W ostatnich latach obserwujemy ogromne zainteresowanie zastosowaniem kompozytów w wielu dziedzinach przemysłu, w transporcie i lotnictwie, w celu zmniejszenia ciężaru, zapewnienia lepszej estetyki, uzyskania zwiększonej odporności na warunki otoczenia czy szerszych opcji projektowych. Rośnie zapotrzebowanie konsumentów na produkty o zwiększonych parametrach użytkowych, które wykazują właśnie kompozyty. Ale czym tak naprawdę są kompozyty? Z czego są zrobione, jaka jest ich struktura i właściwości? I w końcu, jaką wybrać najlepszą technikę ich łączenia?

Klejenie kompozytów - dlaczego warto wybrać tę metodę łączenia?

Kompozyty poza tradycyjnymi już mechanicznymi i termicznymi technikami łączenia, wymagają nowych technik, aby jeszcze bardziej zoptymalizować wytrzymałość i estetykę wykonywanych konstrukcji. Na dzień dzisiejszy możliwe jest wykorzystanie różnego rodzaju klejów strukturalnych (epoksydowych, akrylowych, poliuretanowych) do łączenia kompozytów bez konieczności używania wzmocnień w postaci nitów, zacisków, spawania czy łączników mechanicznych. W związku z tym klejenie może okazać się najlepszą opcją łączenia kompozytów i tworzyw sztucznych.

Zalety klejenia kompozytów

Zalety zastosowania złącza klejowego przy kompozytach:

• kleje strukturalne dobrze współpracują w procesie klejenia materiałów kompozytowych z innymi tworzywami sztucznymi oraz z wieloma innymi podłożami np. drewnem, szkłem, metalami, bez utraty ich właściwości użytkowych;

• klejenie umożliwia utrzymanie najkorzystniejszego stosunku masy do sztywności, pożądane konstrukcje są coraz lżejsze przy zachowaniu ich wymaganej sztywności.;

• klejone złącza w wielu aspektach spełniają także wymogi szczelności, odporności na wodę, deszcz czy przeciągi;

• klejenie wysoko stawia poprzeczkę szczególnie gdy w grę wchodzi estetyka – bardzo często złącza klejowe są niewidoczne dla oka a wykonane przy ich wykorzystaniu elementy są estetyczne i gotowe od razu do użycia;

• wzmacnianie laminatów nitami lub może je osłabić, klejenie zaś pozwala rozłożyć obciążenie równomiernie i sprzyja zwiększeniu ogólnej siły przenoszonej przez konstrukcję.

Wady klejenia kompozytów

Klejenie kompozytów to jednak nie tylko zalety ale także utrudnienia, o których warto wspomnieć. Klejenie to przede wszystkim koszt kleju, który często jest niejednokrotnie wyższy niż cena konkretnego kompozytu za kilogram. Klejenie to element procesu produkcji, który także wymaga czasu technologicznego. Zdarza się, że sklejone elementy wymagają zastosowania dodatkowych narzędzi służących do ich stabilizacji i unieruchomienia po złączeniu oraz przechowywania ich w określonych pozycjach do momentu, aż będą mogły być poddane dalszym procesom. Niektóre kleje wymagają odpowiedniego przygotowania powierzchni klejonych elementów, odtłuszczania i nanoszenia podkładów, co dodatkowo zwiększa koszt całego procesu technologicznego. Ważnym aspektem, który należy brać pod uwagę podczas wyboru techniki klejenia kompozytów jest różnica współczynników rozszerzalności cieplnej. Istotne okazują się także względy estetyczne, np. czasami konieczne jest usuwanie wypływek kleju a to wiąże się z dodatkowym kosztem kleju.

Kleje konstrukcyjne - dobór właściwego kleju

Do bardzo wytrzymałego klejenia kompozytów najlepsze są kleje metakrylowe. Dzięki wszechstronności, wysokiej wytrzymałości pozwalają uzyskać odporne i wytrzymałe spoiny klejowe. Przykładowym klejem tego typu jest Melkib MMA Power 10. Przy doborze kleju warto zwrócić uwagę na parę istotnych kwestii:

- jak szybkiego kleju potrzebujemy? Jaki jest wymagany czas otwarty i czas utwardzania? Ma to bardzo duże znaczenie przy wdrożeniu kleju do produkcji i dopasowaniu do aktualnego procesu.

