Materiale Compozite.pdf
-
Upload
jupitugrigore -
Category
Documents
-
view
149 -
download
11
description
Transcript of Materiale Compozite.pdf
Matrici pentru MC
Clasificarea matricilor pentru MC1. Matrici ceramice (~20%)2. Matrici metalice (~10%)3. Matrici polimerice (~70%)
Clasificarea matricilor polimerice (polimeri)
1. Termoreactivi (75%)2. Termoplastici (15%)3. Elastomeri (10%)
Matrici polimerice-clasificare in functie de forma catenelor
1. Catene macromoleculare libere
2. Catene macromoleculare ramificate
3. Catene macromoleculare reticulate
Matrici polimerice termoreactive
Def: polimeri care reactioneaza chimic cu compusi numiti agenti de reticulare pentru a obtine produsi tridimensionali, total insolubili si infuzibili, numiti produsi reticulati.
Tg Tcu
Deformare
Temperatura
I
II
III
Rasini poliesterice nesaturate (RPN)
HO OH
CH3
CH2 CHC
OC
O
O CHCH2
CH3
OHHC
HCCOOH
COO
+
H2O+COOHR'COORHOR' COOHHO+R COOHHO
1)
2)
CHCH2
CH3
OH
COOH
COOHO OH
CH3
CH2 CH
O
OC
OC
+
Tipuri de RPN 1. RPN de uz general
-(n+m) H2OHO OH
CH3
CH2 CH++ (n+m+1)(m+1)n
OOC
OC
CO
CO O
mn
OHOO
CCOO
CH3
CH2 CH
OO
CCOO
CH3
CH2 CHCC
O O
OHO
CH3
CH2 CH
Tipuri de rasini poliesterice nesaturate (RPN) 2. RPN flexibile
a) Se inlocuieste anhidrida ftalica cu acid adipic: HOOC-(CH2 )4 -COOH
b) Se inlocuieste anhidrida ftalica cu acizi grasi monocarboxilici:
CH3-(CH2)n-COOH
c) (Rasina flexibila + umplutura de celuloza) turnata in forme de cauciuc siliconic = reproduceri perfecte ale sculpturilor in lemn
3. RPN elasticeSe inlocuieste anhidrida ftalica cu acid izoftalic:
COOH
COOH
4. RPN cu contractie scazuta
• Se introduce o componenta termoplastica:
CH CH2n
POLISTIREN
CH2 C
COOCH3
CH3
n
POLIMETILMETACRILAT
5. RPN cu rezistenta mare la actiunea agentilor atmosferici
• Se introduc stabilizatori de UV
6. RPN cu rezistenta chimica ridicata
Se are in vedere scaderea concentratiei de grupe esterice prin inlocuirea propilenglicolului cu un diol mai mare:
C
CH3
HO OH
CH3
Bisfenol A hidrogenat
7. RPN cu rezistenta mare la foc
• Se pot inlocui:a) Anhidrida ftalica cu:
ClCl
Cl
Cl
COOH
COOH
BrBr
BrBr
COOH
COOH
sau
Acid tetracloroftalic Acid tetrabromoftalic
b) Propilenglicolul cu:
C CH2
CH2
CH2
CH2
OH
OH
BrBr
Dibromneopentilglicolul
Reticularea RPN
= procesul chimic de reactie intre RPN si agentul de reticulare (stirenul)• a) reticulare la cald (70-100 grd C) cu catalizatori de tip peroxizi
organici, de ex. peroxid de benzoil:
C
O
O C
O
O
b) Reticulare la temperatura camerei cu catalizatori de tip sistem redox:
Co
O
OCH RCHR
O
O
CH
CH
R
R
O
O
Co
O
O
CH3 C
OH
O OH
CH2 CH3
Naftenat de cobalt Peroxid de metiletilcetona
(unul din cei 11 izomeri)
Procesul chimic de reticulare
A
R
R
R
R
R
RR
RR
R
R
RCat
Cat
Cat Cat
III
B
A
RRRR
R R R R
RR
RRRRR
Reactanti: A=catene de RPN; B=molecule de agent de reticulare (stiren daca R=C6 H5 ); Cat=catalizatorul
Produs reticulat
Teste de gel
Timp de gelifiere
Timp de polimerizare
Timp de întãrire
Tem
pera
tura
, °C
t camerei
t
t1
2 Temperaturadin termostat
Timp
Pic exotermic
Gelifiere Intãrire Rãcire
Punc
t de
gel
Curba tipica de reticulare pentru RPN (testul SPI)
t1 =65,6 grad C
t2 =87,8 grad C
Limitele între care sunt cuprinse proprietatile rasinilor poliesterice nearmate
Proprietatea U.M. Tipul rãsinii
Rigidã Flexibilã
Proprietati mecanice:- greutate specificã- rezistentã la
compresiune- alungire- rezistenþã la tractiune- rezistentã la soc - indice de refracþie
MPa%
MPaJ/m
1,10 - 1,46
90 - 200< 5
40 - 9016 - 32
1,523 - 1,57
1,01 - 1,2
-40-3103,4 - 21> 370
1,537 - 1,55
Proprietati electrice:- rezistivitate volumicã- constantã dielectricã la:
- 60 Hz- 103 Hz- 106 Hz
Ωcm 1015
3,0 - 4,362,8 - 5,22,8 - 4,1
4,4 - 8,14,5 - 7,14,1 - 5,9
Caracteristici de rezistentã:- rezistentã termicã- absorbtia de apã (în 24 h
) la o grosime de 3,1 mm- efectul luminii solare
°C%
1210,15 - 0,6
îngãlbenire
1210,5 - 2,5
îngãlbenire
Limitele între care sunt cuprinse proprietãtile rãsinilor poliesterice armate cu fibre de sticlã
Proprietatea U.M. Valoarea
Proprietãti mecanice:- greutate specificã- rezistentã la compresiune- alungire- rezistentã la tracþiune- rezistentã la soc
MPa%
MPaJ/m
1,35 - 2,30 103 - 2060,5 - 5,0
103 - 206107 - 1070
Proprietãti electrice:- rezistivitate volumicã- constantã dielectricã la:
- 60 Hz- 103 Hz- 106 Hz
Ωcm 1014
3,8 - 6,04,0 - 6,03,5 - 5,5
Proprietatea U.M. ValoareaCaracteristici de rezistentã:
- rezistentã termicã- absorbtia de apã (în 24h)la o grosime de 3,1 mm
- efectul luminii solare
°C %
1490,1 - 1,0
fãrã importantã
Principalele domenii de utilizare a RPN armate
• Constructii: plãci plane sau ondulate, profile translucide sau opace, folosite pentru acoperisuri sau elemente de fatadã, unitãti sanitare, seminee, mobilier urban, cabine telefonice, cofraje pentru beton, monumente funerare, bungalow-uri, barãci de santier, panouri de semnalizare, prefabricate pentru piscine etc.
