Ranforsarea cu fibre - anvelope
Grafitul este componentul principal al fibrei. Grafitul, o forma alotropica a carbonului, are o structura hexagonala in care legaturile hibridizate sp2. in interiorul straturilor planare hexagonale, genereaza cea mai mare rezistenta mecanica la tractiune si modul de elasticitate fata de toate materialele cunoscute. De asemenea, grafitul este puternic anizotropic, demonstrand proprietati diferite pe directii diferite cristalografice. Datorita anizotropiei grafitului, proprietatile diferite cerute pentru o aplicatie pot fi adaptate si utilizate intr-o serie de procese economice.
Fibra de carbon este constituita din manunchiuri 848e41i lungi ale planelor grafitice conectate, formand o structura cristalina de straturi paralele cu axa fibrei. Aceasta structura cristalina face ca fibra sa fie puternic anizotropica, cu un modul de elasticitate mai mare de GPa pe axa fata de GPa in afara axei.
Fibrele pot fi obtinute din cateva materiale precursoare diferite, metoda de producere fiind specifica fiecarui tip de precursor. Dintre acestea, cele mai utilizate sunt: rayonul, poliacrilonitrilul (PAN) si smoala mezofazica
Materialul precursor este modelat sub forma unui filament subtire. Filamentul este dupa aceea tratat termic in aer, cu o rata termica foarte mica, pentru a fi stabilizat si pentru a preveni topirea acestuia la temperaturile mai ridicate utilizate in etapele urmatoare. Fibra stabilizata este plasata intr-un mediu inert si tratata la aproximativ 1500°C, pentru eliminarea constituentilor necarbonici ai materialului precursor. Acest proces de piroliza, cunoscut sub numele de carbonizare, transforma fibra dintr-un manunchi de lanturi polimere intr-un manunchi de conexiuni de benzi planare grafitice, orientate oarecum aleatoriu prin fibra. Lungimea benzilor poate fi marita si orientarea axiala a acesteia imbunatatita printr-un proces termic suplimentar pana la 3000°C, proces numit grafitizare. Deaorece benzile grafitice sunt legate unele de celelalte, perpendicular pe axa fibrei, doar prin legaturi van der Waals, acestea trebuiesc reorientate in scopul cresterii rezistentei la tractiune a fibrei. Aceasta este realizata prin aplicarea unei tensiuni in unele puncte ale stabilizarii sau etapei de piroliza, timpul exact depinzand de materialul precursor. Crescand orientarea axiala, creste si rezistenta la tractiune a fibrei, prin realizarea unei intrebuintari mai bune a legaturilor covalente puternice, de-a lungul benzilor de plane grafitice. Fibrele rezultate, pot avea astfel o varietate de proprietati, bazate pe orientarea, spatierea si dimensiunea lanturilor grafitice produse prin variatia conditiilor de procesare.
Fibrele rayon
rayon, sunt obtinute printr-un proces suplimentar de tensionare prin intindere a fibrei de carbon, in etapa finala a tratamentului termic.
Fibrele PAN
o maniera similara fibrelor carbonice din rayon, cu exceptia faptului ca procesul de tensionare, relativ scump, este realizat in prima faza. Fibrele PAN sunt initial intinse intre 500-1300% si dupa aceea stabilizate in atmosfera oxidativa, la 200-280°C, sub tensiune. Fibra este dupa aceea carbonizata la o temperatura cuprinsa intre 1000-1500°C. Tratarea termica lenta mentine ordonarea moleculara aplicata prin tensionare in timpul etapei de stabilizare. Ultima etapa, grafitizarea, are loc la temperaturi mai mici de 2500°C. Aplicand o tensionare la 2000°C, se va obtine o crestere a ordonarii benzilor grafitice.
Fibrele din smoala mezofazica
Fibrele din rayon, PAN sau mezofaza, pot fi supuse unui tratament suplimentar de suprafata, realizand o acoperire chimica cu diferite metale, ceea ce va duce la prevenirea abraziunii fibrei si impiedicarea oxidarii acesteia la temperaturi ridicate.
