Composieten



Dovnload 327.79 Kb.
Pagina1/3
Datum07.11.2017
Grootte327.79 Kb.
  1   2   3

COMPOSIETEN



1. Inleiding.

1.1. Historiek


De mens vindt al gedurende duizende jaren nieuwe dingen uit. Hiervoor was het noodzakelijk dat hij verschillende materialen kende en kon toepassen. De eerste materialen die hij gebruikte waren vooral hout en steen. Zo volgden op het stenentijdperk het bronzen- en het ijzeren tijdperk. Blijkt dat momenteel 40 à 50 plastics en rubbers het beschikbare asortiment van macromoleculaire materialen vormen. Dat is dan de gigantische uitloper van een bescheiden begin in 1868, toen J.W. Hyatt in Amerika uit nitro-cellulose en kamfer de eerste commerciële plastic, celluloid, vervaardigde. Daarna volgden omstreeks de eeuwwisseling caseïneformaldehyde (kunsthoorn).

In 1909 vond de Gentenaar Dr.L.H. Baekeland de fenolformaldehyde kunststoffen uit die beter gekend zijn onder de naam bakeliet.



Ook nu nog tracht de mens door onderzoek materialen te bekomen met superieure eigenschappen die nodig zijn voor de voortdurende technische ontwikkelingen. Zo is er de laatste tien jaren veel onderzoek verricht naar de combinatie van verschillende materialen tot de zogenaamde composieten. Composieten zijn geen nieuw fenomeen, reeds duizenden jaren geleden gebruikte de Egyptenaren korte strovezels om bij hun klei te voegen om zo sterkere bakstenen te bekomen. Ook in de natuur komen composieten voor zoals hout en been. Gewapend beton, waarin de staaldraad sterkte geeft aan het beton, is ook een duidelijk voorbeeld van een composiet. Het geheim van composietmaterialen is dat ze samengesteld zijn uit twee of meerdere verschillende materialen, die iets aan elkaar toevoegen. De compositie van de verschillende grondstoffen bepaalt de eigenschappen en dus de geschiktheid voor een toepassing.

Classificatie van composietmaterialen:


Natuurlijke composieten hout, bamboe, been






Micro- composieten metallische legeringen, staalsoorten,

Macro- composieten gegalvaniseerd staal, gewapend beton

In deze beschrijving willen we één van de meest recente ontwikkelingen in de materiaalkunde toelichten, nl. De verwerking van koudhardende kunststoffen en composieten. Deze materialen worden alomtegenwoordig in onze maatschappij gebruikt en zijn door hun vele voordelen meer en meer voorbestemd om een belangrijke plaats in de technologie in te nemen.



1.1.1. Voordelen van composietmaterialen.
Voor praktische toepassingen kunnen de volgende drie karakteristieken van een vezelversterkte polymeer onderscheiden worden:

* het bestaat uit twee of meer fysisch-chemisch verschillende materialen

* het kan gefabriceerd worden op een zodanige wijze dat de verdeling van het ene materiaal in het ander gecontroleerd kan geschieden.

* de eigenschappen van het compsietmateriaal zijn superieur aan de eigenschappen van de individuele elementen en in sommige opzichten uniek.


Deze superieure kwaliteiten zijn:
* goede mechanische eigenschappen en een laag soortelijk gewicht.

* zeer goede weerstand tegen vermoeiing

* gemakkelijke vormgeving met een minimum aan afval

* minder assemblagestukken voor hetzelfde werktuig

* geen corrosie

* eenvoudige herstellingen

* mogelijkheid tot serieproduktie met een serieuze kostenbesparing

* zeer groot aantal toepassingen voor eenzelfde materiaal

* lage onderhoudskosten


1.1.2 Nadelen van composieten:
Deze materialen zijn zeker niet perfekt. Het is nu eenmaal onmogelijk om alle goede eigenschappen te bundelen in één materiaal.
* ze zijn anisotroop

* soms nadelige invloed van vocht en UV straling

* soms geringe schokweerstand

* slechte geleiders, soms elektrisch als thermisch







1.2. Polymeren
Op dit ogenblik worden plastics op zoveel verschillende plaatsen gebruikt dat het nodig is ze in verschillende groepen onder te verdelen. Dit kan gebeuren naar gelang hun onstaan. Enerzijds kunnen plastics verkregen worden door het aanpassen en transformeren van van natuurlijke polymeren zoals rubber, anderzijds kunnen ze verkregen worden door het polymeriseren van bepaalde organische. Zo onderscheid men dus polymeren van natuurlijke en van synthetische oorsprong. Als men daarentegen de plastics hun gedrag bekijkt bij het verhogen van de temperatuur, dan kan men de plastics onderverdelen in twee grote groepen namelijk de thermoplasten en de thermoharders.

