Saamgestelde Polimeriese Materiale
Kom ons begin by die begin. 'n Saamgestelde materiaal is enige materiaal wat gemaak is uit meer as een komponent. Daar is baie saamgestelde materiale ("composites") om jou. Beton is 'n goeie voorbeeld. Dit word gemaak van sement, klip, sand, en het heel dikwels ook staal stawe as versterking in. Die ballone wat jy sou kry as jy siek in die hospitaal is, of vir iemand op Valentynsdag sou gee, word gemaak van 'n saamgestelde materiaal met die naam van mylar. Dit is 'n "toebroodjie" wat gemaak is van 'n vel aluminiumfoelie en 'n vel poliëster.
Op hierdie bladsy gaan ons hoofsaaklik praat oor saamgestelde polimeriese materiale. Dit beteken dus dat ons gaan praat van materiale wat gemaak is van verskillende polimere, of 'n mengsel van polimere en ander tipes materiale.
Kom ons begin by een van die eerste polimeriese saamgestelde materiale wat gemaak is. Lank gelede het die mense wat in Suid en Sentraal Amerika gebly het, natuurlike rubber lateks, of poliisopreen gebruik om dinge soos handskoene en skoene te maak. Maar, as jy al rubber handskoene gedra het, sal jy dalk kan dink hoe ongemaklik dit sal moet voel om 'n reënjas te dra wat geheel en al van rubber gemaak is. So, êrens in die middel van die vorige eeu, het 'n kerel met die naam van MacIntosh met die volgende idee vorendag gekom.
Hy het 'n laag poliisopreen geneem, en dit tussen twee lae geweefde katoen materiaal geplaas, soos jy hier links kan sien. (Onthou, katoen is 'n vorm van die natuurlike polimeer sellulose.) Hierdie toebroodjie het goeie reënjasse gemaak, aangesien die rubberlaag die water weg gehou het, en die katoenlae die jas gemaklik gemaak het om te dra. En tot vandag toe nog word 'n reënjas in Brittanje 'n "macintosh" genoem.
Wel, jy kan dus sien hoekom ons saamgestelde materiale maak: om 'n materiaal te verkry met die eienskappe van beide die komponente. In hierdie geval het ons die waterdigte poliisopreen gemeng met die gemaklike katoen.
Moderne saamgestelde polimeriese materiale word gewoonlik van twee komponente gemaak, 'n vesel, en 'n matriks. Die vesel is gewoonlik 'n glas, maar ook soms kevlar, koolstofvesel, of poliëtileen. Die matriks is gewoonlik 'n termoset soos 'n epoksihars, polidisiklopentadiëen, of 'n poliimied. Die vesel word in die matriks ingesluit om die matriks sterker te maak. Veselversterke saamgestelde materiale het twee groot pluspunte. Hulle is sterk en lig. Meestal sterker as staal, maar weeg heelwat minder. Dit beteken dus dat saamgestelde materiale gebruik kan word om motors ligter te maak, en dus ook ligter op brandstof. Dit sal dus lei tot minder besoedeling.
Wat vesels doen
'n Baie algemene veselversterkte saamgestelde materiaal is die veselglas met die handelsnaam FiberglasTM. Die matriks word gemaak deur 'n poliëster met koolstof-koolstof dubbelbindings in die ruggraatketting te laat reageer met stireen. Ons gooi dan 'n mengsel van poliëster en stireen oor 'n klomp glasvesels. Die stireen en die dubbelbindings in die poliëster reageer deur middel van 'n vrye radikaal viniel polimerisasie om 'n kruisgebinde hars te vorm. Die glasvesels word in die hars vasgevang, en tree dan op as versterking.
In FiberglasTM is die vesels nie altyd netjies georienteer in 'n spesifieke rigting nie. Dit is gewoonlik maar net 'n massa vesels, soos hier aan die regterkant. Maar ons kan 'n saamgestelde materiaal sterker maak deur al die vesels in dieselfde rigting te orienteer. Georienteerde vesels doen snaakse dinge aan saamgestelde materiale. As jy sou trek aan die saamgestelde materiaal in die rigting waarin die vesels georiënteer is, sal die materiaal baie sterk wees. As jy egter trek aan die materiaal in 'n rigting 90° ten opsigte van die rigting van oriëntasie, sal die materiaal baie maklik breek.
Maar dit is nie altyd sleg nie, aangesien ons somtyds 'n materiaal nodig het wat slegs sterk is in een rigting. Somtyds sal die item wat gemaak word slegs stres in een rigting ondervind.
Maar ander tye het ons 'n materiaal nodig wat sterk is in alle rigtings. Wel, dan orienteer ons net die vesels in meer as een rigting. Ons doen dit gewoonlik deur van 'n geweefde materiaal gebruik te maak om 'n saamgestelde materiaal te versterk. So 'n geweefde materiaal sal sterkte meer as een rigting verleen.
En die matriks dan?
Maar wat dan van die matriks. Ons het reeds die funksies van die vesels in die matriks bespreek, maar wat doen die matriks vir die vesels? Hoekom dan nie sommer net die vesels self nie? Eerstens, hou die matriks die vesels by mekaar. 'n Los bundel vesels sal nie eintlik veel kan doen nie. Verder, alhoewel vesels sterk mag wees, kan hulle ook baie maal bros wees. Die matriks kan ekstra energie absorbeer deur te deformeer onder stres. En, laastens, hoewel vesels 'n goeie breekweerstand ("tensile strength") toon, het dit baie slegte saamdrukbaarheidseienskapppe. D.w.s. die vesels sal vervorm en opfrommel as jy hulle hard genoeg druk. Die matriks gee dus ook saamdrukbaarheidsweerstand aan 'n saamgestelde materiaal.
