Polymemí kompozit se skleněnými dutými mikrokuličkami a uhlíkovými vlákny
Oblast techniky
Vynález se týká složení polymerního kompozitu s uhlíkovými vlákny, který se vyznačuje nízkou hustotou, zapříčiněnou přídavkem skleněných dutých mikrokuliček. Kompozit je vhodný pro výrobu lehkých pevnostních dílů.
Dosavadní stav techniky
Polymemí materiály a jejich kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím se materiálům, protože polymemí materiály představují nejvýznamnější segment výroby a spotřeby podle objemu mezi všemi technickými materiály a nelze pochybovat o tom, že jsou klíčové pro moderní technickou společnost. Současný vývoj lehkých pevnostních kompozitů a jejich technologií zpracování pokračuje ve stále větším objemu a úspěch jednotlivých materiálů vyvinutých základním a aplikovaným výzkumem je v rozhodující míře ovlivněn mechanickými vlastnostmi, hustotou a zpracovatelností. Do této oblasti výzkumu patří i vývoj pevnostních kompozitních materiálů nahrazující svými užitnými vlastnostmi díly kovové. Aby tyto kompozitní materiály vykazovaly dostatečné mechanické vlastnosti, musí být vyztuženy určitým typem vláken, mezi která, patří například vlákna skelná, kovová, aramidová, uhlíková, borová, keramická, čedičová, přírodní, atd. Zejména pak vlákna uhlíková dosahují vysokého vyztužujícího výkonu, proto je jejich aplikace spjata již tradičně s letectvím, avšak v posledních několika letech směřuje také do oblasti spotřebního průmyslu, zdravotnictví a automobilového průmyslu. Výhodou uhlíkových vláken, při srovnání s ostatními vláknitými materiály (používanými při výrobě kompozitů), je jejich vysoká pevnost, modul pružnosti a tepelná odolnost, současně při jejich nízké měrné hmotnosti. Tato vlákna jsou nejčastěji využívána v průmyslu ve formě nekonečných vláken, prepregů a rohoží, které se následně impregnují iniciovanou pryskyřicí. Současně s vývojem materiálů se vyvíjejí i jejich zpracovatelské technologie, mezi ně patří ruční kladení, stříkání, lisování, vakuové prosycování, tažení (pultruze), a navíjení. Vzhledem k tomu, že cena uhlíkových vláken klesla od 70. let minulého století přibližně na třetinu, dochází k poptávce po uhlíkových kompozitech také v automobilovém průmyslu, kde pro pevnostní díly nacházejí uplatnění především materiály s příznivým poměrem mezi pevností a měrnou hmotností. Ve výrobě plastových dílů pro automobilový průmysl je stěžejní technologie vstřikování, a tudíž předpoklady širokého využití v tomto odvětví má především kompozit ve formě granulátu. Lehké kompozitní materiály s polymemí matricí a vlákennou výztuží mají v současné době otevřenou širokou oblast s velkými možnostmi použití, aplikační potenciál i předpoklad značného nárůstu z hlediska objemu výroby. A do této oblasti také směřuje toto navržené technické řešení.
Z historického hlediska lze rozmach kompozitních materiálů datovat od roku 1933, kdy firma Owens-lllincis Glass Co. vyvinula skelná vlána. Tyto vlákna byla ve formě tkanin impregnovaná epoxidovou pryskyřicí a vznikl tak první pevnostní kompozit tzv. sklolaminát. Tento kompozit byl využit u mnoha dílů v letectví, jako např. kryty radaru letadel (1942) nebo díly karosérie osobních automobilů (1956, fy. Citroen), apod. Kromě skelných vláken byla během vývoje polymerních kompozitů aplikována jako výztuž také vlákna uhlíková, borová, keramická, aj., kde především vlákna uhlíková našla uplatnění ve výrobě lehkých a namáhaných dílů. Z dnešního pohledu je potenciál využití uhlíkových polymerních kompozitů obrovské, jelikož díky trendu snižování hmotnosti automobilů, letadel, lodí a jiných dopravních prostředků zvýhodňuje materiály pevné a zároveň lehké. Proto je snaha o neustálé snižování hustoty pevnostních kompozitů při zachování jejich mechanických vlastností.
Navržené technické řešení reaguje na vzrůstající poptávku a požadavky na tyto materiály, které jsou však v České republice doposud velmi málo rozšířené. Tlak na aplikace takovýchto materiálů v automobilovém průmyslu neustále vzrůstá, a to nejenom v důsledku možností ovlivnění
- 1 CZ 307078 B6 konečných a užitných vlastností výrobků, ale i v důsledku ekologie (snížení produkce emisí automobilů díky snížení jejich hmotnosti).
Podstata vynálezu
Technické řešení podle tohoto vynálezu si dává za cíl vytvoření polymemího kompozitu s cíleným složením matrice, aditiva, plniva na bázi uhlíkových vláken a skleněných dutých mikrokuliček pro zlepšení konečných a užitných vlastností plastových dílů s vyšší přidanou hodnotou. Podstata technického řešení podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že kompozit obsahuje od 47 do 86 % hmotnostních syntetické matrice polyamidu 6.6 (PA 6.6), 5 až 30 % hmotnostních uhlíkových vláken (délka vláken od 0,1 do 2 mm), 5 až 15 % hmotnostních skleněných dutých mikrokuliček a 4 až 8 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu.
Takto připravený kompozit může být dle požadavků na konečné a užitné vlastnosti dílů a polotovarů nebo dle požadavků procesu doplněn dalšími přísadami, jako jsou maziva, anorganická plniva, barviva, UV stabilizátory, retardéry hoření, pigmenty, antistatika, apod. Toto procentuální doplnění může být provedeno z hlediska snížení % hmotnostních uhlíkových vláken, nebo skleněných dutých mikrokuliček anebo z hlediska snížení % hmotnostních syntetické polymemí matrice.
Základem kompozitu jsou uhlíková vlákna a skleněné duté mikrokuličky potřebné definované kvality, které vstupují do procesu granulace a dalšího postupného zpracování, např. vstřikování. Získaný kompozit je standardně dodáván ve formě granulí z hlediska dobré sypné hmotnosti a snížení prašnosti a je určen zejména pro technologické procesy vstřikování.
Příklady uskutečnění vynálezu
Polymerní kompozit s uhlíkovými vlákny a skleněnými dutými mikrokuličkami je následně popsán na následujících příkladech včetně uvedení vhodné aplikace, přičemž složku A tvoří syntetická matrice polyamidu 6.6 (PA 6.6), složku B uhlíková vlákna (délka vláken od 0,1 do 2 mm), složku C skleněné duté mikrokuličky, složku D aditivum na bázi maleinanhydridu.
Příklady variant bez přísad:
Varianta 1:
Složka A: 86 % hmotnostních polyamidu 6.6
Složka B: 5 % hmotnostních uhlíkových vláken
Složka C: 5 % hmotnostních skleněných dutých mikrokuliček
Složka D: 4 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu
Varianta 2:
Složka A: 47 % hmotnostních polyamidu 6.6
Složka B: 30 % hmotnostních uhlíkových vláken
Složka C: 15 % hmotnostní skleněných dutých mikrokuliček
Složka D: 8 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu
-2CZ 307078 B6
Příklady variant s použitím přísad:
Varianta 3:
Složka A: 74 % hmotnostních polyamidu 6.6
Složka B: 10 % hmotnostních uhlíkových vláken
Složka C: 10 % hmotnostní skleněných dutých mikrokuliček
Složka D: 4 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu
Složka E: 2 % hmotnostní dalších přísad (pigmenty)
Varianta 4:
Složka A: 62 % hmotnostních polyamidu 6.6
Složka B: 15 % hmotnostních uhlíkových vláken
Složka C: 15 % hmotnostní skleněných dutých mikrokuliček
Složka D: 6 % hmotnostní aditiva na bázi maleinanhydridu
Složka E: 2 % hmotnostní dalších přísad (UV stabilizátory)
Polymemí kompozit s uhlíkovými vlákny a skleněnými dutými mikrokuliěkami lze s výhodou použít pro výrobu vstřikovaných plastových dílů, které se vyznačují vysokou tuhostí, pevností a nízkou hmotností. Dalšími zlepšenými užitnými a konečnými vlastnostmi jsou např. vysoká rozměrová stabilita a vysoká tvarová stálost za vyšších teplot.
Průmyslová využitelnost
Polymemí kompozit s uhlíkovými vlákny a skleněnými dutými mikrokuliěkami podle předloženého technického řešení je vhodný pro výrobu plastových dílů rozdílnými technologickými procesy.