Kon�truk�n� kompozity na b�zi polypropylenu (��st 1.)

Ke zvýšení vzájemné soudr�nosti fází a k omezení difuze cizích molekul mezifázovým rozhraním se povrch plniva upravuje tzv. apretací. Apretace znamená nanesení vhodné látky na povrch �ástic nebo vláken. Nej�ast�jšími apretacemi jsou r�zné typy silan� a organické slou�eniny titanu. Dokonalejší vzájemná soudr�nost mezi fázemi nemusí v�dy zlepšovat všechny mechanické vlastnosti kompozitu. U anorganických �ásticových plniv a vláknitých výztu�í vede ke zvýšení tuhosti a pevnosti, u kompozit� s �ásticovými plnivy obvykle zhoršuje hou�evnatost.

Nej�ast�jší rozd�lení kompozit� je podle materiál� matrice a podle tvaru sekundární fáze  - pojiva. V tomto p�ísp�vku budeme hovo�it o kompozitech s polymerní matricí a s �ásticovými nebo vláknitými plnivy. Na významu nabývají i hybridní systémy s kombinací �ásticových a vláknitých plniv.

Kompozity s �ásticovými plnivy

U polymerních kompozit� s �ásticovými plnivy jsou krom� tvaru �ástic d�le�ité jejich termomechanické vlastnosti - teplotní rozta�nost, tuhost, deforma�ní vlastnosti. Anorganická plniva - uhli�itan vápenatý, oxidy k�emíku, sklen�né kuli�ky o velikosti 5 a� 500 mikrometr�, mletá slída, talek, mikroskopické �ástice kov�, atp  - jsou tu�ší a obvykle i pevn�jší ne� polymerní matrice, ale jsou i málo plastické a proto jimi tvo�ené kompozity jsou tu�ší ne� matrice a podle plniva získávají i n�které speciální fyzikální a mechanické vlastnosti, nap�íklad v�tší elektrickou a teplotní vodivost, menší teplotní rozta�nost, lepší kluzné vlastnosti, apod. U termoplastických eleastomer� málo tuhé elastomerní �ástice, které se snadno deformují, zmenšují tuhost matrice a sou�asn� zv�tšují její hou�evnatost.

Kompozity s vláknitými plnivy

Pro dosa�ení po�adované tuhosti a pevnosti kompozitu je nutné zvolit vhodný typ vlákna a jeho objemový podíl v kompozitu. Jako vláknitá plniva se pou�ívají 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 napln�ní 5 a� 60 i více procent. Vn�jší síly jsou ve vláknitých kompozitech p�enášeny p�edevším vláknitou výztu�í, p�i�em� matrice zde má za úkol zajistit jejich vzájemnou soudr�nost a� do lomu kompozitu. P�i pou�ití vláknitých plniv jako plniv vyztu�ujících je d�le�itá jejich délka vzta�ená k jejich pr�m�ru. Délka izolovaného vlákna musí být delší ne� kritická, tj. delší ne� cca 10 jeho pr�m�r�. D�vodem tohoto po�adavku je skute�nost, �e konce vláken nep�enášejí tahová nap�tí. Maximální tahová nap�tí jsou dosa�ena a� ve vzdálenosti poloviny kritické délky vlákna. V reálných kompozitech je ur�itý objemový podíl vláken a kritická délka potom je závislá na jejich orientaci a objemovém podílu.

KOMPOZITY NA BÁZI POLYPROPYLENU

Pro� kompozity s polypropylenovou matricí

Jednu z odpov�dí nabízí automobilový pr�mysl, respektive tlak ekologických po�adavk� na sni�ování spot�eby dopravních prost�edk�, co� nutn� vede ke konstruk�ním zm�nám sni�ujícím nap�íklad hmotnost automobil�. Uvádí se, �e pokud dojde u osobního automobilu st�ední t�ídy ke sní�ení jeho hmotnosti o cca 100 kg, bude jeho spot�eba o cca 0, 35 litru paliva na sto kilometr� ni�ší, co� v p�epo�tu znamená sní�ení emisní zát�e oxidu uhli�itého zhruba o 10 g na jeden kilometr jeho jízdy. Pro mo�nost sni�ování hmotnosti automobil� se zásadním momentem stává volba vhodných materiálových �ešení pro výrobu jednotlivých komponent automobil�.

