Samenvatting polymeerchemie
1. Composieten
Composiet = combinatie van twee materialen (vezels en hars) Superieure mechanische
eigenschappen zoals meet treksterkte en stijfheid
De vezel in een composiet wordt op zijn plaats gehouden door de polymeermatrix of hars en zorgt
voor betere treksterkte, stijfheid en minder gewicht.
Kan ook andere eigenschappen hebben: goede trildemping, lage thermische uitzettingscoëfficiënt,
grote weerstand tegen vermoeidheid; resistentie tegen extreme T, corrosie en slijtage.
Matrix of hars: Thermoplast of thermoset lage treksterkte, taai en vervormbaar
Vezels: koolstof-, glas-, aramide-, polymeer- of natuurlijke vezels bros maar hoge treksterkte
Glasvezels: >50 m% silicazand
o Oudste vezels. Zwaarder, minder stijf maar slagvast en grote treksterkte
o Gesmolten en getrokken tot filamenten bundels zijn strengen roving (niet
getwiste strengen) of garen (gedraaide strengen)
Koolstofvezels (meest gebruikt)
o Bros, corrosiegevoelig maar zeer sterk
o Twee staps productie via precursors
Aramidevezels
o Zeer slagvast
Polyethyleenvezels
o Zeer licht, zeer slagvast, antiballistische eigenschappen, lage diëlektrische constante
Polypropeenvezels
o Licht, taai, slagvast, trillingsdempend
Vezelhybriden
o Eigenschappen van verschillende vezels: ofwel 90° of 0° geweven
Natuurlijke vezels
o Zeer laag gewicht, ‘groene’ kenmerken: recycleerbaar, biologisch afbreekbaar,
hernieuwbaar en koolstofneutraal
Factoren voor optimale vezelversterking
1) Diameter
Kleine diameter groter vezeloppervlak betere verdeling spanning over de matrix
hogere treksterkte en stijfheid
2) Vezellengte
Lange vezels: zeer grote sterkte en stijfheid, hoge kerfslagsterkte, licht gewicht, zéér lage en cte kruip
Breuk blijft beperkt tot de vezel.
Korte vezels: gemakkelijker productieproces, maar minder spanning (lagere stijfheid en treksterkte).
Breuk ver weg van vezel in de matrix of tss matrix en vezel.
1
, Lange vezels hogere stijfheid
boven Tg goede prestatie zonder
week te worden bij hoge T
Lange vezels zéér lage en cte kruip
goede prestatie zonder week te
worden bij hoge T
Kleine vervorming onmiddellijk na
aanleggen spanning
Kritische vezellengte lc = de lengte waarbij breuk in de vezel optreedt
Versterkende vezels moeten minstens deze lengte hebben om een composietmateriaal maximaal te
versterken.
3) Adhesie
Adhesie = de goede hechting tussen vezel en matrix aan het grensoppervlak. Hoe langer de vezel,
hoe beter de adhesie tss vezel en matrix.
Voorbereiding vezeloppervlak (coating) is gunstig verbetert de vezel/metrix binding en
beschermt tegen slijtage en breuk
Koppelingsagentia bv: organosilaan verbetert zwakke adhesiekrachten aan het grensopp.
