MATERIALUL DE RANFORSARE

MATERIALUL DE RANFORSARE

Aspecte generale. Clasificare

Varietatea materialelor de ranforsare face dificila clasificarea lor. Tinānd cont de natura lor materialele de ranforsare pot fi naturale sau sintetice.

Materialele de ranforsare naturale au fost utilizate primele īnca de la īnceputul secolului, cele mai raspāndite fiind pulberile de lemn, folosite īn special la realizarea de placi aglomerate (PAL) cu lianti ureo-formaldehidici, melamino-formaldehidici sau fenol-formaldehidici.

Materialele de ranforsare sintetice pot fi anorganice sau organice. Dintre materialele anorganice se pot aminti pulberile metalice, oxizi sau carbonati metalici, fibrele de sticla, fibrele de azbest, fibrele metalice. Materialele de ranforsare anorganice au o raspāndire foarte larga, practic utilizāndu-se īn toate tipurile de materiale compozite indiferent de tehnologia de prelucrare sau de tipul de liant. Materialele de ranforsare organice au aparut mai recent. In aceasta clasa intrānd īn principal materiale fibroase: fibre poliesterice, fibre poliamidice, fibre Kevlar. Se utilizeaza si materiale tesute din acesti ranforsanti pentru realizarea placilor compozite.

O alta clasificare tine cont de dimensiunea materialului de ranforsare si īn special de raportul lungime / diametru. Astfel ranforsantii se pot īmparti īn doua mari clase: materiale pulverulente si materiale fibroase.

Materialele compozite realizate cu ranforsanti pulverulenti se preteaza la prelucrari specifice polimerului ce functioneaza ca matrice (injectie, extrudere, formare prin presare).

Materialele de ranforsare fibroase se pot īmparti īn mai multe clase functie de lungimea fibrei: fibre scurte si monofilamente lungi. De asemenea materialele cu fibra lunga pot fi utilizate ca tesaturi sau materiale netesute.

De-a lungul timpului s-a īncercat ranforsarea polimerilor cu foarte multe materiale fibroase: azbest, fibre metalice, bumbac, poliesteri, poliamide, dar cel mai mare succes la avut utilizare fibrelor de sticla E datorita rezistentelor mari la rupere si a compatibilitatii cu foarte multe matrici polimerice. Se utilizeaza sub forma de fibre scurte, monofilamente, tesaturi sau materiale netesute.

Compozitele realizate cu materiale fibroase, se prelucreaza functie de tipul de fibra si de liantul polimeric, dar īn general se utilizeaza tehnologii de laminare sau formare prin presare. Materialele ranforsate cu fibre scurte se pot prelucra si prin injectie sau extrudere.

In paragraful urmator se vor descrie pe larg tipurile de agenti de ranforsare tināndu-se cont de aceste moduri de clasificare.

Materiale de ranforsare pulverulente

Introducere

In prima faza materialele de ranforsare pulverulente s-au adaugat īn compozitele ce contin īn principal o rasina si un ranforsant fibros, pentru a usura prelucrarea, a īmbunatati caracteristicile topiturii si ale piesei īntarite.

Materialele de ranforsare pulverulente se utilizeaza pentru a modifica proprietatile rasinii atāt īn timpul prelucrarii cāt si īn stare īntarita. Pentru a obtine beneficii maxime la utilizarea unui ranforsant pulverulent, trebuie ales cu grija tipul de ranforsant pulverulent si cantitatea care trebuie introdusa, luānd īn considerare procesul de formare si utilizarea finala a produsului.

Se pot folosi ca ranforsanti o serie de produse pulverulente; s-au utilizat chiar si coji de oua macinate sau coji de nuci de cocos. Cele mai utilizate materiale de ranforsare sunt cele obtinute din zacaminte naturale ca de exemplu calcar, roca sistoasa, cuart sau argile. Acestea pot fi umede sau uscate pentru a se obtine pulberea, sau supuse unor tratamente chimice pentru a le purifica. Alte materiale de ranforsare contin pulberile de metale si sfere de sticla si fulgi. Acestea sunt mult mai scumpe decāt cele naturale dar īn unele aplicatii pot oferi avantaje considerabile. Un dezavantaj pe care īl prezinta toate materialele pulverulente este tendinta de a prinde aer īn sistem, ceea ce duce la topituri poroase. Acest avantaj poate fi evitat printr-o amestecare buna.

In principal factorii care afecteaza selectia ranforsantului este pretul, densitatea, cantitatea de rasina absorbita, īncarcarea si distributia marimii particulelor. Alti factori de care trebuie sa tinem seama este efectul ranforsantului asupra proprietatilor sistemului lichid si īntarit. Cātiva dintre acesti factori sunt prezentati īn continuare dar nu toti se aplica la fiecare material.

i) Efectul ranforsantului pulverulent asupra proprietatilor sistemului lichid de rasina.

- cresterea vāscozitatii

- cresterea volumului

- producerea tixotropiei

- la rasinile poliesterice - accelerarea sau īntārzāierea īntaririi

- reducerea exotermicitatii

- ranforsantii pulverulenti abrazive cauzeaza uzura pieselor īn timpul prelucrarii.

ii) Efectul pulverulentelor asupra proprietatilor rasinii īntarite

- reducerea costului

- maresc opacitatea - majoritatea cazurilor

- scaderea rezistentei la soc

- descresterea rezistentei la īndoire

- cresterea rigiditatii

- scaderea contractiei

- scaderea absorbtiei de apa

- cresterea rezistentei la abraziune

- modificarea proprietatilor elctrice si termice

- reducerea inflamabilitatii

- cresterea "heat deflection temperature"

- ranforsantii pulverulenti abrazive fac prelucrarea dificila.

Comercial au aparut cāteva sute de materiale de ranforsare pulverulente, multe dintre ele sunt folosite doar īn scopuri speciale. Cele utilizate īn domenii largi sunt diferite tipuri de carbonat de calciu, cuart si faina de silice, talc si diferite argile ca de exemplu caolina.

