Porovnání vlastností pryskyřice
Výběr pryskyřičného systému, který má být použit v jakékoli komponentě, závisí na řadě jeho vlastností, následující jsou pravděpodobně nejdůležitější ve většině složených struktur:
1. Spojovací vlastnosti
2. mechanické vlastnosti
3. mikroskopická odolnost proti trhlinám
4. únava
5. Degradace koroze vody
Spojovací vlastnosti
Bylo diskutováno, jak jsou adhezní vlastnosti pryskyřičného systému důležité při dosahování celého rozsahu mechanických vlastností kompozitu. V sendvičových strukturách je důležitá adheze pryskyřičné matrice na zesílení vlákna nebo materiálu jádra.
Polyesterové pryskyřice obvykle mají nejnižší adhezní vlastnosti tří popsaných systémů. Vinylové lesterové pryskyřice vykazují lepší vazby než polyestery, ale epoxidové pryskyřičné systémy poskytují nejlepší výkon všech lepidel, a proto se často vyskytují v mnoha vysoce pevných lepidcích. Je to způsobeno jejich chemickým složením a přítomností polárních hydroxylových a etherových skupin. Protože epoxidové pryskyřice vyléčí při nízké rychlosti smrštění, během procesu vytvrzování nejsou narušeny různé povrchové kontakty mezi kapalinovou pryskyřicí a adherenty. Spojovací vlastnosti epoxidových pryskyřic jsou zvláště užitečné při konstrukci laminátů voštiny, kde malá povrchová plocha spojování znamená, že je nutná maximální vazba.
Síla vazby mezi pryskyřicí a vláknem závisí nejen na vazebných vlastnostech pryskyřičného systému, ale je také ovlivněna povrchovým povlakem výztužných vláken.
Mechanické vlastnosti
Dvě důležité mechanické vlastnosti jakéhokoli pryskyřičného systému jsou pevnost a tuhost v tahu. Obrázky 22 a 23 ukazují výsledky testů prováděných na komerčně dostupných polyesterových, vinyl lesterových a epoxidových pryskyřičných systémech vyléčených 20 stupňů a 80 stupňů.
Po sedmidenním období vytvrzování při teplotě místnosti je vidět, že typické epoxidové pryskyřice nabízejí vyšší výkonnost, pokud jde o pevnost a tuhost než typické polyestery a vinylestery. Příznivé účinky léčení po dobu pěti hodin po 80 stupních lze také vidět.
Stejně důležité pro složené návrháře a stavitele je množství smršťování pryskyřice během a po vytvrzení. Smrštění je způsobeno přeskupením a reorientací molekul pryskyřice v kapalinách a semi-gelových fázích. Polyestery a vinylestery vyžadují významné množství molekulárního přeskupení k dosažení vyléčeného stavu a mohou vykazovat smrštění až 8%. Různé povahy epoxidové reakce však vede k velmi malému přeskupení a nepřítomnosti těkavých bi-produktů, což snižuje typické smršťování epoxidu na přibližně 2%. Do jisté míry je absence smrštění zodpovědná za lepší mechanické vlastnosti epoxidu než polyester, protože smršťování je spojeno s vnitřními napětími, které může materiál oslabit.
Kromě toho smršťování v tloušťce laminátu vede k „tisku“ vzoru zesíracího vlákna, což je obtížný a nákladnou kosmetickou vadu, která má eliminovat.
Mikroskopické trhliny
Síla laminátu se obvykle zvažuje z hlediska toho, kolik zatížení vydrží, než úplně selže. Tato konečná síla nebo rozbitá síla je bodem, ve kterém pryskyřice vykazuje katastrofické zlomeniny a lámení zesílení vlákna.
