Σύγκριση ιδιοτήτων ρητίνης
Η επιλογή του συστήματος ρητίνης που θα χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε συστατικό εξαρτάται από μια σειρά από τις ιδιότητές του, τα παρακάτω είναι ίσως τα πιο σημαντικά στις περισσότερες σύνθετες δομές:
1.
2. Μηχανικές ιδιότητες
3. Μικροσκοπική αντίσταση ρωγμών
4. Αντοχή κόπωσης
5. Αποικοδόμηση διάβρωσης νερού
Ιδιότητες συγκόλλησης
Έχει συζητηθεί πώς οι ιδιότητες προσκόλλησης του συστήματος ρητίνης είναι σημαντικές για την επίτευξη του πλήρους φάσματος των μηχανικών ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού. Στις δομές σάντουιτς, είναι σημαντική η προσκόλληση της μήτρας ρητίνης στην ενίσχυση των ινών ή το υλικό πυρήνα.
Οι ρητίνες πολυεστέρα έχουν συνήθως τις χαμηλότερες ιδιότητες προσκόλλησης των τριών συστημάτων που περιγράφονται εδώ. Οι ρητίνες βινυλίου Lester παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες συγκόλλησης από τους πολυεστέρες, αλλά τα συστήματα εποξειδικής ρητίνης παρέχουν την καλύτερη απόδοση όλων των συγκολλητικών και επομένως βρίσκονται συχνά σε πολλές συγκολλητικές συγκολλήσεις υψηλής αντοχής. Αυτό οφείλεται στη χημική τους σύνθεση και στην παρουσία πολικών υδροξυλίου και ομάδων αιθέρα. Δεδομένου ότι οι εποξειδικές ρητίνες θεραπεύονται με χαμηλό ρυθμό συρρίκνωσης, οι διάφορες επιφανειακές επαφές που δημιουργούνται μεταξύ της υγρής ρητίνης και των προσκολλημένων δεν διαταράσσονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σκλήρυνσης. Οι ιδιότητες συγκόλλησης των εποξειδικών ρητινών είναι ιδιαίτερα χρήσιμες στην κατασκευή πλαστικοποιημένων πυρήνα της κηρήθρας, όπου μια μικρή επιφάνεια συγκόλλησης σημαίνει ότι απαιτείται μέγιστη συγκόλληση.
Η αντοχή του δεσμού μεταξύ ρητίνης και ινών εξαρτάται όχι μόνο από τις ιδιότητες συγκόλλησης του συστήματος ρητίνης, αλλά επηρεάζεται επίσης από την επιφανειακή επικάλυψη των ενισχυτικών ινών.
Μηχανικές ιδιότητες
Δύο σημαντικές μηχανικές ιδιότητες οποιουδήποτε συστήματος ρητίνης είναι αντοχή σε εφελκυσμό και δυσκαμψία. Τα Σχήματα 22 και 23 δείχνουν τα αποτελέσματα των δοκιμών που εκτελούνται σε εμπορικά διαθέσιμα πολυεστέρα, βινυλίου και συστήματα εποξειδικής ρητίνης που θεραπεύονται σε 20 μοίρες και 80 βαθμούς.
Μετά από μια περίοδο σκλήρυνσης επτά ημερών σε θερμοκρασία δωματίου, μπορεί να φανεί ότι οι τυπικές εποξειδικές ρητίνες προσφέρουν υψηλότερες επιδόσεις από την άποψη τόσο της αντοχής όσο και της ακαμψίας από τους τυπικούς πολυεστέρους και τους βινυλίου.
Εξίσου σημαντικό για τους σύνθετους σχεδιαστές και τους κατασκευαστές είναι η ποσότητα συρρίκνωσης της ρητίνης κατά τη διάρκεια και μετά τη θεραπεία. Η συρρίκνωση οφείλεται στην αναδιάταξη και τον αναπροσανατολισμό των μορίων ρητίνης στις φάσεις υγρού και ημι-γελ. Οι πολυεστέρες και οι βινυλικοί εστέρες απαιτούν σημαντική ποσότητα μοριακής αναδιάταξης για να φτάσουν σε μια θεραπευμένη κατάσταση και μπορούν να δείξουν συρρίκνωση έως και 8%. Ωστόσο, η διαφορετική φύση της εποξειδικής αντίδρασης έχει ως αποτέλεσμα πολύ μικρή αναδιάταξη και την απουσία πτητικών διμερών προϊόντων, μειώνοντας την τυπική εποξική συρρίκνωση σε περίπου 2%. Σε κάποιο βαθμό, η απουσία συρρίκνωσης είναι υπεύθυνη για τις καλύτερες μηχανικές ιδιότητες του εποξειδικού από τον πολυεστέρα, καθώς η συρρίκνωση σχετίζεται με εσωτερικές τάσεις που μπορούν να αποδυναμώσουν το υλικό.
