Kémia | Felsőoktatás » Különleges műszaki polimerek

Különleges műszaki polimerek Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 2 2. Különleges műszaki polimerek 3 3. Polimer kompozitok 6 4. Polimer kompozit termékek gyártástechnológiái 9 5. A Kevlár megmunkálása és szerelése 14 6. A Kevlár gyakorlati alkalmazásai 18 Irodalomjegyzék . 23 1 1. Bevezetés Az iparban használatos műanyagok szinte sohasem „tiszta” polimerek, hanem többkevesebb olyan adalékanyagot is tartalmaznak, amelyek a tulajdonságok kedvező irányú megváltozását eredményezik. Különböző anyagok bekeverésével jelentősen módosíthatjuk a műanyagok jellemzőit. Az erősítőanyag általában szálas szerkezetű, legtöbbször hosszabbrövidebb üvegszál, de ma már igen gyakoriak a szénszálak, műanyag szálak (pl Kevlár szálak) sőt acél és bórszálak. Ezek a szálerősítéses műanyagok szerkezetükből adódóan speciális eljárásokat igényelnek előállításukhoz és felhasználási területüktől függően

megmunkálásuk is más-más technológiát igényel. A felhasználási területek listája manapság egyre növekszik, mivel a tudomány és technológia fejlődésével a szálerősítéses anyagok olcsóbbakká válnak. Ebben a dolgozatban az aromás poliamid szálakkal erősített műanyag kompozit (Kevlár) tulajdonságait, előállítását, megmunkálását és konkrét példákon keresztül alkalmazási területeit mutatom be. 2 2. Különleges műszaki polimerek Nehéz határvonalat húzni a szintetikus polimerek hierarchiájában a tömegcikkgyártás (commodity plastics) polimerjei és a műszaki alkalmazású („high-tech”) polimerek között. Műszaki polimeren (engineering polymer) olyan szerkezeti anyagot értünk, amely elsősorban műszaki cikkekben kerül felhasználásra, ahol • a méretpontosság, • a mechanikai szilárdság, • a hőállóság, • az elektrotechnikai jellemzők, és • még sok más funkcionális tulajdonság, mint pl. a

kopásállóság, karbantartást, kenést nem igénylő súrlódási karakter, vegyszerállóság, feszültségkorrózióval szembeni stabilitás, üzembiztonság, szívósság, a k atasztrofális tönkremenetellel szembeni védettség stb., egyedülállóan magas szintű tulajdonság együttesét valósíthatjuk meg, viszonylag kis sűrűségű, könnyűsúlyú anyaggal. Ha ezek a magasszintű mutatók, funkcionális tulajdonságok közül ki kell emelnünk valamit, akkor az egyre növekvő hőtűrés, hőállóság. A különleges műszaki polimerek csoportosítása: • fluorpolimerek, • polisziloxánok, • polikarbonátok, • aromás poliamidok (aramidok), • poliimidek, • poliszulfonok, • poliéterek, éterketonok (PEEK), • folyadékkristályos polimerek (LCP). Most ezek közül az aromás poliamidok csoportját mutatom be részletesebben, amelyek a Kevlar gyártás alapját képezik. 3 Aromás poliamidok (aramidok) A poliamidok kitűnő mechanikai

tulajdonság-együttesét (kiváló húzószilárdság, szívós ütésállóság, magas modulusz) az utóbbi években két irányban is tovább javították a molekulatervezés (molecular engineering) céltudatos módszereivel: • a hőállóság növelés és • a nedvesség-érzékenység csökkentése irányában. Az aromás gyűrű bevitele a polimerláncba általában megnöveli a lánc stabilitását. A kívülről érkező hőenergia, sugárzó energia ugyanis eloszlik a benzolgyűrű különleges elektronrendszerében, mielőtt a lánc felszakításához szükséges mértékben koncentrálódhatna. Az aromás poliamidok: a polimerláncban aromás gyűrűket tartalmazó poliamidok. (az oldalláncban megjelenő benzolgyűrűnek – mint pl. a polisztirolban – nincs akkora stabilizáló hatása.) Az aromás poliamidok között három alaptípus lett igen sikeres az elmúlt időben: a, para-feniléndiamin-ftálsavamid, ismert márkaneve: KEVLAR (DuPont) b,

meta-feniléndiamin-ftálsavamid, ismert márkaneve: NOMEX (DuPont) Mindkét fenti típus tehát poli-ftalamid (PPA) csak a benzolgyűrűhöz kapcsolódás helyzetében különböznek (para: átellenes pontokon meta: mellette). A KEVLAR és a NOMEX típusok nagyszilárdságú szálerősítő-anyagként jelentek meg kompozit célokra, de önálló műszaki anyagként is alkalmazhatóak. c, a harmadik alaptípus csak egyik komponensében aromás (semi-aromatic) poliamid 4 Ezt az alaptípust TROGAMID márkanévvel forgalmazzák (HÜLS). A következő táblázatban összehasonlításképp felsorolom az aromás poliamid (PAA), a 30% üvegszállal erősített poliamid (PAA+30% GF), és a hagyományos nylon (PA) tulajdonságait. Tulajdonságok Egység PAA PAA+30% GF PA 6.3T Fizikai tulajdonságok Sűrűség Kristályosodás Vízfelvétel (egyensúlyi, 50% RH) Telítettségi vízfelvétel g/cm3 % % % 1,15 . 0,68 . 1,46 1,12 0,21 1,8 . 7,8 MPa % GPa MPa GPa 76 6 2,4 128 2,6 .

