MATERIALUL DE RANFORSARE

MATERIALUL DE RANFORSARE

Aspecte generale. Clasificare

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

Materialele de ranforsare naturale au fost utilizate primele înca de la începutul secolului, cele mai raspândite fiind pulberile de lemn, folosite în 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 raspândire foarte larga, practic utilizându-se în 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 intrând în 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 în special de raportul lungime / diametru. Astfel ranforsantii se pot împarti în 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 împarti în 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 încercat 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 în 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 tinându-se cont de aceste moduri de clasificare.

Materiale de ranforsare pulverulente

Introducere

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

Materialele de ranforsare pulverulente se utilizeaza pentru a modifica proprietatile rasinii atât în timpul prelucrarii cât si în stare întarita. Pentru a obtine beneficii maxime la utilizarea unui ranforsant pulverulent, trebuie ales cu grija tipul de ranforsant pulverulent si cantitatea care trebuie introdusa, luând în 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 decât cele naturale dar în unele aplicatii pot oferi avantaje considerabile. Un dezavantaj pe care îl prezinta toate materialele pulverulente este tendinta de a prinde aer în 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, încarcarea si distributia marimii particulelor. Alti factori de care trebuie sa tinem seama este efectul ranforsantului asupra proprietatilor sistemului lichid si întarit. Câtiva dintre acesti factori sunt prezentati în continuare dar nu toti se aplica la fiecare material.

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

- cresterea vâscozitatii

- cresterea volumului

- producerea tixotropiei

- la rasinile poliesterice - accelerarea sau întârzâierea întaririi

- reducerea exotermicitatii

- ranforsantii pulverulenti abrazive cauzeaza uzura pieselor în timpul prelucrarii.

ii) Efectul pulverulentelor asupra proprietatilor rasinii întarite

- reducerea costului

- maresc opacitatea - majoritatea cazurilor

- scaderea rezistentei la soc

- descresterea rezistentei la îndoire

- 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 câteva sute de materiale de ranforsare pulverulente, multe dintre ele sunt folosite doar în scopuri speciale. Cele utilizate în 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 între 0,015 µm si 80 µm. Cu cât particulele sunt mai mici cu atât duc la o crestere mai mare a vâscozitatii rasinii pentru o anumita încarcare a rasinii. Ranforsantii pulverulenti cu cele mai mici particule ca silica aerogel sau silice coloidala (0,015 µm), se introduce în proportie de pâna la 5% pentru a produce tixotropie. Ranforsantii pulverulenti mai grosieri se pot introduce pâna la 600%.

Daca ranforsantii pulverulenti se introduc în 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 în timpul prelucrarii. Aceasta se întâmpla în 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 pâna 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 în mortar înaintea 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 = îmbunat. proprietatilor elec. si termice

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

Diferite proprietati ale materiale de ranforsare pulverulente afecteaza vâscozitatea amestecurilor. Acestea sunt: dimensiunile si forma particulelor, valoarea absorbtiei de ulei si încarcarea materiale de ranforsare pulverulentei. Cu cât particulele sunt mai mici cu atât vâscozitatea e mai mare si cu cât absorbtia de ulei e mai mare cu atât vâscozitatea e mai mare pentru o anumita încarcare a materialelor de ranforsare pulverulente. Argilele sunt sensibile la pH si când se folosesc ca ranforsant pulverulent la rasinile epoxidice întarite cu amine se poate ajunge la vâscozitati disproportional de mari. Unele materiale de ranforsare pulverulente comerciale si proprietatile lor sunt prezentate în 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 întarire. 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 în pamânt în foarte multe parti ale lumii. Acestia se folosesc ca materiale de ranforsare pulverulente atât pentru laminate cât 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 în urme si alte substante. Carbonatul de calciu de puritate mare sau laptele de var este preparat prin precipitarea din solutie, marimea particulelor depinzând 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 decât 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 întarite 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 în calcita la încalzire)

Carbonat de magneziu

Carbonatul de magneziu apare în 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 înalte 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 înlocui trioxidul de antimoniu ca si ranforsant ignifugant în rasinile laminate sau turnate.

c. Silica si silicatii

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

Nisip si pulbere de silice

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

Silica purificata sau pulberea de cuart se utilizeaza când 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 în 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 în care se utilizeaza ca ranforsant pulverulent în rasini termaoreactive le îmbunatateste 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 în natura sub forma de metasilicat wollastonite. Apare într-o multitudine de forme de la forma fibroasa pâna 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 în rest impuritati.