Επιπλέον, η συρρίκνωση στο πάχος του ελαστικού οδηγεί σε "εκτύπωση" του μοτίβου ενισχυτικών ινών, το οποίο είναι ένα δύσκολο και ακριβό καλλυντικό ελάττωμα για εξάλειψη.
Μικροσκοπικές ρωγμές
Η αντοχή ενός πλαστικού συνήθως εξετάζεται από την άποψη του πόσο φορτίο μπορεί να αντέξει πριν αποτύχει εντελώς. Αυτή η τελική δύναμη ή η αντοχή σπάσιμο είναι το σημείο στο οποίο η ρητίνη παρουσιάζει καταστροφικό κάταγμα και σπάσιμο των ενισχυτικών ινών.
Ωστόσο, πριν επιτευχθεί αυτή η τελική αντοχή, το laminate θα φτάσει σε επίπεδο στρες όπου η ρητίνη θα αρχίσει να σπάει από τα στρώματα ενίσχυσης των ινών που δεν ευθυγραμμίζονται με το εφαρμοζόμενο φορτίο και αυτές οι ρωγμές θα διαδοθούν μέσω της μήτρας ρητίνης. Αυτό είναι γνωστό ως "εγκάρσια μικροκρυπτογράφηση" και παρόλο που το laminate δεν έχει ακόμη αποτύχει εντελώς, η διαδικασία ρήξης έχει ήδη αρχίσει. Οι μηχανικοί που θέλουν μια ανθεκτική δομή πρέπει επομένως να εξασφαλίσουν ότι τα ελασματοποιημένα τους δεν υπερβαίνουν αυτό το σημείο κάτω από τα κανονικά φορτία υπηρεσιών.
Το στέλεχος που μπορεί να επιτύχει ένα πλαστικό πριν από τη μικρο-σχισμή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις ιδιότητες σκληρότητας και συγκόλλησης του συστήματος ρητίνης. Για τα εύθραυστα συστήματα ρητίνης, όπως οι περισσότεροι πολυεστέρας, αυτό συμβαίνει πολύ πριν από την αποτυχία του πλαστικού και επομένως περιορίζει το στέλεχος που μπορούν να αντέξουν αυτά τα ελασματοποιημένα. Για παράδειγμα, πρόσφατες δοκιμές έχουν δείξει ότι για τα πολυεστέρα\/γυαλί υφασμένα ελασματίδια, η μικροκύρυνση συνήθως εμφανίζεται σε περίπου 0. Αυτό αντιστοιχεί σε χρησιμοποιήσιμη δύναμη μόνο του 10% της τελικής δύναμης. Δεδομένου ότι η τελική ισχύς του ελασματοποίησης υπό τάση καθορίζεται από την αντοχή των ινών, αυτές οι μικροκρέκτες ρητίνης δεν μειώνουν αμέσως την τελική απόδοση του laminate.
Ωστόσο, σε περιβάλλοντα όπως το νερό ή ο υγρός αέρας, ένα μικροκρακωμένο πλαστικό θα απορροφήσει περισσότερο νερό από ένα μη σπασμένο πλαστικό. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του βάρους, υγρασία στον παράγοντα ρητίνης και ινών, μείωση της ακαμψίας και μείωση της τελικής απόδοσης με την πάροδο του χρόνου.
Η αύξηση της προσκόλλησης ρητίνης\/ινών προέρχεται συνήθως από τη χημεία της ρητίνης και τη συμβατότητά της με τη χημική επιφανειακή επεξεργασία που εφαρμόζεται στις ίνες. Εδώ, οι γνωστές ιδιότητες των εποξειδικών συγκολλητικών βοηθούν το laminate να επιτύχει υψηλότερα στελέχη μικροκύρυνσης. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ανθεκτικότητα της ρητίνης είναι δύσκολο να μετρηθεί, αλλά υποδεικνύεται ευρέως από το τελικό στέλεχος αποτυχίας της. Μια σύγκριση διαφορετικών συστημάτων ρητίνης παρουσιάζεται στο σχήμα 25.