Před dosažením této konečné síly však laminát dosáhne úrovně napětí, kde pryskyřice začne prasknout z vrstev vyztužení vlákna, které nejsou zarovnány s aplikovanou zátěží, a tyto trhliny se budou šířit přes pryskyřičnou matrici. Toto je známé jako „příčné mikrocrocking“ a ačkoli laminát dosud úplně selhal, proces prasknutí již začal. Inženýři, kteří chtějí odolnou strukturu, proto musí zajistit, aby jejich lamináty tento bod nepřekročily při pravidelném servisním zatížení.
Kmen, kterého může laminát dosáhnout před mikro-prasknutím, je velmi závislý na houževnatosti a vazebných vlastnostech pryskyřičného systému. U křehkých pryskyřičných systémů, jako je většina polyesterů, k tomu dochází dlouho před selháním laminátu, a proto omezuje napětí, které takové lamináty vydrží. Například nedávné testy ukázaly, že u laminátů tkaných polyesteru\/sklem se mikrocrockací obvykle vyskytuje přibližně při přibližně 0. To odpovídá použitelné síle pouze 10% konečné síly. Protože konečná síla laminátu pod napětím je určena pevností vlákna, tyto pryskyřičné mikrokracty nesnižují okamžitě konečný výkon laminátu.
V prostředích, jako je voda nebo vlhký vzduch, však mikrokratový laminát absorbuje více vody než nekroušený laminát. To povede ke zvýšení hmotnosti, vlhkosti v pryskyřici a látku vlákna, snížení tuhosti a snížení konečného výkonu v průběhu času.
Zvýšení adheze pryskyřice\/vláken obvykle pramení z chemie pryskyřice a její kompatibilita s chemickým povrchovým úpravou aplikovaným na vlákna. Zde známé vlastnosti epoxidových lepidel pomáhají laminátu dosáhnout vyšších mikrokracujících kmenů. Jak již bylo zmíněno dříve, je obtížné měřit houževnatost pryskyřice, ale je široce označována jeho konečným kmenem selhání. Porovnání různých pryskyřičných systémů je znázorněno na obrázku 25.
Únava
Obecně mají kompozity vynikající odolnost proti únavě ve srovnání s většinou kovů. Vzhledem k tomu, že selhání únavy je však často způsobeno postupným akumulací malého množství poškození, bude únavová chování jakéhokoli kompozitního materiálu ovlivněna houževnatostí pryskyřice, její odolnost vůči mikrokractingu a počtem dutin a jiných defektů, které se vyskytují během výrobního procesu. Z tohoto důvodu mají lamináty epoxidové báze tendenci vykazovat velmi dobrou únavu ve srovnání s polyesterem a vinylesterem, což je jeden z hlavních důvodů jejich použití v aestrukturách.
Degradace koroze vody
Důležitou charakteristikou jakékoli pryskyřice, zejména v mořském prostředí, je její schopnost odolat degradaci přicházející vodou. Všechny pryskyřice absorbují nějakou vodu a přidávají váhu do laminátu, ale co je důležitější, jak absorbovaná voda ovlivňuje pryskyřici a vazbu pryskyřice\/vlákna v laminátu, což vede k postupné a dlouhodobé ztrátě mechanických vlastností. Polyesterové i vinylesterové pryskyřice jsou náchylné k degradaci vody v důsledku přítomnosti hydrolyzovatelných esterových skupin v molekulární struktuře.
V důsledku toho lze očekávat, že tenké polyesterové lamináty si po jednom roce ponoření do vody zachovají pouze 65% své mezivrstvé smykové pevnosti, zatímco lamináty epoxidové pryskyřice si po jednom roce ponoření udrží přibližně 90%.
Obrázek 26 ukazuje účinek vody na lamináty na epoxidové a polyesterové tkané skleněné lamináty, které byly ponořeny do vody při 100 stupních. Tato vysoká teplota ponoření poskytuje ponořeným laminátovým zrychleným degradačním vlastnostem.
