Matrice vláknových kompozitů

Matrice z epoxidové pryskyřice vyztužená skleněnými vlákny (300× zvětšeno)

Matrice je pojivo výztuže ve vláknových kompozitech.[1]

Funkce matriceEditovat

[2] Vlákna musí být v kompozitu zafixována tak, aby bylo možné zavádění a odvádění zátěže. K přenosu sil dochází s pomocí adheze mezi vláknovou výztuží a matricí.

Úkolem matrice je také chránit výztuž proti vnějším vlivům.

Modul elasticity vláken v podélném směru musí být větší než modul materiálu v matrici.

Tažnost matrice musí být vyšší než tažnost vláken, zatímco pevnost vláken musí být větší než pevnost matrice

Druhy matric v kompozitech s vláknovou výztužíEditovat

[2] Zdaleka nejpoužívanější jsou polymerové matrice, pro speciální účely jsou na matrice vhodné také kovové a keramické materiály a uhlík.

Polymerové matrice se obvykle dělí na reaktoplastové a termoplastové, od kterých se někdy odlišuje malá skupina matric z elastomerů, při čemž se (v roce 2010) více než 90 % matric zhotovuje z reaktoplastů.

Reaktoplastové matriceEditovat

Reaktoplasty (v němčině a angličtině zvané také duroplasty) jsou většinou tekuté i při pokojové teplotě, proto se mohou snadno smáčet a prosáknout mezi vyztužovací vlákna, vytvrzování po spojení s výztuží se však musí podporovat chemickými prostředky. Reaktoplastová matrice obsahuje vytvrzovací a urychlovací prostředky, neobsahuje však (na rozdíl od termoplastů) žádná vyztužovací vlákna.

Kompozitové díly s reaktoplastovou pryskyřicí se po ztvrdnutí resp. zesíťování matrice nedají tvarovat, dají se však použít i při vysokých teplotách a mají vyšší pevnost než kompozity s termoplastovým lůžkem.

Nejpoužívanější druhy reaktoplastů:

Druhy pryskyřic Podíl (%)
na spotřebě

na spotřebě[3]
(Evropa 2005)
Cena
US $ / kg

(2009)

Způsoby zpracování[4]
Močovinoformaldehydové 45 1,50-1,80 BMC, RTM, IM (¹)
Fenolické 38 1,70-1,90 kontakt. laminace, prepregy, pultruze
Nenasycené polyesterové 8 3,30-4,30 lisování SMC, TMC
Melaminoformaldehydové 7 2,10-2,20 kontakt. lamince, BMC, RTM, IM
Epoxidy 2 2,50-2,70 prepregy

(¹) Technologie zpracování matric:

RTM – Resin Transfer Moulding = prosycování výztuže nízkoviskózní pryskyřicí v uzavřené dvoudílné formě

SMCSheet Moulding Compound = vláčný ohebný prepreg z polotuhé směsi matrice, vláken, ztužujících přísad, plniv a dalších aditiv pro lisování

TMC – Thick Moulding Compound = podobně jako SMC, ale s větší tloušťkou polotovaru

IM – Injection Moulding = vstřikování směsi polymeru a krátkých vláken

BMC – Bulk Moulding Compound = směs pryskyřice a krátkých vláken, používaná pro lisování

V Evropě bylo v roce 2005 vyrobeno asi 1,2 miliony tun kompozitů, z toho více než 90 % s reaktoplastovými matricemi.

Termoplastové matriceEditovat

Termoplasty zkapalňují až při teplotách nad 200 °C. Kompozity s termoplastickou matricí se mohou dodatečně tvarovat nebo svařovat. Po schlazení matrice jsou kompozity hotové k použití, dají se skladovat na neomezenou dobu, při zvýšené teplotě však změknou. Se zvýšeným obsahem vláken v kompozitu klesá sklon ke zkrucování.

