Edina Seminarski

J.U. UNIVERZITET U TUZLIMAŠINSKI FAKULTETODSJEK: PROIZVODNOPREDMET: NOVI MATERIJALI

SEMINARSKI RADJezgo materijala u polimernim kompozitimaDegradacija polimera

Ime i prezime studenta: Broj indeksa:Edina Spahić II – 154/05

Tuzla, januar 2006

SEMINARSKI RAD Jezgro materijala u polimernim kompozitima

SADRŽAJ:

1. Jezgro materijala u polimernim kompozitima.......................................... 2.Rezime.................................................................................................... 2.

1.1. Uvod........................................................................................................ 2.1.2. Tipovi jezgra............................................................................................ 3.

1.2.1. Pjene....................................................................................................... 3.1.2.2. PVC pjene............................................................................................... 3.1.2.3. Polistirenske pjene.................................................................................. 4.1.2.4. Poliuretanske pjene................................................................................. 4.1.2.5. Polimetilske-metakrilanitske pjene.......................................................... 4.1.2.6. Stirenske-akrilonitritske kopolimerne pjene............................................ 4.1.2.7. Druge termoplastike................................................................................ 5.

1.3. Jezgro u obliku saća............................................................................... 5.1.3.1. Aluminijske saće..................................................................................... 6.1.3.2. Nomex saće............................................................................................ 6.1.3.3. Termoplastične saće............................................................................... 7.1.3.4. Drvo ....................................................................................................... 8.1.3.5. Balsa....................................................................................................... 8.1.3.6. Cedar ..................................................................................................... 8.1.3.7. Druga jezgra materijala........................................................................... 9.

1.4. Poređenje mehaničkih osobina jezgra.................................................... 9.1.5. Zaključak ................................................................................................ 11.2. Degradacija polimera.............................................................................. 13.

Rezime ................................................................................................... 13.2.0. Uvod ....................................................................................................... 13.2.1. Plastike .................................................................................................. 14.

2.1.1. Priznanje degradacije polimera............................................................... 14.2.1.2. Pogoršanje stanja poliakrilskih slika....................................................... 14.2.1.3. Napad na fotografsko-filmsku industriju.................................................. 15.2.1.4. Čuvanje plastičnih dijelova u muzejima.................................................. 15.2.1.5. Faktori koji utiču na degradaciju polimera............................................... 15.

2.2. Čuvanje plastike...................................................................................... 16.2.3. Vrste polimerne degradacije................................................................... 16.2.4. Solucije degradacije polimera................................................................. 16.2.5. Temperaturno testiranje.......................................................................... 16.2.6. Prirodni preobražaji................................................................................. 17.2.7. Predviđanja brzine degradacije............................................................... 17.2.8. Rangiranje materijala.............................................................................. 18.2.9. Kakva je budućnost polimera.................................................................. 18.2.10 Zaključak ................................................................................................ 19.

Literatura ................................................................................................ 22.

1


1. JEZGRO MATERIJALA U POLIMERNIM KOMPOZITIMA

Rezime

Cilj ovog seminarskog je da pokaže sadašnji način spajanja materijala kada je barem jedan od dva materijala polimer. Drugi materijal može biti ili polimer ili neki neorganski materijal, poput stakla ili metala. Razlog za ograničavajuću reviziju za polimer spajanje je da polimeri radije imaju različit deformacijski proces nego drugi materijali i svoju prekaljenost dobijaju preko dugog prirodnog lanca. Oni imaju niži modul i deformacijski otpor nego drugi materijali. Zato deformacija kod polimer-neorganskog spajanja uvijek biva unutar polimera ili u povezniku. Zato polimer zajedno sa hemijom često kontrolira spajanje. Propust unutar polimera ili u povezniku nije uvijek greška. Postoji niz slučajeva u spajanju gdje greška biva unutar neorganskog materijala, pogotovu unutar slabih oksida ili hidroksida na metalu. Mnoge od tehnologija spajanja pre-manipulacije za površinu metala se zasniva da smanj ovaj propust u slabim oksidima.