- jaka będzie optymalna lepkość - konsystencja kleju i w jaki sposób będzie dozowany?

Jeżeli macie Państwo problem z wyborem produktu zachęcamy do kontaktu z naszymi specjalistami.

Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami – czym są kompozyty?

Kompozytem nazywamy tworzywo, które powstaje w wyniku połączenia dwóch lub więcej materiałów, z których jeden jest materiałem wiążącym a inne spełniają rolę wzmacniającą i są wprowadzane w formie włóknistej, ziarnistej lub warstwowej. W wyniku takiego połączenia powstaje konstrukcja o znacznie większych własnościach mechanicznych, estetycznych i wytrzymałościowych od tych, które wykazują osobno pojedyncze materiały. Najczęściej wykorzystuje się tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami (kompozyt z dwóch materiałów) i to im przyjrzymy się bliżej. Kompozyty włókniste składają się z osnowej matrycy i włókien wzmacniających. Matryca otacza włókna wzmacniające.

Zarówno matryca jak i włókna wzmacniające mogą być indywidualnie dobierane i dopasowywane do wymagań. Połączenie tych dwóch składników razem sprawia, że uzyskany materiał wykazuje znacznie większą wytrzymałość niż ta, którą posiada każdy z nich osobno. Matrycą może być np. żywica syntetyczna lub tworzywo termoplastyczne a włókna mogą być np. szklane lub węglowe. Kompozyt z kilku warstw włókien i matrycy nazywa się laminatem. Głównym zadaniem włókien jest wzmacnianie materiału oraz przyjmowanie siły, która na niego działa. Matryca ma za zadanie ułożyć włókna w oczekiwanym układzie geometrycznym, przenosić siły pomiędzy włóknami i chronić włókna przed wpływami warunków atmosferycznych. Kompozyty włókniste mają właściwości zależne od kierunku ułożenia włókien.

Zdjęcie nr 2 Przykładowe ułożenie włókien

Jako materiał matrycy wykorzystuje się duroplasty i termoplasty oraz rzadziej ceramikę i metale.

Systemy z matrycą duromerową (duroplastyczną):

• poliestry nienasycone (UP)
• żywica winylowo-estrowa (VE)
• żywica epoksydowa
• żywica fenolowo-formaldehydowa (PF)
• żywica poliuretanowa (PUR)

Systemy z matrycą termoplastyczną:

• polipropylen (PP)
• piliamid (PA)
• polieteroimid (PEI)
• polisiarczek fenylu (PPS)
• polieteroeteroketon (PEEK)

Aby matryca okazała się odpowiednia dla danego materiału, należy wziąć pod uwagę następujące kryteria jej wyboru:

✔ proces produkcyjny (termoplasty lub duroplasty nadające się do przetwarzania);

✔ cena;

✔ właściwości materiału matrycy, np. właściwości mechaniczne, graniczne temperatury stosowania, odporność na media i promieniowanie, wchłanianie wilgoci;

✔ właściwości podczas produkcji, np. lepkość, czas obróbki, warunki i czas utwardzania;

✔ ochrona pracy, toksyczność.

Materiały z matrycą duromerową w procesie przetwarzania cechują się niską lepkością przed utwardzeniem, długim czasem utwardzania, najczęściej dobrą podatnością na klejenie a po utwardzeniu są nietopliwe. Materiały z matrycą termoplastyczną w procesie przetwarzania cechują się wysoką lepkością, koniecznością zastosowania krótkich cykli obróbki, stosunkowo małą przyczepnością włókien i matrycy, słabo się kleją a po utwardzeniu są topliwe i mogą się odkształcać.

W kompozytach włóknistych najczęściej stosuje się następujące rodzaje włókien:

1. Włókna szklane

2. Włókna węglowe

3. Włókna aramidowe

4. Włókna naturalne

5. Włókna borowe

6. Włókna ceramiczne lub mineralne

Włókna szklane są najczęściej wykorzystywanymi rodzajami włókien – 90% wszystkich włókien. Cechuje je bezkształtna budowa bez określonego kierunku. Właściwości wytworzonych z nich materiałów nie są uzależniane od kierunku włókien. Włókna szklane są stosunkowo tanie a proces przędzenia odbywa się ze stopu. Materiałem wyjściowym do produkcji włókien szklanych jest dwutlenek krzemu SiO2 zmieszany z sodą lub/i potasem (techniczny węglan potasu). Włókna szklane ze względu na swoje właściwości są stosowane np. w szkutnictwie lub przy produkcji łopat wirników.