Termoplastové matrice jsou vždy vyztuženy textilními vlákny. Zpravidla se rozeznávají matrice

  • s obsahem 15-50 % krátkých vláken (cca 0,2 mm)
  • s obsahem až 80 % dlouhých vláken (do 25 mm)
  • vyztužené tkaninami nebo rohožemi

Nejpoužívanější druhy termoplastů:

Druhy pryskyřic Cena
US $ / kg

(2009)
Způsoby zpracování[5]
Polypropylen 1,10-1,20 IM, GMT (²)
Aromatické polymery:


Polyetheretherketon (PEEK)

Polyphenylensulfid (PPS)

Polysulfon (PSU)

4,50-16,50 IM, GMT, prepregy
Termoplastické polyimidy nad 150 IM, GMT, prepregy

(²) GMT – Glass Mat Thermoplastic = tváření termoplastických desek obsahujících vyztužující vlákna (rohože)

Elastomerové matriceEditovat

se vyrábí z polyuretanové pryskyřice a zpracovávají na kompozity technologií navíjení.

Z kompozit se dají vyrábět konstrukční díly na ohebné výrobky, např. hnací hřídele, spojky, klínové řemeny a tzv. pneumatické svaly.[6]

Přilnavost vláken k matriciEditovat

Kvalita vzájemné vazby výztuže s matricí má značný vliv na mechanické a termické vlastnosti kompozitu. Ke zvýšení přilnavosti se proto textilní vlákna napouští šlichtou nebo vhodnými chemikáliemi, případně se ozařují (aramidová vlákna) ultrafialovými paprsky. Váhový podíl šlichty obnáší zpravidla 1,5 %, do šlichty se přidává 0,05 % silanu, nejčastěji tzv. organosilanu.

Vytvrzování matriceEditovat

je složitý proces spojený s vývojem tepla, zvýšením viskozity a zmenšením objemu. Některé technologie vyžadují přídavek urychlovače, velmi důležitou charakteristikou vytvrzovacího procesu je tzv. doba gelace (želatinace).

Například pro výrobu prepregu se pryskyřice musí dostat z kapalného stavu do předvytvrzeného stavu (tzv. resitol), v němž již pryskyřice neteče, je ale lepivá a po ohřátí se dotvrdí. Konečný stav vytvrzené pryskyřice, tzv. resit, se vyznačuje nelepivostí, nerozpustností a vysokou teplotou.

U tenkých laminátu se dá použít vytvrzování svazkem elektronů, které způsobuje polymerizaci a zesítění pryskyřice citlivé na ozáření. Dále lze použít rentgenové paprsky a mikrovlnný ohřev.

Nové je použití ultrafialového záření (UV) u pryskyřice s přidanými fotoiniciátory.

LiteraturaEditovat

  • Gottfried W. Ehrenstein: Faserverbund-Kunststoffe : Werkstoffe – Verarbeitung – Eigenschaften, Hanser Verlag München Wien 2006, ISBN 3-446-22716-4

ReferenceEditovat

  1. The matrix [online]. Composites World, 2019 [cit. 2019-07-01]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. a b Kompoztní materiály pro elektrotechniku [online]. ZČU Plzeň, 2016 [cit. 2019-07-01]. Dostupné online. (česky) 
  3. Spotřeba pryskyřic na kompozity v roce 2005 (%) (německy): http://www.avk-frankfurt.de/ Archivováno 18. 10. 2016 na Wayback Machine
  4. Technologie zpracování a ceny matric: http://www.volny.cz/zkorinek/matrice.pdf
  5. Technologie zpracování a ceny matric: http://www.volny.cz/zkorinek/matrice.pdf
  6. Kompozity s elastomerovou matricí (německy): http://www.plastverarbeiter.de/ai/resources/51f8405e8a2.pdf Archivováno 4. 3. 2016 na Wayback Machine

Reference byla změněna. Nejsou již uvedeny údaje o zpracování a ceny matric