Kompozitové materiály

Provedeme Vás složením kompozitových hokejek podle materiálu

Uhlíkové vlákno (též karbonové vlákno, z angl. carbon fibre)

Je název pro vlákno obsahující uhlík v různých modifikacích. Jedná se o dlouhý, tenký pramen materiálu o průměru 5–8 μm složeného převážně z atomů uhlíku. Atom uhlíku jsou spojeny dohromady v mikroskopické krystaly, které jsou více méně orientovány paralelně k dlouhé ose vlákna. Krystalové uspořádání způsobuje, že vlákno je na svou tloušťku velmi pevné.

Vlákna mají průměrnou hustotu 1750 g/cm3 a jemnost 5-10 µm. Od jiných textilních vláken se odlišují zejména

• výrazně menším modulem pružnosti v kolmém směru k ose vlákna
• křehkostí – tažnost je menší než než např. u skleněných vláken,
• při ohřevu se vlákno zkracuje, v kolmém směru, má však vyšší koeficient tepelné roztažnosti než sklo
• v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor (jen 1,9 .10 -6 W/m).

Uhlíkové vlákno o průměru 6 μm v porovnání s lidským vlasem

Kevlar

Kevlarová vlákna jsou pokrokovou technologií, která se zrodila v americké chemické společnosti DuPont. Technologie kevlaru kombinuje pevnost materiálu společně s jeho nízkou hmotností, čímž mu dává široké uplatnění od průmyslu až po běžné použití.

Kevlar se řadí do skupiny aramidů. Část jeho pevnosti tkví v mezimolekulárních vazbách mezi karbonylovými skupinami a protony na sousedním řetězci a další část ve vazbách zvaných „pi stacking“, kdy na sebe silově působí atomy aromatických molekul. Tyto interakce ovlivňují kevlar více než van der Waalsovy síly a délka řetězce, která má na vlastnosti syntetických polymerů a vláken většinou významný vliv. Speciální péče se při výrobě věnuje přítomnosti nečistot, obzvláště vápníku, které se mohou připlést do vazeb mezi řetězci a výrazně ohrozit vlastnosti materiálu. Strukturu kevlaru tvoří relativně tuhé molekuly, které mají tendenci vytvářet většinou rovinné útvary podobné například molekulám hedvábí.

Počet nenasycených uhlíků (tj. poměr počtu atomů uhlíku ku počtu atomů vodíku) je poměrně vysoký, což snižuje jeho vznětlivost. Molekuly kevlaru mají polární skupiny, které mohou tvořit vazbu s vodíkem. Na druhou stranu má kevlar má vysokou smáčivost a voda pronikající do vlákna se může navázat na molekuly, a tím snížit pevnost materiálu. „Smáčivost“ je ovšem významná při navazování vlákna na jiný druh polymeru. Tímto postupem vznikají kompozitní materiály, zkráceně kompozity. Ta samá vlastnost dává vláknům přírodnější nádech a větší „přilnavost“ v porovnání s nepolárními polymery, jakým je např. polyetylen.

Z našeho pohledu má kevlar i nevýhodné vlastnosti: zatímco v tahu může vydržet zatížení přes 4 GPa, stejně jako ostatní vlákna má pevnost v tlaku citelně nižší; a rozkládá se vlivem zásaditých prostředí.

Makroskopické vlastnosti kevlaru:

Pokud se tento polymer zhotoví podobným způsobem, jakým pavouk spřádá sítě, vznikne aramidové vlákno ohromné pevnosti a tepelné odolnosti. Kevlar (stejně jako ostatní aramidová vlákna) nepodléhá korozi a jeho pevnost se zachovává i po ponoření do vody. Pokud se ovšem nejedná o speciální voděodolná vlákna, schopnost aramidů zastavit projektil se po navlhnutí snižuje.

Druhy kevlaru:

Existují tři základní druhy kevlaru: kevlar, kevlar 29 a kevlar 49. Kevlar se používá pro vyztužení různých gumových předmětů (např. pneumatik); kevlar 29 má uplatnění v průmyslu (kabely), na brzdových obloženích a na nejrůznějších chráničích (od sportovních po vojenské balistické vesty); a bytelnější kevlar 49 slouží pro zesílení trupů lodí, letadel, atd.

Aplikace kevlaru

Primární komerční využití kevlaru směřovalo do pneumatik, kde nahrazoval ocelové kordy Kevlar se dále používá na sportovním vybavení, jachtařských plachtách, požárním oblečení a v mnoha dalších oblastech.

Skelné vlákna

Vyrábějí se tavením tzv. sklářského kmene, což je směs křemenného písku (cca 70%), vápence, potaše a collemanitu (obsahuje bór). Chemické složení sklářského kmene se liší podle typu skla, pro polymerní kompozity se užívá převážně typ E, tzv. bezalkalické sklo II. hydro-lytické třídy. Sklářský kmen se taví přibližně při 1400ºC a z taveniny se v jednostupňovém procesu přímo vytahují tzv. elementární vlákna – tavenina vytéká dnem pece z platino-iridiové slitiny malými otvory o ø 1-2 mm. Průměr vláken je 5-25 μ (mikromilimetru) v závislosti na rychlosti odtahu.

Přímo pod pecí se ještě za horka nanáší na monovlákna tzv. přímá apretace, obsahující lubrikační složku, která vlákna „maže“ a tak usnadňuje jejich další textilní zpracování a zároveň chrání jejich povrch před mechanickým poškozením a ze složky apretační, která obsahuje vazebné prostředky zvyšující adhezi mezi vlákny a matricí.

Vlákna se druží do pramenů, které se navíjejí na kokony, které jsou pak výchozí jednotkou pro další zpracování jednak na pramence (roving), které se užívají přímo např. pro technologii stříkání, tažení, navíjení nebo pro výrobu pramencových tkanin popřípadě vícesměrných výztuží a jednak se zpracovávají na příze se zákrutem, používané při výrobě tenkých tkanin a speciálních hustých tkanin např. pro elektroizolační účely. Část pramenců se zpracovává sekáním na délku 50 mm a výrobu pramencových rohoží – plošný útvar s náhodně orientovanými vlákny. Další část pramenců se seká na délky 2-6 mm a tato krátká vlákna se používají pro výrobu premixů a vyztužování termoplastů

Skelné vlákno má dobré pevnostní, tlakové i nárazové vlastnosti.