-OCH3 reageert met anorganisch component (vezel)
-NH2 reageert met organisch component (hars)
Wetout = verzadiging vezelbundel met hars
Zwakke interactie: hoge kritische vezellengte want vezel is stijver dan matrix en kan meer
spanning opnemen
Sterkte interactie: lage kritische vezellengte is genoeg
𝑙 = d = vezeldiameter, τc = grensvlakspanning, σf = trekspanning
4) Vezel-volumefractie
= de verhouding tussen de vezel en het hars
Hoe groter vezel-volumefractie in een volumefragment dichte pakking (geen luchtbellen)
betere mechanische eigenschappen (treksterkte en stijfheid)
2
,5) Vezeldispersie
= verdeling van de vezels in de matrix
Als ze slecht verdeeld zijn samenklitten zwakke mechanische eigenschappen
Hoge roersnelheid zorgt voor betere dispersie maar ook voor meer ketenbreuk compromis
Geometrie en oriëntatie vezels
Matten
o Niet-weven
o Kortgehakte vezels die samen worden gehouden door chemisch bindmiddel
willekeurig verdeeld over matrix isotrope eigenschappen (=in alle richtingen
dezelfde sterkte)
Weefsel
o Draden die over en onder elkaar gaan krimpt lagere treksterkte (komt omdat
vezels strekken bij het rekken waardoor er spanning komt)
o Bidirectioneel goede mechanische eigenschappen in de richting van de garen en
goede drapeerbaarheid en lage krimp
Drapeerbaarheid = gemak waarmee het weefsel een vorm aanneemt
Krimp = de bochtigheid van de vezel in een weefsel
Multi-axiaal
o Niet geweven
o Verschillende unidirectionele vezellagen boven elkaar
o Buigzamer dan weefsel hogere treksterkte
Unidirectioneel
o >75% vezels liggen in één richting anisotrope eigenschappen (= verschillende
eigenschappen in andere richtingen)
o Beste mechanische eigenschappen in de richting vd vezels (0°) = vezelgedomineerd
o Heel zwakke mechanische eig loodrecht op de vezels (90°) = matrixgedomineerd
Prepregs
o Met hars (thermoplast of thermoset) geïmpregneerde vezelvormen (geen extra hars
nodig)
o Voordelen:
Opslagmogelijkheden in deels uitgeharde toestand tot ze nodig zijn
Vezels zijn volgens bepaald patroon uitgelijnd goede mechanische eig
Minder afval
Uniformiteit en herhaalbaarheid van geproduceerde onderdelen
Automatisch leggen: kostenverlagend en productiesnelheid verhogend
Enkel uitharden in autoclaaf
Oefeningen p13 dia 25
3
, Verschillende harsen
De matrix of hars dient om vezels op de juiste plaats en in de juiste oriëntatie houden zodat er geen
breuk optreedt. De matrix wordt beschermd tegen corrosie door een gellaag aan te brengen.
Een hars dient taai te zijn (door groot opp.) en moet een hoge breukrek hebben.
Taaiheid = weerstand tegen scheurvorming en scheurpropagatie.
Treksterkte = maximale spanning dat een materiaal kan weerstaan tot vezelbreuk
Thermoharders
Thermoharders vormen door een in situ chemische reactie waar het hard en een hardner gemengd
worden ontstaan van chemische cross links of dwarsbruggen tussen polymeerketens. Een
thermoharder wordt nooit meer vloeibaar, maar verliest wel mechanische eig bij hogere
temperaturen Tg.
1) Polyester harsen
Visceuze, bleekgekleurde vloeistoffen opgelost in styreen
Styreen zorgt voor: verlaging van de viscositeit (meer hanteerbaar hars) en als curing agent
dat helpt bij de uitharding van de oplossing tot een vast product door verschillende
polyesterketens met elkaar te verbinden (zonder nevenproducten)
Gebruikt in: rubberen bootjes, containerschepen, jachten
2) Vinylesterharsen
Taaier en elastischer dan polyesterharsen
Minder estergroepen dan polyesterharsen beter waterbestendig
Enkele dubbele bindingen en estergroepen op het einde
Gebruikt in: pijpleidingen, chemische opslagtanks
3) Epoxyharsen
Geen estergroepen waterbestendig
Goede adhesie
Hogere stijfheid en treksterkte
Taaier dan vinylester en polyesterharsen
Meer warmtebestendig
Hardend uit door sec. of tert. Amines (hardner)
Gebruikt in: laminaat of coating voor gehydrolyseerde polyesterharsen
Thermoplasten
Thermoplasten hebben goede eigenschappen, waardevolle vervanger voor metalen maar wegen
minder. Bij verhitting worden ze zachter en kunnen ze opnieuw gevormd worden zonder verlies van
mechanische eigenschappen.