• Rezervoare, cisterne, conducte: rezervoare si teascuri pentru vin, cisterne pentru îngrãsãminte lichide, silozuri (pentru materiale pulverulente, cereale, furaje etc.), containere marine, conducte pentru statii de epurare, fose septice, colectoare, conducte pentru ventilaþie, turnuri de spãlare pentru gaze, conducte pentru transportul produselor chimice.
• Electrotehnicã si electronicã: dulapuri, cutii, cofrete, izolatori, seminee pentru cabluri, antene, cabine izolante, suporturi pentru circuite imprimate.
• Transporturi: piese de caroserie pentru automobile, bare de protectie pentru autovehicule, cabine pentru camioane si tractoare, caroserii utilitare (camioane izoterme, frigorifice), caroserii pentru autovehicule sportive.
• Industria nauticã si sportivã: ambarcatiuni sportive, accesorii (geamanduri, pontoane, rame etc.), telecabine, undite de pescuit.
RASINI VINILESTERICE (RVE)
Def: matrici polimerice termoreactive care au la capetele catenei grupe acrilat (R=H) sau metacrilat (R=CH3 )
P OO CC CH2CCH2C
RR O O
Clasificare
a)
In functie
de natura
catenei
interioare
P: epoxidica, poliesterica, poliuretanica
b)
In functie
de prezenta
solventului
la sinteza: cu solvent (reactiv: stiren, viniltoluen
sau
nereactiv: toluen, metiletilcetona) sau
fara
solvent
c)
In functie
de grupele
terminale
-
cu grupe
metacrilice
-cu grupe
acrilice
Caracteristici: inhibitor pentru
stocare, continut
mai
scazut
in grupe
esterice
si
in duble
legaturi
decat
RPN, comercializare: EPOCRYL
Sinteza
RVE
CatalizatorR'
CH 2C
O
CHO2+O
CH 2 H 2 CO
Rt
R'
CH2C
O
COOC
O
CH2C
R'
R
OH
CH CH2CH2
OH
CH CH2CH2 + coreactant + inhibito
R = CH3
CH3
C OOîn care: si CH3R' = H sau
C
CH3
CH3
HO OH 2 Cl CH2 CH CH2
O
Bisfenol AEpiclorhidrina
Bisfenol A epoxidatAcid acrilic(R’=H) sau metacrilic (R’=CH3 )
Rasina vinilesterica
Reticularea
RVE
CH2CHR"+
OH
RH2C C O CH2 CH CH2C CCH2 CH CH2 O C CH2
R' R'O OOH
Iniþiator radicalicR
O R'
CH 2COCH 2CHCH 2 C
OH
CH 2CHR"
, R' = H sau CH3, unde: R = CH3
CH3
C OO R" =
Rasina vinilesterica Agent reticulare (stiren)
RVE reticulata
Proprietatile
specifice
RVE
• Proprietati
fizico-chimice: viscozitate
(depinde
de M (masa
moleculara), temperatura, tipul
si
cant. de agent de reticulare)
• Proprietati
mecanice: variaza
putin
cu M, tipul
catenei
si
tipul
agentului
de reticulare
• Rezistenta
dielectrica
(f. mare!)
• Rezistenta
chimica
ridicata
• Contractie
scazuta
dupa
reticulare
(dar
totusi
mai
mare decat
a rasinilor
epoxidice
din care provin)
• Proprietati
anticorozive
(raport
performanta/pret
mai
bun decat
pentru
otel) →
se folosesc
pentru
elemente
de constructii
(captuseli, izolatii) sau
materiale
de constructii
(mortaruri)
Materiale
compozite
dentare
• Materiale
dentare
clasice: amalgamuri (aliaje
de Zn, Cu, Hg), care elibereaza
Hg in contact cu ionii
Cl-
din saliva
• Materiale
dentare
moderne: compozite pe
baza
de RVE, care se reticuleaza
(intaresc) chimic
sau
fotochimic
(UV)
Materiale
compozite
dentare
pentru
sec. XXI
• Dezvoltarea
unor
polimeri
anorganici• Dezvoltarea
unor
structuri
sandwich
• Noi
agenti
de reticulare
pentru
VIZ si
la timpi < 1 s !
• Retele
interpenetrate pe
baza
de polimeri cristale
lichide
• Dezvoltarea
de “smart polymers”• Utilizarea
de polimeri
semiconductori
• Utilizarea
de polimeri
piezoelectrici
RASINI POLIBUTADIENICE (RPB)
Tipul rãsinii Structura Masa molecularã
Densitatea,g/cm3
Viscozitatea la 45°C, P
1,2-Polibutadienã 1000-4000 0,86 5-350
1,4- Polibutadienã 1000-4000 0,86 5-350
1,2- Polibutadienã cu grupe terminale hidroxil
1000-3000 0,88 25-550
1,2- Polibutadienã cu grupe terminale carboxil
1000-2500 0,90 50-800
CH CH2
CH
CH2
n
CH2 CH CH CH2n
CH CH2
CH
CH2
n
HO OH
CH CH2
CH
CH2
n
HOOC COOH
Proprietati
si
aplicatii
ale RPB
• Continut
scazut
in nuclee
aromatice
→ constanta dielectrica
(E) scazuta
• Rezistenta
chimica
ridicata
(datorita
continutului scazut
de grupe
esterice)
Utilizare
principala: cupolele
transparente
ale antenelor
de radiolocatie
( ) 2120
sin2 θ
λ
−=
End
d=grosimea
peretelui
cupolei; λo=lungimea
de unda
a radiatiei
incidente
pe
cupola; E-constanta
dielectrica; Θ= unghiul
de incidenta
RASINI EPOXIDICE (RE)
Def:
matrici
polimerice
termoreactive
ce
contin
minim 2 grupe
reactive EPOXI:CH CH
O
Clasificare:1.