Majoritatea materialelor de ranforsare pulverulente au o dimensiunea particulelor cuprinsa īntre 0,015 µm si 80 µm. Cu cāt particulele sunt mai mici cu atāt duc la o crestere mai mare a vāscozitatii rasinii pentru o anumita īncarcare a rasinii. Ranforsantii pulverulenti cu cele mai mici particule ca silica aerogel sau silice coloidala (0,015 µm), se introduce īn proportie de pāna la 5% pentru a produce tixotropie. Ranforsantii pulverulenti mai grosieri se pot introduce pāna la 600%.

Daca ranforsantii pulverulenti se introduc īn sisteme laminate este preferabil ca marimea particulelor sa fie sub 10 µm pentru ca ranforsantul sa nu fie scoasa afara de catre fibrele de sticla īn timpul prelucrarii. Aceasta se īntāmpla īn cazul compoundurilor " sheet and doug moulding" si la sistemele de injectie lichide.

La aplicatiile nelaminate ca de exemplu pardoseli, se utilizeaza ca si ranforsant pulverulent nisip de silice. In acest caz distributia particulelor poate varia de la 53 µm pāna la 1-2 mm iar raportul ranforsant pulverulent : liant este de obicei 7:1.

Compozitii similare se pot utiliza ca ranforsant pulverulent pentru topiturile GRP si pentru umplerea golurilor īn mortar īnaintea laminarii.

Tabelul 3.1. Proprietatile materialelor de ranforsare pulverulente

a = rezist. la abraziune, b = conductivit. termica, c = rezist. chimica si la umezeala, d = prop. dielec.

e = conductivit. electrica, f = ignifugare, g = utilizare generala,  i = īmbunat. proprietatilor elec. si termice

l = umplutura usoara, p = pigmentare, s = stabilitate dimensionala, t = tixotropie

Diferite proprietati ale materiale de ranforsare pulverulente afecteaza vāscozitatea amestecurilor. Acestea sunt: dimensiunile si forma particulelor, valoarea absorbtiei de ulei si īncarcarea materiale de ranforsare pulverulentei. Cu cāt particulele sunt mai mici cu atāt vāscozitatea e mai mare si cu cāt absorbtia de ulei e mai mare cu atāt vāscozitatea e mai mare pentru o anumita īncarcare a materialelor de ranforsare pulverulente. Argilele sunt sensibile la pH si cānd se folosesc ca ranforsant pulverulent la rasinile epoxidice īntarite cu amine se poate ajunge la vāscozitati disproportional de mari. Unele materiale de ranforsare pulverulente comerciale si proprietatile lor sunt prezentate īn tabelul 3.1.

Materiale de ranforsare pulverulente minerale

O serie de materiale de ranforsare pulverulente minerale se utilizeaza cu rasini termoreactive pentru a modifica proprietatile de īntarire. Acestea sunt obtinute din depozite naturale prin macinarea si cernerea mineralelor naturale sau prin rafinare si purificare.

a. Carbonati

Carbonatii de calciu, carbonatii de magneziu sau amestecurile de carbonati de calciu si magneziu se gasesc īn pamānt īn foarte multe parti ale lumii. Acestia se folosesc ca materiale de ranforsare pulverulente atāt pentru laminate cāt si pentru materiale turnate.

Carbonat de calciu

Cel mai utilizat ranforsant pulverulent pentru rasinile poliesterice este CaCO₃. Aceasta apare sub forma de calc, calcar si marmura si contine de obicei īn urme si alte substante. Carbonatul de calciu de puritate mare sau laptele de var este preparat prin precipitarea din solutie, marimea particulelor depinzānd de modul de lucru. Categoriile foarte fine, cu o marime a particulelor de 0,05 µm se obtin prin precipitare.

Ranforsantii pe baza de carbonat de calciu au o suprafata mare si o absorbtie de rasina mica. Laptele de var care este forma semiamorfa, are o absorbtie de rasina mai mare decāt forma cristalina. Pentru a permite utilizarea de materiale de ranforsare pulverulente mai mari, carbonatul de calciu este de obicei acoperit la suprafata cu stearati sau cu emulsii de rasini.

In cazul compoundurilor se utilizeaza des ranforsantii pulverulenti de carbonat de calciu. Acesti compusi nu sunt rezistenti la acizi tari. Rasinile īntarite umplute cu carbonat de calciu se pot prelucra usor daca ranforsantul nu este abraziv.

Forma cristalina: Calcita - romboedrica - greutatea specifica 2,71

Aragonita - ortorombica - greutatea specifica 2,93

(Aragonita se transforma īn calcita la īncalzire)

Carbonat de magneziu

Carbonatul de magneziu apare īn natura ca magnezita sau dolomita (Mg CO₃·CaCO₃). Carbonatul de magneziu pur se prepara prin precipitare si se obtine carbonatul usor daca se lucreaza la temperaturi jase si din solutii diluate. Carbonatului de magneziu usor i se atribuie formula: MgCO₃·Mg(OH)₂·3H₂O. Daca se lucreaza la temperaturi mai īnalte si concentratii mai mari se formeaza carbonatul greu care are formula: MgCO₃·Mg(OH)₄·4H₂O.

Carbonatul de magneziu se poate utiliza ca ranforsant pulverulent ca atare sau pentru a īnlocui trioxidul de antimoniu ca si ranforsant ignifugant īn rasinile laminate sau turnate.

c. Silica si silicatii

Silica (SiO2) este cel mai abundent material din crusta pamāntului. Apare īn forma cristalina īn cuart (silice pura) si īn forma mai putin pura īn nisip si cremene.

Nisip si pulbere de silice

Nisipul de silice spalat, uscat si cernut este utilizat ca s ranforsant pulverulent atāt pentru rasini poliesterice cāt si epoxidice. Este utilizat īn obtinerea de pardoseli si īn mortarurile pentru repararea betoanelor.

Silica purificata sau pulberea de cuart se utilizeaza cānd e nevoie de o ranforsant dur, rezistent la abraziune. Are o dilatare termica mica si proprietati de izolator electric bune. Se utilizeaza frecvent ca si ranforsant pentru rasini epoxidice folosite la aplicatii electrice.

