Komposittillverkning, del 2

Transkript

1 Komposittillverkning, del 2 I motsats till extrudering innebär profildragning (pultrusion) att ett kontinuerligt fiberknippe impregnerat med flytande harts dras genom en uppvärmd form. Hartsimpregneringen sker i ett hartsbad. Glasfiberhalten är viktsprocent för plattor och vissa profiler (I, T, L etc) och minst 75 procent för runda stavar. Det vanligaste materialet är glasfiberarmerad omättad polyester. Andra härdplaster som epoxi och PUR används beroende på tilllämpning. Ofta förekommer fibermaterial i form av matta eller väv, som följer med fiberknippet för att åstadkomma hållfasthet i tvärriktningen. SMC består vanligen av glasfiberarmerad polyester i form av skivor. Glasfibrerna har längder mellan 10 och 50 mm. Först framställs ett 5 mm tjockt halvfabrikat, som sedan härdas till styva skivor i varmpress. Halvfabrikatet kan lindas upp under framställningen. En plastfilm täcker lagren för att möjliggöra upprullning och för att undvika att lagren klibbar ihop och hindra förlust av styren. Filmen avlägsnas innan halvfabrikatet pressas till ett laminat. SMC kallades tidigare för prepreg men the Composite Institute inom amerikanska SPI bestämde sig för att kalla materialet SMC för att slippa sammanblandning med prepreg, som innehåller kontinuerliga fibrer. BMC är en blandning av 3 till 30 mm långa glasfibrer, harts och liknar SMC. Blandningen har en konsistens av modellera. Kompounderaren levererar råmaterialet i form av ett grovt rep, som skärs i satser. En uppvägd sats placeras i ett uppvärmt verktyg och pressas till komponenter. BMC kan också formsprutas och sprutpressas. Förkortningarna SMC och BMC används ofta för både halvfabrikat, uthärdat material och tillverkningsprocessen. En vanlig konstruktionsprincip för kompositer är en sandwich. Sandwichen består av två tunna styva och starka material i skivform som är bundna till en relativt tjock och lätt kärna, som består av cellplast eller honungskaka. Täckskikten tar upp spänningar vid transversell böjning i likhet med flänsarna hos en I- balk. Syftet med sandwichkonstruktionen är att minska vikten på en gång som styvheten ökar i konstruktionen. lars-erik edshammar Figur 1-1. Schematisk beskrivning av pultrudering. profildragning (pultrusion) eller pultrudering är den mest rationella metoden för tillverkning av kompositer. Tillverkningen är både automatisk och kontinuerlig. Kontinuerliga rovingsträngar och/eller vävar och fibermattor impregneras med harts och dras genom ett varmt munstycke som formar olika profiler. Härdningen sker under visst tryck och vid förhöjd temperatur under det att strängarna dras genom ett munstycke, som ger olika geometrier. Profilen som lämnar munstycket är nästan fullt uthärdad för att därefter efterhärdas i en ugn. Profildragningen sker med en hastighet av 2 50 m per timme beroende på profilens storlek och geometri. Profilen är vanligen rak och kan ha olika tvärsnitt. Det förekommer att profilen tillverkas med en viss krökning. Processen beskrivs i Figur 1-1. Rovingsträngarna ger den längsgående förstyvningen hos den profildragna produkten men i många tillämpningar behövs det en förstärkning i tvärriktningen, vilket kan åstadkommas med fibermaterial i form av väv och stickningar, som dras tillsammans med rovingsträngarna. Tillverkningen sker i tre steg: 1/ impregnering, 2/ formning och härdning, 3/ dragning och kapning. De två första stegen innebär vissa svårigheter. Vävar och rovingsträngar måste ordnas sinsemellan innan de passerar impregneringstanken, som innehåller ett bad av