96 221 2,5 13,1 317 11,4 52,3 11,2 87 8 2,8 135 . Nem törik 9 10-4 K-1 10-4 K-1 % 310 127 120 . . . 1,5 310 127 285 170 0,6 1,3 0,8 280 149 119 . 0,5 . 0,7 Elektromos tulajdonságok Villamos ellenállás Dielektromos állandó (50-10 MHz) Dielektromos veszteségi tényező (50-10 MHz) Ohm ˙ cm - . . . 1016 4,4 0,009 1015 3,6 0,03 Előnyök Kitűnő mechanikai tulajdonságok, tág hőmérsékleti határok Mechanikai tulajdonságok Szakító szilárdság Szakadási nyúlás Húzó rugalmassági modulusz Hajlító szilárdság Hajlító modulusz Ütőmunka 23°, hornyolatlan Ütőmunka 23°, hornyolt kJ/m2 kJ/m2 Termikus tulajdonságok Olvadási hőmérséklet Üveges átalakulási hőmérséklet (Tg) HDT hőállóság (1,8 MPa) Tartós hő-terhelhetőség Lineáris hőtágulás Tg alatt Lineáris hőtágulás Tg felett Szerszámzsugor °C °C °C °C között, jó mérettartás Hátrányok Továbbra is nedvességérzékeny Alkalmazások Halogén lámpák,

diesel-szűrők háza, foglalatok, villamos kapcsolók, kompozit- gázórák, üzemanyag szálerősítés szivattyúk alaktrészei 1. táblázat: Az aromás poliamidok tulajdonságai 5 3. Polimer kompozitok A kompozitok a műszaki célú szerkezeti anyagok legkorszerűbb családját képezik. Kialakításuk abból a felismerésből indult ki, hogy az alkatrészek terhelése a legritkább esetben azonos a tér minden irányában. A leggyakrabban minden műszaki alkotásban, gépben, gépalkatrészben, építményben vagy bármely használati eszközben az igénybevétel, a terhelés jól meghatározott erővonalak mentén érvényesül. Ezen erővonalak irányában gyakran nagyságrendekkel nagyobb szilárdságra van szükség, mint más irányokban. Ez indokolja a homogén szerkezeti anyagok megerősítését (reinforcing, Verstärkung) nagyobb szilárdságú erősítőanyagokkal, a teherviselés kitüntetett irányában. A kompozit: • többfázisú (alkatrészeiben

fázishatárokkal elválasztott) • összetett: több anyagból álló szerkezeti anyag, amely • erősítőanyagból (tipikusan szálerősítésből) és • befoglaló (beágyazó) anyagból: mátrix-ból áll, és az jellemzi, hogy • nagy szilárdságú és rendszerint nagy rugalmassági moduluszú erősítőanyag és a • rendszerint kisebb szilárdságú, de szívós (nagy ütésállóságú) mátrix között • kitűnő kapcsolat (adhézió, tapadás) van, amely a deformáció, az igénybevétel magas szintjén is tartósan fennmarad. A kompozit erősítőanyaga tipikusan (de nem kizárólag) szál jellegű. A szálas erősítés alkalmazását mindenekelőtt az a műszaki logika indokolja, hogy termékünknek a terhelés kitüntetett irányában kell kiemelkedő szilárdságot mutatnia. Az aramid szálerősítés mellett természetesen még más szálerősítő anyagokat is alkalmaznak. A polimer kompozitok erősítő szálai: • üvegszál • karbonszál

• aramid szál • polietilén szál • egyéb erősítő szálak (pl. fémszálak) 6 Száltípus Sűrűség ρ g/cm3 2,60 Szakító szilárdság σ GPa 2,5 Rugalmassági modulusz E GPa 72 Szakadási nyúlás ε % 4,8 Fajlagos szakadási hossz (σ/ρ) km 96 Üvegszál (E típus) Grafitszál (HS) 1,78 3,4 240 1,4 190 Aramid (KEVLAR 49) 1,44 3,3 75 3,6 230 Polietilén (SK 66) (HOPE) 0,97 3,3 99 3,7 340 Acélhuzal 7,86 4,0 210 1,1 50 2. táblázat: Erősítőszálak tulajdonságai Az aramid szál Az aromás poliamidok különleges szerkezetéből adódó szilárdságáról és magas hőállóságáról már esett szó. Az aromás poliamid szálak (a hagyományos /alifás: nem gyűrűs) poliamid szálakhoz hasonlóan) nagyfokú orientáció (azaz: nyújtás) során nyerik el nagy szilárdságukat. Az aramid szálak esetén ez már a folyadékállapotban vagy géles állapotban megjelenő rendeződéssel párosul, amelynek alapján több

