• Home
  • Features
  • Mechanical Composites based on polypropylene (Part 1)

Mechanical Composites based on polypropylene (Part 1)

  • 31.12.2013
Mechanical Composites based on polypropylene (Part 1)

Composites are heterogeneous systems consisting of at least two phases, usually of different chemical composition, which differ in their physical and mechanical properties. Phase separated interface are almost always in the solid state. One of the stages - primary - functions as a binder and is called the matrix, others - secondary phase - are formed in polymer composites filled - usually spherical in shape, platelet, fibrous.

Ke zvýšení vzájemné soudržnosti fází a k omezení difuze cizích molekul mezifázovým rozhraním se povrch plniva upravuje tzv. apretací. Apretace znamená nanesení vhodné látky na povrch částic nebo vláken. Nejčastějšími apretacemi jsou různé typy silanů a organické sloučeniny titanu. Dokonalejší vzájemná soudržnost mezi fázemi nemusí vždy zlepšovat všechny mechanické vlastnosti kompozitu. U anorganických částicových plniv a vláknitých výztuží vede ke zvýšení tuhosti a pevnosti, u kompozitů s částicovými plnivy obvykle zhoršuje houževnatost.

Nejčastější rozdělení kompozitů je podle materiálů matrice a podle tvaru sekundární fáze  - pojiva. V tomto příspěvku budeme hovořit o kompozitech s polymerní matricí a s částicovými nebo vláknitými plnivy. Na významu nabývají i hybridní systémy s kombinací částicových a vláknitých plniv.


Kompozity s částicovými plnivy

U polymerních kompozitů s částicovými plnivy jsou kromě tvaru částic důležité jejich termomechanické vlastnosti - teplotní roztažnost, tuhost, deformační vlastnosti. Anorganická plniva - uhličitan vápenatý, oxidy křemíku, skleněné kuličky o velikosti 5 až 500 mikrometrů, mletá slída, talek, mikroskopické částice kovů, atp  - jsou tužší a obvykle i pevnější než polymerní matrice, ale jsou i málo plastické a proto jimi tvořené kompozity jsou tužší než matrice a podle plniva získávají i některé speciální fyzikální a mechanické vlastnosti, například větší elektrickou a teplotní vodivost, menší teplotní roztažnost, lepší kluzné vlastnosti, apod. U termoplastických eleastomerů málo tuhé elastomerní částice, které se snadno deformují, zmenšují tuhost matrice a současně zvětšují její houževnatost.


Kompozity s vláknitými plnivy

Pro dosažení požadované tuhosti a pevnosti kompozitu je nutné zvolit vhodný typ vlákna a jeho objemový podíl v kompozitu. Jako vláknitá plniva se používají vlákna ze skla typu E nebo S, uhlíková vlákna typu 1, 2, 3, vlákna borová, ocelová, beryliová, wolframová, kevlarová, organická - konopí, len, sisál, apod., v objemovém naplnění 5 až 60 i více procent. Vnější síly jsou ve vláknitých kompozitech přenášeny především vláknitou výztuží, přičemž matrice zde má za úkol zajistit jejich vzájemnou soudržnost až do lomu kompozitu. Při použití vláknitých plniv jako plniv vyztužujících je důležitá jejich délka vztažená k jejich průměru. Délka izolovaného vlákna musí být delší než kritická, tj. delší než cca 10 jeho průměrů. Důvodem tohoto požadavku je skutečnost, že konce vláken nepřenášejí tahová napětí. Maximální tahová napětí jsou dosažena až ve vzdálenosti poloviny kritické délky vlákna. V reálných kompozitech je určitý objemový podíl vláken a kritická délka potom je závislá na jejich orientaci a objemovém podílu.


KOMPOZITY NA BÁZI POLYPROPYLENU

Proč kompozity s polypropylenovou matricí

Jednu z odpovědí nabízí automobilový průmysl, respektive tlak ekologických požadavků na snižování spotřeby dopravních prostředků, což nutně vede ke konstrukčním změnám snižujícím například hmotnost automobilů. Uvádí se, že pokud dojde u osobního automobilu střední třídy ke snížení jeho hmotnosti o cca 100 kg, bude jeho spotřeba o cca 0, 35 litru paliva na sto kilometrů nižší, což v přepočtu znamená snížení emisní zátěže oxidu uhličitého zhruba o 10 g na jeden kilometr jeho jízdy. Pro možnost snižování hmotnosti automobilů se zásadním momentem stává volba vhodných materiálových řešení pro výrobu jednotlivých komponent automobilů.