Als men deze eerste verhit dan zullen ze week en vervolgens vloeibaar worden, ze zijn opgebouwd uit lineaire of vertakte macromoleculen.

De thermoharders daarentegen zullen bij verhitting hard blijven en bij nog hogere temperatuur ontbinden. Ze zijn uitgehard door een chemische reactie die onomkeerbaar is. Deze stoffen zijn opgebouwd uit driedimensionale macromoleculen.
1.3. Thermoplasten

1.3.1. Algemeen

Als men een thermoplastisch materiaal op hoge temperatuur brengt, dan wordt dit materiaal plastisch. Door het materiaal terug te laten afkoelen worden de oorspronkelijke eigenschappen opnieuw bekomen. Enkele veel voorkomende thermoplasten met hun eigenschappen en toepassingen zijn:



polyethyleen: het ontstaat door de polimerisatie van ethyleen. Het heeft een laag soortelijk gewicht en wordt vaak zuiver toegepast in o.a. buizen, verpakkingsmateriaal, ...

polyamides: beter gekend onder de naam nylon. Naast het gebruik als synthetische vezel wordt het ook dikwijls toegepast voor mechanische doeleinden omwille van zijn grote mechanisch weerstand en van de zelfsmerende eigenschappen.

teflon: het is het materiaal met de kleinste wrijvingscoëfficiënt. Verder is het zeer goed bestand tegen chemische weerstand en verdraagt het zeer goed hoge en lage temperaturen ( tot 350°C ).

PVC: dit is ongetwijfeld de meest gebruikte plastic, dit heeft het te danken aan de vormgeving die uitermate gemakkelijk is. Het vindt zijn toepassingen in de meest uiteenlopende domeinen.
1.3.2.Eigenschappen

Door het toevoegen van een weekmaker kunnen de fysische eigenschappen van de thermoplasten aanzienlijk gewijzigd worden. Deze weekmaker zal als intern smeermiddel op microscopisch niveau dienst doen. Dit zal het glijden van de lineaire moleculaire ketting t.o.v. elkaar vergemakkelijken.

Uit het spanning-rek diagramma blijkt dat de thermoplasten een groot gebied van plastische vervorming hebben.
In vergelijking met de meeste andere materialen is plastiek een lichtgewicht. Voor een heleboel toepassingen betekent dat een belangrijke milieutroef. In de automobielindustrie worden metalen onderdelen steeds meer vervangen door kunststof. De daarmee gepaard gaande gewichtsvermindering leidt tot belangrijke energiebesparingen. Dezelfde milieuvoordelen gelden in de verpakkingswereld. Het gewicht van een plastieken fles is zowat 15 keer kleiner dan dat van een glazen fles.

Enerzijds zorgt plastiek voor vele oplossingen die de milieuvriendelijkheid verhogen, onder meer in de sectoren van de bouw, het vervoer en de verpakking. Anderzijds veroorzaakt plastiek milieuproblemen, voornamelijk omdat teveel plastiekafval in het milieu terecht komt. Daarom moeten hergebruik, recyclage en een verantwoorde verbranding bevorderd worden. Er zijn trouwens vele soorten plastische stoffen. Ze hebben allemaal sympathieke en minder symphatieke kanten.



A

B

A : gebied met elastische

vervorming.


B : gebied met plastische

vervorming.


