujícím celulózu. Proto se hodí k tvorbě kompozitu zpevněných přírodními vlákny (len, bavlna, konopí a další bioprodukty). V porovnání s kompozity se skleněnými vlákny jsou tyto kompozity lehčí. Protože přírodní vlákna jsou ohebná, kompozit lépe odolává únavě než kompozit se skleněnými vlákny. Trhlinky matrice se vytvářejí mimo rozhraní vlákno/matrice. Jak fenol, tak formaldehyd jsou jedovaté látky, nezreagovaný formaldehyd se uvolňuje do ovzduší a má karcinogenní účinky. 13 5) Biopryskyřice a biotermoplasty Na výrobu těchto bioproduktů se dají využít deriváty oleje sóji, kukuřice, cukrové třtiny a řepky olejky. Z kukuřice a cukrové třtiny lze získat ethanol, z řepky olejky methylester, z oleje sóji polyol. Olej ze sóji a ethanol z kukuřice byly použity k výrobě nenasycených polyesterových pryskyřic. Kompozitní panely z nich vyrobené byly použity jako kapotáže traktorů John Deer (u kombajnu tohoto výrobce bylo použito 159kg těchto panelů). Z kukuřičného škrobu nebo z cukrové třtiny lze vyrábět termoplast polyaktid (PLA). S vlákny kolagenu se tyto biopolymery používají v medicíně jako náhrada kostí. 13 KOŘÍNEK, Z. Počítačová podpora, Kompozity, www.volny.cz/zkorinek/, 23.9.2009 23

6) Termoplasty Z termoplastických polymerů se používá nejčastěji polypropylen (PP) a polyamidy (PA). Objemový podíl vláken u těchto směsí však nedosahuje 50%, proto se v literatuře uvádí spíše než kompozit s termoplastickou matricí pojem plastická hmota vyztužená vlákny. Dalším přínosem vláken ve směsi je zlepšení tečení roztavených plastických hmot ve formě. Při použití termoplastických matric se jako výztuž využívá sekaných vláken. Termoplasty vyztužené vlákny se vyrábějí zpravidla technologiemi vstřikování a rotačního odlévání. 7) Kovové a keramické matrice Kovové a keramické matrice se používají pro kompozity určené do prostředí s vysokou teplotou. Používají se zvláště v leteckém a kosmickém průmyslu. Keramické matrice mají dobrou pevnost v tahu i při teplotách, kterým některé kovové matrice neodolávají. Přípravou kompozitu s kontinuálními keramickými vlákny v keramické matricí se získají materiály s vetší lomovou houževnatostí, než má monolitická keramika. Technologie výroby Kovové a keramické matrice je možno vyrábět technologiemi odlévání, dále je možno je lisovat za tepla ve vakuu. Při výrobě disperzně zpěněných kovů se využívá prášková technologie výroby. 24

3.4 Technologie výroby kompozitů Výrobní technologie je dána především charakterem výrobku a její volba se řídí několika zásadními faktory: a) sériovost dílce b) velikost a členitost výrobku c) kvalita povrchu d) požadované vlastnosti, zejména pevnost a hmotnost e) limit nákladů 14 Některé technologie jsou nákladné díky složité výrobě formy, jiné technologie dovolují jen omezené tvary konečných výrobků a orientaci výztuže. Pokud je kladen požadavek na oboustranně hladký výrobek, nevyhoví např. technologie ručního kladení, která je také charakterizována nízkou produktivitou. 3.4.1 Technologie ručního kladení Jedná se o starou, jednoduchou a tím pádem rozšířenou technologii. Vzhledem k nenáročnosti se používá k výrobě prototypů. Nevýhodou této technologie je již zmíněná nízká produktivita (série do 1000 ks) a také otevřenost jedna strana formy není uzavřená, těkavé látky se vypařují do pracovního ovzduší (u polyesterových pryskyřic rozpouštědlo styren). Mezi další nevýhody patří větší podíl matrice. Pouze při odstranění přebytečné pryskyřice před jejím zgelovatěním se dosahuje podílu výztuže okolo 50%. Při této technologii se používá výztuže v podobě tkanin nebo rohoží. Pryskyřice musí být v tekutém stavu. Prosycování tkanin výztuže se provádí ručně pomocí štětce, stěrky nebo válečku (viz obr. 11). 14 http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologie-jejich-popis-a-schemata.html, 14.1.2010 25