Silica este un material foarte abraziv si poate cauza degradari ale suprafetei piesei īn timpul prelucrarii. Deci piesele ranforsate cu silice sunt foarte dificil de prelucrat si necesita utilizarea sculelor din carbura de wolfram sau a cutitelor cu diamant.

Talc

Talcul este un silicat de magneziu hidratat si este un mineral foarte moale cu o structura lamelara. In cazul īn care se utilizeaza ca ranforsant pulverulent īn rasini termaoreactive le īmbunatateste proprietatile electrice, rezistenta la temperaturi mari si la umezeala. Sistemele ranforsate cu talc au o prelucrabilitate buna. Talcul se foloseste ca ranforsant pentru compoundurile pentru injectie si laminare.

Silicat 10310b121k ul de calciu

Silicat 10310b121k ul de calciu apare īn natura sub forma de metasilicat wollastonite. Apare īntr-o multitudine de forme de la forma fibroasa pāna la particule fine. Silicat 10310b121k ul de calciu se utilizeaza ca ranforsant pulverulent mai ales la rasinile termoreactive. Se utilizeaza frecvent la vopsele si are proprietati foarte bune de izolator termic si electric.

Kiselgur

Kiselgur sau diatomit este o forma de silice obtinuta din fosilele ramase de la diatomee - plante microscopice unicelulare cu un perete celular din silice. Este compus din 70-90% silice hidratata si īn rest impuritati.

Se utilizeaza ca ranforsant pulverulent la rasinile termoreactive si īmbunatateste rezistenta la temperaturi ridicate si proprietatile electrice. Datorita structurii sale poroase da compounduri cu densitate mai mica decāt cele obtinute utilizānd alte forme de silice. Este o ranforsant abraziv si poate duce la defecte la suprafata piesei. Sistemele ranforsate cu kiselgur sunt greu de prelucrat.

Zircon

Zircon sau silicatul de zirconiu se utilizeaza ca ranforsant pulverulent īn cazul īn care este nevoie de o rezistenta foarte mare la abraziune. Din aceasta cauza sistemele ranforsate cu zircon sunt foarte greu de prelucrat. Este posibila o īncarcare de ranforsant pāna la 600 phr.

d. Silicat 10310b121k i de aluminiu si argile

Din aceasta categorie fac parte caolina, bentonita, sistul, mica, vermiculite si piatra ponce. Toate acestea pot fi utilizate ca materiale de ranforsare pulverulente pentru rasinile termoreactive, cele mai fine fiind totodata si agenti de curgere si aditivi tixotropici. Sistul se foloseste pentru a da rezistenta la uzura suprafetelor.

Caolina

Caolina este formata din silicat de aluminiu cu urme de alte metale. De obicei caolina utilizata ca ranforsant pulverulent pentru rasinile termoreactive este o pudra fina si alba. Deoarece are o structura lamelara se utilizeaza atunci cānd trebuie sa se obtina o suprafata neteda si foarte lucioasa. Formele foarte fine sunt folosite ca agenti de curgere si aditivi tixotropici.

Se mai utilizeaza de asemenea caolina atunci cānd se cer proprietati electrice superioare.

Bentonita

Bentonita este o argila montmorillonitica continānd un numar de atomi metalici diferiti. Datorita structurii sale cu legaturi slabe poate fi usor degradata. Este de asemenea foarte bun absorbant.

Bentonita se utilizeaza mai ales la acoperiri unde actioneaza ca agent de īngrosare.

Sistul

Sistul este o argila de sedimentare foarte compacta cu planuri de clivaj bine definite. In forma de pulbere se poate folosi ca ranforsant. Prelucrarea compozitiilor ranforsate cu sisturi este dificila si sunt necesare piese speciale.

Mica

Mica sau mica potasica contine piropilita (silicat de aluminiu) substituita cu aluminiu/potasiu. Se gaseste de asemenea mica substituita cu alti compusi. Atomii de potasiu formeaza legaturi slabe īntre straturile de silice rezultānd o structura cu straturi subtiri, mai subtiri de 25 µm.

Aceste straturi au o foarte buna rigiditate dielectrica si conductivitate termica mica, totodata au o flexibilitate buna.

Datorita proprietatilor electrice excelente mica are aplicatii īn industria electronica ca si ranforsant pulverulent pentru rasini termoreactive. Ea īmbunatateste proprietatile electrice, rezistenta la temperaturi mari, rezistenta la crapare si la umezeala si de asemenea are proprietati bune de stabilizare (antidecantare) īn rasinile lichide. In laminate mica creste rigiditatea, da o buna stabilitate dimensionala si reduce pretul. Se poate utiliza īn formulari sprayabile, sau se pot depune manual sau īn compounduri.

Aluminiu silicat de calciu

Aluminiu silicat de calciu este un materialpulverulent alb, cu o duritate foarte mare, dar cu mai putine particule cu muchii ascutite decāt silica. Din acest motiv este mai putin abraziv si poate fi utilizat ca o alternativa la faina de silice.

Vermiculitul

Vermiculitul este un silicat natural cristalin care poate fi descompus īn straturi rigide. La īncalzire pierde apa si expandeaza ajungānd sa aiba de zece ori volumul initial obtināndu-se un material care se poate granula usor. De obicei se īntālneste īn aceasta forma.

Vermiculitul fiind un pulverulent cu densitate mica se utilizeaza la poliesteri si rasini epoxidice īn cazul īn care greutatea pieselor e importanta.

Pumicul

Pumicul este o silice vulcanica, foarte usoara, avānd o structura celulara. Se formeaza din lava vulcanica care a curs īn apa. Se poate utiliza ca ranforsant pulverulent usor īn rasini.

e. Oxizi de metale

Diferiti oxizi de metale se pot utiliza ca ranforsanti sau pigmenti īn compozitiile de rasini termoreactive. In cazul īn care se utilizeaza ca si pigmenti este bine sa se disperseze īn rasina cu ajutorul unui malaxor cu valturi, o moara cu bile sau un omogenizator cu viteza foarte mare, sau cu o alta metoda folosita īn industria vopselelor. Particulele micronice sunt usor dispersabile.