harts, fyllmedel, stabilisatorer, aktivator etc. Om fibermaterialet har rätt spridning blir det välimpregnerat i badet. Sedan materialet tagit upp ett överskott av hartset hamnar det mättade fibermaterialet i det upphettade munstycket, som formar produkten. Innan fibrerna förs in i munstycksdelen avlägsnas överskottet med avstrykare och återgår till impregneringstanken. En förpolymerisering sker i munstyckdelen, som har längden cm. Temperaturkontrollen är viktig i munstyckdelen. Fullständig polymerisering sker efter formningen. Den härdade kompositprofilen greppas med ett stadigt grepp av två gummiblock med en fram och återgående rörelse. Blocken rör sig omväxlande framåt och bakåt medan de öppnas och sluts kring den härdade profilen. Anordningen ger liten klämkraft, vilket är en fördel om profilen är ömtålig. Profilen dras genom munstycket med en hastighet som avpassas tiden för den fullständiga uthärdningen. Av ekonomiska 64 plastforum

2 Figur 1-2. Kontinuerlig framställning av pressmatta. Figur 1-3. Huggverk (cutter). skäl vill man ha största möjliga genomströmning men hastigheten bestäms av två faktorer: härdningens hastighet och den tid det tar att avdriva överskott av harts efter impregneringen. Därutöver skall en viss del av monomeren kvarstå i materialet för att profilen skall ha tillräcklig flexibilitet under tillverkningsprocessen. När det gäller ihåliga profiler eller rör införs ett verktyg med konisk spets (dorn), som formar håligheten. Dornen ska vara stadigt infäst och nå fram till den punkt där härdningen börjar. Sedan profilen lämnat avdragaren kapas den i lämpliga längder och om den är böjlig nog rullas den upp. Material, som pultruderas är polyestrar, vinylestrar och epoxihartser. När man gjort materialvalet är det viktigt att hartsets viskositet och härdningsegenskaper anpassas processen. Termisk analys görs lämpligen med DSC (differential scanning calometry) för att fastställa härdningstiden. Vidare måste reaktiviteten minskas i tjockare partier för att undvika inre sprickbildning. När det gäller tillverkning av kontinuerliga profiler av fenoplast och även skivor sker impregnering i munstycket genom att hartset pumpas in under tryck istället för att använda ett impregneringsbad. En profil tillverkad av omättad polyester med en flerriktad armering, som innehåller 55 viktsprocent glas har en draghållfasthet av 207 MPa och en dragmodul av 17 GPa. Den stora vinsten ligger i de specifika mekaniska egenskaperna eftersom materialet är lätt. Andra fördelar i jämförelse med stål och aluminium är kemiskt resistens och elektrisk isolering. smc (sheet moulding compound) är en blandning av olika beståndsdelar, som ingår i en s k pressmatta. Beståndsdelarna framgår av Tabell 1-1. Pressmattan är ca 5 mm tjock. SMC är en lämplig process vid tillverkning av detaljer med stora ytor i långa serier som karossdetaljer. En tjockare pressmatta benämns TMC (thick moulding compound). Ett eller flera lager av den tillskurna pressmattan läggs upp mellan två uppvärmda formhalvor i en press och härdas under tryck. Verktygen tillverkas av högvärdigt stål, som vid behov poleras. Vanligen består SMC-materialets matris av omättad polyester, som härdas vid temperaturer mellan 120 och 160 C. Pressmattan tillverkas enligt Figur 1-2. En hartsblandning enligt Tabell 1-1 sprids på en kontinuerligt löpande skydds- och släppfilm. Förutom beståndsdelarna i tabellen tillkommer andra tillsatser som färgämnen och flamskyddsmedel. Harts och tillsatser blandas under vakuum för att avlägsna luftbubblor. I nästa steg strös huggna fibrer över hartset. Ett antal rovingkakor