Laminat
Z Wikipedii
Laminaty – rodzaj kompozytów: tworzywa sztuczne powstające z połączenia dwóch materiałów o różnych własciwościach mechanicznych i technologicznych. W zasadzie jeden materiał, zazwyczaj w postaci cienkich włókien lub nici, spełnia podstawową rolę konstrukcyjną, a drugi jest lepiszczem, wiążącym ze sobą elementarne włókna konstrukcyjne i chroniącym je przed czynnikami zewnętrznymi (np. korozją). Typowym naturalnym laminatem jest drewno, w którym wytrzymałe i sprężyste, choć wiotkie włókna celulozowe są spajane w sztywne i odporne tworzywo przez tzw. ligninę (drzewnik) o wiele mniej wytrzymałą mechanicznie od celulozy.
Spis treści |
[edytuj] Właściwości konstrukcyjne laminatów
Szczególną cechą laminatów jest anizotropowość mechaniczna; wytrzymałość i sztywność laminatu jest bezpośrednio zależna od uformowania i kierunku ułożenia włókien konstrukcyjnych. Uwzględniające tę właściwość konstrukcje z laminatów są na ogół o wiele lżejsze i wytrzymalsze od większości konstrukcji z materiałów jednorodnych.
W analizie pracy takiego niejednorodnego tworzywa jak żelbet można przyjąć wystarczająco dokładne założenie że stalowe zbrojenie przenosi wyłącznie siły rozciągające, a beton - wyłącznie ściskające, i zgodnie z nim na podstawie przewidywanych obciążeń optymalnie zaprojektować żelazobetonowy element. W wypadku przeważającej większości tworzyw kompozytowych tak uproszczona analiza nie jest możliwa. Zakłada się, że włókna konstrukcyjne przenoszą zdecydowaną większość naprężeń zarówno ściskających jak i rozciągających, natomiast substancja łącząca przenosi prawie wyłącznie siły ścinające, zapewniając współpracę włókien jako "klej" czy "łącznik", którego rzeczywistą wytrzymałość bardzo trudno określić. Zgodne z powyższymi założeniami jest - bardzo ważne w praktyce - zjawisko znacznego (nieliniowego) spadku wytrzymałości laminatu zarówno przy nadmiarze, jak i niedoborze substancji łączącej. Trudności w analizie rzeczywistych warunków współpracy włókien konstrukcyjnych powodują że w projektowaniu kompozytów stosuje się do dziś raczej metody empiryczne niż ścisłe, a przewidywania teoretyczne dotyczące wytrzymałości kompozytów bardzo często okazują się błędne.
[edytuj] Laminaty w ujęciu historycznym
[edytuj] Laka
Laminaty sztuczne wytwarzane są od tysięcy lat, przede wszystkim dotyczy to technologii tzw laki orientalnej, stosowanej w Chinach co najmniej od V w. p. n.e. i w Japonii od III w. n. e. Wyroby z laki powstawały na ogół poprzez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym” sokiem z sumaka Rhus. Miały one bardzo wysoką wytrzymałość i odporność, ale (ze względu na ogromną pracochłonność, czasochłonność i ostre wymagania technologiczne produkcji) do celów innych niż dekoracyjne były używane dość rzadko, głównie jako elementy uzbrojenia (zbroi, tarcz, łuków etc.). Tym niemniej (zwłaszcza w Chinach) gorsze gatunki laki stosowano czasem - analogicznie do dzisiejszych laminatów – do wzmacniania budowli i konstrukcji drewnianych, np. kadłubów łodzi.
[edytuj] Laminaty w oparciu o włókna naturalne
Pierwsze, przemysłowo wytwarzane (od początku XX w.) laminaty były stosowane głównie do wytwarzania półfabrykatów elektro- i radiotechnicznych, a produkowane były przez prasowanie w wysokiej temperaturze warstw płótna (bawełnianego, konopnego, czasem jedwabnego) nasyconego termoutwardzalną żywicą fenoloformaldehydową (tzw. wówczas bakelitem). Taki laminat był zbyt ciężki i drogi, żeby na szerszą skalę wykorzystywać go w celach wyłącznie konstrukcyjnych, jednak próby takie były podejmowane np. w przemyśle samochodowym, a także do produkcji aparatury chemicznej, rurociągów i t.p.; Zostały one zarzucone głównie ze względów ekonomicznych i trudności w wytwarzaniu tą metodą elementów o wystarczająco dużych rozmiarach: naturalne tworzywa były na ogół o wiele tańsze i miały porównywalne lub lepsze właściwości mechaniczne.