Obr.11: Technologie ručního kladení Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologie-jejich-popisa-schemata.html, 14.1.2010 3.4.2 Stříkání Při této technologii se používá vláken ve formě rovingu. Průchodem vlákna přes speciální stříkací pistoli dochází k nánosu natužené pryskyřice. Obalené vlákno je stříkáno na negativní formu (viz obr. 12). Mezi nevýhody této technologie patří větší podíl matrice a také drahé zařízení stříkací zařízení, odsávací boxy. Touto technologií se zpravidla vyrábějí sanitární výrobky vany, umyvadla, dna sprchových koutů. Obr.12: Technologie stříkání Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologie-jejich-popisa-schemata.html, 14.1.2010 26

3.4.3 Lisování za tepla a tlaku Kompozity vyrobené touto technologií mají hladký povrch z obou stran. Hladký povrch vytvoří kvalitně opracované a leštěné lisovací plochy. Výroba forem je ovšem velmi nákladná. Materiály používanými při této technologii jsou nejčastěji prepregy, lisovací těsta a směsi. Za zvýšené teploty a tlaku dojde v lisovacím zařízení k formování materiálů a k vytvrzení pryskyřice (viz obr. 13). Lisování je velmi produktivní metoda pro velkosériovou výrobu (2-5 tisíců kusů). Výhodou jsou několika minutové výrobní cykly, vysoká kvalita a přesnost rozměrů. Přínosem je možnost automatizace výroby, nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady na formy a lisovací zařízení. Obr.13: Schéma lisování za tepla Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologie-jejich-popisa-schemata.html, 14.1.2010 27

3.4.4 Vysokotlaké vstřikování (RTM resin transfer moulding) U této technologie se také používá kovových, nebo polymerbetonových forem. Suchá výztuž se navrství do lisovací formy, ta se uzavře a poté je do formy vstříknuta pryskyřice (viz obr. 14). Jako výztuže se používají nejrůznější rohože. Obr.14: Schéma lisování za tepla Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76- Technologie-jejich-popis-a-schemata.html, 14.1.2010 3.4.5 Vakuové prosycování vakuum infusion Kompozity vyrobené touto technologií jsou pouze jednostranně hladké. Náklady na výrobní zařízení jsou nižší. Jako výztuž se dají použít nejrůznější tkaniny, rohože, matrice musejí být tekuté. Postup výroby: do negativní formy se navrství výztuž v podobě tkanin nebo rohoží. Forma se uzavře a utěsní krycí fólií nebo membránou. Z pod membrány se odsaje vzduch. Do vytvořeného vakua ( používá se asi 40% vakua) se přivádí pryskyřice. Aby nedošlo k přisátí krycí membrány k rohoži nebo formě a tudíž k neprosycení výztuže pryskyřicí, pokládá se kromě konstrukčních vrstev výztuže ještě tzv. roznášecí vrstva - prodyšná tkanina nebo rouno. Skladbu vrstev znázorňuje obrázek č. 15. 28

Obr.15: Schéma souboru při vakuovém prosycování 3.4.6 Tažení - pultruze Touto technologií se vyrábějí plné, duté a tvarové profily. Výhodou této technologie je výsledný obsah výztuže ve výrobku až 80%. Jako výztuž se u této technologie používají skleněná a uhlíková vlákna. Pro příčné zpevnění profilů se používají úplety stuhy. Vlákna nebo stuhy procházejí lázní s iniciovanou pryskyřicí. Po prosycení jsou vtahovány do vytvrzovacích průvlaků forem, jejichž dutina odpovídá tvaru konečného výrobku (viz obr. 16). V průvlaku dochází k vytvrzení za pomocí tepla (formy jsou vyhřívány elektricky, nebo účinkem vysokofrekvenčního pole). Po vytvrzení je kompozitní profil odtahován čelistmi a krácen na potřebné délky. Obr.16: Schéma technologie tažení pultruze Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologiejejich-popis-a-schemata.html, 17.1.2010 29

3.4.7 Navíjení Navíjením se vyrábí různé trubky a rotační předměty. Výztuž ve formě prosycených rovingů se navíjí na rotační trn (viz obr. 17). Napnutím rovingů v navíjecím zařízení se dosahuje předpětí, které pozitivně působí na výsledné mechanické vlastnosti výrobků. Oscilace navíjecího trnu ovlivňuje úhel vláken vůči podélné ose trnu. Velikostí oscilace můžeme tedy vyrobit výrobky podle způsobu zatížení při jejich použití (úhel 90 - obvodové vyztužení, úhel 0 - osové vyztužení). Obr.17: Schéma technologie navíjení Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologiejejich-popis-a-schemata.html, 17.1.2010 3.4.8 Odstředivé lití Pro tuto technologii se používá dutých rotačních nádob, které mají negativní tvar konečného výrobku. Do rotující nádoby se vstřikují sekaná vlákna (zpravidla skleněná vlákna) společně s iniciovanou pryskyřicí. Díky odstředivé síle se vstříknutý materiál drží na obvodu až do vytvrzení pryskyřice (viz obr. 18). Zhutnění je možné zvýšením počtu otáček. Po vytvrzení pryskyřice je vytažení z nádoby možné díky smrštění pryskyřice. 30

