Jdi na obsah Jdi na menu
 


Vlastnosti některých laminátů určených pro výrobu potrubí

23. 7. 2013

 

1.  Pevnost kompozitů UP (pryskyřice z nenasycených polyesterů)/ jednosměrná skleněná výztuž

            U jednosměrnými skleněnými vlákny vyztužených polyesterů a epoxidů je dosahována poměrně vysokého obsahu skla (60-85 hmot.%), což umožňuje dosahovat ve směru hlavní materiálové osy vynikajících tuhostí i pevností blížících se vlastnostem samotných skleněných vláken. Pevnosti těchto materiálů měřené v ohybu jsou v intervalu 1000-1600 MPa, pevnosti v tahu dosahují hodnot 650-1100 MPa a hodnoty pevnosti v tlaku leží obvykle v intervalu 400-700 MPa. Tyto hodnoty jsou řádově vyšší než hodnoty příčné pevnosti, které leží pro namáhání v tahu v intervalu 30-80 MPa, pro tlak v rozpětí 170-220 MPa. Tato pozorovaná skutečnost je důkazem obrovské neizotropie kompozitů s jednosměrně orientovanými výztužemi. Smyková pevnost tohoto typu kompozitů leží v intervalu 50-90 MPa.
            Úhlová závislost pevnosti v tahu a tlaku je nejsilnější pro vnější napětí působící pod velmi malým úhlem vzhledem k ose x (kolem 10o). Padesátiprocentní pokles limitní pevnosti nastává už při deviaci o 7o. Tento fakt je nesmírně důležitým pro výrobce tohoto typu materiálů. Pokud v důsledku nekvalitní technologie dochází k větším fluktuacím orientace vláken byť jen v malém okruhu úhlů kolem hlavního směru, projeví se to velmi negativně na výsledných pevnostech měřených například na tažené kompozitní tyčovině. Pouze velmi sofistikovaná technologie a dostatečná kontrola kvality může zaručit, že vyrobený jednosměrný kompozit bude mít požadované vlastnosti.
 

2.  Pevnost kompozitů UP/ tkaná skleněná výztuž

 
            Nejčastěji se setkáváme v literatuře s hodnotami pevností těchto materiálů měřených při namáhání uniaxiálním tahem nebo tlakem. Z konstrukčního hlediska je velmi významným i namáhání v ohybu, které má však charakter kombinovaného namáhání, protože i v tom nejjednodušším případě štíhlých trámečků namáhaných centrální silou se jedná o složené namáhání (tah, tlak, interlaminární smyk).
 
 
Obsah skla [hmotnostní %]
45
50
55
60
pevnost v tahu [MPa]
230
280
320
350
pevnost v tlaku [MPa]
200
220
250
260
pevnost v ohybu [MPa]
400
430
450
480
smyková pevnost v rovině materiálu [MPa]
-
95
110
-
interlaminární pevnost [MPa]
18
25
26
29
Tabulka vlastností laminátu s různými obsahy skla
            Jak vyplývá z Tabulky největší pevnosti je dosahováno ve směru hlavní orientace vyztužujících vláken a minimální je pevnost ve směru svírajícím s tímto směrem úhel 45o. V tomto směru je pevnost kompozitu dána pevností nebo smykovou pevností pryskyřice, kdežto ve směru maximální pevnosti je určující komponentou pevnost výztuže. Pryskyřice rovněž určuje maximální teplotu média, pro které se potrubí používá. Vlastnosti některých pryskyřic jsou uvedeny v následující tabulce:

Druh pryskyřice

Modul pružnosti MPa

Poissonovo číslo

Pevnost vtahu   MPa

Hustota

kg/m3

Maximální teplota °C

epoxidová

4500

0,4

130

1200

90 až 200

polyesterová

4000

0,4

80

1200

60 až 100

fenolová

3000

0,4

70

1300

120 až 200

polyimidová

4000 až 19000

0,35

70

1400

250 až 300

Tabulka vlastností pryskyřic 
               Je rovněž zřejmé, že úhlová závislost pevnosti je pro UP vyztužený kontinuální skleněnou tkaninou příznivější než pro UP vyztužený krátkými skleněnými vlákny ve formě netkané rohože jenom ve směrech odchylujících se od směru vláken o 17o. Ve zbývajících směrech jsou vlastnosti kvaziizootropního kompozitu vyztuženého netkanou náhodně orientovanou rohoží z krátkých vláken lepší než kompozitu vyztuženého běžnou skleněnou tkaninou. Vlastnosti vlákna jsou v následující tabulce:

Druh vlákna

Modul pružnosti v tahu MPa

Modul pružnosti ve smyku MPa

Pevnost v tahu   MPa

Hustota

kg/m3

sklo

74000

30000

2100

2500

 

 

 

 

 

Tabulka vlastností vláken
            Všechny dosud diskutované výsledky byly hodnoceny z hlediska limitní pevnosti kompozitního materiálu, tedy hodnoty napětí, při kterém dojde k lomu kompozitního tělesa. V mnoha případech je však nutno zvažovat i jiná lomová kritéria, kdy nedojde k úplnému lomu kompozitního tělesa a k separaci na dvě části, ale kdy dochází ke vzniku trvalého poškození, které se může do lomu vyvinout při déletrvajícím zatížení nebo může podstatně zmenšit odolnost kompozitního materiálu vůči působení agresivních prostředí. Takovými procesy jsou odtržení matrice od výztuže a napětí, při kterém dochází k lomu pryskyřice. Tyto faktory se nejkritičtěji projevují při příčném zatížení. V Tabulce uvedená data jsou více méně orientační.
 
Materiál
úhel měření [o]
napětí pro odtržení [MPa]
lom matrice [MPa]
limitní pevnost [MPa]
Skleněná tkanina/ UP (hrubá)
0
32
105
250
Skleněná tkanina/ UP (jemná)
0
94
105
230
Skleněná tkanina/ UP (jemná)
15
92
98
211
Skleněná tkanina/ UP (jemná)
30
92
92
192
Skleněná tkanina/ UP (jemná)
45
92
92
183
Tabulka Typické hodnoty sekundárních kritických napětí v systémech UP/tkaná skleněná výztuž, obsah skla 50 hmot.%.
            Počátek odtrhování matrice od výztuže byl měřen akustickou emisí a objevil se při vnější deformaci kolem 0,2%. Množství vláken, od kterých se matrice odtrhla postupně roste, až po napětí 105 MPa, kdy začne praskat matrice. Tato hodnota odpovídá i poloze zlomu na závislosti u tohoto typu Při dalším zvyšování zátěže dochází ke konečnému lomu při napětí 250 MPa a při deformaci 1,8%.
            Méně častými jsou hodnoty smykové pevnosti, a to z důvodů větší experimentální náročnosti jejich měření. Pro dlouhovláknové polyesterové kompozity se pevnost  pohybuje obvykle v intervalu 80-120 MPa. Jak lze očekávat, je pevnost ve smyku největší při zatěžování pod úhlem 45o vzhledem k hlavní materiálové ose kompozitu.
 
Materiál
Podélná napětí
Příčná napětí
Smyková napětí [MPa]
tah [MPa]
tlak [MPa]
tah [MPa]
tlak [MPa]
polyester/E-sklo
650-950
600-900
20-25
90-120
45-60
epoxy/uhlík
850-1500
700-1200
35-40
130-190
60-75
epoxy/Kevlar
1100-1250
240-290
30-40
110-140
40-60
Tabulka Typické hodnoty pevností kompozitu vyztuženého jednosměrně orientovanými vlákny (vf=0.5).
 

3. Vlastnosti laminátu potrubí podle normy

V ČSN EN ISO 14692-3(450040) Naftový a plynárenský průmysl – Sklolaminátové potrubí (GRP)- Část 3: Systém návrhu potrubí jsou vedeny jako nejběžnější tyto vlastnosti laminátového potrubí pro: Obsah pryskyřice (EP,VE nebo UP): 45%, Obsah skla (vláknitá výztuž): 55%
 
Vlastnost
Jednotka
Hodnota
Obvodový modul pružnosti v tahu
MPa
22 000
Poissonův poměr (obvodový/osový)
-
0,55
Osový modul pružnosti v tahu
MPa
12 000
Poissonův poměr (osový/obvodový)
-
0,3
Smykový modul pružnosti
MPa
10 000
Tepelná roztažnost obvodová
10-6 mm/mm/K
13
Tepelná roztažnost osová
10-6 mm/mm/K
18
Tabulka Základní technické parametry běžného potrubí