ilyen termék az ún. folyadékkristályos polimer kategóriájába tartozik. Alapjában két fő típus ismeretes: a, a para-kötéssel kapcsolódó aramidok (a benzolgyűrű átellenes pontjaihoz kapcsolódó kötésekkel), és b, a meta-kötéssel kapcsolódó aramidok, amint azt már említettem. A szál-alakban gyártott aramidok azonban (a különleges nyújtási technológia és az így elérhető nagyfokú orientáció révén) az aramid tömböknél is jóval nagyobb szilárdságot mutatnak. A para-kapcsolódású aromás poliamid szálak (KEVLAR, TWARON, TECHNORA) 3000 MPa feletti szakítási szilárdságukkal és 60-120 GPa közötti húzó moduluszukkal a legjobb acélhuzalokkal vetekszenek, miközben sűrűségük csak 1,44 g/cm3, s így még a karbonszálnál is könnyebbek. Az aramid szállal erősített kompozit kitűnik rendkívüli szívósságával, ütésállóságával is. Ez adja az aramid szálak előnyét ütéssel és nyírással szembeni igénybevétel

során, pl. golyóálló mellény formájában Kompozit erősítőanyagként gyakran alkalmazzák karbonszállal együtt, hibrid erősítőrendszerben. 7 A polimer kompozitok mátrix anyagai 1. Poliészter A telítetlen poliészterek, UP (unsaturated polyester) gyanták a polimer kompozitok korai térhálós mátrixanyagai. Alapanyagként mézsűrűségű folyékony gyanta (oligomer), melyből a szálerősítést és a térhálósodást követően, hőre nem lágyuló, nagyszilárdságú műszaki szerkezeti anyag jön létre. Az UP térhálósodása, a többi gyanta térhálósodásához hasonlóan exoterm folyamat. A folyékony állapotból szilárd állapotba való átmenet nem fokozatosan, hanem viszonylag gyorsan, ún. gél állapoton keresztül történik Ez kocsonyás konzisztenciát jelent, azaz az anyag itt károsodás nélkül már nem alakítható, nem dolgozható fel. Kikeményedéskor 2-5% szerszámzsugorodás lép fel. Mivel az UP gyantákat általában hidegen, azaz

szobahőmérsékleten térhálósíthatók, ezért itt különösen fontos szerepe van az utóhőkezelésnek, mind a térhálósítás teljessé tétele, mind a belső feszültségek csökkentése végett. 2. Epoxi Az epoxi gyanták is oligomer formában kerülnek forgalomba, amelyek molekulánként legalább két epoxi csoportot tartalmazó, oldószermentes, molekulasúlytól függően folyékony, mézszerű, ill. szilárd anyagok A térhálósodás a poliészter gyantához hasonló módon történik, de a gélesedés nem jelent olyan éles, jól meghatározott átmenetet, mint az előbbieknél. Térhálósodáskor a térfogati zsugorodás általában <0,5%. Ennél a gyantánál is szükséges az utóhőkezelés. Az epoxi gyantával készített kompozitok (azonos erősítőszálak esetén) kedvezőbb szilárdsági értéket mutatnak, mint a poliészter gyanták, ez elsősorban a tartós, ill. a váltakozó terhelésre vonatkozik. 3. Egyéb mátrix anyagok A fentieken kívül

speciális célokra mátrix anyagként használnak még szilikon gyantákat (hőállóság), furán gyantákat (vegyszerállóság), poliimid gyantákat (hőállóság), stb. Aramid szálak gyártása Az aramid szálakat olvadékos szálképzéssel, extruderrel állítják elő. A szálképzéshez szükséges viszkozitás eléréséhez 260-270 °C-on dolgoznak, ahol a poliamid stabilitása kicsi. A bomlási folyamat csökkentésére az olvadékot N2-atmoszférában dolgozzák fel, arra törekedve, hogy egyidejűleg csak kis mennyiségű polimer minél rövidebb ideig legyen 8 olvadék állapotban. A szálakat kb 1000 m/perc sebességgel húzzák, és a szálképző fejből kilépő olvadékot hűtőkamrában 70 °C alá hűtik, amelybe gőzt is vezetnek a nedvességfelvétel meggyorsítása végett. A nedvesített szálakat csévélik, majd nyújtógépen négyszeresére nyújtják. A nagy szakítószilárdságú szálakat 100-200 °C-on nyújtják 4. Polimer kompozit termékek

gyártástechnológiái A következőkben a legtipikusabb polimerkompozit-technológiákat, a sűrű térhálós (duromer) mátrix kialakításával együtt járó módszereket, az UP (telítetlen poliészter), EP (epoxigyanta, epoxid) alapú, nagyszilárdságú aramid- (vagy üveg-, karbon-) szállal erősített rendszerek gyártási technikáját tekintem át. 4.1 Laminálás, szórás A kézi laminálás alapelvét a 1. ábra mutatja A fémből, fából, vagy akár gipszből készült szerszámra egymás után viszik fel a különféle szálerősítő rétegeket, és a megfelelő viszkozitású (a folyamat elején még oligomer állapotú) gyantarétegeket. A szálerősítőanyag lehet: egyirányban vagy több irányban erősített, szőtt, nem szőtt (nemezelt) vagy hurkolt („kötött”) kelme, vagy vastagabb, 3D szövet, ill. textília Az erősítőanyag rétegvastagságát a m2-súly jellemzi. A kész kompozit lemez állhat akár 20 rétegből is, elérheti a 20 mm