Ključne riječi: degradacija, deformacija, kompoziti, varijacija, neorganski materijali, tehnologija, prekaljenost.

1.1. UVOD

Inženjerska teorija ukazuje da je fleksuralna tvrdoća neke ploče proporcionalna njezinoj debljini. Namjena jezgra materijala u kompozitnim laminatima je da poveća tvrdoću laminata efektivno ga "upakirajući" sa jezgrom niske gustoće. Ovo može doprinijeti tvrdoći laminata zbog veoma male težine.

Slika 1. pokazuje srž laminata ispod opterećene sile, sendvič laminat može biti povezan u gredu u kojoj se površina laminata ponaša kao spoj grede, a jezgro se ponaša kao podijeljena greda. U ovom načinu primjene može se vidjeti da je gornja površina stavljena pod pritisak, niža površina u napeto stanje i jezgro je snaga i tvrdoća ove grede.

2


Slika 1. Opterećeno jezgro materijala

U napomeni, posebno kada koristimo lahku, tanku površinu laminata, jezgro materijala mora biti sposobno za uzimanje pritisnute primjene bez prerane greške. Ovo pomaže pri spriječavanju tanke površine od nabiranja i ponovnog vraćanja u čvrto stanje.

1.2. TIPOVI JEZGRA

1.2.1. Pjene

Pjene su najpoznatije forme jezgra materijala. Mogu biti izgrađeni od razlićitih sintetičkih polimera, uključujući: polivinil hlorid (PVC), polistiren (PS), poliuretan (PU) i drugi polimeri. Mogu biti dopunjeni zbijenim lancima sa najmanje 30kg/m3 do najviše 300kg/m3, iako najviše korištena gustoća za kompozitne strukture je od 40 do 200kg/m3. Ove pjene su takođe raspoložive u različitim debljinama, najčešće od 5mm do 50mm.

1.2.2. PVC pjene

Polivinil hlorid (PVC) pjene su najviše upotrebljavana jezgra materijala za konstrukcije visoke performacije sendvič struktura. Iako su one hemijska mješavina PVC-a i poliuretana, najčešće se one jednostavno zovu "PVC pjene".

PVC pjene pružaju uravnoteženu kombinaciju statičkih i dinamičkih osobina i dobar otpor na apsorbciju vode. Takođe, one imaju visoke tačke topljenja i hlađenja od -240ºC do +80ºC (-400F do +180F) i otporne su na mnoge hemikalije. Iako su PVC pjene zapaljive, one služe kao inhibitori vatre čije se komponente mogu upotrijebiti u požarom izloženim materijalima, kao što su dijelovi voza. Obično se nalazi u lisnatoj ravnoj ili mrežastoj formi radi lakšeg oblikovanja. Postoje dva osnovna oblika PVC pjena, unakrsno povezane i neunakrsno povezane, s tim da neunakrsno povezane pjene se ponekad oslovljavaju kao "linearne". Neunakrsno povezane pjene su žilave, više fleksibilnije i lakše se tope. Unatoč tome, imaju nešto manje mehaničke osobine za razliku od unakrsno povezanih PVC pjena, i manji otpor temperaturnim razlikama.

Nova generacija stvrdnutih PVC pjena sada postaje dostupna kao zamjena za neke od osnovnih mehaničkih osobina unakrsno povezanih PVC pjena. U zavisnosti od prirode PVC-a, unakrsno povezane PVC pjene bi se trebale u potpunosti tankim slojem premazati premazom prije nego što se počnu koristiti

3


na niskim temperaturama. Iako su specijalne tačke topljenja dostupne za ove pjene, ovi postupci su prvobitno dizajnirani da se poboljša dimenzionalna stabilnost pjena i da se smanji iznos gasova koji se ispuštaju prilikom povišene temperature.

1.2.3. Polistirenske pjene

Iako se polistiren pjene koriste za proizvodnju jedra na brodu i surf daske, gdje su njihove karakteristične osobine, mala težina (40kg/m3) i niske cijene od velike važnosti, one se rijetko koriste u visokim konstrukcijama zbog njihovih niskih mehaničkih osobina. One se mogu koristiti u spojevima sa premazom poliestera jer bi on bio razrijeđen od strane stirena prisutnog u premazu.