In functie
de numarul
grupelor
epoxi: difunctionale, trifunctionale, tetrafunctionale
si
polifunctionale
2.
In functie
de natura
catenei
principale: aromatice, alifatice, cicloalifatice
Avantaje
generale:1.
Adezivitate
ridicata
pentru
diversi
agenti
de rigidizare, umplutura
si
alte
substraturi
2.
In timpul
reticularii
nu
se degaja
apa
sau
substante
volatile toxice
3.
Contractie
nula
dupa
reticulare
4.
Prin
reticulare
rezistenta
chimica
si
dielectrica
cresc
foarte
mult
5.
Varietate
mare de RE combinata
cu varietatea
mare de agenti
de reticulare
conduc
la proprietati
diverse ale materialului
obtinut
dupa
reticulare
Sinteza
RE
C
CH3
CH3
OHHO+2 ClCH2H2C CH
O
- 2 H2O- 2 NaCl+ 2NaOH
CH2 CH2CH Cl
OHOH
Cl CHCH2 CH2 O
CH3
CH3
C O
CH2CH2 OC
CH3
CH3
OH2C CH
O
CH2HC
O
Etapa
1
Etapa
2
Epiclorhidrina Bisfenol A
Diglicidileterul
bisfenolului
A (DGEBA)
Sinteza
RE
• In locul
bisfenolului
A, la sinteza
se mai
pot utiliza:
Hexafluor bisfenol ABisfenol F
CF3
CF3
C OHHOHO OHCH2
C
CH3
CH3
OHHO
Br
Br
Br
Br
Bisfenol A tetrabromuratBisfenol A tetraclorurat
Cl
Cl
Cl
Cl
C
CH3
CH3
OHHO
Reticularea
REA. Reticularea
cu amine (amine alifatice, aromatice, primare, secundare
sau
tertiare)
Nr. crt.
Formula / Denumire Simbol
1. Dietilentriamina DETA
2. Trietilentetramina TETA
3. N,N-dietil-1,3-propilendiamina DEAPA
4. Diciandiamida DICY
5. 4,4’-Metilendianilina MDA
6. m-Fenilendiamina MPDA
7. 4,4’-Diamino-difenilsulfona DDS
H2N NH2NHCH2 CH2CH2CH2
CH2 CH2 CH2CH2 NH NH2H2N [ ]2
H 5C 2
H 5 C 2 N N H 2C H 2C H 2C H 2
H2N C NCN
NH2
H 2N CH 2 N H2
NH2
NH2
NH2H2N S
O
O
A1. Reticularea RE cu amine primare
R'CH CH2CH2
OH
H2N R NHNH2RH2N R'CH2H2C CH
O
+
R'CH2H2C CH
O
etc. H2N R NR'CH CH2CH2
OH
R'CH CH2CH2
OH
R'CH2H2C CH
O
Agent de reticulare=diamina primara
RE
RE
RE reticulata
Reticularea cu amine secundare decurge in mod similar cu cele primare
A2. Reticularea cu amine tertiare
CH2 CH2CH
O-R'R3N
+R'CH2+R3N H2C CH
O
etc. R3N+
R'
O-CH CH2CH2
CH2 CH2CH R'
O
+CH2 CH2CH
O-R'R3N
+R'CH2H2C CH
O
R'CH2H2C CH
O
Agent de reticulare=amina tertiara RE
RE reticulata
B. Reticularea RE cu anhidride
• Exemple de anhidride utilizate ca agenti de reticulare:
CO
CO
OC
OC
O
O O
OC
OC
Anhidrida maleica Anhidrida succinica Anhidrida ftalica
CO
CO
O
R
R'
+
R'O
CH2
:NR"R"
R"
R'
R
O
O
C
C
O-R"R"
R"+N R
R'O
O
C
C
O-
R"R"
R"+N
O CH2CHCH2 R'
etc.
Este nevoie de prezenta unui catalizator de tip baza Lewis (de ex. R’’3 N) Mecanism :
Proprietatile RE
• Proprietãtile rãsinilor epoxidice depind de structura chimicã a acestora, de masa molecularã, de gradul de reticulare si de natura agentului de reticulare, precum si de natura si cantitatea de material de umpluturâ sau agent de ranforsare.
n
CH2O
OC
CH3
CH3
OCH2 CH2CH
OH
OC
CH3
CH3
OCH2
O
Reactivitateºi posibilitatede reticulare
Rezistenþãla hidrolizã
Rigiditate Proprietãþiadezive
Rezistenþã la coroziuneºi proprietãþi termice
Caracteristicile RE reticulata:
1. Stabilitatea termica si rezistenta chimica
2. Rigiditatea
3. Densitatea de reticulare
4. Temperatura de reticulare
Domenii principale de utilizare a RE
• Adezivi• Lacuri de impregnare• Produse anticorosive• Izolatori in industria electronicã si
electrotehnicã• Materiale compozite
Matrici polimerice termoplastice
Avantaje fata de matricile termoreactive:1. Timp de viata nedefinit. Nu sunt necesare conditii speciale de stocare
(inhibitor, etc.)2. Rezistenta buna la factorii de mediu combinata cu rigiditate inalta3. Nu au loc reactii chimice in timpul fabricatiei. Fabricatia este usor de
controlat, este rapida si cu costuri scazute4. Este posibila reciclarea si recuperarea materialului folosit
Dezavantaje:
1. Evolutii limitate ale proprietatilor pe termen lung (oboseala, fisuri)
2. Procesele de fabricare sunt inca in dezvoltare
3. Necesita temperaturi inalte de prelucrare
4. Pot necesita investitii mari pentru un echipament nou
Def: polimeri care la temperatura se inmoaie, se topesc si se amesteca in aceasta stare cu agenti de rigidizare, apoi se intaresc prin racire si iau astfel forma dorita.