vastagságot is, és a konstrukció által megkívánt sarokpontokban tartalmazhat jelentős megvastagítást, megerősítést, bordát, fém-betétet stb. Felépülhet szendvics-lemez formájában is, és mindez tág teret ad a konstruktőr kívánalmainak. A réteges konstrukció biztosítja a kompozit konstrukció legfőbb műszaki előnyét: a teljes alkatrész, a termék szilárdságát minimális önsúly mellet úgy optimálhatjuk, hogy az igénybevétel (előre tervezhető) erővonalai mentén kapjuk a legnagyobb szilárdságot. A korai kézi laminálás ezen alapelve jut érvényre a mai legigényesebb „high-tech” kompozittermékek az aeronautika és asztronautika eszközeinek gyártási technológiájában is. A konstrukció feladata tehát a rétegek méretezése, az irányok meghatározása, a rétegrend kialakítása. A laminálási technológia némileg „gépiesített” változatának tekinthető a szórás technológiája, amelyben a vágott erősítőszálból

nemezelt paplan kézi felrétegzése és átitatása helyett alkalmas szórópisztolyból egyidejűleg szórunk fel (akár függőleges felületre is) vágott erősítőszál-rovingot, iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. A szórásnál és a laminálásnál (amelyeket gyakran kombinációban is alkalmaznak) egyaránt fontos a mátrix gyanta és az erősítőszál közé szorult levegő eltávolítása. 9 1. ábra: A kézi laminálás alapelve 2. ábra: A kompozitszórási technológia vázlata A szórógép a kétféle gyantát és a száltekercsből helyben vágott (kb. 20 mm-es hosszúságú) szálakat a gép fejében keveri össze és sűrített levegő segítségével a szerszámba juttatja. Az eljárás társítható szövetek kézi laminálásával is. 4.2 Sajtolás A laminálás nyomás nélküli technológia. A nyomásnak a térhálósítás során jelentős szerepe lehet a matrix és a szál közti kontaktus, tartós kapcsolat kialakításában. Enyhe

nyomóerőt (max. 1 ba r) úgy is alkalmazhatnak a térhálósodó kompozitlemezen, hogy a rugalmas gumilemezzel befedett laminátumot a szerszám felőli oldalon vákuummal megszívják. A vákuum maga végezheti a folyékony mátrix-gyantával való feltöltést is, ezt hívják vákuuminjektálásos eljárásnak. A térhálósodás végéig alkalmazott vákuum hasonló hatású, mintha a „kikeményítést” 10 N/cm2 = 105 Pa nyomás alatt hajtották volna végre. Természetesen a n yomás alatti eljárásoknál célszerű kétrészes szerszámokat alkalmazni az eddig tárgyalt egyrészes (csak a 10 termék egyik oldalát definiáló) szerszámok helyett. A vákuum-injektálás is kivitelezhető kétrészes szerszámban. A sajtolás során tipikusan 20-40 bar nyomáson, 130-150 °C hőmérsékleten 1-2 min/mm ciklusidő alatt megtörténik a teljes térhálósodás. E ciklus elején az előgyártmány először ömledék állapotba kerül: „megfolyik”, kitölti a

szerszámüreget, majd hamarosan (a kémiai iniciátor hatására) a v iszkozitás újra növekedni kezd és kialakul a térhálós, szálerősített rendszer. 3. ábra: A kompozit vákuum-injektálás alapelve 4.3 Tekercselés A terhelés kitüntetett irányaiban történő, anizotrop anyag-erősítés elve, a kompozit konstrukciók alapelve jól érvényesíthető a technika gyakran felhasznált elemei: a nyomásálló csövek ill. tartályok, és az erőátvitelre szolgáló rudak gyártásában Jól ismert a mechanikából, hogy a nyomásálló csövek, hengeres tartályok héjának terhelése korántsem azonos a cső hosszirányában és arra merőlegesen a hengerpalást kerületének mentén. Ez a követelmény jól kielégíthető polimerkompozit héjakkal, amelyekben a szálerősítést a kívánt irányban lehet alkalmazni. Így kiemelkedően előnyös szilárdság/tömeg-viszonyú és különleges követelményeknek is eleget tevő: korrózióálló, robbanásbiztos

stb. erősített tartályokat, csöveket, rudakat stb. lehet előállítani Az eredeti eljárásban enyhén kúpos magra tekercselik fel az erősítőszál köteget, amelyet előzőleg a matrix oligomerrel átitatnak. A többszörös oda-vissza tekercselés alakítja ki a többrétegű, több irányban erősített kompozit szerkezetet, amelynek térhálósítása a kúpos magon történik. A tekercselés kompozitgyártási technikának számos változata ismert 11 Újabban hőre lágyuló mátrixszal is alkalmaznak folytonos erősítőszálat, és itt a feltekercselés helyén ráolvasztva alakul ki a kötés. A tekercselés (amely eredeti formájában is textiltechnológiai tapasztalatokon alapul) legújabb változatában sokoldalú technikát ígér erőátvitelre alkalmas üreges „zártszelvények”: csövek, profilok kialakítására. Ez a technika a fonatolás ill körszövés A körszövött vagy fonatolt textilrendszer impregnálása történhet utólag és az ezt