Commercieel: PE, PP, PET: goedkoop, lage verwerkingstemperaturen, beperkte hittebestendig
Hoogwaardige: PEEK, PES, PEI: duurder, bestand tegen zéér hoge T, vochtbestendig na uitharding
4
1. Composieten
Composiet = combinatie van twee materialen (vezels en hars) Superieure mechanische
eigenschappen zoals meet treksterkte en stijfheid
De vezel in een composiet wordt op zijn plaats gehouden door de polymeermatrix of hars en zorgt
voor betere treksterkte, stijfheid en minder gewicht.
Kan ook andere eigenschappen hebben: goede trildemping, lage thermische uitzettingscoëfficiënt,
grote weerstand tegen vermoeidheid; resistentie tegen extreme T, corrosie en slijtage.
Matrix of hars: Thermoplast of thermoset lage treksterkte, taai en vervormbaar
Vezels: koolstof-, glas-, aramide-, polymeer- of natuurlijke vezels bros maar hoge treksterkte
Glasvezels: >50 m% silicazand
o Oudste vezels. Zwaarder, minder stijf maar slagvast en grote treksterkte
o Gesmolten en getrokken tot filamenten bundels zijn strengen roving (niet
getwiste strengen) of garen (gedraaide strengen)
Koolstofvezels (meest gebruikt)
o Bros, corrosiegevoelig maar zeer sterk
o Twee staps productie via precursors
Aramidevezels
o Zeer slagvast
Polyethyleenvezels
o Zeer licht, zeer slagvast, antiballistische eigenschappen, lage diëlektrische constante
Polypropeenvezels
o Licht, taai, slagvast, trillingsdempend
Vezelhybriden
o Eigenschappen van verschillende vezels: ofwel 90° of 0° geweven
Natuurlijke vezels
o Zeer laag gewicht, ‘groene’ kenmerken: recycleerbaar, biologisch afbreekbaar,
hernieuwbaar en koolstofneutraal
Factoren voor optimale vezelversterking
1) Diameter
Kleine diameter groter vezeloppervlak betere verdeling spanning over de matrix
hogere treksterkte en stijfheid
2) Vezellengte
Lange vezels: zeer grote sterkte en stijfheid, hoge kerfslagsterkte, licht gewicht, zéér lage en cte kruip
Breuk blijft beperkt tot de vezel.
Korte vezels: gemakkelijker productieproces, maar minder spanning (lagere stijfheid en treksterkte).
Breuk ver weg van vezel in de matrix of tss matrix en vezel.
1
, Lange vezels hogere stijfheid
boven Tg goede prestatie zonder
week te worden bij hoge T
Lange vezels zéér lage en cte kruip
goede prestatie zonder week te
worden bij hoge T
Kleine vervorming onmiddellijk na
aanleggen spanning
Kritische vezellengte lc = de lengte waarbij breuk in de vezel optreedt
Versterkende vezels moeten minstens deze lengte hebben om een composietmateriaal maximaal te
versterken.
3) Adhesie
Adhesie = de goede hechting tussen vezel en matrix aan het grensoppervlak. Hoe langer de vezel,
hoe beter de adhesie tss vezel en matrix.
Voorbereiding vezeloppervlak (coating) is gunstig verbetert de vezel/metrix binding en
beschermt tegen slijtage en breuk
Koppelingsagentia bv: organosilaan verbetert zwakke adhesiekrachten aan het grensopp.