1.2.4. Poliuretanske pjene

Poliuretanske pjene prikazuju samo umjerene mehaničke osobine i imaju tendenciju da površina pjene kod premaza i unutrašnjost jezgra vremenom postane lošija što dovodi do oštećenja površine. Stoga je njihova strukturalna primjena ograničena za proizvodnju okvira ili traka za krute komponente. Kako god, poliuretanske pjene mogu biti korištene kod opterećenih sendvič ploča, ove ploče se široko koriste za termalnu izolaciju. Pjene takođe imaju realne temperaturne razlike (150°C - 300°C) i dobru zvučnu apsorpciju. Pjena može biti sječena i prerađivana u zahtjevne oblike i profile.

1.2.5. Polimetilske-metakrilanidske pjene

Za datu gustinu, polimetilske-metakrilanidske pjene pružaju najvišu snagu i tvrdoću od jezgra pjena. Takođe njihova visoka dimenzionalna stabilnost čini ih jedinstvenim i oni mogu biti korišteni tokom temperaturnih razlika. Kako god, skupi su, što znači da je njihova upotreba ograničena na zračnu industriju, za konstrukciju dijelova kao što je propeler kod helikoptera.

1.2.6. Stirenske-akrilonitrilske kopolimerne pjene

SAN pjene ponašaju se slično kao unakrsno povezane, tvrde PVC pjene. One imaju najviše statičkih osobina unakrsno povezanih PVC jezgra, iako imaju mnogo veću deformaciju i izduženje. One su u mogućnosti da ublaže udare koji

4


bi doveli do loma konvencionalne i žilave PVC pjene. Kako god, za razliku od tvrdih PVC pjena, koje koriste plastifikatore za otvrdnjavanje PVC pjena. Tvrdoće SAN-a su primjenjive u samim polimerima tako da se znatno ne mjenjaju vremenom. SAN pjene zamjenjuju linearne PVC pjene u mnogim slučajevima otkad posjeduju tvrdoću i deformaciju linearnih PVC-a, još imaju veće temperaturne performanse i bolje statičke osobine. Imaju mogućnost oblikovanja pri visokoj temperaturi, što pomaže u proizvodnji zakrivljenih dijelova. Temperaturom stabilizacioni sastojci SAN pjena mogu se takođe jednostavno upotrebljavati pri niskim temperaturama, jer nemaju mješavinu hemijskih spojeva u PVC-u.

1.2.7. Druge termoplastike

Kao tehnika odvajanja pjena od termoplastičnih materijala lanac širenja materijala ove vrste nastavlja da raste, tipična je PEI pjena, koja je kombinacija istaknute performacije sa visokom temperaturom. Iako je skupa, ova pjena može se koristiti u strukturnim, termalnim i požarnim zaštitnim aplikacijama, u temperaturnom lancu od -194°C (-320F) do +180°C (+355F). Veoma je prikladan za avione i unutrašnjost voza, gje prilikom požara može da pruži specifičan otpor.

1.3. JEZGRO U OBLIKU SAĆA

Jezgra u obliku saća su dostupni u različitim materijalima za sendvič strukture. Ovi lanci mjogu biti od male snage i tvrdoće, neznatno opterećenih aplikacija (kao što su kućna vrata) do velike snage i tvrdoće, ekstremno lahkih komponenti za avionske strukture. Jezgra u obliku saća mogu biti upotrebljena u obje, i ravne i zakrivljene struktere, i mogu biti napravljene za zakrivljene strukture bez suvišne mehaničke snage i zagrijavanja.