követő hőkezeléshez hasonlóan megfelelő „alagútban”. 4. ábra: A kompozit tekercselés alapelve 4.4 Pultruzió A hosszirányú, folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás az extruzióhoz hasonló eljárás, amelyben a h úzásnak igen nagy szerepe van: a t érhálósítás befejeztéig a termék jelentős húzásnak van kitéve. Az erősítőszál hosszirányú kifeszítésének az előnyeire jól lehet következtetni az előfeszített vasbeton építőelemek kitűnő szilárdsági és rugalmassági adataiból. A 5. ábra jól mutatja a folytonos elvű gyártási eljárás lényegét: A szálkötegeket az oligomergyantával való átitatás után egy fűtött szerszámban egyesítik, és ebben a szerszámban az állandó hosszirányú feszítés mellett megy végbe a matrixgyanta térhálósítása. A profilgyártó pultruziós sorok sebessége 1,5-60 m/h is lehet. A profilok lényegében kizárólag hosszirányú erősítőszálai a terméknek igen nagy

húzó- és hajlítószilárdságot kölcsönöznek. A termék kritikus tulajdonsága a keresztirányú szilárdság Ezért újabban szövedék-szalag vagy nemszőtt, nemezelt jellegű erősítést is alkalmaznak. A felületi simaságot további üvegszövet fátyol javíthatja a szálköteg szerszámba lépése előtt. A szerszám több előformázó lépcsőt tartalmaz, s egy tipikus U profil vagy C profil esetén akár 150 cm hosszú is lehet. A szerszám hőmérsékleti kontrollja kulcsfontosságú A merev készterméket a kívánt hosszúságúra darabolják. 12 Folyamatos üzemű „elhúzással” készülnek kompozitlemezek is. A 6 ábra szálerősítéses hullámlemez gyártósorát mutatja be. A síklemez gyártás hasonló elvű A lemez formaleválasztó fóliára épül fel, ami tipikusan regenerált cellulóz („cellofán”) fólia. Erre kerül a folyékony oligomer gyanta, majd az erősítőszál paplan. A fedőfóliát ami ismét cellulózfilm, úgy hengerlik a

lemezre, hogy abban légbuborék ne maradjon. A viszonylag hosszú (néhány méteres) hőalagútban történik meg a térhálósítás. 5. ábra: A pultruzió vázlata 6. ábra: Szálerősítéses hullámlemez gyártósora 13 4.5 Összetett kompozit technológiák A polimer kompozit gyártási technológiák sokoldalúságát integrált szerkezetek sorozatgyártásában a legjobban a közlekedés néhány mérnöki vívmányán vehetjük szemügyre. Az előbb felsorolt technológiákkal általában 5-20mm vastagságú szálerősítéses műanyagból készült alakos darabolt, vagy alaktalan folyamatos lemezek gyárthatóak. Némely, különleges körülmények között üzemelő szerkezet (pl. a repülőgépek, űrrepülőgépek) számára azonban ezek a termékek önmagukban nem biztosítanak kielégítő mechanikai tulajdonságokat. Ennek a problémának a megoldására hozták létre az úgynevezett szendvicsszerkezetet. A szendvicsszerkezet olyan két, egymással

párhuzamos sík, vagy görbült nagy szilárdságú lemez (fedőlemez, héj), amely között könnyű, kis szilárdságú, a fedőlemezeknél vastagabb anyag (maganyag) helyezkedik el oly módon, hogy a három réteg egy mechanikai egységet képezzen. A szendvicsszerkezetek jellemzője a kis anyagmennyiséggel elérhető nagy hajlítómerevség. Ez kiküszöböli az egyszerű szálerősítéses lemezek merevségi problémáit A szendvicsszerkezet elterjedésének oka, hogy a kompozitok és egyéb polimer, vagy nem polimer maganyagból technológiailag könnyen lehet szendvicset előállítani. A kompozit szendvicsszerkezeteket többféle módon lehet előállítani: • Elkészítik formában a két erősített kompozit fedőlemezt, majd ezek közé ragasztják a maganyagot. • Az előző pontbeli módszerrel elkészítik a fedőlemezt, majd távtartást biztosító szerszám közé habosítják a maganyagot. • A formában lévő, még lágy, nem térhálósodott kompozit

lemezre rászorítják a maganyagot, a lemezt kikeményítik, térhálósítják, majd a formában, vagy a formából kivéve a másik fedőlemezt rárétegzik a maganyag szabad felületére. • Előre leszabott, hajlított vagy összeállított maganyagra, mint szilárd szerkezetre két oldalról rárétegzik a kompozit fedőrétegeket. 5. A Kevlár megmunkálása és szerelése A szálerősítésű Kevlár létrehozása során az már elnyeri tulajdonképpeni alakját, amilyen a felhasználás, beépítés során szükséges. Előfordulhat azonban, hogy az elemeket pontosítani, utólagosan alakítani, vagy több elemet összeilleszteni szükséges. Erre a szálerősítéses anyagok esetén két módszer lehetséges: • forgácsolás, 14 • ragasztás. 5.1 Forgácsolás A szálerősített Kevlár anyag esetében, a megfelelő gépelemgyártás érdekében a következő feltételeket kell betartani: • A forgácsoló erő legyen kicsi, a szorítás könnyű. Az anyag