Se utilizeaza ca ranforsant pulverulent la rasinile termoreactive si îmbunatateste rezistenta la temperaturi ridicate si proprietatile electrice. Datorita structurii sale poroase da compounduri cu densitate mai mica decât cele obtinute utilizând 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 în cazul în 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 încarcare de ranforsant pâna 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 când 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 când se cer proprietati electrice superioare.

Bentonita

Bentonita este o argila montmorillonitica continând 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 îngrosare.

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 între straturile de silice rezultând 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 în industria electronica ca si ranforsant pulverulent pentru rasini termoreactive. Ea îmbunatateste proprietatile electrice, rezistenta la temperaturi mari, rezistenta la crapare si la umezeala si de asemenea are proprietati bune de stabilizare (antidecantare) în rasinile lichide. In laminate mica creste rigiditatea, da o buna stabilitate dimensionala si reduce pretul. Se poate utiliza în formulari sprayabile, sau se pot depune manual sau în 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 decât 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 în straturi rigide. La încalzire pierde apa si expandeaza ajungând sa aiba de zece ori volumul initial obtinându-se un material care se poate granula usor. De obicei se întâlneste în aceasta forma.

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

Pumicul

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

e. Oxizi de metale

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

Alumina

Alumina pura (Al₂O₃), obtinuta din bauxita, principalul minereu, se utilizeaza ca ranforsant pulverulent pentru a îmbunatati 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 în cantitati mari pentru a ajunge la aceasta proprietate. Se descompune în oxid de aluminiu (alumina) la 200°C si acest mecanism îi 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 în cantitati mai mici în combinatie cu alti aditivi ignifugi.

Trioxid de antimoniu

Trioxidul de antimoniu se foloseste foarte mult la rasinile poliesterice pentru a reduce inflamabilitatea. Se utilizeaza în combinatie cu compusi halogenati deoarece clorura sau bromura de antimoniu volatila, care se formeaza în 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 în 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 pâna la maro si de la rosu la galben, în 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 în general doar ca pigmenti in sistemele rasinoase - în particular în grunduri pentru acoperiri. Se utilizeaza atât litarga (PbO) cât si plumbul rosu (Pb₃O₄).

Oxid de magneziu

Oxidul de magneziu se poate utiliza ca si ranforsant pulverulent pentru a îmbunatati disiparea caldurii în rasinile termoreactive întarite. Se utilizeaza de asemenea ca agenti de îngrosare în compozitiile stratificate din poliesteri. Se produce o crestere mare a vâscozitatii poliesterului la scurt timp dupa adaugare. Aceasta mica întârziere în efectul de îngrosare este necesar pentru a permite rasinii sa se prelucreze în forma de foaie. Dupa ce SMC a fost preparata trebuie sa se îngroase rapid pentru a putea fi taiata în 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 încarcari mari, dar principala utilizare este ca pigment alb. Este cunoscut ca pigmentul alb standard. De asemenea actioneaza ca absorbant UV si îmbunatateste rezistenta la intemperii o rasinii întarite.

Oxid de zinc

Oxidul de zinc este un alt oxid alb utilizat ca pigment în 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 în rasinile epoxidice pentru a îmbunatati 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 îmbunatati unele propritati unele proprietati ca de exemplu conductivitatea termica sau electrica. O serie de metale se pot comercializa atât sub forma de fulgi cât si sub forma de pudra. Deoarece ranforsantii pulverulenti metalici sunt mult mai scumpi decât majoritatea materialelor de ranforsare pulverulente minerale se folosesc doar când utilizarea lor ofera avantaje specifice.

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

Ranforsantii pulverulenti metalici au un efect mic sau chiar nu au efect asupra vitezei de întarire a rasinilor epoxidice, dar poate accelera sau încetini întarirea rasinilor poliesterice. De aceea este indicat sa se verifice ce efect are ranforsantul asupra vitezei de întarire si asupra proprietatilor rasinii întarite. 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 în nici o clasa din cele prezentate mai sus. Unele dintre ele vor fi mentionate în 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 în 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 atât sub forma de gips (CaSO₄·2H₂O) cât 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 în materialele plastice.

Negru de fum

Diferite tipuri de negru de fum se utilizeaza ca pigmenti în rasini. De asemenea se poate folosi pentru a reduce rezistivitatea superficiala si volumica pentru a preveni încarcarea 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 întarirea.

Grafitul

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

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 în 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 având duritatea sticlei si un diametru de la 5-300 µm. Sunt posibile încarcari ale materialului de ranforsare pâna la 70%. Se utilizeaza ca ranforsant pulverulent în SMC si DMC.

