Produkty wykonane z materiałów kompozytowych GRP oferują znaczne korzyści dla środowiska naturalnego, ponieważ charakteryzują się niską wagę, dobrymi właściwościami mechanicznymi i doskonałą odpornością na korozję. Przykładowo, kompozyty stosowane w samochodach może znacznie zmniejszyć ogólny ciężar auta - nawet o 40% w porównaniu do stali.

1 2 3

W okresie eksploatacji samochodu, oznacza to kilka tysięcy i więcej litrów paliwa oszczędności i zmniejszenie emisji szkodliwych spalin. Dlatego producenci samochodów do produkcji wielu elementów zaczęli stosować kompozyt jako alternatywę dla innych materiałów, takich jak stal czy aluminium.

W 2003 roku, firma BASF dokonała kompleksowej analizy złożonej części (pokrywa bagażnika do Mercedes), w stosunku do takiej samej części wykonanej ze stali i aluminium. Badanie dotyczyło wszystkiego począwszy od producentów surowców aż do recyklingu. Po głębokiej analizie produktów wykonanych z różnych materiałów ekonomia i ekologia wskazały na kompozyt jako produkt idealny pod względem rozwoju i przyszłości.

Producenci pojazdów użytkowych to pierwsza grupa w sektorze motoryzacyjnym który w pełni wykorzystuje zalety GRP jako materiału konstrukcyjnego do budowy kabin samochodów ciężarowych i elementów nadwozia. Każdy kilogram zaoszczędzony w wadze kabiny oznacza wzrost kg ładowności. Kompozyty mogą również zastąpić elementy stalowe pod maską samochodu.

Przy spełnieniu wszystkich kryteriów, takich jak zachowanie odpowiednich parametrów wytrzymałościowych, kompozyt może być stosowany do wytwarzania misek olejowych silnika oraz pokryw zaworowych (przykład - miska olejowa musi być w stanie utrzymać ciężar silnika), ale wartością dodaną są również korzyści dla środowiska. Są to obniżenie poziomu hałasu i poprawienie sprawność silnika, ponieważ silnik nagrzewa się szybciej i szybciej osiąga wydajność optymalną, ze względu na niższy ciężar silnika spala się również mniej paliwa podczas rozruchu zimnego silnika.

Prepregi (Prepregs)

12Opisane w punkcie poprzednim technologie formowania na mokro mogą być używane z bardziej zaawansowanymi materiałami takimi jak zbrojenia wysokomodułowe i żywice epoksydowe, lecz ze względu na problem z optymalizacją dokładnego położenia włókien i kontroli dokładnej zawartości zbrojenia przy bardziej zaawansowanych elementach nie mogą być stosowane.

Przy formowaniu z użyciem prepregów forma zasadniczo nie różni się od tej używanej w laminowaniu ręcznym (poza szerszymi kołnierzami pozwalającymi na przyklejenie i uszczelnienie worka próżniowego. Zamiast zbrojenia w postaci suchych włókien (mat lub tkanin) w formie układamy preimpregnowane, ściśle zdefiniowane, (co do zawartości włókna i jego kierunku oraz grubości) wykroje zbrojenia wycięte z rolek bazowych, które są przechowywane w lodówce. Widok prepregu węglowego przed włożeniem do formy przedstawia zdjęcie poniżej.

Po dokładnym ułożeniu zbrojenia w formie całość jest przykrywana workiem próżniowym i formowana próżniowo po czym wkładana do pieca w którym żywica jest utwardzana. Zdjęcie poniżej przedstawia formę w trakcie pozycjonowania warstw prepregów.

Żywica w prepregu jest już z dodatkiem utwardzacza i wszystkich wymaganych dodatków, lecz dzięki temu, że jest aktywowana w podwyższonej temperaturze (powyżej 70ºC) w temperaturze pokojowej nie rozpoczyna sieciowania. W zależności od rodzaju prepregu i użytej żywicy czas i temperatura magazynowania prepregu jest różna. Przykładowo dla standardowego preimpregnatu składowanego w temperaturze -18ºC czas magazynowania bez utraty właściwości waha się pomiędzy 6-12 miesięcy. W porównaniu z laminowaniem „mokrym” praca z prepregami jest dużo bardziej bezpieczna i przyjemna ze względu na mniejszą emisję lotnych związków organicznych (Volatile Organic Compound).

Podczas laminowania ręcznego nawet z największą starannością nie unikniemy gromadzenia się powietrza procesowego uwięzionego pomiędzy warstwami laminatu i w samym laminacie. Dużo lepszy efekt uzyskamy usuwając powietrze przed utwardzeniem się żywicy. Proces polegający na usunięciu pęcherzy powietrza z laminatu nazywamy odpowietrzeniem. Element musi być odpowietrzany także podczas utwardzania się żywicy.

Różnorodność metod stosowanych do wytwarzania kompozytów, a także badania mające na celu opracowanie nowych materiałów kompozytowych mogą się przyczynić do tego, że w przyszłości większość tzw. tradycyjnych materiałów w przemyśle, budownictwie, sporcie czy życiu codziennym zostanie zastąpiona przez kompozyty. W niniejszej pracy i opisanych przykładach skupiać się będziemy na kompozytach zbrojonych włóknami szklanymi ze względu na ich najszersze zastosowanie (powiązane z ich atrakcyjną ceną). Dobór technologii wytwarzania ma znaczący wpływ na zawartość zbrojenia, czyli wytrzymałość elementów, przekłada się również na ciężar właściwy elementów.

Warunkiem uzyskania zamierzonych właściwości kompozytu polimerowego jest odpowiednie powiązanie ze sobą, za pomocą spoiwa, zbrojenia w procesie produkcji. Im większy jest stosunek objętościowy zbrojenia w kompozycie, tym lepiej. Jest to jedno z podstawowych kryteriów przy ocenie przydatności technologii wytwarzania kompozytów polimerowych, których jest bardzo dużo – od technologii całkowicie zależnych od czynnika ludzkiego (ręcznych) aż do prawie zupełnie niezależnych (zautomatyzowanych).

Tabela poniżej przedstawia zależność ciężaru właściwego od zawartości włókna szklanego w kompozycie litym (bez przekładki):

 1

Dobór metody produkcji kompozytów poza wpływem na parametry mechaniczne i fizyczne ma kluczowe znaczenie dla środowiska pracy i emisji styrenu w miejscu przetwarzania. Poniżej w tabeli zebrano różne technologie przetwarzania żywic poliestrowych i wpływ metody przetwarzania na emisję styrenu podczas procesu produkcji:

2

Kompozyt to materiał składający się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów: celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne składniki. Składnik ciągły kompozytu nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane odpowiednio do zastosowania: wypełniaczem, wzmocnieniem lub zbrojeniem. W celu uzyskania efektu wzmocnienia, w kompozycie musi znajdować się określona ilość zbrojenia, nie mniej niż 10% objętości. Mikroskopowy widok kompozytu przedstawiony jest na poniższym rysunku.

1

Rozwijająca się dynamicznie technika oraz ciągle rosnące potrzeby i wymagania przemysłu wymuszają opracowywanie nowych materiałów, które obniżałyby koszty produkcji a jednocześnie charakteryzowałyby się lepszymi właściwościami fizycznymi i/lub chemicznymi od materiałów tradycyjnych. Dzięki coraz większej wiedzy na temat zależności, jakie występują pomiędzy technologią produkcji, składem chemicznym użytych do produkcji składników a strukturą i właściwościami gotowych produktów w ostatnich dwóch dziesięcioleciach opracowane zostały liczne nowe stopy metali, tworzywa sztuczne oraz materiały ceramiczne.

Poszukiwanie nowych materiałów, dzięki uzyskaniu w czasie ich produkcji pożądanych właściwości, przeznaczonych do konkretnych zastosowań przemysłowych doprowadziło do gwałtownego rozwoju badań nad szeroko pojętym zagadnieniem inżynierii materiałowej, jakim są materiały kompozytowe. Również postęp w metodach badań nieniszczących dotyczących kompozytów, zarówno na etapie prefabrykacji jak i diagnostyki ustrojów nośnych sprzyja rozpowszechnieniu tego materiału w zastosowaniach konstrukcyjnych.

Unikatowe właściwości kompozytów polimerowych doceniane są przez coraz większą liczbę odbiorców. Poprawa bezpieczeństwa i ekonomiki użytkowania jest głównym motywem stojącym za ich rosnącym wykorzystaniem w przemyśle. Z wciąż powiększającej się rodziny materiałów kompozytowych korzysta obecnie wiele gałęzi przemysłu, m.in. budownictwo, przemysł samochodowy, szynowy, lotniczy czy zbrojeniowy.

Szeroko rozumiane kompozyty są to materiały składające się, z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach, połączonych w taki sposób, że materiał końcowy uzyskuje nowe właściwości w porównaniu z właściwościami materiałów składowych. Kompozyty polimerowe zbrojone włóknami składają się ze zbrojenia w postaci specjalnie przygotowanych dla tej technologii włókien oraz spoiwa w skład którego wchodzi żywica, przyspieszacze reakcji, utwardzacze oraz wypełniacze i inne dodatki. Przez połączenie struktury włóknistej, z żywicą (materiał izotropowy) uzyskujemy materiał anizotropowy, który z kolei w związku z technologiami wytwarzania możemy kształtować w dokładnie taki sposób, na jakim nam zależy.