Δύναμη κόπωσης
Γενικά, τα σύνθετα υλικά έχουν εξαιρετική αντίσταση κόπωσης σε σύγκριση με τα περισσότερα μέταλλα. Ωστόσο, δεδομένου ότι η αποτυχία κόπωσης προκαλείται συχνά από τη σταδιακή συσσώρευση μικρής ζημίας, η συμπεριφορά κόπωσης οποιουδήποτε σύνθετου υλικού θα επηρεαστεί από την ανθεκτικότητα της ρητίνης, την αντίσταση της στη μικροκύρυνση και τον αριθμό των κενών και άλλων ελαττωμάτων που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής. Για το λόγο αυτό, τα ελάσματα εποξειδικής βάσης τείνουν να παρουσιάζουν πολύ καλή αντοχή στην κόπωση σε σύγκριση με τον πολυεστέρα και τον βινυλώρο, ο οποίος είναι ένας από τους κύριους λόγους για τη χρήση τους σε αεροδρομίες.
Υποβάθμιση της διάβρωσης νερού
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό οποιασδήποτε ρητίνης, ειδικά στο θαλάσσιο περιβάλλον, είναι η ικανότητά του να αντέχει την υποβάθμιση με εισερχόμενο νερό. Όλες οι ρητίνες απορροφούν λίγο νερό, προσθέτοντας βάρος στο ελικόπτερο, αλλά το πιο σημαντικό πώς το απορροφημένο νερό επηρεάζει τον δεσμό ρητίνης και ρητίνης\/ινών στο laminate, οδηγώντας σε μια σταδιακή και μακροπρόθεσμη απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων. Τόσο οι ρητίνες πολυεστέρας όσο και βινυλστέρου είναι ευαίσθητες στην υποβάθμιση του νερού λόγω της παρουσίας υδρολυζέζων εστερικών ομάδων στη μοριακή δομή.
Ως αποτέλεσμα, τα λεπτό πολυεστέρα αναμένεται να διατηρήσουν μόνο το 65% της αντοχής διάτμησης της ενδιάμεσης στρώσης μετά από ένα έτος εμβάπτισης στο νερό, ενώ τα ελάσματα της εποξειδικής ρητίνης θα διατηρήσουν περίπου το 90% μετά από ένα έτος εμβάπτισης.
Το σχήμα 26 δείχνει την επίδραση του νερού σε εποξειδικά και πολυεστέρα υαλώδη στρώματα που βυθίστηκαν σε νερό σε 100 μοίρες. Αυτή η εμβάπτιση υψηλής θερμοκρασίας δίνει στα βυθισμένα ελασματοποιημένα επιταχυνόμενα ιδιότητες αποικοδόμησης.
Διαπερατό
Όλα τα ελασμικά στο θαλάσσιο περιβάλλον επιτρέπουν πολύ μικρές ποσότητες νερού να περάσουν από αυτά με τη μορφή ατμού. Καθώς περνάει το νερό, αντιδρά με οποιοδήποτε υδρολυμένο συστατικό εντός του πλαστικού για να σχηματίσει μικροσκοπικά κύτταρα συμπυκνωμένου διαλύματος. Κάτω από τον ωσμωτικό κύκλο, περισσότερο νερό περνάει από την ημιδιαλιακή μεμβράνη του πλαστικού σε μια προσπάθεια να αραιώσει αυτό το διάλυμα. Αυτό το νερό αυξάνει την πίεση του υγρού μέσα στο κελί στα 700 psi. Τελικά, η πίεση θα παραμορφωθεί ή θα διαρρήξει το laminate ή το gelcoat και μπορεί να οδηγήσει σε μια τυπική επιφάνεια "ανεμιστήρα κοτόπουλου". Τα υδρολύματα συστατικών στο πλαστικό μπορεί να περιλαμβάνουν βρωμιά και συντρίμμια που παγιδεύονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής, αλλά μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν ομόλογα εστέρων στον θεραπευμένο πολυεστέρα και, σε μικρότερο βαθμό, βινυλίου βινυλίου.