Over de grondstoffen voor plastiek:

De uitgangsstoffen voor de aanmaak van plastiek zijn relatief kleine moleculen (monomeren) die aaneengebonden worden tot reusachtige macromoleculen (polymeren). De meeste monomeren worden gewonnen uit aardolieprodukten van fosiele oorsprong. Andere monomeren worden aangemaakt uit aardgas. Omdat die bronnen niet onuitputtelijk zijn, moet men er spaarzaam mee omgaan. Zowat 4% van de gewonnen aardolieprodukten wordt tegenwoordig besteed aan de aanmaak van plastiek. Dat is zeker niet te verwaarlozen, maar toch een peulschil in vergelijking met de reusachtige hoeveelheden olie die besteed worden aan verwarming en gemotoriseerd vervoer.

Met 100 kilogram olie kan een mens:

1000 kg afleggen met de auto

een vier-kamerflat verwarmen gedurende één week

50 m2 nylontapijt maken of 3000 kunststof draagtassen of 12000 eenmalige injectiespuiten

1.4. Thermoharders
1.4.1. Algemeen:
Thermoharders hebben hun naam te danken aan het feit dat ze onder invloed van de warmte uitharden. Dit is een onomkeerbaar proces. Enkele voorbeelden zijn bakeliet dat ontstaat door polycondensatie van fenol en formol en dat toegepast wordt voor de fabricage van schakelaars. Epoxyhars is het polyadditieprodukt van een epoxyde en een amine, polyesterhars is het polycondesatieproduct van een zuur met een alcohol.

1.4.2. Elastomeren:
Elastomeren zijn plastics die meer dan 100 % kunnen vervormen. Ze behoren meestal tot de groep van de thermoharder, alhoewel ook zgn. Thermoplastische rubbers gekend zijn. Meestal zijn de elastomeren opgebouwd uit zeer lange lineaire macromoleculen, waarbij de hoge elasticiteit verkregen wordt door zgn. brugverbindingen tussen de verschillende ketens. Aldus vormt zich een netwerk waarvan de plasticiteit afneemt naarmate het aantal brugverbindingen toeneemt. In geval van natuurrubber spreken we van een vulcanisatieproces, omdat de vernetting ontstaat door verhitting met zwavel. Bij te grote vernettingsgraad ontstaat echter een zeer hard materiaal zoals bvb. Eboniet = volledig gevulkaniseerd rubber.
Voorbeelden van elastomeren zijn:
alle synthetische rubbers, isoprene rubber, butadieenrubber, SBR,...

Polyurethaanrubbers

siliconen-elastomeren: bewaren hun elasticiteit tot -100 C. Men gebruikt ze als elektrische isolatoren, vochtwerende agenten, ... Ze worden gevormd door gieten.
De composietmaterialen met een elastomere matrix kennen een opmerkelijke doordraak in de automobielsektor. Polyurethanen versterkt met korte vezels maken het mogelijk om stukken van grote omvang te maken, dankzij een stijging van de stijfheid met goede schokweerstand.
1.4.3. Schuimpolymeren:
Schuimpolymeren worden bekomen door het vrijkomen van een gas, meestal koolstofdioxide tijdens de synthese of nadien door een injektie van lucht of een ander gas. Men onderscheidt zachte en harde schuimplastics:

harde schuimplastics: meestal op basis van P.V.C. en polystyreen en beschikbaar onder de vorm van half-afgewerkte produkten. Deze schuimplastics worden voornamelijk gebruikt in sandwich-constructies. Ze worden gebruikt daar waar een kleine drukbelasting heerst.

zachte schuimplastics: meestal op basis van polyurethaan en beschikbaar onder de vorm van hars en verharder. Ze worden gebruikt om holle voorwerpen op te vullen en ze tegelijkertijd stijf en licht te maken.

1.4.4.. Composieten:

Composieten zijn heterogene materialen die opgebouwd zijn uit twee verschillende materialen met verschillende eigenschappen en die elk een eigen mechanisch doel hebben. Een van de meest voorkomende voorbeelden van composieten is gewapend beton, beton is in staat om zeer grote drukkrachten op te vangen maar begint reeds bij vrij kleine trekkrachten te scheuren. Om dit te voorkomen wordt het beton gewapend met ijzeren staven waardoor een nieuw geheel wordt bekomen met andere eigenschappen.