Alumina

Alumina pura (Al₂O₃), obtinuta din bauxita, principalul minereu, se utilizeaza ca ranforsant pulverulent pentru a īmbunatati conductivitatea termica, duritatea si rezistenta la abraziune. Este inert chimic si are un coeficient mic de expansiune termica.

Bauxita calcinata se foloseste ca strat de suprafata pentru pulberile si laminatele poliesterice si epoxidice pentru a se obtine o suprafata antiderapanta.

Hidroxid de aluminiu

Hidroxidul de aluminiu (Al(OH)₃) s-a dezvoltat ca o ranforsant pulverulent ignifugant dar trebuie folosit īn cantitati mari pentru a ajunge la aceasta proprietate. Se descompune īn oxid de aluminiu (alumina) la 200°C si acest mecanism īi confera proprietatile ignifuge. Vaporii de apa care se formeaza elimina oxigenul si sting focul. Aceasta are loc fara sa fie nevoie de prezenta compusilor halogenati. Se poate de asemenea folosi īn cantitati mai mici īn combinatie cu alti aditivi ignifugi.

Trioxid de antimoniu

Trioxidul de antimoniu se foloseste foarte mult la rasinile poliesterice pentru a reduce inflamabilitatea. Se utilizeaza īn combinatie cu compusi halogenati deoarece clorura sau bromura de antimoniu volatila, care se formeaza īn prezenta focului, consuma oxigenul necesar arderii si astfel stinge focul. Datorita faptului ca este o pulbere alba actioneaza de asemenea ca pigment si se obtin sisteme albe, opace. Se poate de asemenea folosi īn rasini epoxidice care contin halogeni pntru acelasi scop.

Oxizi de fier

Diferiti oxizi de fier se utilizeaza ca pigmenti si materiale de ranforsare pulverulente pentru rasini. Culorile lor sunt foarte variate de la negru pāna la maro si de la rosu la galben, īn functie de compozitia chimica. De asemenea greutatea specifica variaza de la 5,11 pentru Fe₂O₃ la 3,4 pentru oxidul galben natural.

Oxizi de plumb

Oxizii de plumb se utilizeaza īn general doar ca pigmenti in sistemele rasinoase - īn particular īn grunduri pentru acoperiri. Se utilizeaza atāt litarga (PbO) cāt si plumbul rosu (Pb₃O₄).

Oxid de magneziu

Oxidul de magneziu se poate utiliza ca si ranforsant pulverulent pentru a īmbunatati disiparea caldurii īn rasinile termoreactive īntarite. Se utilizeaza de asemenea ca agenti de īngrosare īn compozitiile stratificate din poliesteri. Se produce o crestere mare a vāscozitatii poliesterului la scurt timp dupa adaugare. Aceasta mica īntārziere īn efectul de īngrosare este necesar pentru a permite rasinii sa se prelucreze īn forma de foaie. Dupa ce SMC a fost preparata trebuie sa se īngroase rapid pentru a putea fi taiata īn foi si prelucrata.

Dioxid de titan

Dioxidul de titan pur are doua forma cristaline - rutil si anatase. Cel mai importanta pentru materialele plastice este rutilul. Dioxidul de titan se poate utiliza ca ranforsant la īncarcari mari, dar principala utilizare este ca pigment alb. Este cunoscut ca pigmentul alb standard. De asemenea actioneaza ca absorbant UV si īmbunatateste rezistenta la intemperii o rasinii īntarite.

Oxid de zinc

Oxidul de zinc este un alt oxid alb utilizat ca pigment īn rasini si de asemenea confera duritate si stabilitate la temperaturi mari. Nu este un pigment alb la fel de bun ca dioxidul de titan.

Oxid de zirconiu

Oxidul de zirconiu se utilizeaza ocazional ca ranforsant pulverulent īn rasinile epoxidice pentru a īmbunatati proprietatile dielectrice. Se poate de asemenea utiliza ca pigment.

Pulberi metalice

Ranforsantii pulverulenti din pulberile metalice se pot adauga la rasini pentru a se obtine un efect decorativ sau pentru a se īmbunatati unele propritati unele proprietati ca de exemplu conductivitatea termica sau electrica. O serie de metale se pot comercializa atāt sub forma de fulgi cāt si sub forma de pudra. Deoarece ranforsantii pulverulenti metalici sunt mult mai scumpi decāt majoritatea materialelor de ranforsare pulverulente minerale se folosesc doar cānd utilizarea lor ofera avantaje specifice.

O parte din materialele de ranforsare pulverulente metalice sunt prezentate īn tabelul 3.2. īmpreuna cu indicatii asupra utilizarii lor. Greutatea specifica aparenta depinde de marimea si forma particulei si poate fi cu mult mai mica decāt densitatea.

Ranforsantii pulverulenti metalici au un efect mic sau chiar nu au efect asupra vitezei de īntarire a rasinilor epoxidice, dar poate accelera sau īncetini īntarirea rasinilor poliesterice. De aceea este indicat sa se verifice ce efect are ranforsantul asupra vitezei de īntarire si asupra proprietatilor rasinii īntarite. Aceasta trebuie facuta la toti ranforsantii pulverulenti pentru ca materiale de ranforsare pulverulente din surse diferite dau efecte diferite.

Tabelul 3.2. Materiale de ranforsare pulverulente din pulberi metalice

Alte materiale de ranforsare pulverulente

Se pot utiliza si alte materiale de ranforsare pulverulente care nu intra īn nici o clasa din cele prezentate mai sus. Unele dintre ele vor fi mentionate īn continuare.

Sulfat de bariu

Sulfatul de bariu sau barita (BaSO₄) se poate utiliza ca ranforsant pulverulent la rasinile termoreactive. Este cunoscuta de asemenea ca si Blanc Fixe īn forma precipitata. Aceasta forma are se utilizeaza ca pigment alb la acoperiri. Sistemele ranforsate cu sulfat de bariu sunt opace la razele X.

Titanat de bariu

Titanatul de bariu se utilizeaza ca ranforsant pulverulent la piesele turnate din rasini epoxidice unde se cer proprietati dielectrice foarte putin stabile.