Clasificarea si exemple de matrici termoplastice
1. Polimeri cu performante medii:
CH2 CH2 n CH2 nCH
CH3
CH2 nCH
Cl
CH2 nCH
Polietilena Polipropilena Policlorura de vinil Polistiren
2. Polimeri cu performante inalte dar cu rezistenta termica scazuta
R C NH
O
nR C
O
nO O
Poliamide Policarbonati
3. Polimeri termoplastici cu performante inalte si termostabilitate mare
+ 2n NaCl200-300°C10-20 atm
+ n Na 2Sn Cl Cln
S
Polifenilensulfura (PPS)
OO C
O
n
Poli (eter-eter) cetone (PEEK)CH3
CH3
C O
O
O
SOn
Polisulfone (PSU)
CN
C
O
O
O C
CH3
CH3
nO
O
O
CN
C
Polieterimide (PEI)
CN
C
O
O
C
O
N
H n
Poliamidoimide (PAI)
Compact discul (CD) (Optical Memory Device)
Vedere de sus a unui CD
Tehnologia de fabricare a unui CD
1
2
3
4
5
6
7
DVD (Digital Versatile Disk)Proprietatea CD ( Compact Disk ) DVD ( Digital Versatil
Disk )
Diametru 120 mm 120 mm
Grosimea
straturilor 1,2 mm 1,2 sau
0,6 mm
Număr de feţe 1 1 sau
2
Număr
de straturi 1 1 sau
2
Capacitate de stocare 650 / 700 / 800 MB
4,7 GB (1 strat, 1 faţă)
9,4 GB (1 strat, 2 feţe)
8,5 GB (2 straturi, 1 faţă)
17 GB (2 straturi, 2 feţe)
Pasul
pistei 1,6 μm 0,74 μm
Dimensiunea
minimă
a crestăturilor 0,834 μm 0,4 μm
Viteza
liniară
de rotaţie
de referinţă 1,2 m/s 4,0 m/s
Suprafaţa
unui
CD Suprafaţa
unui
DVD
DVD-5
DVD-9
DVD-10
DVD-18
Vedere de sus a unui CD
Tehnologia de fabricare a unui CD
1
2
3
4
5
6
7
DVD (Digital Versatile Disk)Proprietatea CD ( Compact Disk ) DVD ( Digital Versatil
Disk )
Diametru 120 mm 120 mm
Grosimea
straturilor 1,2 mm 1,2 sau
0,6 mm
Număr de feţe 1 1 sau
2
Număr
de straturi 1 1 sau
2
Capacitate de stocare 650 / 700 / 800 MB
4,7 GB (1 strat, 1 faţă)
9,4 GB (1 strat, 2 feţe)
8,5 GB (2 straturi, 1 faţă)
17 GB (2 straturi, 2 feţe)
Pasul
pistei 1,6 μm 0,74 μm
Dimensiunea
minimă
a crestăturilor 0,834 μm 0,4 μm
Viteza
liniară
de rotaţie
de referinţă 1,2 m/s 4,0 m/s
Suprafaţa
unui
CD Suprafaţa
unui
DVD
DVD-5
DVD-9
DVD-10
DVD-18
Case din matrici termoplastice recuperate
• Pereti: polifenilenoxid
On
Mobilier pentru bai si bucatarii:
O C
O
C O
O
CH2CH2n
O C
O
C O
O
CH2CH22 n
Polietilentereftalat (PET)Polibutilentereftalat (PBT)
Ferestre: structura sandwich formata din straturi alternante de policarbonat si polimer cristal lichid
Matrici elastomerice
• Def: polimeri care in stare fundamentala au un caracter elastic• Exemple:1) Cauciucul natural sau sintetic: 1,4-cis poliizopren
CH2
C
CH3
C
H
CH2 n
2) Cauciucul C2 C3
CH2C
CH3
C
H
n H2C
CH2 CH3n H2C m H2C CH H2C CH2 H2C CH
CH3
n m
3) Cauciucul policloroprenic
CH2C C
H
n H2C
Cl
H2C C
Cl
CCH2n
Aplicatii: placi elastice, rulmenti si amortizoare
Compusi cu rol de rigidizare in structura MC FIBRE
1. FIBRE DE STICLA
Tragerea filamentelor continue de sticlã:1- cuptor filierã pentru topirea sticlei; 2- bile de sticlã; 3- filierã; 4- fibre de sticlã; 5- sistem de rãcire a filamentelor de sticlã; 6- sistem de aplicare a tratamentului cu ANCOLANT pe suprafata filamentelor; 7- dispozitiv de asamblare a filamentelor de sticlã; 8- dispozitiv de bobinare a fibrelor de sticlã.
Ancolantul
Componentele ancolantului:1. Liantul (asigura adeziunea dintre filamentele de sticla):
emulsie sau suspensie de poliacetat de vinil2. Lubrifiantul (micsoreaza frecarea dintre filamentele de
sticla): substante tensioactive cationice sau neionice3. Agentul de ancorare (asigura aderenta fibrei de sticla
la matricea polimera)X3 Si(CH2 )n Y n=0-3, X=Cl, Br, Y= grupa organica functionala similara cu cea a matricei polimere
4. Agentul antistatizant (micsoreaza incarcarea electrostatica a fibrelor datorita frecarii): saruri cuaternare de amoniu R4 N]+X-
Compozitia fibrelor de sticla
Caracteristici UM A C D E ECR S R
Compozitie %
SiO2 72 65 73 55,2 61 65 60
Al2 O3 2,5 4 * 14,8 11 25 25
B2 O3 0,5 5 23 7,3 ** - -
MgO 0,9 3 * 3,3 3 10 6
CaO 9,0 14 * 18,7 22 - 9
Na2 O 12,5 8,5 * 0,3 0,6 - -
K2 O 1,5 - * 0,2 ** - -
Fe2 O3 0,5 0,5 - 0,3 ** - -
Proprietatile fibrelor de sticla
• Rezistenta la tractiune inalta• Rezistenta termica (nu arde si are un p.t.