Potomkiem tej technologii są produkowane do dzisiaj półfabrykaty płytowe, nazywane potocznie „laminatem” składające się z kilku warstw prasowanego papieru nasyconego żywicą melaminową, zazwyczaj z jednostronnie naniesioną powłoką dekoracyjno-ochronną. Płyty te kiedyś były używane do produkcji tanich mebli, a dziś w różnych postaciach stosowane bywają do produkcji wykończeń budowlanych, stolarki itp. "Laminatem" jest nazywane także kompozytowe tworzywo w formie płyt będące najpopularniejszym podłożem do montażu urządzeń elektronicznych; produkowane jest głównie przez prasowanie warstw tkanin przesyconych żywicami epoksydowymi lub akrylowymi.
[edytuj] Laminaty z włókien mineralnych i sztucznych
Do pierwszych udanych prób stworzenia konstrukcyjnych kompozytów o zadowalających właściwościach doszło pod koniec II wojny światowej równolegle w Niemczech (IG Farben) i Stanach Zjednoczonych, m. in. dzięki opracowaniu opłacalnych technologii produkcji sztucznych żywic chemoutwardzalnych; wtedy też próbowano zastosować kompozyty w konstrukcjach samolotów.
Lawinowy rozwój kompozytów rozpoczął się jednak dopiero w połowie lat 50, dzięki opracowaniu technologii produkcji tanich żywic poliestrowych, i łączenia ich z nieorganicznymi włóknami konstrukcyjnymi, tzw. włóknem szklanym. Technika nasycania żywicą mat i tkanin szklanych okazała się tak prosta i dostępna nawet dla prymitywnie wyposażonych zakładów produkcyjnych (także chałupniczych) że doprowadziła do rewolucji w produkcji małych łodzi, samolotów, szybowców i innych niskoseryjnych lub jednostkowych konstrukcji.
[edytuj] Laminaty hi-tech
Popularność laminatów poliestrowo-szklanych (PS) doprowadziła do szybkiego opracowania podstawowych zasad wykorzystania ich właściwości (głównie jako "samonośnych" skorup o zmiennej grubości zależnej od koncentracji naprężeń, na szczątkowym, usztywniającym szkielecie) ale także intensywnego poszukiwania materiałów o jeszcze lepszych właściwościach, pozbawionych wad PS (głównie małej odporności na zmęczenie mechaniczne i wpływy atmosferyczne). O wiele lepszym materiałem niż poliestry okazały się żywice epoksydowe (laminat ES), jednak z powodu dużo wyższej ceny i problemów technologicznych (lepkość, problemy z kontrolą szybkości i jakości utwardzania) do dziś nie są używane w masowej produkcji wyrobów laminatowych.
Nie dotyczy to konstrukcji o wysokich parametrach, których koszt i pracochłonność wytwarzania są drugorzędne, np. większość dużych jachtów regatowych, prototypy niekonwencjonalnych pojazdów lub samolotów, i oczywiście obiekty militarne i kosmiczne. W wytwarzaniu takich konstrukcji ogromną rolę odegrało także zastosowanie innych niż szklane włókien konstrukcyjnych, przede wszystkim węglowych (tzw. carbon) a później aramidowych (kevlar).
Laminaty epoksydowo-węglowe odznaczają się niezwykle korzystnym stosunkiem wagi do wytrzymałości i wyjątkowo dużą sztywnością, są jednak stosunkowo mało odporne na uderzenia i dynamiczne obciążenia. Tej wady nie mają nieco mniej sztywne laminaty kevlarowo-epoksydowe. W praktyce stosuje się łączenie tych dwóch rodzajów laminatu, zwłaszcza w konstrukcjach tzw. przekładkowych („sandwich”). Tkaniny węglowe i aramidowe są bardzo drogie, dlatego w mniej odpowiedzialnych miejscach takich superkonstrukcji w dalszym ciągu można spotkać laminaty ES.