levererar roving som huggs i ett huggverk (cutter) i längder av mm. Huggverket i genomskärning är i princip avbildat i Figur 1-3. De korta fibrerna hamnar slumpvist orienterade i hartset. Vid huggverket finns Tabell 1-1. Typiskt innehåll i en SMC-matta Tabell 1-2. Typisk receptur för BMC. material och funktion viktprocent Omättad polyester, harts 10.5 Styren, lösningsmedel och tvärbindare 12,5 Glasfiber, förstärkningmedel, 30 Krita, kalciumkarbonat, fyllnadsmedel, utdrygningsmedel 41 Polyvinylacetat, lågprofiltillsats 3,5 Zinkstearat, släppmedel 1,0 Metalloxid (ex MgO) < 1 Katalysator 0,3 Inhibitor <0,1 material och funktion viktsprocent Omättad polyester med styren, harts 35 Glasfiber, 6 18 mm långa, förstärkningmedel, 28 Krita, kalciumkarbonat, fyllnadsmedel, utdrygningsmedel 35 Zinkstearat, släppmedel 1,5 Tertiär butylperbenzoat, katalysator, härdare 0,5 plastforum

3 en anordning, som förhindrar statisk uppladdning av de huggna fibrerna. Alternativt utgår man från en färdig glasfibermatta, som impregneras med hartsblandningen. Släppfilmen täckt med harts och fibrer löper vidare och beläggs av ytterligare en hartsblandning tillsammans med en övre släppfilm. Materialet mellan släppfilmerna kompakteras därefter med valsar. Valsarna är inställbara och uppvärmda och en av dem åstadkommer små andningshål i släppfilmen. De sista rullarna trycker ut överskottsharts och luft mot sidorna. Det impregnerade materialet med släppfilmer förhärdas därefter i en ugn. Det förhärdade materialet rullas upp eller viks till ett tjockt paket och kapas då rullen eller paketet fått lämplig storlek. Folierna ger ett visst skydd men vid längre lagringstider omsveps rullarna eller det vikta materialet med en tätare folie för att minska styrenemission. Rullarna eller paketen förvaras fuktfritt vid kontrollerad temperatur av ca 30 C för att mogna under 1 till 7 dagar. Mognadstiden beror på att det förtjockningsmedel, som ingår skall få tid att verka. Pressmattan är fortfarande icke fullt uthärdad efter mognadsprocessen. Mognadsprocessen betyder att mattan blir torr och smidig och syftet är att de tillskurna bitarna skall fästa vid varandra utan att vara för klibbiga. Förvaringen underlättar således den fortsatta hanteringen. Det förhärdade materialet kan lagras upp till 30 dagar om det innehåller en lämplig inhibitor. Laminattillverkningen sker med pressmattor som mognat och är läderartade och inte klibbar då tillskurna bitar travas på varandra. Efter invägning och trimning med CAD kan traven pressas till så gott som skäggfria laminat. Formhalvorna sluts med ett tryck av ca 15 MPa. Uppvärmningen sker vanligen med ånga. Den något flytande fasen upptar ca 20 till 60 % av formens yta och flyter ut under pressningen. SMC-laminatens styrka kan styras genom att variera halten av fibrer, fiberorientering och fiberlängd. Om man önskar hög styrka i längsriktningen bakar man in glasfiberroving och erhåller då en riktad matta. Andra fibrerknippen som Kevlar och kolfiber ger hög styrka. Då de ingår tillsammans med glasfiber erhålls pressmattor av hybridform förtjockningsmedlet har till uppgift att höja hartsets viskositet. Det består av metalloxider eller hydroxider, som förmodligen bildar högmolekylära trögflytande föreningar med de organiska molekylerna. När temperaturen höjs i pressen sönderfaller dessa föreningar och hartset blir lättflytande och flyter ut i formrummet under ett relativt lågt tryck. Som förtjockningsmedel förekommer oxider och hydroxider av magnesium, kalcium och barium. Vanligast är magnesiumoxid men även PbO och aluminium- och kaliumföreningar fungerar. lågprofiltillsatser består av termoplaster, som krymper mindre än vid härdning av omättad polyester. Tillsatsen betyder att 66 plastforum