Sulfat de calciu

Sulfatul de calciu se poate utiliza ca ranforsant atāt sub forma de gips (CaSO₄·2H₂O) cāt si sub forma de ipsos (CaSO₄·1/2H₂O). Sub forma de ipsos se poate utiliza pentru a absorbi urmele de apa din rasina. Se poate de asemenea folosi pentru a intensifica anumiti coloranti utilizati īn materialele plastice.

Negru de fum

Diferite tipuri de negru de fum se utilizeaza ca pigmenti īn rasini. De asemenea se poate folosi pentru a reduce rezistivitatea superficiala si volumica pentru a preveni īncarcarea statica. In acest context negru de fum din acetilena se utilizeaza mai ales la rasinile epoxidice. In cazul rasinilor poliesterice negrul de fum trebuie introdus cu grija deoarece poate inhiba īntarirea.

Grafitul

Grafitul se utilizeaza ca si pigment negru pentru a mari conductivitatea electrica a rasinii īntarite.

Microsfere goale de carbon

Microsferele goale de carbon se gasesc sub denumirea de "Krecasphere" de la Albright &Wilson Ltd, cu o distributie a marimii particulelor īn jurul valorii de 200 µm. Se pot utiliza ca ranforsant usoar, electroconducatoar cu o excelenta stabilitate chimica si termica. Densitatea este de 0,4 g/cm3, iar greutatea specifica jumatate din densitate.

Microbaloane fenolice

Microbaloanele fenolice sunt sfere mici, goale de rasina fenolica. Din ele se obtine o structura usoara, reticulabila folosita pentru turnare sau laminate subtiri.

Materiale de ranforsare pulverulente anorganice usoare

Acestea pot fi utilizate pentru a se obtine sisteme usoare.

Armosfere - sunt sfere goale dintr-un silicat anorganic sticlos. Marimea particulelor este de la 20-200 µm.

Filita - sfere inerte, din silicat avānd duritatea sticlei si un diametru de la 5-300 µm. Sunt posibile īncarcari ale materialului de ranforsare pāna la 70%. Se utilizeaza ca ranforsant pulverulent īn SMC si DMC.

Q-cell - este o ranforsant usoar obtinut din microsfere anorganice goale, foarte albe. Sunt posibile īncarcari ale materialului de ranforsare pāna la 20%.

Materiale de ranforsare fibroase

Materialele fibroase sunt principalele materiale de ranforsare pentru realizarea de materiale compozite. In realizarea de compozite laminare materialele fibroase se īnglobeaza īntr-un mare procent volumic. Alegerea tipului de fibra este foarte importanta deoarece influenteaza decisiv proprietatile compozitului:

-greutate specifica;

-rezistenta la alungire;

-modulul de elasticitate;

-rezistenta la compresiune;

-conductivitatea electrica si termica.

In continuare sunt prezentate principalele tipuri de materiale de ranforsare fibroase utilizate la realizarea compozitelor.

a.      Fibre de sticla

Fibrele de sticla sunt cele mai utilizate materiale de ranforsare. Principalul avantaj este rezistenta la rupere prin alungire, la un pret foarte scazut. Dezavantajul principal este modulul de elasticitate redus, rezistenta slaba la abraziune, duritatea mare ceea ce la face dificil de prelucrat.

Exista doua tipuri de fibre de sticla larg utilizate ca ranforsanti: tipul E si tipul S. Exista si tipul C care are rezistenta mare la coroziune si este utilizata īn scopuri chimice. Fibrele de sticla de tip E sunt cele mai utilizate datorita pretului scazut. Fibrele de sticla S au fost primele utilizate la fabricare compozitelor pentru industria aeronautica, dar datorita duritatii mari sunt dificil de prelucrat, si au un pret mai ridicat.

Tabel 3.3. Compozitia fibrelor de sticla

Fibrele de sticla E au rezistente la rupere de ordinul 3,5 Gpa (500000 psi).

Fibrele de sticla sunt produse ca monofilamente care se utilizeaza ca atare sau ca fibre discontinue scurte obtinute prin taierea monofilamentelor la lungimi de 3 - 15 mm. Fibrele de sticla se utilizeaza de aemenea sub forma de netesute sau tesaturi. Tesaturile utilizate ca materiale de ranforsare au structura tesaturii pe doua axe perpendiculare.

b.     Fibre de carbon

Fibrele de carbon sunt comercializate īntr-o mare varietate de tipuri cu diferite module de elasticitate (30x10⁶ - 75x10⁶ psi). In general fibrele cu modul de elasticitate mic au greutate specifica mica, pret scazut, rezistenta la alungire mare, stabilitate dimensionala si coeficient de dilatare termica mic. Dezavantajul principal este conductivitatea electrica si rezistenta mica la impact.

Structural fibrele de carbon contin un amestec de grafit si carboon amorf. Modulul de elasticitate mare este dat de grafit care este aranjat īn plane paralele formate din cristale hexagonale.

Fibrele de carbon se obtin prin carbonizarea unui amestec de turba si fibre poliacrilonitrilice la 1000 C īn atmosfera inerta. Se realizeaza astfel un produs cu duritate mare si modul de elasticitate mic care se carbonizeaza la 2000 C obtināndu-se fibrele de grafit cu modul de elasticitate mare.

c.     Fibre Kevlar

Dintre materialele fibroase utilizate ca ranforsanti fibrele Kevlar au cea mai mica greutate specifica. Sunt singurele fibre organice care au gasit o utilizare larga īn domeniul compozitelor. Rezistenta la alungire si modulul de elasticitate a celorlalte fibre organice cum ar fi fibrele poliesterice si poliamidice (tip nylon) sunt prea mici. Singurul dezavantaj al acestor materiale este rezistenta mica la compresiune si prelucrarea mai grea.

Ca material de ranforsare au īnlocuit fibrele de sticla īn industria aeronautica si marina unde sunt necesare materiale usoare, elastice, cu rezistente la rupere mari si rezistenta la lovire.