„erőltetése”, szorítása vagy feszítése elkerülendő. • Csak a forgácsoló élnek szabad érintkeznie az anyaggal. • Nem célszerű éles sarkokat készíteni. A javasolt minimális lekerekítési sugár 1mm • Fúrásnál és fűrészelésnél a repedéskeletkezés veszélye szinte megszüntethető, ha a megmunkálás előtt a műanyag munkadarabot előmelegítik 100-120 °C-ra. • Esztergálásnál, fúrásnál, marásnál, az élek kirepedése, pattogzása megakadályozható élletöréssel. Ezzel folyamatosabb átmenet biztosítható az egyes felületek és a szerszám között. A javasolt élletörés minimális értéke 1mm • Éles, V-profilú menetek használata nem javasolt, ugyanis az éles sarkokban a repedés kialakulásának és terjedésének veszélye megnövekszik. Ha lehet akkor más, lekerekített sarkú menetprofilt kell alkalmazni. • Hengeres furatba menetfúrót, önmetsző csavart behajtani nem javasolt, mert a környező zónában

egyenetlen feszültségtorlódást eredményez, ami az éles csavarmenettel együtt szintén repedésveszélyt jelent. • Zsákfuratok esetében menetfúrásnál és szerelésnél ügyelni kell, hogy a szerszám vagy csavar ne feszítse a furat fenekét, mert ennek eredménye szintén repedés lehet. • Kevlár és más szálerősítésű anyag esetén a csigafúró használata nem javasolt, ugyanis a nagy forgácsolási sebességű csigafúróval nem lehet elkerülni ezen anyagoknál a repedésképződést. Célszerű megoldás egy tökéletesen középsíkba állított merev egyélű fúrókés használata esztergán. • Átmenő furatok készítésénél javasolt a furat vége felé az előtolást minimálisra csökkenteni, hogy a szerszám ne szakítsa vagy repessze le a hátoldal anyagát. • Fűrészelés és darabolás kedvezőbb ezen anyagok szempontjából szalagfűrésszel, ahol a szalag fogosztása 4-6 mm. Körfűrész nem javasolt a repedés keletkezés miatt A

következő táblázat a szálerősítéses műanyagok forgácsolásához alkalmazott szerszámok geometriájáról, sebességéről és előtolásáról ad tájékoztatást. 15 Szálerősítéses műanyagok forgácsolási adatai Esztergálás Marás Fúrás Fűrészelés α - hátszög [ ° ] 5-15 γ - homlokszög [ ° ] 0-10 η - oldalélszög [ ° ] 0-45 s - előtolás [mm/ford.] 0,05-0,3 v - vágósebesség [m/min] 100-200 α - hátszög [ ° ] 5-15 γ - homlokszög [ ° ] 0-15 s - előtolás [mm/ford.] <=0,05 v - vágósebesség [m/min] 50-150 α - hátszög [ ° ] 5-10 γ - homlokszög [ ° ] 3-5 φ - csúcsszög [ ° ] 90-120 s - előtolás [mm/ford.] 0,1-0,3 v - vágósebesség [m/min] 50-80 α - hátszög [ ° ] 25-40 γ - homlokszög [ ° ] 0-8 t - fogosztás [mm] 4-6 v - vágósebesség [m/min] 1000-3000 3. táblázat: Szálerősítéses műanyagok forgácsolási adatai 5.2 Ragasztás Mint mindenféle kötési módnak, úgy a

ragasztásnak is megvannak az előnyei és a hátrányai egyaránt. A számtalan szempont közül a leglényegesebbek a 4 táblázatban láthatók A ragasztott kötések igénybevétele lehet húzás, nyomás, nyírás, lefejtés, kinyitó hajlítás, gyakran ezek kombinációja. A kötés szilárdsága a legjobb nyírás és nyomás esetén, de lefejtés esetén nem a legjobb megoldás a ragasztás. Szálerősítéses műanyagok esetén a mátrixanyag határozza meg az alkalmazandó ragasztóanyag fajtáját. Technológiai szempontból a kötésben résztvevő elemek szerint három különböztethető meg: • homogén kötések: a ragasztandó anyagok között csak a ragasztóréteg található, 16 csoport • inhomogén kötések: a ragasztórétegben még valamilyen erősítőanyag (pl. erősítőszálak) is van, • kombinált kötések: a r agasztás mellett más (pl. szegecselés, csavarozás) kötést is alkalmaznak. • A kötés Előnyök

folyamatos, ami egyenletes • feszültségeloszlást tesz lehetővé (a helyi feszültségcsúcsok elkerülhetők). • mint más technológiák alkalmazásánál. • A legtöbb ragasztó jó mechanikai csillapítási képességgel rendelkezik (hang és Az • összeszerelés al egtöbb esetben A kötés víz és gázzáró, általában megbízható Teljesen eltérő anyagminőségek is • Alternáló igénybevétel esetén nem megfelelő az esetek többségében. • A ragasztott felületek szétszerelése általában roncsolással jár. A ragasztási technológia a t eljes szerkezet tömegcsökkentését is lehetővé teszi. Bizonyos vegyi anyagokkal reagálhatnak, nem ellenállóak. • rögzíthetők egymáshoz. • száradási idő) után van csak lehetőség. • tömítést eredményez. • A teljes szilárdság elérésére egy bizonyos idő eltelte (térhálósodási, keményedési vagy viszonylag alacsony hőmérsékleten történik. • A

