Modyfikowane tworzywa sztuczne

Materiały wzmacniane włóknami i kompozytowe

Profil właściwości tworzywa sztucznego można selektywnie zmienić, wprowadzając dodatki lub wypełniacze opracowane z myślą o uzyskaniu określonej charakterystyki. Powstałe w ten sposób mieszanki umożliwiają zmianę (zwykle udoskonalenie) właściwości termicznych, mechanicznych, elektrycznych, optycznych lub innych w stosunku do typowych cech niezmodyfikowanego polimeru bazowego. Do najpowszechniejszych wypełniaczy i dodatków, poza barwnikami, należą włókna wzmacniające, stabilizatory i dodatki zmniejszające tarcie.

Włókna wzmacniające

W przypadku polimerów wzmocnionych włóknami to właśnie włókna wzmacniające decydują o właściwościach danego materiału. W wielu przypadkach wytrzymałość włókien jest większa niż wytrzymałość składników głównych – a często przewyższa również wytrzymałość na rozciąganie materiałów metalowych. Gęstość większości powszechnie stosowanych włókien jest z kolei zwykle niższa niż gęstość aluminium, co daje większy potencjał przy projektowaniu części do lekkich konstrukcji. W większości przypadków w tworzywach sztucznych wzmacnianych włóknami stosuje się włókna szklane, węglowe i aramidowe. Z punktu widzenia projektanta charakterystyka mechaniczna materiału jest szczególnie istotna.

Tworzywa sztuczne z włóknem szklanym

Włókna szklane to najczęściej stosowany rodzaj włókien wzmacniających w polimerach wzmacnianych włóknami. W porównaniu z polimerem bazowym materiały z dodatkiem włókna szklanego zapewniają lepsze właściwości mechaniczne, takie jak większa sztywność lub wytrzymałość czy zwiększona twardość powierzchni.

Tworzywa sztuczne z włóknem węglowym

Polimery wzmocnione włóknem węglowym są niezwykle wytrzymałe i lekkie. 

Ich produkcja może być kosztowna, lecz są zwykle stosowane, kiedy wymagany jest wysoki współczynnik wytrzymałości względem masy i duża sztywność. Modyfikacje te są często wprowadzane w dziedzinach takich jak lotnictwo i kosmonautyka czy motoryzacja oraz w przypadku wielu innych zastosowań technicznych.

Włókna aramidowe

Włókna aramidowe to klasa mocnych włókien o dużej wytrzymałości cieplnej, stosowanych zwykle tam, gdzie wymagania w zakresie odporności na uderzenia, tłumienia i odporności na ścieranie są niezwykle wysokie, a dodatkowo niezbędna jest niska masa.

Inne wypełniacze

Inne wypełniacze na ogół nie zapewniają żadnych korzyści technicznych lub zapewniają je jedynie w minimalnym stopniu i służą głównie ograniczeniu kosztów lub masy: Firma Ensinger oferuje na przykład kredę, talk i szkło gospodarcze w postaci kul.

Ensinger oferuje ponadto tworzywa sztuczne z dodatkiem włókien ceramicznych, stanowiące kolejne nowatorskie rozwiązanie poprawiające m.in. właściwości fizyczne i charakterystykę skrawalności.



Wypełniacze zmniejszające tarcie i ścieranie

Poza znanym materiałem ślizgowym, jakim jest PTFE (Teflon®), klasyczne materiały do łożysk ślizgowych – PA i POM – są również często stosowane w stanie „niewypełnionym” z uwagi na dobre właściwości w zakresie tarcia ślizgowego. Możliwe jest oczywiście udoskonalenie właściwości wszystkich materiałów, w tym PA i POM, w zakresie odporności na tarcie i zużycie, poprzez zastosowanie różnych dodatków, jakie można zmieszać z matrycą polimerową. Poniżej wymieniono cztery najbardziej powszechne rodzaje dodatków:

Grafit

Grafit to czysty węgiel, który po dodaniu w drobno zmielonej postaci wykazuje wyraźne działanie poślizgowe. Po równomiernym nałożeniu grafitu na tworzywo sztuczne można radykalnie obniżyć współczynnik tarcia, szczególnie w warunkach dużej wilgotności.

Polietylen

Dodanie polietylenu daje podobny efekt, jak w przypadku zastosowania PTFE. Poprawiają się właściwości cierne, choć nie w takim samym stopniu jak w przypadku PTFE. 

Dwusiarczek molibdenu

Dwusiarczek molibdenu wykorzystywany jest głównie jako zarodek krystalizacji. Tworzy on cienką krystaliczną strukturę, nawet po dodaniu go w bardzo niewielkiej ilości. W wyniku wyższej krystaliczności tworzywa sztuczne zyskują większą odporność na ścieranie oraz obniżony współczynnik tarcia. Firma Ensinger oferuje również specjalnie opracowane mieszanki z zawartością dodatków zapewniających mniejsze tarcie. Jednym z przykładów jest rodzina materiałów PVX marki Ensinger, zawierających po 10% PTFE, grafitu i włókna węglowego. Połączenie PTFE i grafitu daje materiałowi doskonałe właściwości w zakresie tarcia ślizgowego, a dodatek włókna węglowego zapewnia większą wytrzymałość i odporność na ścieranie. Materiały te zapewniają również bardzo dobre właściwości w zakresie pracy „na sucho” i awaryjnej pod dużym obciążeniem.

Politetrafluoroetylen

PTFE to tworzywo fluorowe o właściwościach antyadhezyjnych, odporne na wysokie temperatury. Pod naprężeniem ściskającym ścierany materiał z tworzywa sztucznego z dodatkiem PTFE tworzy cienką powłokę polimerową na powierzchni współpracującej. Zjawisko to prowadzi do osiągnięcia bardzo niskich współczynników tarcia. Przy odpowiedniej modyfikacji możliwe jest również ograniczenie tzw. efektu drgań ciernych lub całkowite wyeliminowanie go.

Materiał kompozytowy

W ramach rodziny produktów TECATEC firma Ensinger oferuje materiał kompozytowy PEEK. TECATEC zapewnia najwyższą wytrzymałość mechaniczną i termiczną stabilność wymiarową dzięki tkaninie z włókien węglowych, która jest wiązana z bazowym polimerem PEEK pod ciśnieniem. Gwarantuje również wysoką odporność na parę przegrzaną i chemikalia, dzięki czemu TECATEC idealnie nadaje się do zastosowań w branży medycznej. Materiał TECATEC dostępny jest z zawartością 50 lub 60% tkaniny węglowej. Specjalny proces produkcji pozwala osiągnąć doskonałe zespolenie włókien i matrycy.