Termoplastične saće su najčešće napravljene izvlačenjem i rezanjem. Druge saće (one koje su napravljene od papira i aluminijuma) napravljene su iz više stepenog procesa. U ovim slučajevima tanki listovi materijala (obično 1,2mm x

2,4mm) su printani sa izmjenjenim, paralelnim, tankim, ljepljivim prugama, i listovi se zatim stavljaju u zagrijanu presu dok se ljepljivost ne sanira. Kod aluminijskih saća listovi se sijeku duž njihove debljine. Rezanje listova (poznato kao "blok forma") kasnije je blagim istezanjem i proširenjem dobilo oblik listova sa heksonalnim zatvorenim ćelijama. Kod papirnih saća, gomila uvezanih papirnih listova je blago proširena u oblik velikog bloka saća, nekoliko metara debelog. Zadržan u proširenoj formi, ovaj krhki blok papirnih saća se zatim stavlja u posudu sa premazom, suši i sanira u peći. Kada se jednom ovaj

5


proces potopljivanja u premaz sanira, blok ima dovoljno snage da se reže u potrbnu debljinu. U oba slučaja, od varijacije stepena izvlačenja u procesu ekspanzije, regularne heksagonalne ćelije ili prekomjerno proširene ćelije mogu biti proizvedene, svaka sa različitim mehaničkim svojstvima. Obavezno uz ovu uvezanu metodu konstrukcija, saće imaju drugačija mehanička svojstva od 0° do 90° pravca lista.

Kako je površina obično od FRP-a, svaki lisnati ima odgovarajuće osobine, uključujući drvo, termoplastike i lisnate materijale, kao što su aluminij i čelik. Ćelije strukture saća mogu takođe biti ispunjene sa oštrom pjenom. Ovo osigurava veliko uvezano područje za površinu, povećavajući mehaničke osobine jezgra osiguravajući zidove ćelije i povećavajući termalne i akustične osobine.

Osobine materijala u obliku saća zavisi od veličine (i njihove frekvencije) ćelija i debljine i snage materijala. Listovi mogu imati veličinu od 3mm-50mm i dimenzije ploče su od 1200mm x 2400mm, iako je moguće da listovi budu i dimenzija 3m x 3m. Jezgro u obliku saća mogu dati tvrde i veoma lahke laminate ali obavezno uz njihovo veoma malo uvezano područje, one se skoro ekskluzivno koriste u sistemima sa visokom performacijom tako da se postigne potrebno spajanje površine laminata.

1.3.1 Aluminijske saće Aluminijske saće proizvode jednu od najsnažnijih i najtežih primjesa za bilo

koji strukturalni materijal. Postoje različite konfiguracije spojivog aluminijuma koji može dovesti do različitih geometrijskih oblika ćelije (obično heksagonalni). Osobine takođe mogu biti kontrolisane variranjem debljine listova i veličine ćelije. Saće su obično dopunjavane u neproširene blokove i izvlečeni u listove.

Ne uzimajući u obzir njegove dobre mehaničke osobine i relativno nisku cijenu, aluminijske saće moraju se pažljivo koristiti u nekim aplikacijama, kao što su velike morske strukture, zbog potencijalnih korozionih problema u okruženju slane vode. U ovim situacijama briga mora biti sprovedena da bi se osiguralo da saće ne dođe u direktan dodir sa karbonskom površinom jer vodljivost može pogoršati galvansku koroziju. Problem aluminijskih saća je što nema "mehaničku memoriju". Na dojam jezgra laminata saće će se nepovratno deformisati s obzirom na FRP površinu, iz posojane žilavosti, vratiti u njihovo orginalno stanje. Ovo može rezultirati ns jednom području sa nepovezanom površinom sa mnogo reduciranih mehaničkih osobina.

1.3.2. Nomex saće

6


Nomex saće su napravljene od nomex papira – papir baziran na Kevlaru, poznatije kao celuloza. Inicijalna papirna saća su obično potopljena u fenolni premaz za proizvodnju jezgra u obliku saća sa visokom tvrdoćom i dobrom otpornošću na vatru. Široko se upotrebljava za lagane unutrašnje ploče za avione u konjukciji sa fenolnim premazom na površini. Posebni sastojci za upotrebu u inhibitorima za vatru mogu takođe biti napravljeni od ćelija saća ispunjenih sa fenolnim pjenama za nadogradnju uvezanog područja i izolacija. Nomex saće se sve više koriste za visoke performacije komponenti u ne-vazdušnom prostoru, zbog njegovih visokih mehaničkih osobina, niske gustoće i dobre dugoročne termičke stabilnosti. Kako god, kako se može vidjeti iz slike 2. mnogo je skuplji od drugih jezgra materijala.