ridicat)• Rezistenta chimica• Rezistenta la umiditate• Proprietati electrice: excelent izolator
electric• Proprietati termice
Fibre de bor
+ 3H22BCl3 2B + 3HCl
WCaracteristici ale reactiei:
1. HCl este evacuat in atmosfera odata cu H2 care este in exces
2. Numai 2% din BCl3 se transforma in B, restul trebuie recirculat
3. Depunerea Borului se face pe un substrat de Wolfram incalzit electric, cu un diametru de 12,5 µ. Diametrul final al substratului va fi de 100, 140 sau 200 µ
4. Viteza de depunere a borului trebuie sa fie optima !
Procedee
de obtinere
a fibrelor
de bor
1- rola cu filamente de W
2- bloc de curatire a substratului de W
3- reactor de depunere a borului pe substrat de wolfram
4- rola cu filamente B-W
1- rola cu filamente de carbon
2- bloc de depunere a unui strat fin de grafit pe substratul de carbon
3- reactor de depunere a borului pe substrat de carbon
4- rola cu filamente B-C
Aplicatii
ale fibrelor
de bor
• Materiale compozite de tip B-Al sau B- epoxi pentru avioane militare si civile
• Materiale compozite de tip B-Al pentru biciclete cu greutate redusa (40% !)
• Materiale compozite de tip B-epoxi pentru fabricarea unditelor
Fibre
carbon
Se obtin din materii prime numite precursori: poliacrilonitril (PAN), smoala, celuloza, poliesteri, poliamide, etc.
Obtinerea
fibrelor
carbon din poliacrilonitril
Etape:
1.
Filarea
PAN
2.
Intinderea
fibrelor
de PAN
3.
Stabilizarea
fibrelor
de PAN
4.
Carbonizarea
la 1500 oC
in atmosfera
inerta
5.
Grafitizarea
la 1500 oC
in atmosfera
inerta
1. Filarea
PAN
CH
CH2
CH
CH2
CH
C C CN NN
Lant
de PAN
Caracteristici
PAN
1.
Tg
= 120 oC !
2.
Solubilitate
foarte
scazuta: trebuie
utilizati
solventi
f.f. polari: DMF, DMSO
3.
Se descompune
fara
a se topi
→ filarea
trebuie
facuta
din solutie
2. Intinderea
PAN
Prin
intindere
se realizeaza
o orientare
preferentiala
paralela
cu axa
fibrelor
3. Stabilizarea
fibrelor
de PANA) In atmosfera inertaB) In atmosfera oxidanta
3.1. Stabilizarea
in atmosfera
inertaHHH
C
CC
C
CN N
C
CC C
C
CN
ciclizare
C
CHC
CH
CN N
C
CHC C
CH
CN N
HH HHH H
Polimer tip "scarã"
a)
In regim
izoterm
b)
In regim
neizoterm
3.2. Stabilizarea
in atmosfera
oxidanta
C
CHC
CH
CN N
C
CHC C
CH
CN
O O O
II
O O O
I
C
CHC
CH
CN N
C
CHC C
CH
CN
C
CHCH2
CH
CN N
C
CHCH2 CH2
CH
CN
OO O
III
C
CCH
CH
CN N
C
CHCH 2 C
CH
CN
HH
C
CC
C
CN N
C
CC C
CH
CNH N
O
OHIV
4. Carbonizarea
la 1500 oC
in atmosfera inerta
• Consta
in incalzirea
fibrelor
ciclizate pina
la 1500 oC
pentru
indepartarea
H,
N, O din fibre
sub forma de gaze: CH4
, H2
O, CO, CO2
, NH3
, H2• Caracteristici:a)
Viteza
mica de incalzire
(21 oC/min)
b)
Continutul
in N influenteaza
direct proprietatile
electrice
ale fibrelor
carbon
5. Grafitizarea
la 3000 oC
in atmosfera
inerta
• Tratament termic pentru cresterea modulului de elasticitate al fibrei prin imbunatatirea orientarii preferentiale inauntrul fiecarei fibre
Fibra “grafit”: %C= minim 99%Fibra carbon: %C= 80-85%Densitatea fibrei carbon: 1,7-2,1 g/cm3Densitatea fibrei “grafit”: 2,2 g/cm3Densitatea fibrei de PAN: 1,2 g/cm3
Mecanismul
de obtinere
a fibrelor
carbon
H
H
H
N
N
N
H
H
H
N
N
N
N
N
N N
N
N
400-600°C
dehidrogenare
N
N
N N
N
N N
N
N N
N
N
denitrare600-1300°C
2
Obtinerea
fibrelor
de carbon din smoala
• Etape:1. Tratament termic la 400 oC aplicat
smoalei pentru a o transforma intr-o stare de cristal lichid (stare mezofazica)
2. Transformarea smoalei mezofazice in fibre
3. Termorigidizarea fibrelor4. Carbonizarea fibrelor la 1500 oC5. Grafitizarea fibrelor la 3000 oC
Obtinerea
fibrelor
carbon din celuloza
• Etape:1. Filarea celulozei2. Stabilizarea fibrelor de celuloza la 220 oC in atmosfera
oxidanta3. Carbonizare la 2000 oC in atmosfera inerta4. Intindere-grafitizare la 4000 oC in atmosfera inerta
C
CC C
O
C C
O
CH2OH
HOHOH
H
H
H Unitati
de β-glucoza
Fibre
aramidice
n H2N NH2 + n Cl
O O
ClCC
O O
CCHN NH
n
+ 2n HCl
Obtinere
Structura
fibrelor
aramidice
CN
O H
NC
H O OHC
N
HON
C
Proprietatile
fibrelor
aramidice
• Rezistenta la tractiune si modul foarte ridicate in comparatie cu celelalte fibre
• Alungire foarte mica la rupere• Rezistenta termica ridicata pentru un
polimer (500 oC) !!• Rezistenta mare la solventi organici,
combustibili si uleiuri (rezistenta mai mica la acizii tari)
Alte
tipuri
de fibre
utilizate
in structura MC
• Fibre de azbest (cost redus, stabilitate ridicata, compatibilitate f. mare cu polimerii, dar f. toxic, chiar cancerigen !!)