Do pop�edí zájmu automobilových konstruktér� vstupuje vývoj a výroba materiál� s novými u�itnými vlastnostmi, s nízkou hmotností p�i zachování po�adovaných vlastností, s nízkou ekologickou zát�í p�i jeho výrob� a zpracování, s dobrou recyklovatelností. Mezi materiály s popsanými vlastnostmi jednozna�n� pat�í polypropylen, zejména izotaktický typ PP. Své uplatn�ní v automobilech nachází jako základní materiál - matrice pro interiérové díly a to jak v kabin� posádky, tak v zavazadlovém prostoru a dále jako velkoplošné exteriérové díly typu nárazník nebo spoiler.  

Ze sv�tové spot�eby PP se ho v automobilovém pr�myslu spot�ebuje cca 15 %, p�i podílu cca 50 % z plast� aplikovaných v jednom osobním automobilu. Aplika�ní mo�nosti polypropylenu jsou dány jeho konkrétními modifikacemi a úpravami, proto�e jednotlivé skupiny automobilových díl� mají své specifické po�adavky na vlastnosti základních materiál�. Exteriérové aplikace vy�adují dobrou zpracovatelnost a tekutost (obvykle se jedná o velkoplošné výst�iky), minimalizaci tvorby povrchových vzhledových vad, schopnost lakování, tepelnou stabilitu, stabilitu proti UV zá�ení, rázovou hou�evnatost i p�i nízkých teplotách, atd.

U interiérových díl� p�evládají po�adavky na odolnost proti poškrábání, nízký stupe� zápachu a uvol�ování emisí, st�ední a� vysokou rázovou hou�evnatost, správný pom�r tuhosti a pevnosti, rozm�rovou stabilitu, po�adavky na lesk, p�ípadn� vlastnosti tlumící vibrace a zvuk, ho�lavost, apod. Výst�iky ur�ené do motorového prostoru musí mít vysokou tepelnou odolnost proti p�sobení zejména ropných látek, pevnost, rozm�rovou stabilitu, vysoký stupe� odolnosti proti ho�ení, apod.

Pro dosa�ení nastín�ných vlastností se pro výrobu konkrétních díl� pou�ívají kompozity a sm�si s matricí tvo�enou, nap�íklad polypropylenem. Obvyklé, základní slo�ení kompaudovaných polypropylenových materiál� se skládá z t�chto polo�ek:

• sm�s homo a kopolymer� PP, kde homo PP dodává tekutost a tuhost a kopolymer PP rázovou hou�evnatost, ur�uje výrobní smršt�ní, lakovatelnost, povrchový vzhled - tokové �áry, studené spoje, lesk, apod.
• modifikátory hou�evnatosti
• plniva - dodávají tuhost a ovliv�ují smršt�ní
• aditiva - ovliv�ují procesní stabilitu, teplotní odolnost, odolnost pov�trnostním vliv�m, ho�lavost, atd.
• barviva.

Nej�ast�jšími modifikátory ovliv�ujícími tuhost a hou�evnatost kompozit� s polypropylenovou matricí jsou:

• elastomerní �ástice
• plastifikátory
• dlouhá sklen�ná vlákna
• krátká sklen�ní vlákna.

Vst�ikování polypropylenu

Polypropylen lze zpracovávat tém�� všemi technologiemi ur�enými ke zpracování termoplast�. Pro aplikace polypropylenu v dílech pro automobilový pr�mysl je nej�ast�jší technologií technologie vst�ikování termoplast� ve všech modifikacích.

Polypropylen lze zpracovávat tém�� všemi technologiemi ur�enými ke zpracování termoplast�. Pro aplikace polypropylenu v dílech pro automobilový pr�mysl je nej�ast�jší technologií technologie vst�ikování termoplast� ve všech modifikacích.

Pro jeho relativn� snadné zpracování ho p�edur�ují i jeho výhodné vlastnosti:

 - velmi nízká navlhavost - polypropylen bez plniva má hodnotu nasákavosti pod 0, 1 % a tedy ho není nutno p�ed zpracováním sušit (konstatování platí pro správné skladování, p�i vzniku povrchové vlhkosti je nutné sušení p�i 80 °C po dobu cca 2 hodin), výjimku tvo�í kompozity PP s mastkem (tlakem, co� je anorganické plnivo na bázi k�emi�itan�), tyto materiály je nutno p�ed vst�ikováním sušit - cca 80 a� 110 °C, 4 a� 6 hodin