Materialul cel mai īntālnit este Kevlar 49, o aramida cu cristalinitate foarte mare (poliamida aromatica). Unitate structurala prezenta īn Kevlar 49 cuprinde o grupare amidica si un nucleu benzenic. Nucleul benzenic induce materialului duritate, rezistenta chimica si stabilitate termica, īn comparatie cu poliamidele alifatice. Aceste fibre nu se topesc, se carbonizeaza la 800 C, domeniul de utilizare fiind 50 - 160 C. Filarea se realizeaza din solutie, dupa filare avānd loc etirarea care confera o aranjare axiala a materialului. Intre lanturi se creeaza legaturi foarte puternice de hidrogen.

In figura 3.1. sunt prezentate curbele efort alungire pentru fibrele Kevlar, observāndu-se influenta tratamentului termic asupra proprietatilor fibrei, practic īmpartirea īn doua clase: cu duritate mare si cu modul de elasticitate mare.

Figura nr. 3.1. Curbele efort - alungire pentru fibrele Kevlar

d.     Alte tipuri de materiale fibroase

-fibre poliesterice

Fibrele poliesterice au la baza polietilentereftalat si sunt utilizate pentru a conferi materialului compozit rezistenta chimica si la abraziune. In general se utilizeaza sub forma de tesaturi, acestea conferind si o buna rezistenta la impact. De obicei nu se utilizeaza singure ca ranforsanti ci īn combinatie cu fibre de sticla.

-fibre poliacrilonitrilice

Fibrele poliacrilonitrilice se utilizeaza de asemenea sub forma de tesaturi marind rezistenta chimica a compozitului, dar nu constituie un ranforsant principal folosindu-se de obicei īn combinatie cu alte fibre.

-fibre poliamidice alifatice (nylon)

Fibrele poliamidice se utilizeaza ca ranforsanti pentru rasinile epoxidice generānd compozite flexibile cu rezistenta la impact mare, rezistenta chimica si la abraziune. Ele se utilizeaza rar ca agent principal de ranforsare, īn general se folosesc īn combinatie cu fibrele de sticla.

-fibre de PVC sau policlorura de viniliden

Fibrele de PVC sau PVDC se utilizeaza sub forma de netesute cu rol de a conferi compozitului rezistenta chimica. Se folosesc doar īn situatii speciale si foarte rar ca agent de ranforsare principal.

-bumbac

Bumbacul īsi mai gaseste utilizarea la realizarea compozitelor fenolice. Se utilizeaza foarte rar la ranforsarea rasinilor epoxidice si poliesterice.

-sisal

Se utilizeaza de asemenea ca ranforsanti pentru rasini fenolice la realizarea de obiecte formate prin presare, si foarte rar pentru ranforsarea rasinilor epoxidice si poliesterice.

-azbest

Fibrele de azbest se utilizeaza īn principal ca ranforsant pentru rasinile fenolice pentru realizarea de obiecte formate prin presare, cu rolul de a creste duritatea si rezistenta termica a compozitelor. Se utilizeaza ca ranforsanti pentru rasinile poliesterice si epoxidice cu rol de a mari duritatea, rezistenta chimica si la apa.

-iuta

In principal s-a utilizat īn India ca material de ranforsare pentru rasinile poliesterice, sub forma de monofilamente sau tesaturi.

-fibre de bor

Fibrele de bor au fost utilizate ca ranforsanti pentru rasinile epoxidice generānd compozite cu utilizare īn industria aeronautica. Sunt mult mai scumpe decāt fibrele de carbon si mult mai greu de obtinut. Modulul de elasticitate si rezistenta la alungire sunt apropiate de cele ale fibrelor de carbon.

Materiale fibroase discontinue

Termenul de materiale compozite ranforsate cu fibre discontinue se refera la materialele plastice ce au īn componenta fibre cu raportul lungime / diametru cuprins īntre 100 si 5000. Cele mai utilizate fibre discontinue au acest raport situat īn intervalul 150 - 2500. Diametrul acestor fibre este cuprins īn intervalul 1 - 3 cm. Fibrele cu diametre mai mici, sub 1 cm conduc la compozite cu duritati foarte mari, comportarea lor fiind apropiata de cea a materialelor de ranforsare pulverulente.

In cazul ranforsarii rasinilor termoreactive se realizeaza premixuri cu materialul fibros. Premixul rasina ranforsant se amesteca cu agentul de reticulare, daca este cazul, si se prelucreaza prin injectie, extrudere, formare prin presare sau laminare.

Matricile polimerice termoplastice pot fi de asemenea ranforsate cu fibre scurte urmānd a fi prelucrate ulterior prin tehnici specifice polimerilor respectivi.

Cele mai utilizate materiale de ranforsare din acesta categorie sunt: fibrele de sticla si fibrele de asbest, cu un raport lungime / diametru cuprins īntre 150 si 5000.

Studiile micromecanice au demonstrat ca valorile rezistentei la rupere si modulului de elasticitate pentru fibrele discontinue sunt apropiate de cele obtinute pentru fibrele continue, deoarece aceste fibre discontinue au capacitatea de a se alinia axial.

Aspectele legate de influenta caracteristicilor acestor materiale asupra proprietatilor compozitului vor fi discutate pe larg īn urmatorul subcapitol.

Materiale de ranforsare cu fibra continua

Materialele de ranforsare continue sunt cunoscute īn general sub denumirea de monofilamente. Aceste materiale de ranforsare pot fi: fibre de sticla, fibre de carbon, fibre poliamidice, fibre poliesterice.

Primele materiale utilizate ca ranforsanti au fost fibrele de sticla, care īnca ramān cel mai popular ranforsant. Ulterior s-au dezvoltat fibrele de carbon si filamentele polimerice. Ultima generatie de materiale de ranforsare contine filamente cu proprietati speciale, īn acesta categorie intrānd fibrele Kevlar care sunt obtinute prin filarea poliamidelor aromatice.

Monofilamentele se utilizeaza doar la ranforsarea longitudinala. Asezarea filamentelor este īn pachet, care poate fi preimpregat cu rasina sau impregnarea are loc īn faza finala a procesului de filare.