De composieten die hier aan bod komen zijn verschillende combinaties van harsen en versterkingsvezels. Deze ‘vezelversterkte kunststoffen’ vormen eigenlijk de huidige generatie van composieten en zijn een interessant alternatief voor verschillende traditionele materialen omdat ze zowel sterk als licht zijn.

Als harsen komen aan bod: polyester, epoxy en vinylester. Wat betreft de vezels zullen wij het hebben over: glasvezel, aramide en koostofvezel.

Vandaag de dagen komen composietmaterialen voor in alle sectoren van de industrie, gaande van automobiel, de bouw, scheepvaart, vliegtuigbouw en ga zo maar door.
1.4.5. Eigenschappen:
Bij de bereiding van een thermoharder onderscheid men drie fasen:

De eerste fase is de start van de reactie het product is nu nog steeds oplosbaar in bepaalde solventen en kan nog verweekt of gesmolten worden.

In het tweede fase - intermediair stadium genoemd - is het hars nog steeds vervormbaar. De macromoleculaire ketting vormt nog geen dicht netwerk maar heeft al wel een vertakte struktuur.

In de derde en laatste fase is het materiaal hard, het kan nu niet meer opgelost of weekgemaakt worden. De macromoleculaire ketting vormt nu een dicht netwerk.

Thermoharders hebben in hun eindstadium interessante mechanische eigenschappen. Vergeleken met thermoplasten hebben ze een grotere mechanische weerstand. Uit het spanning-rek diagramma blijkt dat de plastische vervorming bij breuk eerder gering zal zijn ( klein gebied van plastische vervorming ).
In een composiet kan men de volgende verschillende elementen onderscheiden:
De matrix is een macromoleculair materiaal dat de verschillende versterkende vezels met elkaar verbindt en de spanningen van de struktuur verdeelt en op de vezels overdraagt.

De versterking zijn meestal zeer fijne vezels die in de matrix ingewerkt zijn en zo de structuur meer mechanische sterkte geven.

Voor de verbinding van de vorige twee elementen wordt gezorgd door de interface matrix-versterking.

Belasting en additieven zijn verschillende producten die aan het materiaal bijkomende eigenschappen geven omwille van prestatie eisen of uit kostenoverweging.

In tegenstelling tot metalen zijn composieten anisotroop dwz. dat ze niet in alle richting dezelfde eigenschappen hebben. Soms is het nodig dat voorwerpen in een bepaalde richting een grotere kracht moeten kunnen opnemen dan in een andere richting. Door gebruik te maken van composieten is dit perfect mogelijk.




A = gebied met een elastische vervorming B= gebied met plastische vervorming


1.5. De materialen
1.5.1. Matrix:
De taak van de matrix is zeer complex, hij moet o.a.

de stijfheid van het materiaal waarborgen door de onderlinge afstand en de oriëntatie van de vezels te bewaren.

zorgen dat de verbinding van de vezels verzekerd is.

de spanningen die op de structuur worden uitgeoefend overbrengen op de vezels.

het materiaal beschermen tegen de niet mechanische omgeving zoals vocht, chemische producten, ...

de kleur van het oppervlak, zijn uiterlijk, ... bepalen.

Voor deze matrix kunnen er vele verschillende harsen in aanmerking komen zoals polyesters, polyurethanen, vinylester, epoxys, siliconen, polyiliden.
1.5.2. Onverzadigde polyesters ( UP )
Onverzadigde polyesters zijn polyesters waarvan de macromoleculen nog dubbele koolstof-koolstof verbindingen bevatten. Als deze dubbele bindingen een polyadditie reactie ondergaan dan wordt er een driedimensioneel netwerk opgebouwd.