Alti precursori ce ar putea fi utilizati la obtinerea fibrelor carbonice sunt: alcoolul polivinilic, poliamidele si fenolii. O conditie pentru a fi precursori in obtinerea fibrelor carbonice este ca acestia sa carbonizeze fara a se topi.
Ranforsarea granulara
modul de elasticitate si rezistenta mecanica ridicate. De fapt, atentia acordata de specialisti ranforsarilor cu fibre, in special urmarind punerea in valoare a proprietatilor mentionate anterior, a umbrit potentialul aplicatiilor si proprietatilor materialelor compozite obtinute prin ranforsare cu materiale nefibroase sau particule. In cele din urma expertii industriali au devenit mult mai interesati de a exploata beneficiile ce le ofera acest tip de ranforsare granulara, prin cresterea utilizarii ranforsarilor cu particule in polimeri, ceramici sau metale.
Ranforsarea granulara a matricelor polimerice poate asigura materiale cu proprietati imbunatatite, in comparatie cu cele ce nu folosesc ranforsari, acest tip de ranforsare putand fi chiar combinat cu cea fibrosa in scopul imbunatatirii performantelor sistemului.
De fapt, o fibra poate fi descrisa ca o particula avand un raport lungime:diametru mai mare de Un ranforsant granular poate fi descris ca 'un solide nefibros, de obicei sub forma foarte fin divizata, ce poate fi adaugat in proportii relativ mari la un polimer, din motive tehnice sau economice'.
Utilizarea unei ranforsari granulare in polimeri, ceramici sau metale, este determinata de mai multe motive, suplimentar fata de cel al reducerii costurilor produsului final. In cazul polimerilor, adaugarea particulelor determina o reducere a contractiei sau intinderii materialului in timpul procesarii. Reducerea acestor fenomene asigura beneficii importante cum ar fi evitarea aparitiei fisurilor in material. In acelasi timp, conductivitatea termica si electrica a ranforsantului poate fi mai mare decat cea a polimerului utilizat ca matrice. De aceea, un polimer ranforsat cu particule poate avea o conductivitate electrica sau termica mai mare comparativ cu cel neranforsat.
Exista mai multe tipuri de umpluturi granulare Acestea se pot clasifica in: minerale naturale sau sintetice, anorganice sau organice. Umpluturile minerale include: carbonat de calciu, feldspati, silica, talc, alumina etc. Dintre ranforsantii organici pot fi enumerati: faina de lemn, negru de fum, coji de nuci, coji de orez etc.
In acest sens, se poate spune ca anumiti ranforsanti granulari pot da un material compozit cu caracteristici speciale precum: conductivitate electrica, conductivitate termica, biodegrabilitate, termocromicitate, fotocromicitate, suprafata de frecare scazuta, densitate variabila, proprietatii magnetice etc.
In general, negrul de fum este folosit ca ranforsant in industria cauciucului si ca agent de colorare pentru plasticuri, cerneluri, vopseluri si hartie. De asemenea, el poate asigura conductivitatea electrica si termica a unui compozit polimeric. In functie de aplicatie, sortul si producatorul trebuiesc selectati cu grija, in scopul obtinerii unei performante optime.
Pe piata exista diferite tipuri comerciale de negru de fum. Diferentele includ marimea particulelor, distributia marimii particulelor, suprafata specifica, structura suprafetei, gradul de aglomerare, continutul de umiditate si impuritati precum metale, sulf, oxigen si hidrogen. Aceste diferente sunt datorate, de fapt, naturii materiei prime si metodelor de fabricatie utilizate in producerea diferitelor sorturi de negru de fum.
O serie de polimeri sunt susceptibili la fotodegradarea in timpul expunerii la lumina solara sau radiatie UV. O metoda eficace in reducerea sau eliminarea acestui efect, este adaugarea unei cantitati de masa de negru de fum la polimerii respectivi. Pe de alta parte, exista diferite sorturi de negru de fum, precum cel de acetilena si cel de furnal, foarte eficiente la asigurarea conductivitatii electrice intr-un compozit polimeric.
|