Propustnost
Všechny lamináty v mořském prostředí umožňují projít velmi malé množství vody ve formě páry. Když voda prochází, reaguje s jakýmikoli hydrolyzovatelnými složkami v laminátu za vzniku drobných buněk koncentrovaného roztoku. V rámci osmotického cyklu prochází více vodou semipermeabilní membránou laminátu ve snaze zředit tento roztok. Tato voda zvyšuje tlak tekutiny uvnitř buňky na 700 psi. Nakonec se tlak deformuje nebo praskne laminátu nebo gelcoat a může vést k typickému povrchu „kuřecího neštovice“. Hydrolyzovatelné komponenty v laminátu mohou zahrnovat nečistoty a zbytky zachycené během výrobního procesu, ale mohou také zahrnovat esterové vazby v uzdraveném polyesteru a v menší míře vinylovou latkou.
Použití vrstvy bohaté na pryskyřice vedle gelového kabátu je nezbytné pro polyesterové pryskyřice ke snížení tohoto typu degradace, ale obvykle jediným vyléčením, jakmile proces začne, je nahradit postižený materiál. Aby se zabránilo infiltraci, je nutné použít pryskyřici, která má jak nízkou propustnost, tak vysokou odolnost vůči erozi vody. Puchýř může být prakticky eliminován při použití ve spojení s výztužným materiálem, který má podobný odpor jako povrchové ošetření a je laminován na velmi vysoký standard. Polymerní řetězce s řetězci na bázi epoxidu odolávají účinkům vody mnohem lépe než mnoho jiných pryskyřičných systémů. Ukázalo se, že takové systémy mají vynikající chemickou a vodovodní odolnost, nízkou propustnost vody a velmi dobré mechanické vlastnosti.
Shrnutí srovnávacích vlastností pryskyřice
Polyester, vinylester a epoxidové pryskyřice diskutované zde pravděpodobně představují asi 90% všech termosetových pryskyřičných systémů používaných ve strukturálních kompozitech. Stručně řečeno, hlavní výhody a nevýhody těchto typů jsou:
Další pryskyřice pro kompozity
Kromě polyesteru, vinylesteru a epoxidových pryskyřic se používá mnoho dalších speciálních pryskyřičných systémů, kde jsou potřebné jejich jedinečné vlastnosti.
Fenolické pryskyřice
Fenolické pryskyřice se používají hlavně tam, kde je vyžadována vysoká odolnost proti požáru, udržují si své vlastnosti při vysokých teplotách. U materiálů s pokojovou teplotou vede použití korozivních kyselin k nepříjemné manipulaci. Kondenzovaná povaha jejich procesu vytvrzování má tendenci vést k zahrnutí mnoha dutin a povrchových vad, pryskyřice má tendenci být křehký a má špatné mechanické vlastnosti. Typické náklady: £ 2-4\/kg.
Fenyl isokyanát
Používá se hlavně v leteckém průmyslu. Vynikající dielektrické vlastnosti materiálu je ideální pro použití v nízkých dielektrických vláknech, jako je křemen, která se používají při výrobě radomů. Materiál je také stabilní teplota až 200 stupňů mokré. Typické náklady: 40 GBP\/kg.
Silikonové pryskyřice
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >15 £\/ kg.
Polyuretan
Vysoce tažný materiál, někdy smíchaný s jinými pryskyřicemi, kvůli relativně nízkým laminátovým mechanickým vlastnostem v kompresi. Používá nebezpečné isokyanáty jako léčivé látky. Typické náklady: £ 2-8\/kg.
Bismaleimid (BMI)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>50 £\/kg.
Polyimid
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>80 GBP\/kg) s toxickými surovinami používanými ve výrobním procesu. Polyimidy je obtížné pracovat kvůli kondenzační reakci, která uvolňuje vodu během procesu vytvrzování, a jsou relativně křehké po vytvrzování.PMR15 a LARC160 jsou dva nejčastěji používané polyimidy v kompozitech.
Zdroj „Hranice v kompozitech“