Η χρήση ενός πλούσιου σε ρητίνη στρώμα δίπλα σε μια επίστρωση πηκτής είναι απαραίτητη για τις ρητίνες πολυεστέρα για να μειωθεί αυτός ο τύπος αποικοδόμησης, αλλά συνήθως η μόνη θεραπεία μόλις αρχίσει η διαδικασία είναι να αντικαταστήσει το επηρεαζόμενο υλικό. Προκειμένου να αποφευχθεί η εμφάνιση της διείσδυσης στην πρώτη θέση, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια ρητίνη που έχει τόσο χαμηλή διαπερατότητα όσο και υψηλή αντίσταση στη διάβρωση του νερού. Η φλόγα μπορεί να εξαλειφθεί ουσιαστικά όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ένα ενισχυτικό υλικό που έχει παρόμοια αντίσταση στην επιφανειακή επεξεργασία και είναι ελασματοποιείται σε πολύ υψηλό επίπεδο. Οι αλυσίδες πολυμερών με αλυσίδες με βάση εποξειδικά αντιστέκονται στις επιδράσεις του νερού πολύ καλύτερα από πολλά άλλα συστήματα ρητίνης. Τέτοια συστήματα έχουν αποδειχθεί ότι έχουν εξαιρετική χημική αντοχή και νερό, χαμηλή διαπερατότητα του νερού και πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες.
Περίληψη των συγκριτικών ιδιοτήτων ρητίνης
Οι πολυεστέρας, ο βινυλεστέρας και οι εποξειδικές ρητίνες που συζητήθηκαν εδώ πιθανότατα αντιπροσωπεύουν περίπου το 90% όλων των συστημάτων ρητίνης θερμοσίτες που χρησιμοποιούνται σε δομικά σύνθετα υλικά. Συνοπτικά, τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών των τύπων είναι:
Άλλες ρητίνες για σύνθετα υλικά
Εκτός από τον πολυεστέρα, τους βινυλεστέρα και τις εποξειδικές ρητίνες, υπάρχουν πολλά άλλα συστήματα ειδικών ρητίνης που χρησιμοποιούνται όπου χρειάζονται οι μοναδικές ιδιότητες τους.
Φαινολικές ρητίνες
Χρησιμοποιείται κυρίως όπου απαιτείται υψηλή αντίσταση πυρκαγιάς, οι φαινολικές ρητίνες διατηρούν τις ιδιότητές τους καλά σε υψηλές θερμοκρασίες. Για τα θεραπευμένα υλικά θερμοκρασίας δωματίου, η χρήση διαβρωτικών οξέων οδηγεί σε δυσάρεστο χειρισμό. Η συμπυκνωμένη φύση της διαδικασίας σκλήρυνσης τείνει να έχει ως αποτέλεσμα τη συμπερίληψη πολλών κενών και επιφανειακών ελαττωμάτων, η ρητίνη τείνει να είναι εύθραυστη και έχει κακές μηχανικές ιδιότητες. Τυπικό κόστος: £ 2-4\/kg.
Ισοκυανικό φαινυλικό
Χρησιμοποιείται κυρίως στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Οι εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε χαμηλές διηλεκτρικές ίνες όπως το Quartz, οι οποίες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ραδιομέτρων. Το υλικό είναι επίσης σταθερό θερμοκρασία έως και 200 βαθμούς. Τυπικό κόστος: £ 40\/kg.
Ρητίνες σιλικόνης
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >£ 15\/ kg.
Πολυουρεθάνη
Υψηλά όλκιμο υλικό, μερικές φορές αναμειγνύεται με άλλες ρητίνες, λόγω σχετικά χαμηλών μηχανικών ιδιοτήτων της συμπίεσης. Χρησιμοποιεί επικίνδυνα ισοκυανικά ως παράγοντες σκλήρυνσης. Τυπικό κόστος: £ 2-8\/kg.
Bismaleimide (ΔΜΣ)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>£ 50\/kg.
Πολυϊμίδη
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>£ 80\/kg) με τοξικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία κατασκευής. Τα πολυϊμίδια είναι δύσκολο να λειτουργούν λόγω της αντίδρασης συμπύκνωσης που απελευθερώνει νερό κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σκλήρυνσης και είναι σχετικά εύθραυστη μετά τη θεραπεία.
Πηγή "σύνορα σε σύνθετα"