Lucrarea IV
Compozite structurale tip "sandwich" cu fete nemetalice
Scopul lucrãrii
Scopul lucarii este realizarea unei compozite structurale complexe de tip "sandwich" cu fete din compozite pe bazã de tesãturã din fibre de sticlã si rãsinã poliestericã nesaturatã si miez din fagure de aluminiu sau spuma poliuretanica.
Introducere
O structurã de tip "sandwich" constã din trei elemente principale (vezi figura 1):
A. O pereche de fete subtiri, rezistente, metalice sau din compozite polimerice, cu rolul de a prelua eforturile axiale si cele de forfecare.
B. Un miez gros, cu greutate redusã, care separã cele douã fete si as 18518h712s igurã transmiterea eforturilor de la o fatã la alta. Uzual, acest miez poate fi de tip fagure (de aluminiu, hârtie, materiale plastice), de tip spuma (poliuretanica, polistirenica) sau profile (metalice, plastice).
C. Un material cu proprietãti adezive care transmite eforturile axiale sau de forfecare la sau de la miezul structurii. În cazul fetelor din materiale compozite polimerice, matricea polimerica poate avea si rolul de adeziv.
Fig.1. Elementele constitutive ale unui compozit de tip "sandwich"
(în exemplu cu miez tip fagure)
Pot exista compozite structurale de tip "sandwich" cu miez simplu, cu miez dublu (multiplu) sau cu miez dublu (multiplu) hibrid, format din mai multe structuri fagure, spuma rigida si profile suprapuse si separate de straturi interioare (figura 2).
Fig.2. Compozite tip "sandwich" cu miez simplu (1), cu miez dublu (2), cu miez triplu hibrid (3)
a-structuri fagure, b-spuma rigida, c-profile.
Structurile tip "sandwich" cu fete din materiale compozite polimerice si miez de fagure de aluminiu (sau hârtie) sunt cele mai performante materiale sandwich existente în ceea ce priveste proprietãtile mecanice specifice, gradul de izolare termica, fonica si durata de viata (80-110 ani). De asemenea, ele pot fi ignifugate, nu mai trebuie vopsite, au rezistenta deosebita la radiatiile ultraviolete, variatii de temperatura, nu sunt higroscopice, nu putrezesc, nu se oxideaza.
Toate aceste proprietati remarcabile recomandã utilizarea lor în diverse domenii cum ar fi: aviatia (aprox. 80% din aeronava: aripi, deriva, directie, stabilizatoare, zone fuselaj, dusumele, usi acces), constructia de masini (carosare remorci, rulote, izoterme auto, rame de metrou, vagoane CFR), constructii navale, articole de sport, constructii, etc.
Panourile cu fete din tabla metalica (sau compozite polimerice) si miez din spuma poliuretanica sau polistiren expandat sunt utilizate în principal în constructiile civile si industriale, acestea prezentând o buna izolare termica si fonica.
Panourile cu miezul din spuma poliuretanica au un mare dezavantaj: eliminarea din porii spumei a unor gaze reziduale toxice (cianati), efect mai pronuntat în primii 2 ani de la fabricare. Acest aspect duce si la micsorarea în timp a gradului de izolare termica si la o instabilitate dimensionala. De asemenea, un alt dezavantaj este dat de folosirea în procesul de expandare a freonului (CF2Cl2) sau a altor produsi similari care distrug stratul de ozon.
Matricea polimerã (materialul adeziv)
Procesul de copolimerizare este initiat de sistemul redox: peroxid de metiletilcetona si naftenat de cobalt. Pentru evitarea întãririi rãsinii pe timpul depozitãrii, aceasta este stabilizata cu inhibitor (hidrochinonã), motiv pentru care reactia de copolimerizare prezintã o perioadã de inductie, adicã reactia nu starteazã în momentul adãugãrii initiatorului, ci dupã un interval de timp, necesar consumãrii inhibitorului.
|
Stiren |
Hidrochinona |
Peroxidul de metiletilcetona |
Naftenat de cobalt |
|
Agent de reticulare |
Inhibitor |
(oxidant) |
(reducator) R = C16 - C18 |
|
|
|
Amestec de 11 izomeri, dintre care majoritar este:
|
|
Agentul de ranforsare (armare)
Pentru fete se utilizeazã tesãturi din fibre de sticlã (FER 3L).
Fibrele se obtin prin filare din topiturã. Imediat dupa filare, fibrele de sticla sunt supuse unor tratamente de finisare, aceasta facându-se cu o solutie ce contine agent de finisare, lubrifiant, antistatizant si agent de cuplare:
agentul de finisare (un polimer peliculogen: alcool polivinilic, poliacetat de vinil) uneste filamentele de sticla si formeaza o pelicula care le protejeaza de distrugere prin abraziune.
lubrifiantul (de obicei un ulei vegetal) micsoreaza coeficientul mare de frecare al fibrelor, reducând uzura.
antistatizantul previne si reduce încarcarea electrostatica de suprafata datorata frecarii.
agentul de cuplare (de obicei un organosilan bifunctional) asigura compatibilitatea dintre fibra si matrice.
A. Fagure de aluminiu.
Fagurii sunt obtinuti pornind de la folii din aluminiu, procedeul fiind prezentat în figura 3. Se poate observa existenta mai multor variante de faguri.
