Zkou�ka 3-bodov�m ohybem plast� vyztu�en�ch celul�zov�mi nanovl�kny

P�idání vlákna nebo jiného vyztu�ení materiál� je jednou z technik, jak dosáhnout uspokojivých výsledk� pevnosti materiál�, ve kterých se up�ednost�uje také jejich nízká hmotnost a tepeln� izola�ní vlastnosti. A�koli se jako výztu� materiál� �asto pou�ívají sklen�ná vlákna a uhlíková vlákna, velmi rychle postupuje i výzkum a vývoj nanovláken celulózy (dále jen CNF – cellulose nanofibers) jako rostlinného derivátu.

Celulóza, získaná p�evá�n� z rostlin a jejich bun��ných st�n �i bavlny, je nej�ast�jší uhlohydrát na Zemi a ji� dlouho se pou�ívá jako surovina, materiál pro výrobu papíru a bavln�ného vlákna. Nedávno vzbudila zájem CNF v nano rozm�rech s vyšší funk�ností získaná defibrací celulózy. Jako materiál získávaný z rostlin má CNF nízký dopad na �ivotní prost�edí a také má �adu �ádaných vlastností, v�etn� nízké lineární expanze, vlastnost tvo�ení plynové bariéry nebo pr�hlednost. Ve srovnání se �eleznými materiály vá�í CNF pouze 1/5 hmotnosti, ale má vysokou specifickou pevnost, která je 5krát vyšší ne� pevnost oceli. Shodnou pevnost nebo lepší ne� u konven�ních materiál� lze realizovat smícháním CNF s plasty a gumou. CNF proto na sebe p�itahuje zájem jako nový materiál nahrazující uhlíková vlákna.

Obr. 1 Trhací a zkušební stroj Shimadzu AGS-X

Tento �lánek p�edstavuje t�íbodovou zkoušku ohybem materiál� CNF. Trhací a zkušební stroj Shimadzu AGS-X byl vybaven ohybovým p�ípravkem se sníma�em pr�hybu a zkušební rychlost byla v souladu s normou ISO 178 (JIS K 7171), která se obecn� pou�ívá v hodnocení pevnosti plast� a porovnává rozdíly v pevnosti v ohybu s/bez CNF a s/bez p�n�ní.

Vzorky pro zkoušku ohybem

Plast vyztu�ený CNF pou�itý pro tuto studii byl polyetylen s vysokou hustotou (dále HDPE). Zkušební vzorky byly p�ipraveny p�idáním 5 % CNF do HDPE. P�ed zkouškami bylo provedeno zkoumání rozdíl� vnit�ní struktury, pomocí rentgenového CT mikroskopu Shimadzu - inspeXio SMX 100CT.

Obr. 1 zachycuje na CT obrázcích vzorky, ve kterých dutiny se jeví jako �erné oblasti. Není velký rozdíl mezi nep�novým plastem bez CNF (①) a nep�novým plastem vyztu�eným CNF (②). V p�nových plastech, bylo zjišt�no, �e ve CNF vyztu�eném plastu (④) existují jemn�jší rovnom�rn� rozptýlené dutiny ne� v plastu bez CNF. Tím se vysv�tluje, �e CNF brání r�stu a slou�ení dutin.

Obr. 2 snímky z rentgenového CT p�ístroje Shimadzu inspeXio SMX-100CT

Zkušební trhací stroj

Na obr. 3 je zachycen vzorek p�ed testem a tab. 1 dokládá zkušební podmínky. Po zm��ení momentu pru�nosti v ohybu se zm�nila zkušební rychlost, aby se efektivn� zm��ila pevnost v ohybu. Pro p�esné m��ení pr�hybu vzorku se pou�il sníma� pr�hybu.

Obr. 3 zkušební vzorek

Tab. 1 zkušební podmínky

Zkušební výsledky

Obr. 4 zachycuje výsledky test�. U plast� vyztu�ených CNF (②, ④) došlo, jak je vid�t, ke k�ehkému lomu, co� dokládá prudký pokles zkušební síly po dosa�ení maximální síly. Plasty jiné ne� CNF (①, ③) vykazují tvárné chování, p�i kterém testovací síla klesá postupn�.

Obr. 4 graf ohybové zkoušky

Tabulka 2 shrnuje výsledky test� pro všechny vzorky. Modul pru�nosti v ohybu byl vypo�ítán ze sklonu deformace p�i ohybu 0,05 % a� 0,25 %.

Porovnáním hodnot HDPE bez CNF (①, ③) a hodnot plast� vyztu�ených CNF (②, ④), je vid�t, �e v obou p�ípadech vykazuje plast vyztu�ený CNF vyšší hodnoty pevnosti a modulu pru�nosti v ohybu. Navíc porovnání varia�ních koeficient� pevnosti v ohybu plastové p�ny HDPE (③) a plastové p�ny vyztu�ené CNF (④), bylo zjišt�no, �e variace plastu vyztu�eného CNF byla menší.

Tab. 2 souhrn zkušebních výsledk� (pr�m�r ze t�í vzork�) 

Záv�r

P�idáním CNF bylo mo�né zvýšit modul v ohybu a pevnost v ohybu plastu. Krom� vylepšení t�chto vlastností bylo v p�ípad� z plastové p�ny také zjišt�no, �e p�idáním CNF je mo�né vytvo�it stabilní plast s rovnom�rnou velikostí dutin.

A�koli jsou pro aplikace kompozitních materiál� s CNF vy�adovány r�zné zkoušky a testy, vyhodnocení pevnosti materiálu je jedním z klí�ových parametr�. V uvedené studii bylo mo�né vyhodnotit pr�hyb vzorku velmi p�esn�, proto�e zkušební stroj AGS-X byl vybaven i sníma�em pr�hybu. Studie tedy potvrzuje krom� jiného, �e zkušební stroje Shimadzu jsou vhodné pro vyhodnocování mechanických vlastností materiál� vyztu�ených celulózovými nanovlákny.