Obr.18: Schéma technologie odstředivého lití Zdroj: http://www.havel-composites.com/clanky/4-technologie/76-technologiejejich-popis-a-schemata.html, 17.1.2010 3.5 Možné defekty kompozitů Při výrobě kompozitů může nastat celá řada defektů. Je třeba si uvědomit, že vláknité kompozity se chovají zcela jinak než např. kovy, nebo dřevo. Při výrobě se sleduje např. objemový podíl vláken, který má vliv na pevnost konstrukce. Požadavkem je dosáhnout co nejvyššího podílu vláken. Nejvyššího podílu se dosahuje u technologie výroby pultruze až 80%. Objemový podíl se u kompozitů stanovuje vážením jednotlivých složek. Dalším problémem je delaminace. Syntetické pryskyřice se po vytvrzení smrští (u PES 8%). Díky smrštění může dojít k roztržení jednotlivých vrstev laminátu. Nevýhodné jsou v kompozitu i vzduchové bubliny - dutiny. Ty mohou iniciovat trhlinu a následnou delaminaci. K delaminaci může také dojít díky volným okrajům laminátu. Na okrajích laminátu mohou být neprosycená vlákna. Vzdušná vlhkost může způsobit hydrolýzu vazebných prostředků povrchu vlákna a tím způsobit delaminaci. Podobně jako dýhy u překližované desky i některé druhy vláken jsou navlhavé. Díky přijímání a odevzdávání vlhkosti z prostředí dochází k tvarovým změnám. U kompozitů dochází k tvarovým změnám i díky změnám teploty - kvůli rozdílné tepelné roztažnosti matrice a vlákna. Proto se jednotlivé vrstvy tkanin vrství pod různými úhly. Stejně jako u překližky zde máme střední, neutrální vrstvu. Dalším přínosem této skladby je orientace vláken. Kompozit s orientovanými vrstvami odolá vícesměrnému 31

namáhání lépe, než kompozit s orthotropní vrstvou vlákna ukládány pouze jedním směrem. Uhlíková vlákna mají díky velkému počtu monovláken velkou aktivní plochu. Na tuto plochu mohou během skladování adsorbovat vzdušné plyny, u skleněných vláken je problematické hlavně přijímání vzdušné vlhkosti. Takovéto vlákno by nebylo možné použít pro výrobu. Povrch vlákna by se nespojil s matricí. Proto se ihned po výrobě vláken jejich povrch upravuje. Skleněná vlákna se musí balit do polyethylenových folií a před výrobou kompozitu tyto vlákna vysušit v horkovzdušné sušárně. Povrch uhlíkových vláken se lubrikuje. Lubrikační látku je třeba před výrobou kompozitů odstranit. Přínosem lubrikace je i usnadnění textilního zpracování vlákna lépe kloužou a jsou antistatická. Při textilním zpracování uhlíkových vláken se podle slov p. Havla (Havel Composites) používá namísto vzduchových stavů stavy jehličkové. Je to kvůli možné karcinogenitě vlákna. Podobně jako u azbestu jsou vlákna nebo částice velmi malé (průměr vlákna cca 4 µm). Možnými onemocněními jsou progresivní fibróza plic, onemocnění pohrudnice a zhoubné nádory. Při práci s těmito vlákny je tedy nezbytné chránit si ústa a nos respirátorem, nebo dýchací maskou! 3.6 Ceny uhlíkových vláken Ceny uhlíkových vláken se snižují s rostoucí poptávkou. Materiál nachází stále nová uplatnění od stavebnictví až po lékařské protézy. Např. výrobce dopravních letadel společnost Boeing použila na výrobu svého modelu 747 pouhé jedno procento kompozitních materiálů. Na výrobu novějšího modelu 777 však již bylo použito celých 11% kompozitů. 50% hmotnosti nejnovějšího modelu 787 (první start plánován na rok 2010) tvoří uhlíkový kompozit. Je z něj zkonstruován trup, vodorovné a svislé ocasní plochy. Tento materiál čím dál více používají i úpravci sportovních automobilů. Zde jde však mnohdy jen o efektní vzhled než o snížení váhy. Napovídá tomu i fakt, že téměř žádný úpravce neuvádí váhu nově vyrobených dílů. Uhlíkový kompozit, neboli karbon je dnes často chápán jako nadčasový, luxusní a drahý materiál. 3D efekt tkaniny je velmi líbivý. Tato práce se snaží pohled na tento materiál pozměnit. Cílem je pochopit podstatu tohoto materiálu hlavně z hlediska mechanických vlastností. 32