Slika 2. Poređenje cijena jezgra materijala

1.3.3. Termoplastične saće

Jezgro materijala napravljeno od drugih termoplastika su lahki, nudeći neke korisne osobine i mogućnost lakše reciklacije. Njihov glavni nedostatak je teška mogućnost postizanja dobre povezanosti između saća i površine materijala, i njihova relativno niska tvrdoća. Iako se oni često koriste u visokim strukturama mogu se koristiti i u jednostavnim unutrašnjim pločama.

Najpoznatiji upotrebljavani polimeri su:ABS - za krutost, značajnu snagu, prekaljenost, tvrdu površinu i

dimenzionalnu stabilnost.

7


Polikarbonat – za UV stabilnost, kvalitetno lahku transmisiju, dobar toplotni otpor i osobine samostalnog gašenja.

Polipropilen – za dobar hemijski otpor.Polietilen – opća upotreba jeftinih jezgra materijala.1.3.4. Drvo

Drvo se može predstaviti kao prirodno saće, kako ima strukturu koja, na mikroskopskoj skali, je slična ćelijama heksagonalnog oblika sintetičkog saća. Kada se koristi u sendvič strukturama sa normalom na ravnu površinu, rezulturajuća komponenta pokazuje osobine slične onim osobinama kao kod saća napravljenog od strane čovjeka. Kako god, u zavisnosti od dostupnosti različitih hemijskih manipulacija, sva jezgra drveta mogu se oštetiti vlagom i istruhnuti će ako laminati nisu dobro premazani zaštitnim slojem.

1.3.5. Balsa

Najčešće korišteno jezgro drveta je balsa. Jezgro drveta, balsa prvi put se pojavila u 1940-im za konstrukcije letećih brodova, koji su imali aluminijsku površinu i jezgro od balse da se odupru hrđanju zbog stalnog slijetanja na vodu. Ova performansa provedena je od strane morske industrije da se počne koristiti balsa kao jezgro materijala u FRP konstrukcijama. Bez obzira na njenu visoku snagu opterećenja, njene prednosti uključuju dobru termalnu izolaciju nudeći dobru akustičnu apsorpciju. Materijal se neće deformisati dok se zagrijaava i ponaša kao izolacijski sloj u vatri, dopuštajući neizloženoj površini da ostane strukturalno zvučna. Takođe nudi pozitivnu plovidbu i lahko se prerađuje sa jednostavnim oruđem i opremom.

Jezgro balse je dostupno i kao konturni zrnasti list od 3mm do 50mm debljine, a strogo zrnasti listovi su debljine i do 100mm. Ovi listovi mogu biti snadbjevani gotovim premazom za vakuumske vrće, kompresivno zasnovanog procesa proizvodnje kao što je RTM. Jedan od nedostataka balse je njena veoma mala gustina, 100kg/m3 je tipični maksimum. Ovaj problem je pogoršan činjenicom da balsa može apsorbirati velike kvantitete premaza tokom laminacije, iako pjene mogu reducirati ovo njihova upotreba je normalno ograničena na projekte gdje optimalna težina nije zahtjevana u lokalnim, visokim i stresnim područjima.

1.3.6. Cedar

Drugo drvo koje se ponekad koristi kao jezgro materijala je cedar. U morskim konstrukcijama je često materijal korišten kao "jezgro" u tračno obloženim

8


konstrukcijama, sa kompozitnom površinom na svakoj strani i zrna cedra su paralelna površini laminata. Strukture cedra daju duž prednjeg dijela broda i krme tvroću dok strukture u FRP površinama su postavljene na ±45° strogosti zavrtanja, štiteći drvo.

1.3.7. Druga jezgra materijala

Iako rijetko, s obzirom na pouzdana sendvič jezgra, postoji nekoliko vrsta tankog, niske gustoće "fabričkih" materijala koji mogu biti korišteni u neznatno niskoj gustoći kod jednoslojnih laminata.