Fig.3. Obtinerea fagurilor pornind de la folii din aluminiu
B. Poliuretanii sunt polimeri heterocatenari care contin în molecula lor gruparea uretanica (─NH─CO─O─), obtinuti prin reactia de poliaditie dintre un poliizocianat si un polialcool, respectiv un poliester sau polieter. Reactia implica transferul unui proton de la componenta hidroxilica la gruparea izocianica:
Izocianatii cei mai utilizati sunt:
Fete din materiale
compozite polimerice
Rãsinã NESTRAPOL H-450:
(RPN + stiren + naftenat de cobalt)
Densitate rasina rR = 1,04 ÷ 1,10 g/cm3
Peroxid de metiletilcetonã
Tesãturã din fibre de sticlã (FER 3L)
Greutate specificã rS = 300 ± 15 g/m2
Grosime GS = 0,23 ± 0,03 mm
Plãci din polietilenã (matrite
Pahar Berzelius înalt (50 sau 100 mL)
Bagheta Pensulã
Miezul compozitei
A. Fagure de aluminiu
Densitate Fag 0,3 g/cm3
B.
Diizocianat (MDI)
Densitate MDI = 1,2 g/cm3
Poliol
Densitate poliol = 1,1 g/cm3
Freon (daca nu este deja dozat în poliol)
Matrita pentru miezul din spuma PU
Pahar Berzelius înalt (50 mL)
Bagheta
Evaluarea necesarului de materiale pentru obtinerea
miezului din spuma poliuretanica.
Se calculeaza volumul matritei Vm, utilizând dimensiunile interioare ale acesteia (Lint, lint, h - pentru o matrita paralelipipedica).
stiind urmatoarele:
- coeficientul volumetric de expandare pentru spuma poliuretanica (de la volumul initial al componentelor neamestecate la volumul final al spumei) este a
raportul masic între componente: poliol / MDI = 100 / 125
- factor de exces 1,25 asigura excesul de spuma în matrita, ceea ce duce la crearea presiunii si umplerea colturilor matritei,
se pot calcula cantitatile de componente necesare cu relatiile:
Daca agentul de expandare (freon) nu este deja dozat în componenta poliolica, atunci acesta se foloseste în proportie de 5% fata de MDI.
Evaluarea necesarului de materiale pentru obtinerea fetelor
din materiale compozite polimerice.
a) Se stabilesc dimensiunile fetelor a × b (în functie de dimensiunile miezului) si se calculeazã aria (S):
b) Se propune grosimea unei fete (GF);
c) Se alege raportul dintre matricea polimerã si agentul de ranforsare ( A = 30÷70 %);
d) Se estimeazã grosimea unui pliu (GP) cu relatiile:
GP = GR + GS unde: GR - grosimea stratului de rãsinã;
GS - grosimea tesãturii de fibre de sticla;
rS - greutatea specificã a tesãturii;
rR - densitatea rãsinii.
e) Se calculeazã numãrul de pliuri n necesare pentru realizarea grosimii propuse (GF):
!!! n se rotunjeste pentru a rezulta un numãr întreg
f) Se estimeazã consumul de tesãturã (MS) si rãsinã (MR) cu relatiile:
MS = 2 n rS S; (factorul "2" apare pentru cã sunt 2 fete)
g) Peroxidul de metiletilcetonã (PMEC) se ia 4% fatã de rãsinã (MR), naftenatul de cobalt fiind deja dozat în rãsinã.
Modul de lucru
În cazul în care se utilizeaza un miez din spuma poliuretanica, modul de lucru pentru obtinerea acestuia este urmatorul:
Se confectioneaza mai întâi din hârtie stratul antiaderent pentru tapetarea matritei.
Pentru tapetarea ramei (cu dimensiunile interioare Lint, lint, h), hârtia va avea forma si dimensiunile urmatoare:
Pentru a obtine o spuma poliuretanica rigida se procedeaza astfel: într-un pahar Berzelius înalt se amesteca componenta poliolica cu agentul de expandare (daca acesta nu este deja dozat în componenta poliolica). Se adauga apoi componenta diizocianica. Se agita amestecul câteva secunde (10-15 s) cu o bagheta, apoi este introdus în matrita respectiva. Matrita se acopera rapid cu placuta metalica (rol de capac), punându-se o greutate deasupra.
Miezul din spuma poliuretanica se lasa în matrita (sub greutate) aproximativ 30 minute pentru definitivarea reactiei chimice si atingerea stabilitatii dimensionale.
Obtinerea compozitului structural tip "sandwich"
Se croiesc cele 2×n pliuri de tesãturã.
Într-un pahar de sticlã se cântãreste necesarul de rãsinã si agentul de întãrire specific rãsinii utilizate si se amestecã cca 5min.
Cele douã fete vor fi realizate simultan dupã cum urmeazã: se depune un strat de rãsinã pe matrita de polietilenã cu ajutorul unei pensule peste care se aplicã primul pliu de tesãturã, apoi se depune urmãtorul strat de rãsinã, urmat de aplicarea urmãtorului pliu de tesãturã s.a.m.d.
Se asteaptã cca 30 min pentru ca rãsina sã gelifieze, evitând modificãrile dimensionale datoritã curgerii rãsinii.
Peste o fatã astfel realizatã se aseazã fagurele sau paralelipipedul de spuma poliuretanica si se acoperã apoi cu cealaltã fatã. Peste structura astfel realizatã se pune o greutate de cca 0,5 kg si se lasã la întãrit (reticulat) timp de 24 de ore.
|