• Fibre ceramice (natura policristalina)• Whiskersuri (materiale cristaline obtinute
din carbura de siliciu, nitrat de aluminiu, etc., au cele mai bune propriet. mecanice)- sunt f. scurte si scumpe !!
Skiuri din MC
• Cerinte principale pentru materialele din care se fac skiurile:1. greutate f.f. redusa2. sa reziste la variatii mari ale temperaturii3. rezistenta mare la soc4. sa atenueze vibratiile5. sa se acomodeze la neuniformitatile terenului
Sectiune transversala printr-un ski de mare performanta
1- strat de ABS, cu rezist. mare la soc
2- strat de fibre lemnoase
3- strat din faguri de Al sau spume polimerice
4- compozit RPN/fibra de sticla
5- fibre carbon sau aramidice
6- material polimeric cu rezist. f. mica la frecare
7- otel
Agenti de armare sub forma de pulberi
• Clasificare:a) Organici: pulberea de celuloza, faina de
lemn, amidon, pulberea de cauciuc (negrul de fum)
b) Anorganici: silicea, argile (montmorilonit), TiO2 , oxizi de Be, Fe, Mg, Zr, Zn, carbonati (CaCO3 ), pulberi metalice, pulberi de sticla
Conditii esentiale pentru realizarea unui MC
1. Alegerea potrivita a agentului de armare functie de matricea polimera
2. Alegerea unui raport optim intre agentul de armare si matricea polimera
3. Existenta unei legaturi puternice la interfata fibra-matrice polimera
Aplicatii ale MC in medicina
Medicamente cu eliberare controlata(Controlled Drug Release)
Def: dispozitive de tipul plasturilor transdermici, microsferelor, implanturilor oculare, implanturilor contraceptive, etc. care elibereaza in mod controlat, lent, substanta activa (medicamentul) in organismul uman
Cai de administrare:
1. Oral
2. Transdermic
3. Insertie de implanturi
4. Intravenos
Cerinte pentru polimerii utilizati in medicina
1. Biocompatibili2. Puri3. Inerti chimic4. Netoxici5. Necancerigeni6. Usor de prelucrat7. Stabili mecanic
Comparatie intre sistemele cu eliberare controlata (b) si medicamentele clasice (a)
Mecanisme de eliberare controlata
1. Difuzie 2. Eroziune 3. Osmoza
Exemplu de sistem cu eliberare controlata: microparticule purtatoare de
substanta activa ce sunt transportate electric la plamani
Factori ce conduc la biodegradarea sistemelor cu eliberare controlata
– Factori chimici– Masa moleculara a polimerului– Conditiile de prelucrare a polimerului– Procesul de sterilizare a implantului– Modalitatea de stocare a implantului– Locul unde s-a realizat implantarea– Compusii absorbiti pe polimer– Factori fizici: solubilitate, densitate, etc.
A
B
Cum arata un implant polimeric biodegradabil introdus in sobolan dupa 9 (A) si 16 (B) saptamani de la insertie
Polimeri utilizati pentru realizarea sistemelor cu eliberare controlata
[ CO R OCNH R’ NH ]O O
Poliuretani
[ Si O ]
R
R’
Polisiloxani
[ CH2 C ]
CH3
C OOCH3
Polimetilmetacrilat
[ CH2 CH ] OH
Alcool
polivinilic
[ CH2 CH2 ]
Polietilena
[ CCH2 ]O
Polilactide
[ CCHO ]O
CH3
Poliglicolide
[ OC R C ]O O
Polianhidride
Exemple de sisteme cu eliberare controlata
Produs Medica-ment
Metoda de adminis-trare
Polimerul ce controleaza eliberarea
Meca-nism de eliberare
Indicatii de utilizare
Procardia XL Nifedipine Oral Poliacetat de celuloza
Osmoza Hipertensiune si angina
Duragesic Fentanyl Transdermic EVA Difuzie Durere cronica
Proventil Albuterol Oral Cauciuc natural Eroziune Astm bronsic
Estraderm Estradiol Transdermic EVA Difuzie Inlocuitor de hormoni
Norplant Levonorgestrel Implant Cauciuc siliconic
Difuzie Contraceptie
Zoladex Goserelin Implant Poliglicolide Eroziune Cancer de prostata
Tableta de PROCARDIA XL
Implanturi de tip NORPLANT
Plasturele transdermic
Implanturi craniene
Conditii
impuse:1.
Sa se degradeze
lent, de la suprafata
exterioara
catre
interior, astfel
incat
un medicament continut
in interior sa
se
elibereze
intr-un mod controlat, in timp.2.
Polimerul
ca intreg, trebuie
sa
indeparteze
apa, protejand medicamentul
din interior de o dizolvare
prematura
3. Prin
varierea
raportului
intre
componenti
(x/y) s-au sintetizat
bloc-
copolimeri
cu o suprafata
ce
se degradeaza
intr-un timp
de la 1 saptamana
pana
la cativa
ani.
x yO C
O
R C
O
O C
O
R' C
O
O
NANOCOMPOZITELENANOCOMPOZITELE-- MaterialeleMaterialele
secoluluisecolului
XXIXXI
EvolutiaEvolutia
materialelormaterialelor
10000 i.e.n.
Piatra
si
lemnul
1000 i.e.n.