 

Do popředí zájmu automobilových konstruktérů vstupuje vývoj a výroba materiálů s novými užitnými vlastnostmi, s nízkou hmotností při zachování požadovaných vlastností, s nízkou ekologickou zátěží při jeho výrobě a zpracování, s dobrou recyklovatelností. Mezi materiály s popsanými vlastnostmi jednoznačně patří polypropylen, zejména izotaktický typ PP. Své uplatnění v automobilech nachází jako základní materiál - matrice pro interiérové díly a to jak v kabině posádky, tak v zavazadlovém prostoru a dále jako velkoplošné exteriérové díly typu nárazník nebo spoiler.  

Ze světové spotřeby PP se ho v automobilovém průmyslu spotřebuje cca 15 %, při podílu cca 50 % z plastů aplikovaných v jednom osobním automobilu. Aplikační možnosti polypropylenu jsou dány jeho konkrétními modifikacemi a úpravami, protože jednotlivé skupiny automobilových dílů mají své specifické požadavky na vlastnosti základních materiálů. Exteriérové aplikace vyžadují dobrou zpracovatelnost a tekutost (obvykle se jedná o velkoplošné výstřiky), minimalizaci tvorby povrchových vzhledových vad, schopnost lakování, tepelnou stabilitu, stabilitu proti UV záření, rázovou houževnatost i při nízkých teplotách, atd.

U interiérových dílů převládají požadavky na odolnost proti poškrábání, nízký stupeň zápachu a uvolňování emisí, střední až vysokou rázovou houževnatost, správný poměr tuhosti a pevnosti, rozměrovou stabilitu, požadavky na lesk, případně vlastnosti tlumící vibrace a zvuk, hořlavost, apod. Výstřiky určené do motorového prostoru musí mít vysokou tepelnou odolnost proti působení zejména ropných látek, pevnost, rozměrovou stabilitu, vysoký stupeň odolnosti proti hoření, apod.

Pro dosažení nastíněných vlastností se pro výrobu konkrétních dílů používají kompozity a směsi s matricí tvořenou, například polypropylenem. Obvyklé, základní složení kompaudovaných polypropylenových materiálů se skládá z těchto položek:

  • směs homo a kopolymerů PP, kde homo PP dodává tekutost a tuhost a kopolymer PP rázovou houževnatost, určuje výrobní smrštění, lakovatelnost, povrchový vzhled - tokové čáry, studené spoje, lesk, apod.
  • modifikátory houževnatosti
  • plniva - dodávají tuhost a ovlivňují smrštění
  • aditiva - ovlivňují procesní stabilitu, teplotní odolnost, odolnost povětrnostním vlivům, hořlavost, atd.
  • barviva.

Nejčastějšími modifikátory ovlivňujícími tuhost a houževnatost kompozitů s polypropylenovou matricí jsou:

  • elastomerní částice
  • plastifikátory
  • dlouhá skleněná vlákna
  • krátká sklenění vlákna.


Vstřikování polypropylenu

Polypropylen lze zpracovávat téměř všemi technologiemi určenými ke zpracování termoplastů. Pro aplikace polypropylenu v dílech pro automobilový průmysl je nejčastější technologií technologie vstřikování termoplastů ve všech modifikacích.

Polypropylen lze zpracovávat téměř všemi technologiemi určenými ke zpracování termoplastů. Pro aplikace polypropylenu v dílech pro automobilový průmysl je nejčastější technologií technologie vstřikování termoplastů ve všech modifikacích.