ragasztott kötés gyengén áll ellen a lefejtő, kinyitó igénybevételnek. rezgéscsillapítás) • Hátrányok A kötés szilárdsága gyakran alacsonyabb, • Az egészségvédelem érdekében a b iztonsági Összehasonlítva más rögzítési, egyesítési előírásokat technológiákkal, (oldószerek, vegyszerek, stb.) a ragasztás rendkívül szigorúan be kell tartani. egyszerű eljárás. 4. ábra: Ragasztás előnyei és hátrányai A homogén kötések kialakításához szükséges technológiai lépések a másik két csoport esetén is szükségesek. A fő műveletek a következők: 1. A ragasztandó felületek kezelése (felülettisztítás, érdesség kialakítás) 2. A ragasztó előkészítése (többkomponensű ragasztó összekeverése, ragasztó hígítása, töltőanyag bekeverése). 3. A ragasztó felvitele a ragasztandó felület(ek)re (kézzel vagy géppel, kenéssel, mártással, szórással vagy ráhelyezéssel). 4. A ragasztandó

munkadarabok illesztése és rögzítése (egyes ragasztók igénylik a nagy, 1MPa körüli nyomást). 5. A ragasztó kikeményítése (a ragasztóban lévő víz és oldószer elpárolgása) 17 6. Utóműveletek (utólagos hőkezelés, védőréteg felvitele, felesleges ragasztóréteg eltávolítása). 6. A Kevlár gyakorlati alkalmazásai A különleges erősítőanyagok kifejlesztése és alkalmazásának kezdete más erősítőanyagokhoz hasonlóan az űrhajózás technikájához köthető. Itt volt először olyan anyagokra szükség, melyek igen szélsőséges feltételek mellett is alkalmazhatóak. Ilyen szempontok a rendkívüli merevség, kis fajsúly, hőállóság, stb. Kezdetben az üvegszál és szénszál erősítésű műanyagokat alkalmazták speciális alkalmazásokhoz, de az űrhajózástechnika kifejlődésével elkerülhetetlenné váltak a különleges erősítőanyagok. Ezek egyik jelentős képviselője ez aromás poliamid alapú hőálló

szintetikus szálak melyek Nomex és Kevlár néven váltak ismerté. Fontos előnyük az üvegszálhoz képest, hogy kisebb a sűrűségük és a rugalmassági modulusuk 100%-kal nagyobb, ezért alkalmasak hőálló, nagy rugalmassági modulusú kompozitok előállítására. Az űrhajózás technikájában az űrsiklók bizonyos elemeit készítik Kevlárból, különösen a szárnyakat és az orr-részt, melyek a leszállás során igen nagy mechanikai és hőterhelésnek vannak kitéve. Mivel a K evlár meglehetősen drága (különösen a Kevlár gyártás kezdetén volt az) és más szerkezeti elemek másfajta és más nagyságú terhelésnek vannak kitéve, ezért a Kevlár mellett alkalmaznak más különleges erősítőanyagokat, mint pl. Kapton, Nomex, Teflon Elsősorban ezen anyagok használatának a tömeg csökkentés a célja. Az űrsiklókban alkalmazott szálerősített műanyagok fajtáit és elhelyezkedését mutatja a 7. ábra 7. ábra: Az űrsiklók műanyag

részei 18 A Freon nem műanyag: hűtőfolyadékként használt, fluortartalmú kismolekulájú szénhidrogén. A Krytox fluortartalmú kenőzsír, széles hőmérsékleti határok között használható. A Föld körüli pályára bocsátott első ilyen űrrepülőgép, a kilencévi munkával és tízmilliárd dolláros költséggel megalkotott Columbia 1981. á prilis 12-én emelkedett a m agasba, és 36 fordulat után április 14-én tért vissza a Földre. 8. ábra: Leszállás közben az űrsikló orra izzásig hevül, de a Kevlár kibírja a terhelést A kompozittechnika fejlődésével a különleges szálerősítéses műanyagok, köztük a Kevlár is, olcsóbbak lettek és az alkalmazási területek az űrhajózás technikáján kívülre is kiterjedtek. A szállító járműveknél maradva elsőként a repülőgépeket kell megemlíteni. Szálerősítéses műanyagok alkalmazásával több száz kilogrammos súlycsökkenést tudtak elérni a nagy utasszállító

repülőgépek szerkezetében, mely jelentős üzemanyag, költségmegtakarítást jelent az üzemeltetőknek. Az Airbus utasszállító repülőgép polimer kompozit alkatrészeit a 9. ábra mutatja 9. ábra: Polimerkompozit szerkezeti elemek az Airbus-320 repülőgépben 19 és ezáltal A 310-320 Airbus most már nemcsak számtalan kis borítólemezt (áramvonalasító kiegészítést) a leszállókerekeket borító ajtókat, fedélzeti padlót és belső borítót, tartóelemeket tartalmaz polimer kompozitból, hanem a vízszintes és függőleges vezérsíkot (a mozgatható szárnyvégződések) főbb elemeit is. Az Airbus függőleges vezérsíkja az oldalirányú kormányzás és stabilizálás fő eleme (a repülőgép „farka”) teljes egészében polimer kompozitból készül. Ez több mint 20% súlymegtakarítást jelent a korábbi alumíniumötvözet tömegéhez képest. A rögzítőelemeket (szegecs, csavar) nem számítva, a polimer kompozit szerkezete 95