Fierul
0
Cimentul
1800
Otelul
1900
Polimeri
&
Compozite
2000
Nanomateriale
&
Nanocompozite
“Noile
clase
de materiale
compozite
nanostructurate
vor
domina
peisajul
industrial al secolelor
viitoare”
Wolfgang Herrman, U. Munich
ProblemeProbleme
generalegenerale
ale ale materialelormaterialelor
compozitecompozite
RezistentaRezistenta la la agentiagenti chimicichimici, , atmosfericiatmosferici, , proprietatiproprietati mecanicemecanice uneoriuneoriinsuficienteinsuficiente pentrupentru aplicatiiaplicatii highhigh--techtechStabilitateStabilitate termicatermica sisi dimensionaladimensionala uneoriuneori nesatisfacatoarenesatisfacatoare, care , care limiteazalimiteaza uneleunele aplicatiiaplicatii maimai ales in ales in domeniuldomeniul autoautoProprietatiProprietati de de barierabariera redusereduse pentrupentru ambalajeambalajeFlamabilitateaFlamabilitatea majoritatiimajoritatii compozitelorcompozitelorPosibilitateaPosibilitatea de de reciclarereciclare a a deseurilordeseurilor proveniteprovenite din din proceseleprocesele de de fabricatiefabricatie sisi prelucrareprelucrare
SOLUTIA: NANOCOMPOZITELE
COMPOZITE
(30-40% argila)
1000 nm
NANOCOMPOZITE
(5 % argila)
< 100 nm
NANOCOMPOZITENANOCOMPOZITE
MaterialeMateriale constituiteconstituite din din maimai multi multi componenticomponenti, , dintredintre care care celcel putinputin unulunul are are dimensiuneadimensiunea intreintre 1 1 sisi 100 nm100 nmProprietatiProprietati globaleglobale superioaresuperioare componentilorcomponentilorindividualiindividuali: : claritateclaritate opticaoptica, , rezistentarezistentamecanicamecanica, , rigiditaterigiditate, , permeabilitatepermeabilitate..AbilitateaAbilitatea de a de a obtineobtine proprietatileproprietatile doritedorite
PrimulPrimul
nanocompozitnanocompozit
comercializatcomercializat TOYOTA NYLON CLAY HYBRID (NCHTOYOTA NYLON CLAY HYBRID (NCH--6)6)
19911991Tip de materialTip de material ArgilaArgila
(%)(%)ModululModulul
de de
intindereintindere((GPaGPa))
TemperaturaTemperatura de de destructiedestructie termicatermica
((ooCC))
NCHNCH--66((nanocompozitnanocompozit))
4.24.2 2.12.1 152152
CompozitCompozit 55 11 8989
NylonNylon--66 00 1.11.1 6565
NANOCOMPOZITENANOCOMPOZITE ClasificareClasificare
1.1.
NanoparticuleNanoparticule
(3 (3 dimensiunidimensiuni))2.2.
NanofibreNanofibre
(2 (2 dimensiunidimensiuni))
3.3.
NanoargileNanoargile
(1 (1 dimensiunedimensiune))
NanoparticuleNanoparticule
ComuneComune in in viataviata cotidianacotidianaExempleExemple: : filmefilme fotograficefotografice, , catalizatoricatalizatori, , schimbatorischimbatori de de ioniioni, , nanocristalenanocristale, , semiconductorisemiconductori, diode , diode molecularemoleculareEx: Ex: filmelefilmele color KODAK color KODAK pepe bazabaza de de nanocristalenanocristale de de ioduraiodura de de argintargint
MaterialeMateriale
compozitecompozite
armatearmate
cu cu nanotuburinanotuburi
Inca Inca putineputine materialemateriale dezvoltatedezvoltateMatriciMatrici ceramiceceramice, , metalicemetalice, de , de oxizioxizi metalicimetalici, , toatetoate armatearmate cu cu nanotuburinanotuburiProcesProces tipictipic de de fabricatiefabricatie: : presareapresarea la la caldcald a a matriceimatricei pulverulentepulverulente cu cu nanotuburilenanotuburileCompoziteleCompozitele cu cu matricimatrici polimericepolimerice armatearmate cu cu nanotuburinanotuburi se se obtinobtin prinprin amestecareaamestecareacomponentelorcomponentelor, , urmataurmata de de reticulareareticulareapolimeruluipolimerului
NanocompoziteNanocompozite
polimericepolimerice==nanoargilenanoargile
MatriciMatrici polimericepolimerice armatearmate cu cu argileargile dispusedispusenanometricnanometric in in masamasa de de polimerpolimer
Polymer Nanocomposites, the Way of the Future
Journal Club Report, MRS Bulletin 2001Michael Goldman
NanocompoziteNanocompozite
polimericepolimerice=Polymer =Polymer NanocompositesNanocomposites
((PNCsPNCs))
De De regularegula folosestefoloseste montmorillonitmontmorillonit ca ca argilaargila
Back to previous page
CaracteristiciCaracteristici
montmorillonitmontmorillonit
OrganizatOrganizat in in straturistraturi (care (care formeazaformeaza galeriigalerii) cu ) cu grosimeagrosimea de de 1 nm 1 nm sisi o o latimelatime de 300de 300--500 nm 500 nm MasaMasa molecularamoleculara a a straturilorstraturilor silicaticesilicatice (1.3 x 10(1.3 x 1088) ) esteeste multmultmaimai mare mare decatdecat a a polimerilorpolimerilor comercialicomerciali (10(1033--101066))StraturileStraturile silicaticesilicatice au o au o suprafatasuprafata specificaspecifica foartefoarte mare mare (100(100--200 m200 m22/g !)/g !)StraturileStraturile silicaticesilicatice se se caracterizeazacaracterizeaza prinprin capacitateacapacitatea de de schimbschimb cationic (CEC) care cationic (CEC) care poatepoate variavariaArgileleArgilele suntsunt speciispecii hidrofilehidrofile sisi astfelastfel suntsunt in stare in stare naturalanaturalaincompatibileincompatibile cu cu polimeriipolimerii
ConditieConditie
necesaranecesara
pentrupentru
formareaformarea nanocompozitelornanocompozitelor
polimericepolimerice
esteeste
alterareaalterarea
polaritatiipolaritatii
argileiargilei
pentrupentru
a o face a o face organofilicaorganofilica
PrinPrin reactiireactii de de schimbschimb ionic cu un ionic cu un cationcationorganic:organic:
NaNa++--CLAY + HOOCCLAY + HOOC--RR--NHNH33
++ClCl--
→→NaClNaCl
+ HOOC+ HOOC--RR--NHNH33
++--CLAYCLAY
R= CR= C2020
HH4040
ObtinereaObtinerea
nanocompozitelornanocompozitelor
polimericepolimerice
Straturi
silicatice
fara
polimer
Nanocompozite
intercalate Nanocompozite
exfoliate
FactoriFactori
cece
influenteazainfluenteaza
formareaformarea nanocompozituluinanocompozitului
A. A. FactoriFactori cece determinadetermina delaminareadelaminarea argileiargilei1.1.
CECCEC--ulul
argileiargilei
2.2.