 - relativn� malá energetická náro�nost p�i výrob� výst�ik� - ve srovnání s ostatními konstruk�ními plasty jsou jeho zpracovatelské teploty ni�ší - od cca 200 do cca 260 °C, stejn� jako jsou ni�ší i teploty vst�ikovacích forem - 20 a� 60 °C

 - dobrá tepelná stabilita p�i zpracování - relativn� dlouhá výdr� na zpracovatelské teplot� a odolnost smykovému namáhání p�i plastikaci - mo�nost pou�ití vysokých otá�ek šneku a vysokých zp�tných odpor� na šneku

- nabídka širokého spektra typ� PP, v�etn� typ� s vysokou hodnotou indexu toku taveniny

- snadná barvitelnost

- recyklace - polypropylen bez výrazné ztráty mechanických vlastností snáší a� cca 10 recykla�ních cykl�, snadné zpracování vlastního výrobního odpadu, zpracování a� 100 % odpadu, snadná regranulace a následné zpracování regranulát�.

Mezi vlastnosti omezující aplika�ní mo�nosti PP je mo�no za�adit nízkou tuhost, nízkou hou�evnatost za sní�ených teplot, relativn� velké smršt�ní a jeho anizotropii, co� m��e vést k tvorb� propadlin a lunkr�, zejména v místech s v�tší tlouš�kou st�ny, tendenci k tvorb� studených spoj�, malou odolnost proti poškrábání, nutnost oxidace povrchu p�ed dodate�nými úpravami typu potisku, lepení, lakování, apod., vysoký sou�initel tepelné rozta�nosti ve srovnání s jinými konstruk�ními plasty a nízkou efektivní teplotní vodivost, která relativn� prodlu�uje dobu chlazení a tím i dobu výrobního cyklu výst�ik� z PP.

Negativním aplika�ním jevem je i náchylnost PP k degradaci vlivem p�sobení UV zá�ení. Pro zmírn�ní negativních vlastností se polypropylen obvykle, pro aplikace v automobilovém pr�myslu, nepou�ívá v �isté podob�, ale jako kopolymer, blend  -  sm�s, aditivovaný materiál a materiál napln�ný jak �ásticovými, tak i vláknitými plnivy. Polypropylen je z �asti krystalický materiál a stejn� jako u ostatních �áste�n� krystalických materiál�, podíl krystalické fáze ovliv�uje strukturu výst�ik� a tedy jejich mechanické vlastnosti. Krystalický podíl zvyšuje, tj. se zvyšujícím se jeho podílem stoupá, tuhost, pevnost, tvrdost výst�ik� a naopak klesá jejich hou�evnatost a rázová odolnost.

Podmínky ovliv�ující stupe� krystalického podílu ve výst�iku jsou zejména teplota, doba jejího p�sobení a místo - tlouš�ka st�ny na dílu. Rychlost ochlazování má zásadní vliv na nukleaci a vznik krystalického podílu, v�etn� jeho r�stu. Pomalé ochlazování  -  nízký gradient chlazení a vysoká teplota st�n tvarové dutiny formy vyvolají vysoký stupe� krystalizace. To má za následek lepší mechanické vlastnosti, ale i v�tší smršt�ní  -  krystalický podíl má uspo�ádanou strukturu na rozdíl od amorfního podílu - a menší rozmršt�ní. Rychlé ochlazování  -  rychlý pokles teploty taveniny v tvarové dutin� formy nedává �as na vytvo�ení v�tšího podílu krystalické struktury a díl má menší smršt�ní, ni�ší mechanické vlastnosti a v pr�b�hu doby jeho pou�ívání m��e docházet k dodate�né krystalizaci, dosmršt�ní a tedy ke zm�n� rozm�r� a deformacím.

V reálném vst�ikovacím procesu je obvykle nerovnom�rná temperance formy a proto ve výst�iku dochází k lokálním rozdíl�m v obsahu krystalické fáze, co� má za následek anizotropní vlastnosti díl�, tj. mechanických vlastností i smršt�ní, které nejsou ve výst�icích homogenní. Podmínky krystalizace, krom� popsaných parametr�, ovliv�ují i aditiva, která do svých granulát� vpravují p�íslušní výrobci. V p�ípad� kompozit� s polypropylenovou maticí jsou jejich zpracovatelské vlastnosti dané matricí a konkrétním typem plniva, v�etn� jeho obsahu v kompozitu.

2. �ást »