alkatrészből áll, szemben a korábbi fém-változat 2076 a lkatrészével. A függőleges vezérsík mozgatható eleme, az oldalkormány tipikus szendvics szerkezet . A szendvics technológia műszaki előnyei nyilvánvalóak: a főleg hajlításra igénybevett lemezek szélső rétegeinek kell nagy húzó ill. nyomószilárdsággal rendelkezniük, a mag (a semleges réteg környéke) sokkal kisebb igénybevételnek van kitéve. A szendvicsmag maga is kompozit: a legtöbb esetben aramid nemez vagy szövedék, amelyet novolak vagy epoxi gyantával társítanak, majd a méhsejt szerkezetű előgyártmány lemezzé alakítanak. 10. ábra: A Concorde, a világ leggyorsabb utasszállító gépe is sok Kevlár elemet tartalmaz A repülés technikán kívül egy másik nagy alkalmazási területe a Kevlárnak a védőöltözetek. Rendkívüli szilárdságával társított kis fajsúlyának köszönhetően előszeretettel alkalmazzák ezen a területen. Két jellemző példaként említem

a bukó, vagy védősisakokat, valamint a különféle golyóálló mellényeket. Kevlár védő sisakokat különleges felhasználási területeken alkalmazzák, pl. golyóálló katonai sisakként. Ezt a sisakot szemléltetik a 10 ábra képei 20 10. ábra: Kevlárból készült katonai golyóállósisakok A golyóállómellények jelentős része szintén Kevlárból készül. A működési mechanizmus a következő; a neki csapódó tárgyat (lövedék, repesz, kés stb.) az elemi szálak, illetve a szövet és szövetrétegek a magas szakítószilárdságuk révén állítják meg. Egy adott becsapódási energia mellett annál jobb ez a megállító hatás, minél nagyobb felületen oszlik el az energia, hiszen annál több elemi szál nyeli el azt. A lövedékeknél a legegyszerűbb az eset, hiszen azok általában ólom maggal rendelkeznek. Ezek a lövedékek, nekiütközve a védőanyagnak, az első néhány réteg szövetet átszakítják, de eközben deformálódnak,

fokozatosan felgombásodnak, tehát a többi szövetréteget már egyre nagyobb felületen nyomja. Néhány átszakított szövetréteg után már akkora a lövedék lapulása, hogy az energiája nagyobb felületen oszlik el, mint amennyi az elemi szálak, illetve a belőlük szőtt szövet átszakításához elegendő. Ennek köszönhető, hogy egy 44-es Magnum ólomlövedéket eredményesen állít meg 28–30 réteg aramidszövet. 11. ábra: A golyóállómellény hatékonyságát sok Kevlár réteg 21 biztosítja A katonaságon kívül egyes iparágak is alkalmaznak Kevlár erősítésű védőruhákat. Általában olyan helyeken használják ahol a ruhák mechanikai szilárdságán túl (szakadás elleni védelem) lényeges a nagyobb hőmérséklettel szembeni ellenállóság is. Egyik legelterjedtebb ilyen védőruha a Kevlár szövetet is tartalmazó munkavédelmi kesztyű. 12. ábra: Kevlár kesztyű Ezeken az alkalmazásokon kívül, olyan helyeken szokás még Kevlárt

alkalmazni, ahol, mint azt már eddig is említettem; kis súly, nagy szilárdság és jó hőállóság szükséges. Ilyenek lehetnek például a speciális tartályok, tárolóedények, melyeknek nagy nyomásokat kell elviselnie. Ezek általában poláros tekercseléssel készülnek, melyet a következő ábrán szemléltetek. 13. ábra: Poláros tekercseléssel előállított szálerősítéses nyomástartó edény Alkalmaznak Kevlárt ezenkívül kábelek húzószilárdságának növelésére is. Ez többrétegű szerkezetet eredményez. Az igénybevétel fajtájától és nagyságától függően a Kevlár szálakat különböző sűrűségben és szövésben teszik a kábelekhez, de általában mindig körbetekerve azt. 22 14. ábra: Különböző, Kevlárral erősített kábelek Felhasznált irodalom: Dr. Füzes László - Dr Kelemen Andorné: Műszaki műanyagok zsebkönyve (1989) Czvikovszky – Nagy – Gaál: A polimertechnika alapjai (2000) Antal – Fledrich –

Kalácska – Kozma: Műszaki műanyagok gépészeti alapjai (1997) Dr. Kovács Lajos: Műanyagok zsebkönyve Mark S. M Alger: Polymer Science Dictionary (1990) www. bme hu: Különleges műszaki polimerek www. Kaliber hu: A golyóálló mellény www. Magyar Tudomány hu Miskolc, 2003. május 4 23