4 Figur 1-4. Framställning av TMC. Figur 1-5. Sandwich med honeycomb-kärna. den härdade produkten får en jämnare yta. Lågprofiladditiven tillsätts i halter av 10 till 30 viktsprocent. Polyvinylacetat är fungerar utmärkt men även PMMA och polystyren och dess sampolymerer har en viss effekt. Hur tillsatsen fungerar är ej helt klarlagt men bilindustrin har med tillsatsen fått ett härdat SMC-material, som visar s k Class A- finish och den kvalitet som bilplåten har vid lackering. bmc (bulk moulding compound,) är en degig pressmassa, som innehåller harts, mineralfyllmedel, korta glasfibrer och färgämnen. Sammansättningen varierar. Ett typiskt recept för BMC ges i Tabell 1-2 på sidan 65. DMC (dough moulding compound) är lik BMC men glasfiberhalten är något lägre. BMC tekniken karaktäriseras av relativ snabbhet och tillverkning i långa serier. Pressmassan kan kompounderas hos bearbetaren genom intensiv blandning av ingredienserna i en enkel blandare eller i en blandningsextruder. Av massan uppvägs den mängd som skall bearbetas. Massan formpressas i likhet med SMC, sprutpressas eller formsprutas. Formsprutning tilllämpas för små detaljer i långa serier och sker i kall cylinder och i varm form. vid formpressning håller stålverktyget temperaturer mellan 100 och 160 C. Presstrycket är 3 10 MPa och presstiden är 1 3 minuter. Det härdade materialet har hög värmetålighet, styrka, åldringsbeständighet och visar hög formstabilitet. BMC-kompositer har lägre hållfastheter än SMC-kompositer men materialets sammansättning kan varieras så att egenskaperna anpassas de krav som ställs på en komponent. En fördel med BMC-massan är att den inte behöver mogna under lång tid. Mognadstiden är endast någon timme, vilket förenklar förbehandlingen. Eftersom massan ej innehåller förtjockningsmedel kan den formas vid så lätta tryck som 0,7 MPa. De härdade BMC-materialen är tjockare och har mindre ytor än SMC och används av bl a bilindustrin. BMC används också i hushållsapparater när det krävs dimensionsstabilitet vid höga temperaturer t ex i strykjärn. BMC används också inom den elektriska industrin i borsthållare, motorkåpor och strömbrytare. tmc (thick moulding compound) är ett mellanting jämfört med BMC och SMC. Tjockleken är upp till 50 mm medan den för SMC är högst 6 mm. Priset ligger mellan BMC och SMC. Eftersom de huggna fibrerna blandas direkt med harset blir de tredimensionellt riktade i TMC medan de är tvådimensionellt riktade i SMC. En fördel framför SMC är att fibrerna väts effektivt då de pressas mellan de blandande valsarna utan att brytas ned. En annan fördel är att halvfabrikatet kan travas i färre skikt i pressen, vilket minskar risken för interlaminär sprickbildning. De mekaniska egenskaperna är jämförbara med SMC och således bättre än för BMC. Tillverkningen av TMC beskrivs principiellt i Figur 1 4. sandwichpaneler består av två solida täckskikt, som omger ett distansmaterial av ett lättare material i form av cellplast eller honungskaka (honeycomb). Honungskakan består av aluminium eller är tillverkad av fin glasfiber, väv (Nomex) eller papper som impregnerats med härdplast och härdats. Hur täckskikten kombineras med en honeycomb framgår i Figur 1-5. Täckskikten består av relativt styva och hårda material med hög densitet medan kärnan är lätt och tjock. Täckskikten kan i enkla kombinationer bestå av kraftpapper, gips- och spånplattor och mer belastade konstruktioner av glasfiberarmerad