Meet 'n vesel
Nie alle vesels is dieselfde nie. Hulle het almal goeie en slegte eienskappe. Glas is die mees populêrste vesels. Hoekom? Want dit is baie goedkoop. Wel, dit mag snaaks klink, want almal weet na 'n paar jaar in die laboratorium dat glas maklik kan breek. Maar, sodra glas in klein veseltjies gespin word, tree hulle baie verskillend op. Glasvesels is sterk en buigsaam.
Nou dat ons so praat....Aspoestertjie se glasskoene wat sy na die bal gedra het was nie regtig glas nie, maar wel 'n glasvesel versterkte materiaal! Dink net daaraan. 'n Glas skoen? Dit sou met die eerste treetjie gebreek het, of ten minste dan sodra die Prins op haar voete gedans het. Maar skoene wat van 'n glasversterkte materiaal gemaak sou word, sou sterk genoeg gewees het om selfs die grootste voet se trap met gemak te kon hanteer!
Maar, daar is nog sterker vesels. Dit is 'n goeie ding, want soms is glas net nie sterk genoeg nie. Vir sommige toepassings, soos byvoorbeeld vliegtuigonderdele het ons regtig iets interessanter as glas nodig. Veral as koste nie ter sprake kom nie, kan 'n mens sterker en duurder vesels soos byvoorbeeld Kevlar, koolstofvesels of Spectra gebruik. Koolstofvesels is gewoonlik sterker as Kevlar, en kan dus 'n groter krag weerstaan sonder om te breek. Maar Kevlar kan 'n bietjie buig, meer as koolstofvesels, en kan dus 'n bietjie meer energie absorbeer as wat koolstofvesels kan. Maar SpectraTM, wat 'n tipe poliëtileen is, is sterker en kan meer energie absorbeer as beide koolstofvesel en Kevlar.
Meet 'n matriks
Verskillende toepassings, dus verskillende matrikse. As ons geld wil spaar, dan gebruik ons goedkoop matrikse met aanvaarbare eienskappe. Die onversadigde poliëster/stireen sisteem is 'n voorbeeld waarna ons reeds gekyk het. Dit werk baie goed vir alledaagse toepassings. Chevrolet Corvette bakwerke word gemaak van saamgestelde materiale bestaande uit onversadige poliëster matrikse en glasvesels. Maar daar is heelwat nadele. Hulle krimp heelwat wanneer hulle set, kan maklik water absorbeer, en hulle impaksterkte is laag. Verder is hierdie saamgestelde materiaal nie baie chemies weerstandbiedend nie.
'n Ander lae koste sisteem is die sogenaamde viniel-ester-hars. Die eerste stap om 'n viniel-ester-hars te maak, is om 'n di-epoksied met akrielsuur of metakrielsuur te laat reageer:
As jy nou die vinielgroepe polimeriseer, het jy 'n kruisgebinde hars. Soms gebruik 'n mens ook groter oligomere wat so lyk: Hierdie hars set op dieselfde manier, deur die polimerisasie van die vinielgroepe. Viniel-ester-harse het 'n paar voordele bo onversadigde poliësters. Hulle absorbeer nie so baie water nie, en krimp nie naastenby so baie tydens die setproses nie. En, hulle toon baie goeie weerstand teen chemiese stowwe. Verder bind dit goed aan glas a.g.v. die teenwoordigheid van die hidroksielgroepe. Dit is heel handig as jy glas sou gebruik as 'n vesel.
Maar nie viniel-ester-harse of onversadigde poliësters is baie goed vir hoë temperatuur toepassings nie. Vir hoë temperatuur toepassing het ons matrikse soos epoksiharse nodig. Om hierdie harse te maak, begin ons met 'n di-epoksied, net soos in die maak van die vniel-ester-harse. Nou reageer ons dit egter nie met 'n akrielsuur soos voorheen nie, maar wel met 'n diamien. Die epoksiedgroepe sal reageer met die diamien, en die hele sisteem sal kruisbind: A.g.v. die hidroksielgroepe, bind die epoksiharse goed aan glasvesels. Maar hulle het van die eienskappe wat 'n mens by die goedkoper matrikse vind nie. Hulle absorbeer geen water nie, en krimp baie min. En hulle kan ook by hoër temperature gebruik word, tot 160 oC in sekere gevalle.
Maar vir die REGTIG hoë temperatuur toepassings, is daar heelwat opsies om uit te oefen. Poliimiede kan temperature goed weerstaan, maar absorbeer baie water, wat hulle degradasie tot gevolg het. Polibensoksasole weerstaan temperature baie goed, maar is byna onmoontlik om te prosesseer. Ander navorsers kyk weer na matrikse wat slegs uit koolwaterstowwe bestaan. Maar daar is nog baie navorsing wat op hierdie gebied gedoen word. Maar meeste ontwikkeling word gedoen vir die ruimtevaartindustrie. Daar is sprake van die ontwikkeling van 'n ruimtevliegtuig wat dwars om die wêreld sal kan vlieg binne drie ure. Hierdie vliegtuig sal in 'n lae wentelbaan om die aarde in gaan, en dan weer terug keer deur die atmosfeer. Hierdie terugkeer sal baie hitte genereer, en daar word gesoek na saamgestelde materiale wat hierdie hitte sal kan weerstaan.