Ovi materijali su sastavljeni od ne satkanih "osjećajno sličnih" fabrički reducirajućih praznih površina. Oni su obično samo od 1mm do 3mm debeli i koriste se kao i drugi slojevi u središtu laminata, oni su dizajnirani da izbacuju vlagu sa premazom laminata tokom konstrukcije. Kako god, prazne površine uklanjaju premaz i tako srednji sloj, iako mnogo teži nego pjena ili jezgro u obliku saća ima nižu gustinu nego jednakovalentna debljina staklenih površina laminata. Budući da su tako tanki mogu se lahko prilagoditi 2-D iskrivljenosti i oni su brzi za upoterbu i lako se koriste.

1.4. POREĐENJE MEHANIČKIH OSOBINA JEZGRA

Slike 3. i 4. pokazuju podijeljenu snagu i snagu opterećenja nekih opisanih jezgra materijala, plan njihove zbijenosti. Svi podatci su dobiveni iz manufakturnih podataka.

9


Slika 3. Podijeljena snaga u jezgru

Slika 4. Snaga opterećenja jezgra

Kao što je očekivano, sva jezgra pokazuju porast snage sa porastom gustine. Kako god, drugi faktori, osim gustine, takođe ulaze u igru kad je riječ o težini jezgra u sendvič strukturama. Na primjer, niska gustina pjena materijala, doprinosi sasvim malo težini sendvič laminata, često imaju veoma otvorene površine ćelija strukture što znači da je velika masa premaza apsorbirana u njihovu nepovezanost. Što je niža gustoća pjena, a veća gustina ćelije to je veći problem. Saće, u drugu ruku, mogu biti veoma dobre u pogledu dobro formulisanog spajanja će formirati malu vezu samo oko zidova ćelija.

Konačno, promišljanja treba da budu data u obliku jezgra korištenog da se provjeri da se dobro uklapa u komponente. Težina koju jezgro može ponuditi, može brzo da bude upotrbljeno ako se jezgro ne uklapa dobro, ostavljajuću velike plombe koje su potrebne da se spajaju. Pjene balse, gdje su male kocke jezgra podržane na maloj težini, može biti upotrebljavana da pomaže jezgru da bolje podrži savijenu ravan. Prepolovljene pjene, gdje su prorezi sječeni djelimično kroz jezgro sa suprotne strane, sličan efekat.

Kako god, oba ova jezgra ipak se koriste u prilično komotnim spojevima još kako veza između svake kockaste pjene treba punjenje sa premazom da se dobije dobra struktura.

U komponentama kritične težine koriste se pjene koje su termički stabilne. Ovo uključuje linearne PVC-e i SAN pjene gdje sve mogu biti kaljene da se potvrdi njihovo razmekšavanje i prekaljenost pa da se mogu uklopiti u kalup izrade. Za saće, prekomjerno proširene forme, su najčešće korištene kada jezgro

10


paše u krivu, jer sa različitom ekspanzijom uzoraka širok lanac upotrebe može biti ostvaren.

1.5. ZAKLJUČAK

Sigurno je da će isplativost (profit) biti jedan od uvjeta prihvaćanja i opstanka nekog materijala na tržištu. Zbog globalnog natjecanja i paralelnog razvoja drugih materijala, polimeri i polimerni kompoziti neće lako osvojiti nova i zadržati već postojeća tržišta. Drugi čimbenik je briga za okoliš i zdravlje ljudi što podrazumijeva oporabivost odbačenih proizvoda i proizvodnog otpada (trend prema plastomerima) i prijelaz na održive postupke proizvodnje (zatvoreni kalupi).

11


POPIS SLIKA

Popis slika: Str.:

Slika 1. Opterećeno jezgro materijala............................................................ 1.Slika 2. Poređenje cijena jezgra materijala................................................... 2.Slika 3. Podijeljena snaga u jezgru................................................................. 3.Slika 4. Snaga opterećenja jezgra................................................................... 4.

12


13

Documents

Edina Seminarski