Powszechnie używane są drobniejsze, więc stosunkowo tańsze i prostsze w produkcji elementy z kompozytów węglowych, tzn. maszty mniejszych łodzi, ramy wyczynowych rowerów, szkielety namiotów, wędziska i t.p.
Niezwykle wytrzymałym materiałem jest kompozyt oparty o monokrystaliczne włókna boru, jednak jego cena ogranicza zastosowanie wyłącznie do celów militarnych i kosmicznych. Niedostępne na rynku są produkty i technologie produkcji kompozytów w całości nieorganicznych (ceramicznych i metalowych); ich właściwości w krajach gdzie są produkowane na skalę przemysłową (USA, Japonia, Rosja, być może Chiny) są objęte tajemnicą wojskową.
[edytuj] Masowe zastosowania laminatów
[edytuj] Laminat poliestrowo-szklany (PS)
W zastosowaniach przemysłowych i amatorskich (zwł. szkutniczych) dominuje laminat PS, produkowany w kilku zasadniczych technologiach: najpopularniejsze jest ręczne przesycanie żywicą poliestrową ułożonych w formie (matrycy, „kopycie”) krzyżujących się warstw mat i tkanin szklanych, przy użyciu pędzli, wałków itp. narzędzi.
Ulepszeniem tej technologii jest próżniowe odsysanie nadmiaru żywicy, co bardzo korzystnie wpływa też na jednorodność laminatu. Niezbędne do tego urządzenia i materiały nie są drogie ani trudno dostępne, lecz mimo to raczej nie są stosowane przez amatorów i w mniejszych zakładach produkcyjnych.
Jeszcze korzystniejsze jest wygrzewanie laminatu w trakcie utwardzania żywicy, jednak skuteczne wykorzystanie tej techniki wymaga użycia drogich, wielkowymiarowych pieców lub nagrzewnic.
Inną dość popularną techniką, wymagającą jednak drogich urządzeń jest natryskiwanie na jednorazowe formy bądź gotowe (np. remontowane) obiekty mieszaniny żywicy i ciętego włóka szklanego, tworzącej po utwardzeniu kompozyt (jednak o gorszych właściwościach mechanicznych niż oparty na tkaninach).
[edytuj] Laminaty epoksydowe (ES)
Właściwości żywic epoksydowych i laminatów ES są obecnie w warunkach amatorskich wykorzystywane głównie do tworzenia mieszanych tworzyw kompozytowych z wykorzystaniem naturalnego drewna (np. technologia "West"). Żywice epoksydowe (w przeciwieństwie do poliestrowych) bardzo dobrze łączą się z drewnem, tworząc specyficzny kompozyt epoksydowo-drewniany, lekki, wytrzymały, wyjątkowo odporny na zmęczenie i obciążenia dynamiczne, a także wystarczająco odporny na długotwałe działanie wody. Nie bez znaczenia dla popularności tych technologii jest tradycjonalizm np. środowiska żeglarskiego, w którym używanie drewna do budowy jachtów kojarzy się z elegancją i tradycyjnym „stylem jachtowym”. Koszt, a zwłaszcza pracochłonność budowy z takiego kompozytu kadłubów większych łodzi itp. konstrukcji są jednak wyższe niż w opisanych wyżej technologiach PS.
Łączenie konstrukcji epoksydowo-drewnianych (np. w formie przesyconych epoksydem obłogów czy fornirów) z elementami z kompozytów ES i karbonu jest drogie i pracochłonne ale prowadzi do tworzenia jachtów o bardzo wysokich walorach użytkowych, pozbawionych technologicznych wad tradycyjnych konstrukcji drewnianych, i jest coraz popularniejsze także w polskim szkutnictwie.
[edytuj] Przyszłość masowego stosowania laminatów
Z całą pewnością w najbliższym czasie można spodziewać się dalszego rozwoju technologii kompozytowych, zwłaszcza ze względu na oczekiwane opracowanie technologii taniej produkcji nanorurek węglowych (o potencjalnie rewelacyjnych właściwościach jako włókien konstrukcyjnych) i wielokrotnie wytrzymalszych od kevlaru włókien syntetycznych.
