Jdi na obsah Jdi na menu
 


Všeobecné vlastnosti laminátů

23. 7. 2013
1.Základní vlastnosti laminátů pro výrobu potrubí
 
 

Materiály součástí vystavených tlaku:

a) musí mít vhodné vlastnosti za všech provozních podmínek, které lze rozumně předvídat, a za všech zkušebních podmínek a zejména mají být dostatečně tažné a houževnaté.

b) musí být dostatečně chemicky odolné v prostředí tekutiny obsažené v tlakovém zařízení; chemické a fyzikální vlastnosti nezbytné pro bezpečnost provozu nesmí být během předpokládané životnosti zařízení významně ovlivněny;

c) nesmí být významně ovlivněny stárnutím;

d) musí být vhodné pro předpokládané technologické postupy;

e) musí být voleny tak, aby se při vzájemném spojování různých materiálů zabránilo významným nežádoucím účinkům.

            Kompozitní materiál, nebo zkráceně kompozit je obecně vzato materiál ze dvou, nebo více substancí s rozdílnými vlastnostmi, které dohromady dávají výslednému výrobku nové vlastnosti, které nemá sama o sobě žádná z jeho součástí. Jedním z nejznámějších kompozitních materiálu je železobeton, kompozit z ocelových drátů a betonu, dalším známým zástupcem je skelný laminát, kompozit z skleněných vláken a pryskyřice, obvykle polyesterové. Dalšími zástupci jsou kompozity z vláken uhlíkových a aramidových. Obvykle jedna ze součástí dodává výrobku pevnost a druhá slouží jako pojivo.

Výhodou FRP(tj.laminátového) potrubí je jeho trvanlivost, korozivzdornost, snadná a lehká manipulace, nižší cena a široká škála použití (průmysl - chemická výroba, vodoinstalace, požární voda apod. ropa a plyn, ostatní použití – chladící voda, odvodňování, kanalizace, užitková voda, lodní průmysl, manipulace s palivy). Nevýhodou FRP potrubí je jeho citlivost na porušení a omezená výrobní délka jednotlivých kusů. Je tedy zřejmé, že velký význam má technologie spojování potrubí a dostupnost potřebných tvarovek.
Dlouhodobá pevnost výrazně závisí na okolním mediu, například na vodě. Takže životnost FRP trubek je silně ovlivněna absorpcí a chemickým působením vody. Tento proces je podmíněn nejvíce fyzikálně-chemickými vlastnostmi rozhraní vláken výztuže a polymerním materiálem. Skleněná vlákna musí být z těchto důvodů dobře obalena pryskyřicí.
Shrnutí výhod:
-                             Malá měrná hmotnost
-                             Velká mechanická pevnost v širokém rozmezí teplot
-                             Poměrně jednoduchá a rychlá výroba kusových výrobků
-                             Dobré tepelně a zvukově izolační vlastnosti
-                             Dobrá odolnost proti vlivům povětrnosti
-                             Velká rázová pevnost a pružnost
-                             Snadná oprava havarovaných dílů
-                             Možnost vhodnou volbou základních surovin měnit výsledné vlastnosti výrobků
-                             Dobrá chemická odolnost proti širokému spektru agresivních médií
 

1.1.  Zkratky

Laminát je vrstvená hmota vzniklá spojením několika vrstev výztuže impregnovaných vhodnými pryskyřicemi. Ačkoliv vlivem zvýšené teploty částečně měknou, jsou lamináty zařazovány mezi termosetové kompozitní materiály složené ze dvou fází: Z výztuže a z pojiva
Vysvětlení zkratek:
FRP - Fiber-Reinforced Plastic        Laminát (vyztuženo vláknem – jakýmkoli)
GRP – Glass-Reinforced Plastic       Sklolaminát (vyztuženo sklem, např. sekané prameny, rovingová tkanina, komplex)
CC-GRP – Centrifugally Cast GRP Odstředivě litý sklolaminát (tj. pryskyřice včetně nasekaných pramenů)
GRE - Glass-Reinforced Epoxy        Sklolaminát s epoxidovou pryskyřicí
GFK–Glasfaserverstärkte Kunststoffrohrleitungen  Sklolaminátové potrubí
 