In general se considera ca sectiunea fibrei este circulara, dar s-a demonstrat ca īn realitate ea tinde spre un hexagon neregulat. In ultimul timp s-a demonstrat ca fibrele cu sectiunea hexagonala sau patrata au au cele mai bune proprietati. Intentia a fost de a se obtine fibre usoare cu rezistenta mecanica si elasticitate foarte mare care sa genereze proprietati foarte bune compozitului [1]. Aceste consideratii au condus la fabricarea fibrelor pentru ranforsare īn trei forme principale: cu sectiune circulara, patrata si hexagonala. Totusi mai recent s-au realizat ranforsanti din fibre polimerice cu sectiune bilobara care au generat compozite cu proprietati foarte bune.

Principalul motiv pentru care se doreste o sectiune regulata este ca gradul de īmpachetare sa fie foarte mare ceea ce conduce o aranjare mult mai buna a materialului de ranforsare īn compozit si implicit īmbunatatirea proprietatilor acestuia.

Influenta gradului de īmpachetare asupra proprietatilor compozitului a fost studiata īn cazul fibrelor de sticla. Matricea polimerica are rolul de a transmite īncarcarea mecanica catre materialul de ranforsare. Cu cāt sectiunea acestuia este mai uniforma cu atāt este mai uniforma distributia pe fibra. In cazul unei sectiuni uniforme a filamentelor asezarea acestora paralel este foarte buna, gradul de īmpachetare fiind foarte mare. In acest caz cu cantitati foarte mici de lianti polimerici se pot obtine compozite cu rezistente mecanice comparabile cu cele ale fibrelor. S-a ajuns pāna la un procent de ranforsant de 90% fara a impedimenta proprietatile compozitului [2] filamentele fiind legate īn pachet printr-un strat foarte subtire de rasina.

Se poate concluziona ca monofilamentele utilizate pentru realizarea compozitelor trebuie sa aiba:

-sectiune uniforma;

-absorbtie de apa redusa;

-densitate mica;

-constanta dielectrica mica;

-duritate mare;

-modul de elasticitate ridicat.

Materiale netesute

Materialele de ranforsare netesute se utilizeaza la realizarea compozitelor laminate sau formate prin presare, acolo unde nu este necesara o rezistenta mecanica foarte mare. Cel mai raspāndit material este netesutul din fibra de sticla, care are o utilizare foarte larga ca ranforsant pentru rasinile poliesterice.

Materialul netesut se obtine din fibre discontinue prin īmpāslire, īn general este de dorit ca orientarea fibrelor sa fie dupa doua axe rectangulare.

Utilizarea acestui tip de ranforsant necesita cantitati mari de liant polimeric pentru a se asigura o impregnare īn profunzime a materialului. Materialele de ranforsare netesute se folosesc la realizarea compozitelor laminate sau la realizarea de produse formate.

Tesaturi

In decursul timpului s-a īncercat utilizarea a multor tesaturi ca agenti de ranforsare. Inca de la īnceputul secolului s-au realizat compozite fenolice laminate pe tesaturi. Primele tesaturi utilizate au fost cel din fibre naturale: bumbac, in; apoi odata cu aparitia fibrelor sintetice acestea au fost rapid introduse īn producerea de compozite. .

Tesaturile de fibra de sticla sunt utilizate datorita proprietatilor lor mecanice si constantelor dielectrice mici la realizarea de laminate compozite pentru producerea de circuite electronice.

Exista mai multe domenii de utilizare al tesaturilor ca materiale de ranforsare pentru realizarea compozitelor, dar laminatele ramān principalul domeniu de utilizare, si īn special laminatele pentru industria electronica.

La realizarea circuitelor electronice se folosesc placi compozite care au un continut mare de ranforsant, ceea ce conduce la valori mari ale rezistentei mecanice si modulului de elasticitate a compozitului. In acest caz este necesar ca tesatura sa fie uniforma, orientarea fibrelor perpendiculara, ceea ce conduce la o distributie uniforma a īncarcarii.

Impregnarea tesaturii cu liantul polimeric se realizeaza pe valturi, asigurāndu-se o depunere uniforma. Tesatura nu trebuie sa fie foarte deasa pentru a permite patrunderea liantului īn structura sa.

Influenta materialului de ranforsare asupra proprietatilor compozitului

In continuare se va urmari efectul modificarii proprietatilor materialului de ranforsare asupra compozitelor obtinute. Discutia sare la baza clasificarea materialelor de ranforsare prezentata la īnceputul capitolului.

Prima clasa de materiale de ranforsare contine materialele pulverulente. Deoarece comportarea acestora este foarte apropiata de a materialelor de ranforsare cu fibre scurte (maxim 1 cm) vor fi tratate īmpreuna.

Primele teste au fost realizate de Parratt [3] utilizānd fibre scurte cu diametru de aproximativ 2 microni si lungime de 300 de microni, observāndu-se valori ridicate ale modulului de elasticitate. Alti cercetatori au remarcat la un procent de 30% ranforsant ca modulul de elasticitate scade la o valoare de 1/3 din valoarea pentru ranforsant, la acest procent obtināndu-se si cele mai bune valori ale rezistentei la rupere. Depasirea unui procent de 37% duce la degradarea materialului [4].

Sutton [5] a studiat ranforsarea cu oxid de aluminiu a rasinilor epoxidice, particulele avānd diametre de 5 - 9 microni, folosind un procent de 14% ranforsant. Valorile rezistentei la rupere sunt de aproximativ 75% din valoarea pentru ranforsant. Comparativ s-a studiat ranforsarea cu fibre de cuart īntr-un procent de 49%. Curbele efort - alungire sunt prezentate īn figura 3.2.

Figura nr. 3.2. Curbele efort - alungire pentru un sistem epoxi ranforsat cu oxid de aluminiu si fibre de cuart

Se remarca ca prin ranforsarea cu materiale pulverulente sau cu fibre scurte se obtin compozite cu rezistente mecanice bune si modul de elasticitate mare, valorile fiind de aproximativ 75% din valoarea pentru ranforsant. S-a observat ca cele mai bune rezultate s-au obtinut pentru o cantitate de ranforsant de maxim 50%.