Q-cell - este o ranforsant usoar obtinut din microsfere anorganice goale, foarte albe. Sunt posibile încarcari ale materialului de ranforsare pâna 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 înglobeaza într-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 în 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 într-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 în plane paralele formate din cristale hexagonale.

Fibrele de carbon se obtin prin carbonizarea unui amestec de turba si fibre poliacrilonitrilice la 1000 C în atmosfera inerta. Se realizeaza astfel un produs cu duritate mare si modul de elasticitate mic care se carbonizeaza la 2000 C obtinându-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 în 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 înlocuit fibrele de sticla în industria aeronautica si marina unde sunt necesare materiale usoare, elastice, cu rezistente la rupere mari si rezistenta la lovire.

Materialul cel mai întâlnit este Kevlar 49, o aramida cu cristalinitate foarte mare (poliamida aromatica). Unitate structurala prezenta în Kevlar 49 cuprinde o grupare amidica si un nucleu benzenic. Nucleul benzenic induce materialului duritate, rezistenta chimica si stabilitate termica, în 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 având 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, observându-se influenta tratamentului termic asupra proprietatilor fibrei, practic împartirea în 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 în 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 în combinatie cu alte fibre.

-fibre poliamidice alifatice (nylon)

Fibrele poliamidice se utilizeaza ca ranforsanti pentru rasinile epoxidice generând compozite flexibile cu rezistenta la impact mare, rezistenta chimica si la abraziune. Ele se utilizeaza rar ca agent principal de ranforsare, în general se folosesc în 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 în situatii speciale si foarte rar ca agent de ranforsare principal.

-bumbac

Bumbacul îsi 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 în 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 în 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 generând compozite cu utilizare în industria aeronautica. Sunt mult mai scumpe decât 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 în componenta fibre cu raportul lungime / diametru cuprins între 100 si 5000. Cele mai utilizate fibre discontinue au acest raport situat în intervalul 150 - 2500. Diametrul acestor fibre este cuprins în 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 urmând 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 între 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 în urmatorul subcapitol.

Materiale de ranforsare cu fibra continua

Materialele de ranforsare continue sunt cunoscute în 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 înca ramân 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, în acesta categorie intrând fibrele Kevlar care sunt obtinute prin filarea poliamidelor aromatice.

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

In general se considera ca sectiunea fibrei este circulara, dar s-a demonstrat ca în 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 în 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 împachetare sa fie foarte mare ceea ce conduce o aranjare mult mai buna a materialului de ranforsare în compozit si implicit îmbunatatirea proprietatilor acestuia.

Influenta gradului de împachetare asupra proprietatilor compozitului a fost studiata în cazul fibrelor de sticla. Matricea polimerica are rolul de a transmite încarcarea mecanica catre materialul de ranforsare. Cu cât sectiunea acestuia este mai uniforma cu atât este mai uniforma distributia pe fibra. In cazul unei sectiuni uniforme a filamentelor asezarea acestora paralel este foarte buna, gradul de împachetare 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 pâna la un procent de ranforsant de 90% fara a impedimenta proprietatile compozitului [2] filamentele fiind legate în 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 raspândit 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 împâslire, în 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 în 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 încercat utilizarea a multor tesaturi ca agenti de ranforsare. Inca de la începutul 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 în 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 ramân principalul domeniu de utilizare, si în 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 încarcarii.

Impregnarea tesaturii cu liantul polimeric se realizeaza pe valturi, asigurându-se o depunere uniforma. Tesatura nu trebuie sa fie foarte deasa pentru a permite patrunderea liantului în 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 începutul 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 împreuna.

Primele teste au fost realizate de Parratt [3] utilizând fibre scurte cu diametru de aproximativ 2 microni si lungime de 300 de microni, observându-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 obtinându-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 având 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 într-un procent de 49%. Curbele efort - alungire sunt prezentate în 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 într-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 urmând apoi întarirea. O alta metoda se refera la depunerea pe valturi.

Materialele de ranforsare monofilare au diametre cuprinse în 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 în care matricea polimerica este distribuita uniform. S-a reafirmat importanta gradului de împachetare mare si a uniformitatii sectiunii fibrelor.

Compozitele realizate cu monofilamente unidirectionale sunt supuse în 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 înglobat. 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 încarcarii perpendicular pe planul ranforsantului si paralel pe acesta. Curbele efort - alungire obtinute sunt prezentate în figura 3.3.

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

S-a remarcat ca în 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 în 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 în situatia ranforsarii cu materiale netesute. Tesaturile trebuind sa aiba unghiul de intersectare între 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