Pro jeho relativně snadné zpracování ho předurčují i jeho výhodné vlastnosti:

 - velmi nízká navlhavost - polypropylen bez plniva má hodnotu nasákavosti pod 0, 1 % a tedy ho není nutno před zpracováním sušit (konstatování platí pro správné skladování, při vzniku povrchové vlhkosti je nutné sušení při 80 °C po dobu cca 2 hodin), výjimku tvoří kompozity PP s mastkem (tlakem, což je anorganické plnivo na bázi křemičitanů), tyto materiály je nutno před vstřikováním sušit - cca 80 až 110 °C, 4 až 6 hodin

 - relativně malá energetická náročnost při výrobě výstřiků - ve srovnání s ostatními konstrukčními plasty jsou jeho zpracovatelské teploty nižší - od cca 200 do cca 260 °C, stejně jako jsou nižší i teploty vstřikovacích forem - 20 až 60 °C

 - dobrá tepelná stabilita při zpracování - relativně dlouhá výdrž na zpracovatelské teplotě a odolnost smykovému namáhání při plastikaci - možnost použití vysokých otáček šneku a vysokých zpětných odporů na šneku

- nabídka širokého spektra typů PP, včetně typů s vysokou hodnotou indexu toku taveniny

- snadná barvitelnost

- recyklace - polypropylen bez výrazné ztráty mechanických vlastností snáší až cca 10 recyklačních cyklů, snadné zpracování vlastního výrobního odpadu, zpracování až 100 % odpadu, snadná regranulace a následné zpracování regranulátů.

Mezi vlastnosti omezující aplikační možnosti PP je možno zařadit nízkou tuhost, nízkou houževnatost za snížených teplot, relativně velké smrštění a jeho anizotropii, což může vést k tvorbě propadlin a lunkrů, zejména v místech s větší tloušťkou stěny, tendenci k tvorbě studených spojů, malou odolnost proti poškrábání, nutnost oxidace povrchu před dodatečnými úpravami typu potisku, lepení, lakování, apod., vysoký součinitel tepelné roztažnosti ve srovnání s jinými konstrukčními plasty a nízkou efektivní teplotní vodivost, která relativně prodlužuje dobu chlazení a tím i dobu výrobního cyklu výstřiků z PP.

Negativním aplikačním jevem je i náchylnost PP k degradaci vlivem působení UV záření. Pro zmírnění negativních vlastností se polypropylen obvykle, pro aplikace v automobilovém průmyslu, nepoužívá v čisté podobě, ale jako kopolymer, blend  -  směs, aditivovaný materiál a materiál naplněný jak částicovými, tak i vláknitými plnivy. Polypropylen je z časti krystalický materiál a stejně jako u ostatních částečně krystalických materiálů, podíl krystalické fáze ovlivňuje strukturu výstřiků a tedy jejich mechanické vlastnosti. Krystalický podíl zvyšuje, tj. se zvyšujícím se jeho podílem stoupá, tuhost, pevnost, tvrdost výstřiků a naopak klesá jejich houževnatost a rázová odolnost.

Podmínky ovlivňující stupeň krystalického podílu ve výstřiku jsou zejména teplota, doba jejího působení a místo - tloušťka stěny na dílu. Rychlost ochlazování má zásadní vliv na nukleaci a vznik krystalického podílu, včetně jeho růstu. Pomalé ochlazování  -  nízký gradient chlazení a vysoká teplota stěn tvarové dutiny formy vyvolají vysoký stupeň krystalizace. To má za následek lepší mechanické vlastnosti, ale i větší smrštění  -  krystalický podíl má uspořádanou strukturu na rozdíl od amorfního podílu - a menší rozmrštění. Rychlé ochlazování  -  rychlý pokles teploty taveniny v tvarové dutině formy nedává čas na vytvoření většího podílu krystalické struktury a díl má menší smrštění, nižší mechanické vlastnosti a v průběhu doby jeho používání může docházet k dodatečné krystalizaci, dosmrštění a tedy ke změně rozměrů a deformacím.

V reálném vstřikovacím procesu je obvykle nerovnoměrná temperance formy a proto ve výstřiku dochází k lokálním rozdílům v obsahu krystalické fáze, což má za následek anizotropní vlastnosti dílů, tj. mechanických vlastností i smrštění, které nejsou ve výstřicích homogenní. Podmínky krystalizace, kromě popsaných parametrů, ovlivňují i aditiva, která do svých granulátů vpravují příslušní výrobci. V případě kompozitů s polypropylenovou maticí jsou jejich zpracovatelské vlastnosti dané matricí a konkrétním typem plniva, včetně jeho obsahu v kompozitu.

2. část »

  • autor:
  • Lubomír Zeman


    You might also be interested