PolaritateaPolaritatea
mediuluimediului
de de reactiereactie3.3.
NaturaNatura
chimicachimica
a a cationilorcationilor
de de schimbschimb
(de (de
ex. ex. ioniiionii
amoniuamoniu))--compatibilizareacompatibilizarea
cu bloccu bloc--copolimericopolimeri::
HOHO--(CH(CH22
--CHCH22
--))nn
--(CH(CH22
--CHCH--))mm
C6
H5
NanocompoziteNanocompozite
polimericepolimerice
Cu Cu matricematrice polimerapolimera termoreactivatermoreactiva (de ex. (de ex. RasinaRasina epoxidicaepoxidica))Cu Cu matricematrice polimerapolimera termoplasticatermoplastica (de ex. PE, PP, EVA, PC, etc.)(de ex. PE, PP, EVA, PC, etc.)
Se Se imbunatatescimbunatatesc
substantial substantial proprietatileproprietatile::
--
RezistenteleRezistentele
mecanicemecanice, , modulmodul
de de elasticitateelasticitate, etc., etc.--
ProprietatileProprietatile
de de barierabariera
((scadereascaderea
permeabilitatiipermeabilitatii
la la apaapa, gaze, etc.), gaze, etc.)--
StabilitateaStabilitatea
termicatermica
sisi
HDTHDT--
ProprietatileProprietatile
ignifugeignifuge
sisi
se se reducreduc
emisiileemisiile
de gaze la de gaze la ardereardere--
RezistentaRezistenta
la la agentiiagentii
chimicichimici--
ConductivitateaConductivitatea
electricaelectrica--
TransparentaTransparenta
ExempleExemple
de de produseproduse
industrialeindustriale
Furnizor/DenumireFurnizor/Denumire
comercialacomerciala
MatriceaMatricea
polimerapolimera NanoNano--fillerfiller AplicatieAplicatie
Bayer AG/Bayer AG/DurethanDurethan Nylon 6Nylon 6 OrganoargilaOrganoargila FilmeFilme
cu cu barierabariera
ClariantClariant PPPP OrganoargilaOrganoargila AmbalajeAmbalaje
Creanova/VestamidCreanova/Vestamid Nylon 12Nylon 12 NanotubNanotub ConductoriConductori
electricielectrici
GE Plastics/GE Plastics/NorylNoryl
GTXGTX
PPO/NylonPPO/Nylon NanotubNanotub PartiParti
caroseriecaroserie
autoauto
KabelwerkKabelwerk EVAEVA OrganoargilaOrganoargila Fire Fire sisi
cabluricabluri
NanocorNanocor Nylon 6Nylon 6PPPP
OrganoargilaOrganoargilaOrganoargilaOrganoargila
AmbalajeAmbalaje
berebereTopituriTopituri
Polymeric SupplyPolymeric Supply PoliesterPoliester OrganoargilaOrganoargila Marina, TransportMarina, Transport
YantaiYantai
HailiHaili
Ind&CommerceInd&Commerce
of of ChinaChina
UHMWPEUHMWPE OrganoargilaOrganoargila ConducteConducte
rezistenterezistente
la la cutremurcutremur
UnitikaUnitika Nylon 6Nylon 6 OrganoargilaOrganoargila AplicatiiAplicatii
multiplemultiple
Utilizari
curente
si
viitoare
ale nanocompozitelor
polimerice
-Noi
structuri
PNC cu rezistenta
la foc, fara
aditivi
de tip intirzietori
de flacara
-Utilizarea
PNC usoare
in situatii
de eforturi
mari
la temperaturi
mari, de exemplu
sub capota
autoturismelor
si
in invelisul
etans
al avioanelor, in contrast cu aliajele
metalice
cu greutate
mare si
costisitoare
NanocompoziteNanocompozite PerspectivePerspective
In 2005 In 2005 productiaproductia de PNC de PNC vava fifi de 20 de 20 milioanemilioane tone, tone, cu o cu o valoarevaloare a a pieteipietei de 195 de 195 milioanemilioane USDUSDUtilizareaUtilizarea pepe scarascara largalarga a PNC de a PNC de producatoriiproducatorii de de autoturismeautoturisme vava economisieconomisi 1,5 1,5 miliardemiliarde litrilitri de de benzinabenzinaannual annual sisi vava reduce reduce emisiileemisiile de COde CO22 cu cu aproxaprox. 10 . 10 miliardemiliarde litrilitri !!!!PestePeste 20 20 aniani vomvom puteaputea conduce un conduce un automobilautomobil facutfacutin in intregimeintregime din PNC (din PNC (PresedintelePresedintele TOYOTA)TOYOTA)In In constructiileconstructiile grelegrele ((poduripoduri sisi altealte structuristructuri masivemasive) ) metalelemetalele expuseexpuse la la coroziunecoroziune vorvor fifi inlocuiteinlocuite cu PNC cu PNC maimai usoareusoare sisi maimai puterniceputernice
NanocompoziteNanocompozite--investitiiinvestitiiNSFNSF--250 mil. $250 mil. $--creareacrearea a 5 a 5 noinoi NSECsNSECs::
--
Center of Integrated Center of Integrated NanomechanicalNanomechanical
SystemsSystems--University of CaliforniaUniversity of California--
BerkeleyBerkeley--
Center for High Rate Center for High Rate NanomanufacturingNanomanufacturing
at Northeastern Universityat Northeastern University--
Center for Affordable Center for Affordable NanoengineeringNanoengineering
of Polymer Biomedical Devices of Polymer Biomedical Devices at Ohio State Universityat Ohio State University
--
Center for Probing the Center for Probing the NanoscaleNanoscale
at Stanford Universityat Stanford University--
Center for Center for TemplatedTemplated
Synthesis and Assembly at the Synthesis and Assembly at the NanoscaleNanoscale
at the at the University of WisconsinUniversity of Wisconsin
NanotodayNanotoday, December 2004, December 2004
CONCLUZIA FINALACONCLUZIA FINALA
Nanocomposites are cool !!