Dupa cum s-a aratat īntr-un paragaf precedent maerialele de ranforsare cu fibra continua functioneaza ca ranforsanti unidirectionali. Tehnicile de impregnare tin cont de aceste deziderate. Filamentele trec printr-o baie de impregnare cu rasina urmānd apoi īntarirea. O alta metoda se refera la depunerea pe valturi.

Materialele de ranforsare monofilare au diametre cuprinse īn intervalul: 0,005 - 0,015 mm. In aceasta categorie intra fibre de sticla, fibre metalice, fibre de bor sau beriliu.

Testele realizate pe rasini epoxidice ranforsate cu fibre metalice au aratat ca acestea au avantajul stabilitatii dimensionale si nu prezinta fragilitate. Rezultatele arata ca materialul compozit are un modul de elasticitate de circa 70% din valoarea pentru ranforsant. Dar rezistenta la rupere are valori foarte mari (90% din valoarea pentru fibra metalica) [6].

Analizarea comportarii fibrelor de bor ca agenti de ranforsare s-a efectuat folosind ca matrice polimerica tot o rasina epoxidica. Fractia volumica de ranforsant a fost de 70%. S-au obtinut compozite cu rezistente mecanice foarte mar, aproximativ 95% fata de ranforsant [7].

Levenetz [8] si Prosen [9] au studiat situatia ranforsarii cu monofilamente de sticla E. S-a ajuns la concluzia ca principalul avantaj este cel al realizarii unor pachete bine structurate īn care matricea polimerica este distribuita uniform. S-a reafirmat importanta gradului de īmpachetare mare si a uniformitatii sectiunii fibrelor.

Compozitele realizate cu monofilamente unidirectionale sunt supuse īn general actiunii unor forte sub un unghi fata de axul fibrelor. Duritatea si rezistenta mecanica sunt minime la actiunea sub un unghi de 90 si maxime la o actiune paralela cu axul materialului de ranforsare. Variatia rezistentei la rupere cu unghiul de actiune a fortei a fost studiata de Tsai [10], iar variatia modulului de elasticitate de Hoff [11]. S-a definit eficienta ranforsarii prin compararea cu proprietatile materialului de ranforsare, fiind functie si de procentul volumic de ranforsant īnglobat. De exemplu o fibra de sticla E cu rezistenta la rupere de 500000 psi confera compozitului o rezistenta la rupere de 325000 psi, deci eficienta este de 65% la un procent de ranforsant de 55% [12]. O fibra de sticla S cu o rezistenta la rupere de 665000 psi, la un procent de 70% fibra, confera o rezistenta compozitului de 275000 psi, deci 58% [13].

Eficienta se poate calcula si functie de modulul de elasticitate. De exemplu un compozit realizat cu 75% fibra de sticla E (modul de elasticitate 10,5x10⁶) si o rasina (modul de elasticitate 0,5x10⁶) are un mdul de elasticitate de 7,8x10⁶ [14].

Pentru situatia materialelor netesute Davis si Zurkovski [15] au analizat situatia īncarcarii perpendicular pe planul ranforsantului si paralel pe acesta. Curbele efort - alungire obtinute sunt prezentate īn figura 3.3.

Figura nr. 3.3. Curbele efort - alungire pentru compozite ranforsate cu netesute la actiunea sub diverse unghiuri

S-a remarcat ca īn situatia actiunii paralele cu planul ranforsantului rezistenta la rupere este mult mai mare iar alungirea mica. In situatia actiunii paralele alungirea este mai mare iar rezistenta la rupere mica. Pentru a nu scadea valorile modulului de elasticitate McGarry si Desai [16] propun utilizarea unui procent maxim de 15% ranforsant netesut īn compozit. De asemenea s-a observat ca pentru obtinerea de proprietati similare pe cele doua axe din planul ranforsantului fibrele ce constituie materialul netesut trebuie sa se intersecteze la 90

Situatia ranforsarii cu tesaturi se poate aborda la fel ca si īn situatia ranforsarii cu materiale netesute. Tesaturile trebuind sa aiba unghiul de intersectare īntre fibre de 90 pentru a se obtine rezistente mecanice similare pe cele doua axe din planul ranforsantului. Comportarea la o actiune perpendiculara pe planul ranforsantului este de asemenea similara cu cazul netesutelor diferind doar valorile rezistentelor la rupere.

Bibliografie

1. B. W. Rosen, Mechanical Properties of Fibrous Compozites, New York, 1972.

2. R.A. Humphrey, Glass Microtape, New York, 1965.

3. N. J. Parrot, Reinforcing Effects of Silicone Whiskers in Resin Matrices, Powder Metallurgy, 21, 14, 152, 1978.

4. H.L. Cox, The Elasticity and Strenght of Fibrous Materials, J. Appl. Phys, 2, 72, 72 (1952).

5. W.H. Sutton, Whisker Reinforced Plastics for Space Applications, SPE Journal, 41, 11, 1203 (1985).

6. F.J. McGarry, Research on Wire Wound Compozite Materials, 20^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1965.

7. B. Levenetz, Compressive Applications of Large Diameter Fiber Reinforced Plastics, 19^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1964.

8. B. Levenetz, Large Diameter Fiber Reinforced Plastic Compozites Structures, 20^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1965.

9. S.P. Prosen, Compression, Fatigue and Stress Studies on NOL Ring Specimens, ASTM Special Technical Publication, no. 112, 1987.

10. S.W. Tsai, Strenght Characteristics of Compozite Materials, New York, 1982.

11. N.J. Hoff, Engineering Laminates, New York, 1948.

12. J.W. Davis, Pre-Impregnated Epoxy Non Wowen Filament Materials, 20^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1965.

13. E.M. Lindsay, Glass Reinforcements for Fillament Wound Compozites, New York, 1981.

14. J.W. Davis, Rupture and Statistic Properties of Unidirectional Glass Reinforced Pre-Impregnated Construction, 19^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1964.

15. J.W. Davis, Put the Strenght and Stiffness Where You Need it, 22^th Conf. SPI Preinforced Plastics, 1966.

16. F.J. McGarry, Failure Mechanism in Fiber Glass Reinforced Plastics, 14^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1959