Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalid valmistustehnoloogia ja omadused

1. Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalidvalmistustehnoloogia ja omadused Renno Veinthal, Jaan Kers e-post: renno.veinthal@ttu.ee; jaan.kers@ttu.ee

2. Mis materjalid on kättesaadavad? Millised töötlemismeetodid sobivad nende materjalide vormimiseks Kas need töötlemistehnoloogiad on kättesaadavad? Kuidas tehnoloogia mõjutab omadusi Milline on toote suhteline maksumus UUS TOODE OLEMASOLEVA TOOTE ARENDUS Plastide valiku põhimõtted

3. Vastab tarbija nõuetele Olema konkurentsivõimeline Pakkuma kõrgemat töökindlust või suuremat mugavust Vastama rahalises väljenduses parimale hinna-kvaliteedi suhtele Nõuded tootele

4. Komposiitmaterjalide tehnoloogiate valik

5. Vinüülestrid Polüestrid Epoksiid Adhesiivomadused Mehaanilised omadused Vastupanu pragude tekkele (sitkus) Väsimustugevus Vastupanu vee (H2O) kahjustusele Vaikude omadused

6. Kiud ja nede omadused • Armeerivad kiud: • pidevkiud • diskreetsete kiudud

7. Lühikesed või diskreetsed kiud (discontinuous fibers, short fibers) moodustavad u. 60% kõikidest kasutatavatest kiududest. Lühikesi kiude kasutatakse eriti BMC- (SMC ja TMC massides ning RRIM (reaktsioonvalu- Reinforced Reaction Injection Moulding) protsessis, surve- ja kuumpressimise ning lamineeritavates pooltoodetes. Puudused: ühtlane segamine polümeermassiga ilma neid kahjustamata on raske Kui kiudude pikkus on väiksem nn. kriitilisest pikkusest, ei anna nende kasutamine maksimaalset võimalikku efekti selliste KM tugevus jääb u. 50% ja elastusmoodul u. 10% väiksemaks võrreldes pidevakiududega armeeritud KM-ga Lühikesed kiud

8. Pidevkiudusid kasutatakse peamiselt armatuurina keerutatud lõnga või nööri kujul. Kiud ise on valmistatud paljudest peentest pikkadest kiududest ehk filamentidest. Kius kasutatavate filamentide hulk võib olla mõnekümnest kuni mitmete tuhandeteni. Kiukimbud ja lõngad on tavaliselt keerutamata või vähesel määral keerutatud. Erandi moodustavad pidevast klaaskiust või staapelkiust keerutatud või kedratud lõngad, mida kasutatakse klaaskiudkangaste valmistamiseks. Pidevad kiud

9. Kiutoodete tähistamine • Pidevkiu läbimõõt e. paksus antakse tavaliselt mikromeetrites. • USA-s kasutatakse kiu läbimõõdu tähistamiseks alfabeetilist süsteemi.

10. Kiutoodete tähistamine • Vastavalt ISO standardile antakse Euroopas kiu, kiukimbu või lõnga kohta nn. tex- väärtus. Tex-väärtus näitab, kui mitu grammi kaalub 1 km pikkune kiud või lõng (tex=g/km). • USA-s on kasutusel vastupidine süsteem, mis võib põhjustada segadust. USA-s antakse lõnga number yardage-arvuga, mis ütleb, kui pikk on ühes naelas olev kiud või lõng jardides (yardage=yd/100lb) • Euroopas tähistatakse lõngad EVS-EN ISO 2078:2000 kohaselt. Tähis koosneb numbrite ja tähtede kombinatsioonist, mis määravad lõnga tüübi, numbri ja ehituse.

11. Näidis Näiteks tähis EC 9 34 Z 40 x2 S 150 tähendab keerutatud lõnga, kus: Lõnga keerud päri- ja vastupäeva

12. Süsinikkiud ja nendest valmistatud lõngad • Üksikut süsinikkiust koostatud kimpu (tow) ei saaks õigupoolest lõngaks nimetada, sest reeglina ei ole kiud keerdunud üksteise ümber või on vähekeerdunud (5-20 p/m). Tavaliselt koosnevad sellised kimbud 100, 3000, 6000, 12000, 24000 või 48000 filamendist. • Kimpude tähistamisel märgitakse filamentide arv tuhandetes sümboli ka ette (näit. 6K, 12K, 24K, 48K, 160K). Reeglina sisaldub tähises ka teave süsinikkiu tüübi, kiu pinnatöötlusviisi, pindamisel kasutatud aine ja pakkeviisi kohta. Sageli antakse lisaks kiu tihedus (g/cm3), üksikute filamentide diameeter (μm) ja lõnga kaal (mg/m).

13. Aramiid- ja polüetüleenkiust lõngad • Lõngade number antakse tex-väärtusena, kasutatakse ka varem laialdaselt kasutatud denier-väärtust. Denier-väärtus näitab grammides, milline on 9000 m pikkuse lõnga mass (denier=g/9000m). • Plastide armeerimiseks ettenähtud aramiidkiududest lõngasid toodetakse vahemikus 20-805 tex ja polüeteenlõngasid vahemikus 44-176 tex.

14. Levinuimaks klaaskiudarmatuuri kasutusvormiks on matt. Armatuurina kasutatavad klaaskiudmatid on enamasti lõigatud kiududest pulber- või emulsioonseotud (Choppedstrand mat, CSM). Selliste mattide erikaal on 300-750 g/m2, kuid saadaval on ka kergemaid ja raskemaid matte. Tüüpiliselt on kiudude pikkus on u. 50 mm kuid seegi pole absoluutne reegel; saadaval on ka matte, kus on kasutatud 3,2 mm (1/8“) pikkusi kiude. Pidevkiudmatte ja ruumilisi kangaid on saadaval ka pulberpinnatud preformidena. Tavaliselt on plastide armeerimiseks kasutatavad kangad kahemõõtmelised, ning nad moodustuvad kahest, teineteise suhtes risti asetsevast kiudude tasandist, kusjuures kiud on omavahel põimitud vastavalt kasutatud kudumisviisile. Kanga raskus ja laius sõltuvad kasutusotstarbest. Klaaskiudkangad on tavaliselt erikaaluga 25-6000 g/m2, klaaskiudrovingust kangad 400-900 g/m2, aramiidkiududest kangad 60-320 g/m2. Lintkangad on laiusega 10-210 mm ja muud kangad vahemikus 800-1500 mm. Matid ja kangad

15. Lihtsaimaks niidistuseks on labane niidistus (plain wave). Nn. panamaniidistuse (basket wave) korral kasutatakse kahte või enamat kiudu kõrvuti Lihtne niidistus on stabiilseim kuid vormitavuselt ja märgumisvõime osas tagasihoidlike omadustega. Satiinniidistusega kangad painduvad paremini ning sobivad paremini keeruliste kumerpindade valmistamisel. Armeeriva kanga niidistus

16. Märglamineerimine • Vaigu tehnoloogilistest omadustest on olulisemateks: • viskoossus, • töötlemisaeg • lenduvate ühendite kogus. • Neid kõiki mõjutavad välised tegurid, peamiselt töökeskkonna ja vaigu temperatuur ning õhuniiskus.

17. Vaakumkoti/surve kasutamine käsilamineerimisel 1. vorm 2. tugevdus- ja jäikusribid 3. laminaat 4. elastne membraan 5. vormi kaas 6. Kruvid 7. survetorustik

18. Märg-lamineerimisel esinevad defektid ja nende tavalisem põhjus

19. Prepreg- lamineerimine • Prepreg tarnitakse kilesse või kahe kile vahele pakituna. • Kile eemaldatakse vahetult enne või peale prepregi mõõtulõikamist. • Prepregi kihid asetatakse vormi soovitud järjekorras ja suunas. • Kihid rullitakse üksteise külge kinni võimalikult tihedalt vältides õhumullide jäämist kihtide vahele.

20. Prepreg-lamineerimise ja autoklaavkõvendamise eelised-puudused • Prepreg-lamineerimine koos kõvendamisega autoklaavis on eeskätt kasutusel vastutusrikkamate konstruktsioonielementide valmistamiseks, näiteks lennukitööstuse vajadusi silmas pidades. • Eesmärgiks on suuregabariidiliste toodete valmistamine suure tugevusega materjalist, tagades toodete ühtlane kvaliteet

21. Pihustuslamineerimine • Pihustuslamineerimise korral pihustatakse üheaegselt sarrus ja vaik spetsiaalse püstoli abil vormi pinnale. • Roving hakitakse püstolile kinnitatud lõikeseadmes soovitud pikkusega kiududeks. • Püstolis vaik ja kiud segunevad ja paisatakse püstoli suisest koos vormi pinnale

22. Mähkimine • Kiudude mähkimiseks immutatakse need eelnevalt vaiguga ja juhitakse pöörlevale vormile • Kui toote seinapaksus on piisva lastakse laminaadil kõveneda kärnil või toimetatakse koos kärniga kõvendusahju. • Kärn eemaldatakse peale laminaadi kõvenemist.

23. Reaktsioonvalu ehk RIM-protsess • Reaktsioonvalu, ehk RIM-protsess (Reaction Injection Moulding) on välja töötatud polüuretaanist vahtmaterjalide tootmiseks. • Kaks põhilist komponenti segatakse ja pressitakse (pihustatakse) suletud vormi. • Diskreetsete armatuurikiudude kasutamisel on meetodi tähisena levinud RRIM, milles esimene täht viitab armatuurile (Reinforced Reaction Injection Moulding).

24. Reaktsioonvalu ehk RIM-protsess • RIM meetodi korral kasutatakse lähtetoorainena polüooli ja isotsüanaati. • Komponendid segatakse ja tsirkuleeritakse torustikus pidevalt tardumise vältimiseks. • Injektsioon viiakse läbi spetsiaalse segamispea abil, millesse komponendid antakse kõrgsurvetorustiku kaudu. • Materjal pihustatakse vormi mõne sekundi jooksul sõltuvalt kasutatavatest materjalidest ja toote suurusest. • Tooraine tardumisaeg on väikeste detailide puhul 2-6 sekundit. • Vormimisaeg on 20-200 s. • Suurimad selle tehnoloogia abil valmistatavad tooted on kaaluga kuni 50 kg, millele vastab 1000 t. koormus vormi kokkusurumiseks.

25. Tsentrifugaalvalu • Tsentrifugaalvalu korral asetatakse armatuur pöördsümmeetrilise vormi sisse ja vorm pannakse pöörlema. • Seejärel valatakse või pihustatakse vaik ühtlase kihina vormi. • Tsentrifugaaljõu toimel imbub vaik armatuuri sisse ja õhumullid surutakse välja.

26. BMC ja SMC vormimine • Kuumpressimise on mitmeid teisendeid, mida võidakse käsitleda omaette valmistus­meetoditena. • Erinevus seisneb lähtematerjalides või pooltoodetes, mida pressitakse. • BMC (Bulk Moulding Compound) kujutab endast taignasarnast massi, mis sisaldab armatuuri ja täiteaineid ning mille kõvenemine toimub vormimisoperatsiooni käigus. • SMC (Sheet Moulding Compound) kujutab endast mõne millimeetri paksust termoreaktiivvaigul põhinevat painduvat leht-toorikut, mis sisaldab armatuuri ja täiteaineid. • BMC hulka kuulub ka TMC (Thick Moulding Compound), mis sobib mõlema: nii SMC- kui ka BMC protsessis kasutamiseks.

27. Eri valmistusmeetodite piirangud mõõtmetele ja kujule

28. Erinevate meetodite võrdlus tootmistehnilisest seisukohast

29. Maatriksimaterjalide hinnad

30. Armatuuri ja pooltoodete hinnad

31. Eri meetodite tootlikkust iseloomustavad näitajad ja käsitöö osa selles

32. Eri meetodite tüüpilised seadme- ja vormiinvesteeringu vajadus