polyester, skivor baserade på Kevlar- eller kolfiber-prepreg, aluminium, titan etc. Sandwichen kan både vara plan och kurvig. Täckskikten tar upp spänningar i tvärriktning vid böjning eller vid axiell belastning. Huvudregeln är att täckskiktet är väl förbundet med kärnmatrialet och att förbandet liksom kärnan skall tåla såväl drag- som skjuvpåfrestningar. Sandwichens funktion påminner om I-balkens. De styva täckskikten befinner sig på ett visst avstånd från det neutrala planet och motsvarar flankerna hos I-balken. Den primära funktionen hos kärnan är att stabilisera täckskikten och uppta de mesta av skjuvbelastningarna. För att klara sin uppgift måste kärnan vara skjuvhållfast, tjock och lätt. en sandwichkonstruktion sparar vikt och ökar styvheten i en konstruktion. Det är en konstruktionslösning, som ofta ger en plastforum

5 ekonomisk vinst. Det finns också skäl att införa en sandwich för att reducera kostnader för verktyg, åstadkomma termisk isolering och att reflektera och absorbera ljud. För konstruktören är det viktigt att veta hur en sandwich tillverkas, hur man väljer rätt material och i vilken ordning materialen kombineras genom limning eller direkt laminering på kärnan. Användningen av sandwichpaneler är vanliga inom byggindustrin, i båtar, transportfordon, flygplanskonstruktioner, containrar o s v. balsaträ var det första kärnmaterialet som användes i sandwichkonstruktioner på grund av sin låga densitet ( kg/m 3 ). Balsaträet har emellertid en del nackdelar och används numer sällan i belastade sandwichkonstruktioner. Materialet har liksom andra trädslag olika egenskaper i olika riktningar eftersom det är uppbyggt av utdragna celler och fibrer i växtriktningen. Fibrerna ger styrka åt materialet men betyder problem vid skjuvbelastning av balsakärnan. Balsaträets celler är fuktupptagande vilket ger ytterligare problem. Man har delvis löst problemen genom att lägga cellstrukturen vinkelrätt mot täckskiktet (end grain balsa). styv uretancellplast är ett vanligt distansmaterial. Cellerna har ungefär samma storlek och är upp till 90 % slutna. Därför är vattenabsorptionen låg. De styva cellplasterna bildas med hjälp av ett jäsmedel. Triklorfluormetan (en Freon ) användes tidigare som jäsmedel. Freonet blev kvar i cellerna och bidrog till hög isoleringsförmåga. I dag används miljövänligare jäsmedel baserade på pentan och koldioxid. Freoner är duponts varumärke för fluorkol-produkter som används i kylskåp och luftkonditioneringsanläggningar, som drivmedel, rengöringsvätska, jäsmedel och lösningsmedel. Freon finns i flera former. Kemiskt sett är uretancellplast den mest komplexa av cellplasterna. Råmaterialen vid tillverkning är polyol, MDI (meta-phenylenedi-isocyant), vatten och ett jäsmedel. Hjälpmedel är aminer och tennföreningar, som fungerar som härdare (amine, tin) samt ett ämne som ytstabiliserar cellerna (silicon surfactant). Det ytaktiva silikonet stabiliserar cellerna så att en likformig expansion kan fortskrida utan att cellväggarna kollapsar. Cellplasten klarar temperaturer upp till 120 C, ångpermeabiliteten är låg, cellplasten är inte flamsäker men det finns flamnedsättande medel. när icocyanatet och polyolen blandas blir resultatet en polyuretan. Under blandningen bildas små luftbubblor. Ett litet överskott av isocyanat och en mindre del vatten ger gasen koldioxid. Koldioxiden diffunderar in i de bubblor, som redan åstadkommits med luft så att de expanderar. Reaktionen katalyseras av en amin under det att reaktionsprodukten blir allt mer trögflytande. Tekniken med vatten som cellbildare är något föråldrad