1.2. Názvosloví

            Výztuž je nosným prvkem v laminátech a určuje jejich mechanické vlastnosti. Jako výztuže jsou používány zpravidla vláknité materiály. Nejčastěji se používají výztuže ze skleněných vláken. Pro výrobky, na které jsou kladeny speciální požadavky, mohou být používána vlákna kevlarová, případně uhlíková. V případě použití skleněných vláken se hovoří sklolaminátu.
Názvosloví výztuže:
Jednosměrně orientované vlákno (UD vlákno) – je vlákno či výztuž orientované v jednom směru a zatížené jednoosou zátěží, orientovanou ve směru vlákna
Vinutí vláknité výztuže (filament winding) – výrobní postup pro navíjení průběžné výztuže ze skelných vláken se stanoveným systémem pryskyřice aplikované systematickým způsobem a vytvrzované na jádru nebo jiné podpěrné konstrukci.
Obvodové vinutí (hoop winding) – navíjení, při kterém je směr vláken kolmý k ose otáčení nádoby.
Šroubovité vinutí (helical winding) – navíjení, při kterém není úhel mezi směrem vláken a osou otáčení roven 0°nebo 90°
Roving – paralelně družené prameny skleněných vláken navinuté bez zákrutu. Obvyklý počet elementárních vláken je 400-1 600. Pro dosažení požadovaných vlastností jsou použity různé lubrikace, případně jsou jednotlivé prameny dále děleny.
Sekané prameny (Chopped Strand Material – CSM) – krátké sklovláknité prameny, které si po nasekání ponechávají strukturu původního pramene. Obvyklý průměr vlákna je 10-18 µm
Rohože ze sekaných pramenů– jsou vyráběny ze sekaných, neorientovaně uložených sklovláknitých pramenů o délce 50 µm, spojených emulsním nebo práškovým pojivem na bázi PVAc, jež určuje charakter výrobku. Podíl pojiva je 3,3 – 6 % z hmotnosti rohože.
Rovingové tkaniny (Woven Roving) – se vyrábějí z rovingu nebo sklovláknitých pramenů. Jsou vyráběny převážně s rovnoměrnou vyváženou dostavou, ale i jako jednosměrně orientované tkaniny či pásy.
Komplexy (Multi-filament) – jsou materiály složené z několika (většinou ze dvou) vrstev, spojených dohromady prošitím; první vrstvu tvoří kladená soustava rovingových pramenů nebo rovingová tkanina, druhou sekané vlákno.
Prepregy – jsou různě široké role, obsahují buď paralelně uspořádané rovingy, tkaninu nebo rohož a polovytvrzenou reaktoplastickou nebo termoplastickou matrici.
 
 
            Pojivo (též matrice) - polymerní materiál, kterým se impregnuje výztuž. Pojivo rozvádí mechanické namáhání rovnoměrně na všechna vlákna výztuže a chrání je před mechanickým nebo chemickým poškozením.
Jako pojivo (též matrice) se nejčastěji používají nenasycené polyesterové pryskyřice, pak tyto kompozity nazýváme polyesterové skelné lamináty. Pokud od kompozitů požadujeme, aby měly speciální vlastnosti pro různé oblasti použití (např. chemickou odolnost proti velmi agresivním médiím), používáme jako matrici jiné typy pryskyřic, např. vinylesterové, epoxidové, fenolické nebo furanové pryskyřice. Maximální teplotu média určuje použitá pryskyřice.
 

2. Výroba komponent

FRP potrubí se vyrábí zásadně dvěma způsoby, jeden využívá technologie navíjení, druhý využívá technologie odstředivého lití. V prvém případě je trubka vyráběna vinutím skleněného vlákna, pramence nebo skleněné tkaniny na rotující liner. Tento proces je doprovázen tepelným působením. Skleněné vlákno se může odklánět vzhledem k ose lineru a tím může být výrazně ovlivněna pevnost trubky v různých směrech namáhání. Nicméně obvodové napětí je stále výrazně vyšší, než je axiální napětí. Trubky jsou vyráběny v 6 – 12 m délkách. Za účelem zvýšení kruhové tuhosti je možné pryskyřici modifikovat vhodnými plnivy.
Pro dosažení dobrých vlastností laminátu, je nutné ortotropní vlákna vrstvit z vrstev s jednosměrně orientovanými vlákny. Orientaci vrstev zapisujeme kódem. Použitím stejných komponent (sklo, pryskyřice) můžeme tedy efektivně vyrobit velkou škálu odlišných materiálů.
            Obrovskou výhodou FRP je možnost měnit jejich elastické vlastnosti a pevnost „pouhou“ změnou prostorového uspořádání výztuže, jejího druhu (roving, rohož, tkanina, atd.), poměru mezi obsahem výztuže a pojiva a technologie výroby. Jestliže se má použít FRP místo tradičního materiálu, musí z výše uvedených důvodů znát alespoň základní vztahy dovolující kvantifikovat závislost modulu pružnosti FRP na obsahu výztuže, její prostorové orientaci a typu.
 

obr1.jpg

 
Obrázek Schema výroby laminátové trubky
Elementární vrstva s jednosměrným uspořádáním vláken je ortotropní vrstva je vyrobená z jednosměrných (UD) prepregů a je to základní element pro potrubní komponenty.
 

· 2.1. Vrstvení laminátů

 
            Orientaci vrstev zapisujeme kódem, v němž úhel pootočení vláken vůči zvolenému hlavnímu směru laminátu je označen příslušným znaménkem a číslem udávajícím počet stupňů úhlu. Většinou jsou vyráběny lamináty symetrické vůči střední rovině. U čtyřvrstvého nesymetrického laminátu, můžeme kód napsat [0/+alfa-alfa/ 90].
            V případě lichého počtu vrstev bude laminát symetrický kolem střední vrstvy. Symentrii zapisujeme pomocí indexu S. Index n znamená, že skladba vrstev se n-krát opakuje. Příklad zápisu potom je [(0/+-alfa/ 90)n]s.