Włókna węglowe także dosyć popularne, cechuje silnie uzależnienie właściwości od kierunku ich ułożenia. Wykazują ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej w kierunku podłużnym. W zetknięciu z metalami włókna węglowe powodują ich korozję.. Włókna szklane są drogie a ich produkcja odbywa się przeważnie poprzez karbonizację włókien poliakrylonitrylowych (PAN). Wykorzystuję się je np. w lotnictwie, kosmonautyce i przy produkcji sprzętu sportowego. Włókna aramidowe zwane także kevlarowymi, charakteryzują się małym ciężarem właściwym, dużą odpornością na rozciąganie i doskonałą wytrzymałością termiczną. Włókna aramidowe nie ulegają korozji, są niepalne i odporne na zużycie. Kompozyty z włóknami aramidowymi są wykorzystywane do produkcji kamizelek kuloodpornych, hełmów i kasków ochronnych.

Włókna naturalne stanowią ekologiczną alternatywę dla włókien szklanych i sztucznych, stosowanych przy wytwarzaniu kompozytów wzmacnianych włóknami. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne włókna naturalne takie jak len, sizal, juta czy konopie mogą konkurować bez problemu z włóknami szklanymi pod względem wytrzymałości. Włókna naturalne cechuje duża dostępność, niska cena, odnawialność, dobre właściwości mechaniczne a mała gęstość przyczynia się do zmniejszenia masy gotowego wyrobu. Włókna naturalne ulegają degradacji pod wpływem promieniowania UV i w wyniku oddziaływania kwasów i zasad.

Włókna ceramiczne (mineralne) ze względu na swoją wysoką odporność termiczną, chemiczną i dobre własności izolacyjne, stosowane są głównie jako zamienniki azbestu do produkcji materiałów termoizolacyjnych, izolacyjnych, uszczelniających i filtracyjnych.

Włókna borowe są znacznie rzadziej stosowane ze względu na swoją cenę i wykorzystywane w specjalnych konstrukcjach, gdzie wymagana jest duża sztywność.

Wady i zalety kompozytów

Kompozyty włókniste są zasadniczo bardziej stabilne niż materiały jednoskładnikowe wykonane z tworzyw sztucznych o tej samej wadze. Niska masa kompozytów włóknistych znajduje zastosowanie np. przy budowie maszyn, gdzie dąży się do zredukowania bezwładności masy. Zaletą jest także wysoka wytrzymałość kompozytów włóknistych i sztywność przy jednoczesnej bardzo małej ich gęstości. Kompozyty włókniste cechuje niska przewodność cieplna a w zależności od kierunku ułożenia włókien wykazują wysoką zdolność przyjmowania energii.

Niestety tworzywa sztuczne posiadają także wady. W porównaniu np. z metalami ich cena jest wysoka a przy projektowaniu komponentów stawiane są wysokie wymagania w całym łańcuchu procesowym. Wykazują rozszerzalność cieplną a ze względu na strukturę trudno rozpoznać uszkodzenia a naprawa jest kosztowna. Jednym z istotnych problemów z jakimi boryka się produkcja i przetwórstwo kompozytów jest gromadzenie i segregacja odpadów powstałych w wyniku tych procesów. W większości nie ulegają one degradacji w krótkim okresie. Ochrona środowiska przed odpadami z tworzyw sztucznych polega przede wszystkim na usprawnieniu procesu ich likwidacji. Najlepiej jakby kompozyty nadawały się do wielokrotnego przetwarzania lub ulegały samodegradacji. W najgorszym przypadku powinny istnieć sposoby ich usuwania przy stosunkowo niskich kosztach.

Firma Melkib posiada w ofercie różnego rodzaju kleje elastyczne, metakrylowe czy kleje strukturalne, które doskonale nadają się do klejenia kompozytów, zarówno z innymi tworzywami sztucznymi jak również z metalami, drewnem, szkłem itp. W swoich szeregach posiada także wyspecjalizowane osoby, które fachowo doradzą odpowiednie do danego procesu technologicznego kleje, spełniające najwyższe wymagania.