men har återinförts i t ex skosulor eftersom tekniken är miljövänlig. Om ett lågkokande drivmedel är närvarande ger reaktionen mellan polyol och icocyanat värme och jäsmedlet förflyktigas och bubblorna utvidgas. Reaktionen katalyseras av tenn. De två katalyserade reaktionerna tävlar med varandra: polyuretanet bildar den solida matrisen och drivmedlet åstadkommer celler. Om jäsmedlet är klorfluoretan får cellplasten en mycket låg värmeledning. Sambandet mellan freonutsläpp och ozonlagrets nedbrytning konstaterades i slutet av 1970-talet. De farligaste freonerna är uppbyggda av fluor, klor och kol (CFC). Klor är boven i dramat. I Sverige totalförbjöds CFC år Tekniken att använda av CFC-jäsmedel hade utvecklats under decennier. Freon är ogiftigt, obrännbart, visar termisk och fysikalisk stabilitet och det framhölls alltid att jäsmedlet gav en låg termisk konduktivitet genom att freonet fyllde cellerna i cellplasten. Luft har en värmekonduktivitet som är tre gånger större än för freon. För att undvika miljöproblemet har man gått över till lågkokande kolväten och koldioxidbaserade jäsmedel, men den låga värmekonduktiviteten tycks ej kunna ersättas. in situ-förfarandet (pour-in-place) innebär att en polymerblandning får expandera mellan två täckskikt. Blandningen består vanligen av polyol, isocyanat, katalysator och jäsmedel, vilka kan varieras för behovet och blandningens reologi. Kemikalierna kan blandas och insprutas mellan väggarna hos en container eller i håligheter i t ex en byggnad. Metoden utövar ett tryck och ofta behövs ett stöd mot väggarnas utsida. vinylcellplast är cellplast av PVC eller sampolymerer av PVC, som används som distansmaterial i sandwichkonstruktioner. Cellstrukturen fås genom en mekanisk process eller genom användning av någon typ av jäsmedel. Materialet innehåller tämligen stora och nästan helt slutna celler och har därför låg vattenabsorption. Materialet har en hög termisk stabilitet och tenderar att bli relativt dyrt men fördelarna är styrka och formstabilt. De mekaniska egenskaperna står i proportion till densiteten, som varierar mellan 30 och 400 kg/m 3. Till skillnad från många andra cellplaster är materialet svårantändligt och självslocknande men cellplasten kan kollapsa vid brand. Vinylcellplasten är termoplastisk men finns också i en isocyanatmodifierad form, som är tvärbindbar. Den tvärbundna cellplasten har högre styvhet och användningstemperatur än den termoplastiska. styrencellplast, PS-E, tillverkas av homopolymeren PS. Tillverkningen sker genom formsprutning i slutna formar eller kontinuerligt genom stränggjutning. Drivmedlet, som vanligen består av pentan (kokpunkt 36 C) utvidgas vid högre temperatur. Man utgår från millimeterstora pärlor av PS som innehåller drivmedlet. Styrencellplast finns i densiteter mellan 16 och 300 kg/m 3. Materialet brinner men brännbarheten kan minskas med tillsatser av flamhämmande material. Cellplasten är känslig för organiska lösningsmedel, vilket man tar hänsyn till om täckskiktet innehåller styren. Vid limning används helst vattenbaserade lim. fenocellplast är en styv och relativt spröd cellplast, som liksom bakelit framställs av fenol och formaldehyd. Som katalysator används en sur härdare och som jäsmedel ett kolväte, som expanderar i samband med härdningen. Cellplasten innehåller delvis öppna celler vilket begränsar användningen på grund av att cellerna tar upp vatten. Cellplasten förekommer i densiteter mellan 40 och 100 kg/m 3. Materialet kan användas vid temperaturer en bra bit över 100 C. Materialet mjuknar men brinner ej vid brand. π 68 plastforum