Voor de bereiding van ester gaat men uit van de volgende chemische reactie:



Om een polyester te bekomen gebruikt men een speciaal alcohol, nml. een glycol en als zuur gebruikt men een meerbasisch organisch zuur, als dit zuur dan bovendien nog onverzadigd is dan bekomt men een onverzadigde polyester. In de praktijk zal er meestal gebruik gemaakt worden van een combinatie van verzadigde en onverzadigde zuren, zo wordt ook in belangrijke mate de reactiviteit van het hars bepaald. Tijdens de veresteringsreactie worden er macromoleculen en water gevormd. In elk van deze moleculen bevinden zich een aantal onverzadigde groepen, en elk molecule heeft een bepaalde lengte. Dit materiaal is nog een thermoplast. Als V een verzadigd tweebasisch zuur is, O een onverzadigd tweebasisch zuur en G een glycol, dan kunnen we de moleculaire structuur van het codensatieprodukt als volgt voorstellen:



Als er aan deze stof nog een andere onverzadigde polymeriseerbare stof S wordt toegevoegd dan kan deze reageren met de onverzadigde groepen en zo de lineaire ketens tot een driedimentionaal netwerk verbinden. Dit kan dan als volgt worden voorgesteld:




Door gebruikt te maken van verschillende soorten zuur, glycol en monomeer is het mogelijk een zeer grote verscheidenheid aan harsen te produceren, zeker als men weet dat ook de temperatuur, de reactiesnelheden en de hulpmiddelen gedurende de fabricage ook een niet onbelangrijke rol spelen.

De uitharding door verwarming op zich gebeurt te traag en is daardoor niet praktisch bruikbaar. Het gebruik van een verharder kan de polymerisatiereactie echter inleiden door de vorming van vrije radicalen.

Een versneller kan de vorming van deze radicalen door de verharder nog laten versnellen. Men moet wel opletten dat men de verharder en de versneller afzonderlijk met het hars vermengt omdat er anders gevaar voor explosie bestaat.

De polyesterharsen zijn zeer gebruiksvriendelijk en niet zo duur waardoor ze vrij frequent gebruikt worden. Door het toevoegen van een versneller kunnen ze zelf koud ( 18-20°C ) gehard worden. De polymerisatie van de polyesterharsen gaat echter gepaard met een aanzienlijke samentrekking of krimp ( 6 à 8 % ), verder zijn deze harsen slecht vuurbestendig.
Achtereenvolgens doorloopt de polyester de volgende fasen:

vloeibare fase

geleiachtige fase

rubberachtige fase

uitgeharde fase
De snelheid waarmee en dus de tijd waarin deze gehele overgang plaats vindt is afhankelijk van een aantal faktoren waarin de belangrijkste zijn:

de aard van de polyester

de aard van de harder en de versneller

de hoeveelheid harder en versneller

de temperatuur van de hars en de omgeving

de hoeveelheid harsmassa of de laagdikte van het laminaat

aanwezigheid van vulstoffen, pigmenten en andere hulpstoffen

de verwerkingsomstandigheden


Elke van deze invloeden is verschillend en het is belangrijk voor de kwaliteit van het eindprodukt deze faktoren goed te kennen en waar mogelijk te optimaliseren.

Polyesterharsen zijn samengesteld uit de eigenlijke polyester en het oplosmiddel-monomeer styreen. In feite is het niet de harder die dubbele bindingen opent, maar wordt deze taak verricht door aktieve groepen die ontstaan wanneer de harder ( peroxide) ontleedt. Dit ontleden kan op gang gebracht worden door de temperatuur van het hars-harder mengsel te verhogen of door aan het mengsel een ontledende hulpstof toe te voegen, de versneller. De geltijd, hardingstijd en lossingstijd worden alle bepaald door de snelheid waarmee de ontleding van de harder plaatsvindt. Deze ontledingssnelheid en dus de snelheid waarmee de polyesterhars uithardt is afhankelijk van de aan het hars toegevoegde hoeveelheden harder en versneller, alsmede van de temperatuur van het harsmengsel. Daarnaast is ook de aard van de polyesterhars van invloed o.a. door het gehalte aan vertrager (inhibitor), een stof die in iedere polyesterhars aanwezig is. De hoeveelheid vertrager in de hars is mede bepalend voor de geltijd die de hars van nature al door de harsfabrikant meegeleverd krijgt. In sommige gevallen is het wenselijk dat bij de verwerking van de hars nog wat extra vertrager wordt toegevoegd teneinde een optimale verhouding tussen verwerkingstijd en uithardingstijd te verkrijgen, bv. In warme perioden.