-OCH3 reageert met anorganisch component (vezel)
-NH2 reageert met organisch component (hars)
Wetout = verzadiging vezelbundel met hars
Zwakke interactie: hoge kritische vezellengte want vezel is stijver dan matrix en kan meer
spanning opnemen
Sterkte interactie: lage kritische vezellengte is genoeg
𝑙 = d = vezeldiameter, τc = grensvlakspanning, σf = trekspanning
4) Vezel-volumefractie
= de verhouding tussen de vezel en het hars
Hoe groter vezel-volumefractie in een volumefragment dichte pakking (geen luchtbellen)
betere mechanische eigenschappen (treksterkte en stijfheid)
2
,5) Vezeldispersie
= verdeling van de vezels in de matrix
Als ze slecht verdeeld zijn samenklitten zwakke mechanische eigenschappen
Hoge roersnelheid zorgt voor betere dispersie maar ook voor meer ketenbreuk compromis
Geometrie en oriëntatie vezels
Matten
o Niet-weven
o Kortgehakte vezels die samen worden gehouden door chemisch bindmiddel
willekeurig verdeeld over matrix isotrope eigenschappen (=in alle richtingen
dezelfde sterkte)
Weefsel
o Draden die over en onder elkaar gaan krimpt lagere treksterkte (komt omdat
vezels strekken bij het rekken waardoor er spanning komt)
o Bidirectioneel goede mechanische eigenschappen in de richting van de garen en
goede drapeerbaarheid en lage krimp
Drapeerbaarheid = gemak waarmee het weefsel een vorm aanneemt
Krimp = de bochtigheid van de vezel in een weefsel
Multi-axiaal
o Niet geweven
o Verschillende unidirectionele vezellagen boven elkaar
o Buigzamer dan weefsel hogere treksterkte
Unidirectioneel
o >75% vezels liggen in één richting anisotrope eigenschappen (= verschillende
eigenschappen in andere richtingen)
o Beste mechanische eigenschappen in de richting vd vezels (0°) = vezelgedomineerd
o Heel zwakke mechanische eig loodrecht op de vezels (90°) = matrixgedomineerd
Prepregs
o Met hars (thermoplast of thermoset) geïmpregneerde vezelvormen (geen extra hars
nodig)
o Voordelen:
Opslagmogelijkheden in deels uitgeharde toestand tot ze nodig zijn
Vezels zijn volgens bepaald patroon uitgelijnd goede mechanische eig
Minder afval
Uniformiteit en herhaalbaarheid van geproduceerde onderdelen
Automatisch leggen: kostenverlagend en productiesnelheid verhogend
Enkel uitharden in autoclaaf
Oefeningen p13 dia 25
3
, Verschillende harsen
De matrix of hars dient om vezels op de juiste plaats en in de juiste oriëntatie houden zodat er geen
breuk optreedt. De matrix wordt beschermd tegen corrosie door een gellaag aan te brengen.
Een hars dient taai te zijn (door groot opp.) en moet een hoge breukrek hebben.
Taaiheid = weerstand tegen scheurvorming en scheurpropagatie.
Treksterkte = maximale spanning dat een materiaal kan weerstaan tot vezelbreuk
Thermoharders
Thermoharders vormen door een in situ chemische reactie waar het hard en een hardner gemengd
worden ontstaan van chemische cross links of dwarsbruggen tussen polymeerketens. Een
thermoharder wordt nooit meer vloeibaar, maar verliest wel mechanische eig bij hogere
temperaturen Tg.
1) Polyester harsen
Visceuze, bleekgekleurde vloeistoffen opgelost in styreen
Styreen zorgt voor: verlaging van de viscositeit (meer hanteerbaar hars) en als curing agent
dat helpt bij de uitharding van de oplossing tot een vast product door verschillende
polyesterketens met elkaar te verbinden (zonder nevenproducten)
Gebruikt in: rubberen bootjes, containerschepen, jachten
2) Vinylesterharsen
Taaier en elastischer dan polyesterharsen
Minder estergroepen dan polyesterharsen beter waterbestendig
Enkele dubbele bindingen en estergroepen op het einde
Gebruikt in: pijpleidingen, chemische opslagtanks
3) Epoxyharsen
Geen estergroepen waterbestendig
Goede adhesie
Hogere stijfheid en treksterkte
Taaier dan vinylester en polyesterharsen
Meer warmtebestendig
Hardend uit door sec. of tert. Amines (hardner)
Gebruikt in: laminaat of coating voor gehydrolyseerde polyesterharsen
Thermoplasten
Thermoplasten hebben goede eigenschappen, waardevolle vervanger voor metalen maar wegen
minder. Bij verhitting worden ze zachter en kunnen ze opnieuw gevormd worden zonder verlies van
mechanische eigenschappen.
Commercieel: PE, PP, PET: goedkoop, lage verwerkingstemperaturen, beperkte hittebestendig
Hoogwaardige: PEEK, PES, PEI: duurder, bestand tegen zéér hoge T, vochtbestendig na uitharding
4
