Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalidvalmistustehnoloogia ja omadused

Renno Veinthal, Jaan Kerse-post: renno.veinthal@ttu.ee; jaan.kers@ttu.ee

Plastide valiku põhimõtted

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

Nõuded tootele

Vastab tarbija nõuetele Olema

konkurentsivõimeline Pakkuma kõrgemat

töökindlust või suuremat mugavust

Vastama rahalises väljenduses parimale hinna-kvaliteedi suhtele

Komposiitmaterjalide tehnoloogiate valik

Lamineerimis-meetodid

Pressimismeetodid

Käsi-lamineerimine

Pihustus-lamineerimine

Märg-lamineerimine

Kuiv lamineerimine e. prepreg-

lamineerimine

Mähkimine Survevormimine materjali etteandega

Survevormimine

külm-pressimine

kuum-pressimine

SMC-pressimineBMC- pressimine

GMT-pressimineprepregi pressimine

leht-vormimine

Injektsiooni-meetodid Ekstrusioon Pultrusioon

surve-injektsioon (RTM)

surve-valuvaakum-injektsioon

RIMleht-injektsioon

tsentri-fugaalvalu

Valtsimine

Vaikude omadused

Vinüülestrid Polüestrid Epoksiid

Adhesiivomadused Mehaanilised omadused Vastupanu pragude

tekkele (sitkus) Väsimustugevus Vastupanu vee (H2O)

kahjustusele

Kiud ja nede omadused

Armeerivad kiud: pidevkiud diskreetsete kiudud

Lühikesed kiud

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

Pidevad kiud

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.

Kiutoodete tähistamine

Pidevkiu läbimõõt e. paksus antakse tavaliselt mikromeetrites.

USA-s kasutatakse kiu läbimõõdu tähistamiseks alfabeetilist süsteemi.

Tähis Läbimõõt 10-4 in

Läbimõõt m

Tähis Läbimõõt 10-4 in

Läbimõõt m

A B C D E F G H J K

0,75±0,25 1,25±0,25 1,25±0,25 2,25±0,25 2,75±0,25 3,25±0,25 3,75±0,25 4,25±0,25 4,75±0,25 5,25±0,25

1,91±0,64 3,18±0,64 4,45±0,64 5,72±0,64 6,99±0,64 8,26±0,64 9,53±0,64 10,80±0,64 12,07±0,64 13,34±0,64

L M N O P Q R S T U

5,75±0,25 6,25±0,25 6,75±0,25 7,25±0,25 7,75±0,25 8,25±0,25 8,75±0,25 9,25±0,25 9,75±0,25 10,25±0,25

14,61±0,64 15,88±0,64 17,15±0,64 18,42±0,64 19,69±0,64 20,96±0,64 22,23±0,64 23,50±0,64 24,77±0,64 26,04±0,64

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.

Näidis

Lõnga keerud päri- ja vastupäeva

Näiteks tähis EC 9 34 Z 40 x2 S 150 tähendab keerutatud lõnga, kus:

E = klaaskiu tüüp, E-klaas C = pidevkiud (D- diskreetne kiud) 9 = kiu diameeter, μm 34 = lähtekiu tex- väärtus Z = lähtekiu keerdude suund; Z = päripäeva keerutatud 40 = lähtekiu keerdude arv meetri kohta X2 = keerutatud lähtekiudude arv; x2 = 2 kiudu kokkukeerutatud S = keritud lõnga kerimise suund; S = päripäeva 150 = lõnga keerde meetri kohta kokku

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).

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.

Matid ja kangad Levinuimaks klaaskiudarmatuuri

kasutusvormiks on matt. Armatuurina kasutatavad klaaskiudmatid on enamasti lõigatud kiududest pulber- või emulsioonseotud (Chopped strand 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.

Armeeriva kanga niidistus

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.

Stabiilsus Vormitavus Pinna tasasus Märgumine Lihtne niidistus Hea Vilets Ebaühtlane Aeglane Panamaniidistus Toimne niidistus

Satiinniidistus Vilets Hea Tasane Kiire

Märglamineerimine

Vaigu tehnoloogilistest omadustest on olulisemateks:

viskoossus, töötlemisaeg lenduvate ühendite kogus.

Neid kõiki mõjutavad välised tegurid, peamiselt töökeskkonna ja vaigu temperatuur ning õhuniiskus.

Vaakumkoti/surve kasutamine käsilamineerimisel

1. vorm 2. tugevdus- ja jäikusribid

3. laminaat 4. elastne membraan 5. vormi kaas

6. Kruvid 7. survetorustik

Märg-lamineerimisel esinevad defektid ja nende tavalisem põhjus

Defekt, puudus Võimalik põhjus Pinnaparagu Liiga kõrge temperatuur või mehaaniline pinge „Täht“ tüüpi defekt pinnal Löök Sisemine viga, kihtide eraldumine, delaminatsioon

Lamineerimist on jätkatud karestamata pinnal Liiga teravad nurgad, väikesed raadiused või liiga paks kiht lamineeritud ühekorraga Kihtide vahel mõjuvad nihkepinged ületatud ülekoormuse tulemusena Armatuur halvasti immutatud vaiguga

Põlemisjälg Liiga paks kiht lamineeritud korraga Liigne heledus Armatuuri niiskusesisaldus lubamatult suur

Armatuuri pinnatöötlusaine ja vaik ei sobi omavahel Laminaati on sattunud tööriistade puhastamiseks kasutatav atsetoon

Punane toon Liiga palju kõvendit Õhumullid Vähene rullimine Pehme ja mittekõvenenud laminaat

Ilma kiirendita vaik, vale doseerimine Liiga madal temperatuur Armatuuris liigne niiskus Õhuniiskus liiga suur Liiga õhuke laminaat (polüester) Kasutatud vaik nõuab järelkuumutamist

Valgumisnähud Liiga palju vaiku Liiga vähe tiksotroopseid manuseid

Laminaadi kõverdumine, kõmmeldumine

Ebasümmeetriline laminaat, lamineerimisjärjekord ebaõige Liiga vara vormist eemaldatud

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.

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

Eelis Puudus Laminaatide eriti kõrged füüsikalis-mehaanilised omadused

Kallid vormid

Poorsuse puudumine Aeglane lamineerimine, seda eriti keeruliste vormide korral

Kärgstruktuuride valmistamine võimalik Pikk kõvenemisaeg Kerge ja puhas lamineerimine Tooraine kõrge maksumus

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

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.

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).

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.

Eelised Puudused Lühike tsükliaeg Madal vormirõhk Kujutäpsed ja siledapinnalised detailid Suur elastsus

Madal elastsusmoodul, väike tugevus Kallid seadmed Nõudlikumates rakendustes on vaja toote pind värvida

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.

BMC ja SMC vormimine Kuumpressimise on mitmeid teisendeid,

mida võidakse käsitleda omaette valmistus meetoditena.

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.

Komponent Low-profile SMC Standardne BMC Vaik 20-27% 20% Klaaskiud 25-30% 15% Kaltsiumkarbonaat 40-50% 54% Kahanemist vähendav manus 9% Muud 3-5% 2%

Eri valmistusmeetodite piirangud mõõtmetele ja kujule

Märg-lamineeri-mine

Külmpressimine

Kuumpressimine

RTM SMC RRIM Pultrusioon Mähkimine

Vähim kumerusraadius (mm)

6 6 3 6 1,5 Pool paksusest

1,5 3

Avad tootes valmistamis-operatsiooni käigus

Ainult suured

Ei Jah Ei Jah Jah Ei Jah

Sisemised välised liugjuhikud

Keeruline Ei Ei Keeruline Jah Jah Jah Ei

Min. vajalik vormikalle

0 2-3 1-4 2-3 1-3 1-3 0-2 3

Min. paksus (mm) 1 2 0,8 2 1,3 2 1 0,25 Max. Paksus (mm) Piiranguteta 12 12 12 25 12,5 12,5 50+ Metalsed kinnituselemendid

Jah Ei Ei ole soovitav

Jah Jah Jah Ei Ei

Väljaulutavad astmed ja osad

Jah Ei ole soovitav

Keeruline Keeruline Jah Jah Ei Ei

Jäikusribid Ei Keeruline Keeruline Keeruline Jah Jah Pikkus-suunas

Keeruline

Õõnsad jäikusribid Jah Keeruline Keeruline Jah Ei Ei Pikkus-suunas

Ei

Vormitavaid pindasid 1 2 2 2 2 2 2 1

Erinevate meetodite võrdlus tootmistehnilisest seisukohast

Märglamineerimine

Külm- ja kuumpressi-

mine

RTM SMC RRIM Pultrusioon Mähkimine

Tootlikuim seeria suurus

Väike- keskmise suurusega

Väike- keskmise suurusega

Väike- keskmise suurusega

Suur Keskmine- suur Keskmine Väike-keskmine

Tk/ aastas 1-1000 1000-10 000 1000-2000 1000-100 000 15 000-100 000 1000m- 10 000m

1-1000

Vormis olemise aeg 5 min- 24 h 20-30 min 10-20 min 1-2 min Pidev 5 min-tunde Max suurus 300 m2 4,5 m2 Tugevusklass Keskmine Madal Madal-

keskmine Madal-

keskmine Madal Suur Suur

Tüüpiline armatuurisisaldus

20-40 20-40 15-30 15-35 5-25 30-75 60-90

Suunatud tugevusomadused

Võimalik, ühtlane

Ühtlane Ühtlane Ühtlane Ühtlane, osalt voolamise

suunas

Suunatud Suunatud

Pinnaviimistlus Pinnakvaliteet väga hea Hea Väga hea Hea Väga hea Keskmine-hea keskmine Gelcoat pind Jah Ei Jah Ei Ei Ei Ei Pinnakangad Jah Ei Jah Ei Ei Jah Jah Pinnakiled Jah Ei Jah Ei Ei Ei Jah Vormi, tööriistadega seotud kulud

Madalad Keskmised Keskmised Kõrged Madalad-keskmised

Madalad Madalad

Investeeringud sisseseadesse

Madalad Kõrged Keskmised Kõrged Keskmised Keskmised Keskmised

Maatriksimaterjalide hinnad

Materjal Hind, €/kg

Materjal Hind, €/kg

Polüester, tavakvaliteet 2-2,5 Epoksü 8-50 Polüester, keemiliselt inertne 2,5-4 Polüeteen 1-2 Vinüülester 3-5 Polüpropüleen 1,5-3 Uretaan 2-4

Armatuuri ja pooltoodete hinnad

Armatuur Hind, €/kg Armatuur/ e-klaaskiud

Roving 1,5-2 Lõng 3-5 Kiudmatt 3-4 Pidevkiudmatt 4-5 Kangas rovingist 3-4 Kangas lõngast 15-30

Pooltooted/E-klaaskiud BMC 3-4 SMC 3-4 GMT 4-5 Prepreg/epoksü, kangas lõngast 25-40 Lint, ühesuunaline 10-20

Survevalugranulaat PA 66, 30% klaaskiudu 2-4

Aramiid Lõng 30 Kangas lõngast 40-60 Prepereg/ epoksü, kangas lõngast 60-100 Lint, ühesuunaline 40-60

Süsinikkiud Süsinikkiu kimp (HS kvaliteet) 17-25 Lõng 20-30 Prepereg/ epoksü, ühesuunaline kangas 30-60 Prepereg/ epoksü, kangas lõngast 40-100

Eri meetodite tootlikkust iseloomustavad näitajad ja käsitöö osa selles

Meetod Tootlikkus kg/h Keskmise suurusega toode, kg

Töö osa kogukuludes, %

Käsilamineerimine Väikesed tooted 1-5 2-10 60-70 Suured tooted 5-15 20-200 40-60

Pihustuslamineerimine 10-30 10-30 30-50 Vaakumkotis vormimine

3-6 10-30 40-60

Külmpressimine 10-30 5-15 25-40 Kuumpressimine 20-50 5-15 25-40 RTM 20-40 5-30 15-30 RRIM 10-40 2-8 20-40 SMC 20-100 2-10 10-30 GMT 10-40 2-10 15-35 Pultrusioon 10-30 - 20-30 Mähkimine 5-50 5-50 15-30

Eri meetodite tüüpilised seadme- ja vormiinvesteeringu vajadus

Meetod Kulud vormile, keskmine

võrdlustoode x 1000 €

Investeeringud seadmetesse x 1000€

Käsilamineerimine 1-2 3-15 Pihustuslamineerimine 1-2 10-30 Vaakumkotis vormimine

1-2 10-30

Külmpressimine 2-3 30-50 Kuumpressimine 5-8 50-150 RTM 2-3 15-30 RRIM 5-10 50-100 SMC 10-30 100-300 GMT 10-30 100-300 Pultrusioon 3-5 100-250 Mähkimine 3-20 50-200