De eigenschappen van de vloeibare polyesterhars, dus ook van het uitgeharde produkt, worden in de eerste plaats bepaald door de soorten en hoeveelheden grondstoffen. De meest gebruikte grondstoffen zijn:
Glycolen:

ethyleen glycol standaard type

propyleen glycol geeft een harder hars

di-ethyleenglycol geeft meer flexibiliteit

di-propyleenglycol verhoogd waterbestendig

Bisfenol-A glycol verhoogd chemicaliën bestendig

Neopentyl glycol idem, vooral ongevoelig voor water.
Zuren:

Maleïnezuur anhydride standaard type

Furaarzuur geeft betere mechanische eigenschappen

HET-zuur geeft vlamvertragende eigenschappen

Afhankelijk van de gewenste eigenschappen is er een keuze te maken uit de volgende hoofdgroepen:
Orthoftaalzuur harsen

Isoftaalzure harsen

Isoftaal/neopentyl glycolharsen

Bisfenol-A harsen

Orthoftaalzure harsen:

Bij deze polyesterharsen is orthoftaalzuur het meest gelangrijke bestandsdeel. Deze harsen ook wel general purpose harsen genoemd, bezitten redelijk mechanische eigenschappen en zijn redelijk water-enchemisch resistent.


Isofthaalzure harsen:

Bij deze polyesterharsen is de orthoftaalzuur vervangen door isoftaalzuur. Deze harsen hebben een hogere chemicaliënresistentie en betere mechansiche eigenschappen en warmte bestandheid t.o.v. de hierboven genoemde orthoftaalzure harsen. Daarnaast zijn deze harsen vooral bestendig tegen water, amoniak, maar ook inzetbaar bij oplosmiddelen en zuren.


Iso/NPG harsen:

In zowel de orthoftaal als de isofthaal polyesterharsen maakt men gebruik van propyleenglycol, zodra men deze geheel of gedeeltelijk vervangt door neo-pentylglycol krijgt men harsen met een nog betere hydrolysebestandigheid. Daarnaast hebben deze harsen, die zowel uit isofthaal als neopentylglycol zijn opgebouwd, een goede warmte bestendigheid en een goede hechting op PVC.

Bisfenol-A harsen:
De moleculen van de glycolen afgeleid van de basisstof bisfenol, zijn groter dan de normaal, bij polyesterhars gebruikte glycolen, zoals propyleen glycol. Hierdoor zijn deze harsen beter alkalibestendig ook bij hogere temperaturen. Daar deze harsen nog hoger liggen in prijs en minder prettig verwerken, dien deze alleen ingezet te worden waar nodig is.
1.5.3. Cobaltversnellers:
Bij de MEKP, CHP en ACP-harders kunt U gebruik maken van de cobaltversnellers. Dit is de meest gebruikte versneller. Een cobaltversneller is een diep violette vloeistof (metaal). Welke de radicaal vormingsreactie, in combinatie met een peroxide start. Cobaltversnellers hebben weinig invloed op de kleur van het eindprodukt, geven geen stabiliteitsproblemen, verkleuring door het U.V.-licht en hebben weinig invloed op het geven van luchtinhibitie in de hars, na inmenging van uithardingsmiddelen. Cobaltversnellers zijn, daarin tegen wel gevoelig voor vocht en invloeden van vulstoffen en pigmenten. Afhankelijk van de aanmaak grootte en de toe te voegen hoeveelheid bestaan er diverse concentraties.
1.5.4. Amine versnellers:
Bij de uitharding van polyester-en of vinylester met BPO dient men gebruik te maken van een amine versneller. Daar de BPO meestal een poeder of pasta is, geeft dit systeem bij het verspuiten met de huidige apparatuur problemen. Het voordeel van dit uithardingssysteem t.o.v. hierboven beschreven systemen is dat deze minder vocht en temperatuurgevoelig is en nagenoeg ongevoelig voor vulstoffen en pigmenten. De mogelijke nadelen van amine versnellers zijn, dat ze een beperkte potlive geven: een gele tot bruine kleur na uitharding geven en gevoelig zijn voor U.V.-licht, in uitgehard stadium. Afhankelijk van de toepassing kunt U gebruik maken van een drietal versnellers:



Deel met je vrienden:
  1   2   3


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©tand.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina