1 / 71

Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalid valmistustehnoloogia ja omadused

Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalid valmistustehnoloogia ja omadused. Renno Veinthal, Jaan Kers e-post: renno.veinthal@ttu.ee ; jaan.kers@ttu.ee. Metallid Keraamilised materjalid Polümeerid Komposiidid. Tuntud 105 Mendelejevi tabeli elemendist on: 81 metallid

chyna
Download Presentation

Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalid valmistustehnoloogia ja omadused

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalidvalmistustehnoloogia ja omadused Renno Veinthal, Jaan Kers e-post: renno.veinthal@ttu.ee; jaan.kers@ttu.ee

  2. Metallid Keraamilised materjalid Polümeerid Komposiidid Tuntud 105 Mendelejevi tabeli elemendist on: 81 metallid 6 üleminekumetallid 18 mittemetallid Konstruktsioonimaterjalide jaotus

  3. Polümeeride olemus ja liigitus Polümeerid: kõrgmolekulaarsed ühendid (molaarmass jääb vahemikku 2000-2 000 000 g/mol) • Makromolekulid on ülesehitatud madalamolekulaarsetest ainetest- monomeeridest Plastid: polümeeride baasil valmistatud tehismaterjalid, mille põhikomponendiks on polümeer ning mis töötlemisfaasis on plastsed, tavaliselt kõrgendatud temperatuuri ja rõhu mõjul Polümeerkomposiidid (plastkomposiidid): on materjalid, mis koosnevad polümeersest maatriksist (sideainest) ning tugevdavast ehk armeerivast lisandist (täiteaine – teraline või kiud materjal ). NB! Kõik plastid on polümeerid aga kõik polümeerid ei pruugi olla plastid (kummid, liimid, pinnakattematerjalid)

  4. Polümeeride liigitus • Päritolu järgi: looduslikud (tselluloos, kautšuk), modifitseeritud looduslikud (struktuur säilib peale keemilist töötlemist) ja sünteetilised (naftast, maagaasist, kivisöest) • Peaahela kuju järgi: lineaarse, hargnenud ja ristsillatud ahelaga • Rakendusomaduste järgi: tarbeplastid, konstruktsioonplastid, eriotstarbelised plastid

  5. Polümeeride supermolekulaarne struktuur • Polümeerid ei saa oma supermolekulaarse struktuuri tõttu olla gaasilises olekus, sest keemistemperatuur on üldjuhul kõrgem polümeeri lagunemistemperatuurist. • Polümeerid võivad olla ainult vedelas või tahkes agregaatolekus. • Supermolekulaarse struktuuri põhimõisted on kristallilisus ja amorfsus • Kristallilisus on kolmedimensionaalne korrastatus atomaarsel tasandil, kus aatomid võrepunktidena moodustavad määratud parameetritega kristallvõre.

  6. Kristalliinsus • Polümeerid ei ole perfektselt kristallilised vaid sisaldavad ka amorfset osa. Seetõttu tuleks polümeeride puhul kasutada mõisted kristalliinsus (poolkristalliline). • Polümeerid ei ole ka kolmedimensionaalselt isotroopsed, seetõttu on neile iseloomulik polümorfism, st et ühesuguse koostise ja konfiguratsiooniga polümeerid võivad kristallumisel anda erinevaid kristallmodifikatsioone. • Plastide mehaanilised omadused sõltuvad suurel määral kristallisatsiooniastmest. Kristalliinne struktuur mõjutab polümeeride omadusi: • Suureneb ahelate pakkimistihedus, seega ka polümeeri tihedus • Tõuseb pehmenemistemperatuur • Väheneb polümeeri läbipaistvus

  7. Kristalliinsus Polümeeride kristallisatsiooniastmeid (%): Polüetüleen PE (lineaarne) 95% Polütetrafluoroetüleen PTFE(teflon) 88% Polüpropüleen PP 80% Polüoksimetüleen POM 75% PolüetüleentereftalaatPET 60% Polüamiid 50%

  8. Amorfsus Amorfsus on polümeersete ahelate täiesti juhuslik asetus ruumis, seega tähendab maksimaalset ebakorrapärast struktuuri. • Plast on amorfne kui tema polümeeri makromolekulide paiknemisel ei ole korrapärasust: molekulid on üksteisest läbipõimunud. • Kuuma amorfse plasti jahutamisel muutub ta esmalt vedelikulaadsest ainest kummilaadseks ning edasisel jahutamisel klaasilaadseks aineks Amorfsed plastid: PMMA (pleksiklaas), PS, PVC Iseloomulik on suur läbipaistvus Plastide mehaanilisi omadusi kirjeldab hästi deformatsiooni sõltuvus temperatuurist konstantse koormuse korral. Graafiliselt esitatuna nimetatakse neid termomehaanilisteks kõverateks

  9. Amorfsus Polümeeride termomehaanilised kõverad Klaasistumine on amorfse sulapolümeeri üleminek tahkesse olekusse. Klaasistumistemperatuuril Tgtoimub üleminek polümeersest klaasiolekust kummisesse olekusse või vastupidi. Sulamistemperatuuril Tmtoimub üleminek polümeersest klaasiolekust sulaolekusse (kristalliinsed polüm.) Kasutamistemperatuuril on polümeer, kas klaasiolekus (PS, PMMA) või kummiolekus (elastomeerid) sõltuvalt sellest, kas kasutamistempratuur on madalam või kõrgem kui Tg.

  10. Polümeeride liigitamine vormimisomaduste järgi

  11. Polümeeride liigitamine taaskasutuskoodide põhjal

  12. Plastide töötlejad ja plastide kasutamine • Plaste tootvad firmad tegelevad ainult plastide tootmisega toorainest, mis moodustab ainult ühe osa tootmisest. • Plastide töötlejad – toodavad plastist tooteid kuid üldiselt plastide toormaterjali – polümeere ei tooda. • Euroopas ca. 25 000 firmat, 1 milj. Töötajat, 85% firmadest on alla 100 töötajaga • Plastitoodang on kasvanud viimastel aastatel 4%

  13. Plastide rakendusalad: Pakend 40% Ehitus 17% Autotööstus 10% Elektroonika 6% Põllumajandus 4% Muud 23% Plastide kasutamine Plastide rakendusalad: • Pakend 40% • Ehitus 17% • Autotööstus 10% • Elektroonika 6% • Põllumajandus 4% • Muud 23% Plastide kasutamine • PE 35% • PP 20% • PVC 18% Termoplastid 90% Reaktoplastid 10%

  14. Standardid • ISO 1043      Plastid - Tähised ja termini-lühendid. • ISO 1043-1  Osa 1: Polümeerid ja nende eri-omadused. • ISO 1043-2 Osa 2: Täidised ja sarrused. • EVS-EN ISO 1043-3 Osa 3: Plastifikaatorid. • EVS-EN ISO 1043-4 Osa 4: Leegiaeglustid. • ISO 11469 Plastid – Identifitseerimine ja plasttoodete markeerimine. • ISO 1629 Kautšukid ja lateksid – Nomenklatuur

  15. Lühendid (vt ka www.plast.ee) • ABS- akrüülonitriilbutadieenstüreenplast • ASA- akrüülnitriilstüreenakrülaatplast • EP- epoksüvaik või –plast • E/P van. EPM- eteenpropeenplast • ETFE- eteentetrafluoreteenplast • EVAC van. EVA- eteenvinüülatsetaatplast • LCP- vedelkristallpolümeer • MF- melamiinformaldehüüdvaik • PA    PA6    PA66 polüamiid, 

  16. Lühendid • PAI- polüamiidimiid • PC- polükarbonaat • PE- polüeteen • PF -fenoolformaldehüüdvaik • PE-HD van. HDPE, PEH polüeteen; kõrgtihe • PE-HMW van. HMWPEpolüeteen; kõrge molekulkaaluga • PE-LLD  van. LLDPEpolüeteen; lineaarne madaltihe • PEEK polüeetereeterketoon

  17. Lühendid • PI polüimiid • POM polüoksümeteen, polüatsetaal, polüformaldehüüd • PP- polüpropeen • PS- polüstüreen     PS-E van. EPS polüstüreen; vahustatav PS-HI van. HIPS polüstüreen; löögikindel • PVC- polüvinüülkloriid

  18. Lühendid • SI- silikoonplast • UF- karbamiidformaldehüüdvaik • UP- küllastamata polüestervaik

  19. Tarbeplastid: Polüetüleen (PE) Polüpropüleen (PP) Polüvinüülkloriid (PVC) Polüstüreen (PS) Fenoolformaldehüüdvaik (PF) Konstruktsiooniplastid: Polükarbonaat (PC) Polüamiid (PA) Polüatsetaal (POM) Polüetüleentereftalaat (PETP) Polümetüülmetakrülaat (PMMA), Epoksüvaik (EP) Liigitus lõppomaduste ja otstarbe järgi

  20. Mehaanilised Vastupanu mehaanilistele mõjudele (tõmme, surve, paine) Kõvadus Hõõrdumine, kulumiskindlus Optilised Läbipaistvus Valguse neeldumine/ peegeldumine Füüsikalised Sooja-/külmakindlus Soojusjuhtivus Soojuspaisumine Keemiline vastupidavus Sanitaar-hügieenilised omadused Olulised talitlusomadused

  21. Põhiliste termoplastide omadused

  22. Põhiliste termoplastide omadused

  23. Põhiliste termoreaktiivide omadused

  24. Termoplastid Polüetüleen (PE) • Polüetüleeni omadused ja kasutusvaldkonnad võivad erineda suurtes piirides • HDPE - lineaarne polümeer. • Madalatel temperatuuridel hea löögisitkus, • suurepärane keemiline vastupanu, • tundlik UV kiirgusele • LDPE - ulatuslikult hargnenud ahelaga polümeer • Madalatel temperatuuridel hea löögisitkus, • väike kõvadus ja tugevus, • suur keemiline inertsus, • suurepärane dielektrik

  25. Termoplastid Polüetüleen (PE) • LLDPE - lineaarne madaltihe PE (korrapärase struktuuriga) • Kõrgem tõmbetugevus, • Kõrgem löögisitkus, • Parem sulavoolavus kui LDPE • UHMWPE – ülikõrge molekulmassiga PE • Suur kõvadus ja tugevus, • suur keemiline inertsus, • Vastupidav kriimustustele ja abrasiivkulumisele • Suur sitkus • Ei ole sulatöödeldav; töödeldakse kummiolekus

  26. TermoplastidPolüpropüleen (PP) • Kõrgkristalne polümeer (nagu PE) • Võib olla nii termoplast kui ka elastomeer (sõltub polümeeriahela külgrühma paiknemisest) • Suurema kõvadusega kui HDPE • Tihedus sarnane LDPE • Hea keemiline vastupanu, kõrge väsimustugevus • Madalal temperatuuril haprub • Väga tundlik UV-kiirgusele! • Koostisse peavad kuuluma antioksüdandid ja UV filtrid

  27. TermoplastidPolüvinüülkloriid (PVC) • Odav termoplast • Hea keemiline vastupanu hapetele ja leelistele • Cl aatomid muudavad polümeeri molekulid polaarseteks-> tõmbejõud molekulide vahel tõstavad kõvadust ja jäikust • Termiliselt väga ebastabiilne • Kompaundis peavad olema stabilisaatorid

  28. TermoplastidFluorosüsinikpolümeerid • PTFE- Polütetrafluoretüleen • PVDF- polüvinüülideenfluoriid Iseloomustab: • Kõrge termopüsivus (kuni 350 ºC) • Keemiliselt inertne • Head antifriktsioonomadused • Omaduste tõstmiseks erilisandid: klaaskiud, pronkspulber, grafiit

  29. TermoplastidPolüstüreen (PS) • PS- polüstüreen • ABS- akrüülnitriil-butadieen-stüreen • SAN- stüreenakrüülnitriil PS - rabe, klaasjas ja läbipaistev, hõlpsasti töödeldav, hea mõõtmepüsivus, madal kemikaalikindlus, väga tundlik UV kiirgusele

  30. TermoplastidPolüstüreen (PS) • ABS- akrüülnitriidist, butadieenist ja stüreenist koosnev kopolümeer • Iseloomustavad: • Head mehaanilised omadused • Kõrge löögisitkus • Hea mõõtmetepüsivus • Keemiliselt vastupidav hapetes, leelistes, lahustites • Kergesti vormitav

  31. TermoplastidAkrüülplast (PMMA) • Toatemperatuuril amorfne kuni klaasistumistemperatuurini Tk=110ºC • Kõva, jäik, kõrge löögisitkusega • Hea läbipaistvus (pleksiklaas) • Inertne majapidamis-kemikaalidele • Ei kannata orgaanilisi lahusteid

  32. Termoreaktiivid Epoksüüdvaigud • Elektriskeemidel elektroonika komponentide fikseerimiseks; • Hammasrattad; • Adhesiividena.

  33. Termoreaktiivid Fenoolvaigud • Piljardipallid; • Adhesiividena (laastplaadid, friktsioonmaterjalid); • Käepidemed; • Elektrilised isolaatorid; • Hammasrattad (vähekoormatud); • Laagrid; • Vahustatud kujul plaaditüüpi ehitusmaterjalina.

  34. Termoreaktiivid Elastomeerid • Rehvid; • Voolikud (butüül kummi, isopreen); • Tihendid (akrülaat hea õlikindlus) ; • Vibrosummutid; • Elektrilised isolaatorid (bütuul, isopreen); • Jalatsite tallad (etüleen-propüleen); • Mänguasjad (looduslik kummi, madal UV- ja õlikindlus); • Jne.

  35. Plastide töötlemise põhiprotsessid Termoplastide töötlemise põhiprotsessid: • Survevalu • Ekstrusioon • Termovormimine • Rotovormimine Põhiprotsesse võib jaotada: • Primaarsed – toote lõplik vormimine toimub ühe protsessina • Sekundaarsed – toote vormimine toimub pooltootest

  36. Survevalu protsess Survevalu teostamiseks on vaja plast muuta sisestatud tahkest olekust (tavaliselt pelletite või pulbri vormis) töödeldavasse sulaolekusse. • sisestatud materjali plastifitseerimine pöörleva teo abil (samm 1) • peale vormi sulgemist järgneb plastifitseeritud materjali surumine vormi läbi teo edasi liikumise (samm 2), • surve hoidmine ja detaili jahutamine vormis (samm 3) • teo tagasiliikumine ja uus tsükkel(samm 4) • viimane protsessi samm on vormi avamine ja detaili väljutamine vormist (samm 5).

  37. Survevalu masina komponendid Sõltumata töödeldavast materjalist, koosneb survevalu masin järgmistest komponentidest: • Masina raam toetab sisestusüksust ja sulgemisüksust (vormi avamine ja sulgemine tootmistsüklis) • Survevalu tsükli jada kontrollitakse kontrollsüsteemi poolt • Vormitud detaili jahutamisel, peab vormitud segu olema jahutatud enne vormist väljavõttu(temperatuuri kontrollerid).

  38. Survevalu eelised: • Võimalus valmistada avatud anumaid. • Valudetaili omahind on madal tingituna masstootmisest; • Valmistoode enamasti ei vaja järeltöötlust, kui siis minimaalselt • Protsessi automatiseeritus; • Suur tootlikkus – ööpäevas 5000 – 10 000 detaili; • Vormide pikk tööiga (10 000 000 tsüklit); • Lühike tootmistsükkel; • Võimalik reguleerida tootmistsüklit ja suurendada toodangut.

  39. 3. Plastide töötlemise põhiprotsessid Survevalu puudused: • Vormide kõrge hind, tingituna keerulisest ehitusest ning pinnakvaliteedist; • Kallid seadmed, keeruline seadistus; • Keerulise kuju ja suurte mõõtude suhtega detaile ei saa valmistada; • Teisest materjalist lisade sissevormimine on keeruline ja kallis; • Vormi ümbertegemine on kulukas

  40. 3. Plastide töötlemise põhiprotsessid Ekstrusioon • Ekstrusioon on pooltoodete nagu toru, profiili võilehe pidevtootmine plastist. • Lisaks teistele komponentidele, sisaldub ekstrusioonsüsteemis: ekstruuder, ekstrusioonipea, kalibreerimis/jahutus osa, ajam, lõikemehhanism. • Ekstruuderi kuumas silindris (140 – 240 °C) muudetakse plastikud pöörleva teo toimel plastseks • Plastne segu surutakse läbi vormiva kanali (ekstrusioonipea ehk suulise) ja seejärel toode jahutatakse.

  41. Ekstrusioon-puhumisvormimine Ekstrusioon puhumisvormimisel toimub kaks protsessi paralleelselt: • vormitooriku ekstrusioon • ekstrudeeritud vormitooriku puhumine õhu abil soovitud tooteks

  42. Venitus-puhumisvormimine Kilede tootmine • Venitus puhumisvormimine on erivariatsioon puhumisvormimisest. • Kasutatav efekt – sarnane nagu kile puhul – venitus ligilähedal klaasistumis või kristalliitide sulamistemperatuurile • Sellel teel tõstetakse mehaanilisi omadusi märgatavalt. • Sellel protsessil ei venitata vormitoorikut mitte ainult radiaalselt (nagu ekstrusioon puhumisvormimisel) vaid ka pikisuunaliselt.

  43. 3. Plastide töötlemise põhiprotsessid Venitus-puhumisvormimine PET plastpudelite tootmine

  44. 3. Plastide töötlemise põhiprotsessid Termovormimine (pneumo- ja vaakumvormimine) • Lehtmaterjlide korral kasutatakse üle- või alarõhu abil vormimist, vastavalt pneumo- või vaakumvormimist. • Termoplastid soojendatakse temperatuurini 100 – 200 °C ja surutakse (rõhk kuni 2,5 MPa) või tekitatakse vaakumi abil alarõhk, mille abil surutakse leht vastu vormi, mille kuju ta jahtudes omandab. • Pneumovormimine võimaldab võrreldes vaakumvormimisega valmistada sügavamaid ja suurema seinapaksusega tooteid.

  45. 3. Plastide töötlemise põhiprotsessid Termovormimine (pneumo- ja vaakumvormimine) Vaakumvormimine matriitsi abil

  46. Rotovormimine Rotatsioonvalu korral surutakse pulbriline plast tsentrifugaaljõu mõjul vastu kuuma vormi, jahtudes omandab sulanud materjal vormi kuju. Nii saab vormida suuri ja keeruka kujuga esemeid. Rotovormimise meetodil valmistatavad plasttooted: • anumad ja mahutid, • välisvalgustite kuplid, • settekaevud ja kuivtualetid • erineva suuruse ja kujuga merepoid). • sanitaartoodetest valmistatakse kuivkäimlaid, • autotööstusele Volvo ja Scania veoautode ja teemasinate kütusepaagid

  47. Rotovormimine Rotovalu tsükkel: a) laadimine, b) kuumutamine, c) jahutamine d) vormist väljavõtmine

  48. EELISED: suur eritugevus, vastupanu keemiliselt agressiivsetele keskkondadele, väike soojus- ja elektrijuhtivus, hea raadiolainete läbitavus; tehnoloogilisus – madalad temperatuurid ja väiksed surved tootmisel; valmistamisviiside paljusus PUUDUSED: suhteliselt väike jäikus, madal soojus- ja kiirguspüsivus, hügroskoopsus, füüsikalis-mehaaniliste omaduste muutumine vananedes ja keskkonnategurite mõjul. Plastmaatrikskomposiitmaterjalid (PMKM) Jäikuse suurendamiseks kasutatakse suure jäikusega armatuuriliike nagu suure elastsusmooduliga klaaskiud, süsinikkiud, boorkiud, ränikarbiidkiud.

  49. 4. Polümeerkomposiitide olemus ja liigitus Polümeerkomposiitide armeerimise skeemid a) pidevarmeerimine, b) diskreetne armeerimine, c) dispersioonarmeerimine d) kihtarmeerimine

  50. Polümeerkomposiittoodete valmistamise tehnoloogiad • Käsitsi lamineerimine (hand-lay-up) • Vormimine vaakumkotis (Vacuum bag moulding), • Injektsioonvormimine • Pihustamismeetod (spray-up) • Kerimine ehk mähkimine (filament winding) • Pultrusioon

More Related