POLYMERY a KOMPOZITY - CI57 Ing. Michal Stehlík, Ph.D. Ústav stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně

Rozvoj stavební výroby – materiálová základna 1 kámen dřevo přírodní materiály cihla vápno umělé materiály sádra Průmyslová revoluce …………………………..1850 beton kovy keramika prvý kvalitativní skok sklo vyztužený beton izolace asfaltové ………………………………….1900

Rozvoj stavební výroby – materiálová základna 2 hliník konstrukční sklo syntetické materiály – duroplasty …….. …….1945 syntetické materiály ….…druhý kvalitativní skok kontinuální výroba skla hutnictví železa + kovů ……………………… 2000 (elektronová mikroskopie, UZ defektoskopie)

Polymery jsou převážně organické materiály odvozeny z ropy a uhlí ═►řetězce -C-C-C nebo –C-C-O-C nebo –C-C-N-C-C, event. Si makromolekulární látky sestávající z velkých řetězových molekul umělé hmoty, plastické látky, polymery, pryskyřice a pod. náhrady kovů, skla, porcelánu, kůže, gumy…..

Způsob tvorby makromolekul Polymery vznikají z jednoduchých molekul (monomerů) systémem řetězení Makromolekuly jsou rozdílných délek a tvarů Vytvořený polymer má stejné procentuelní složení jako monomer, liší se ale vysokou molekulovou hmotností a nízkým bodem měknutí Polymer = makromolekulární látka = vysokomolekulární látka

Polymerace identických molekul monomeru vytváří homopolymery Dva nebo více rozdílných monomerů vytváří kopolymery

Makromolekuly - rel. mol. hmotnost ►10000 Počet atomů v makromolekule ► 1000 Tři formy zesíťování monomerů: a) lineární (termoplast) b) plošné (elastomer) , c) prostorové (duroplast)

Technologie výroby polymerů Polymerizace – sloučení monomeru bez vedlejších zplodin ..A-A-A-A.. Polykondenzace – sloučení min. dvou monomerů, odštěpují se vedl. zplodiny A + B ►makromolekula + voda ..A-B-A-B-A-B-A.. Polyadice – sloučení min. dvou monomerů bez zplodin ..A-B-A-B-A-B-A

Rozdělení polymerů Dle původu: a) polosyntetické (z celulozy) b) syntetické (z monomerů) Dle základní makromolekulární hmoty: a) termoplasty, b) termosety (duroplasty, reaktoplasty), c) elastomery (pryže), d) ostatní Dle dalšího použití: a) recyklovatelné b) nerecyklovatelné

Složení technických polymerů Tech. polymery jsou kompozitní materiály, skládající se z: 30% polymeru + 69% výplně + 1% barviva. Technické polymery se vyrábí obyčejně ve třech modifikacích: tvrdý polymer (PVC - novodur) měkčený polymer (PVC – novoplast) a pěnový polymer (PS – polystyrenové izolační desky)

Rozdíly mezi polymery a silikáty polymery X silikáty bez pórů pórovité řádově > deformace < deformace závislost vlast. na teplotě x nejsou konstrukční hmoty jsou jsou modifikační hmoty nejsou nízká odolnost proti ohni vysoká odolnost adhese, nepropustnost propustnost pružná deformace, nižší creep vyšší cena nižší cena

Nejznámější aplikace polymerů ve stavební výrobě

Vztah mezi strukturou a vlastnostmi PE – pravidelně se opakující strukturní jednotky C-H2 O vlastnostech polymerů rozhoduje: chem. složení, tvar molekulárních jednotek, délka makromolekuly a pohyblivost makrom. Řetězců Typický deformační diagram makromolekulárních látek

Rozdílnost polymerů od ostatních materiálů

Rozdíly chování při zatěžování

Pevnost a tuhost polymerů Modul pružnosti v závislosti na teplotě Pevnost a tuhost prvku z modifikovaného polystyrenu

Základní informace konstruktéra o polymeru Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na čase a teplotě Poissonův poměr Modul ve smyku event. objemový modul Křivky dotvarování (creep) Mezní odolnost vůči nárazové teplotě Geometrie stavebních prvků Odolnost vůči danému prostředí Vlivy dané způsobem zpracování Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na čase a teplotě Poissonův poměr Modul ve smyku event. objemový modul Křivky dotvarování (creep) Mezní odolnost vůči nárazové teplotě Geometrie stavebních prvků Odolnost vůči danému prostředí Vlivy dané způsobem zpracování

Rozdělení polymerů do tří aplikačních sfér pro konstrukce Polymery pro aplikace konstrukčního charakteru (vláknové kompozity, polymerbetony) Kompozity polymerů a tradičních stavebních hmot (částicové kompozity) Polymery zlepšující bývalé postupy nebo umožňující nová řešení rekonstrukcí (tmely, fólie, emulze, nátěry) Polymery pro aplikace konstrukčního charakteru (vláknové kompozity, polymerbetony) Kompozity polymerů a tradičních stavebních hmot (částicové kompozity) Polymery zlepšující bývalé postupy nebo umožňující nová řešení rekonstrukcí (tmely, fólie, emulze, nátěry)

Kompozity „Kompozit je každý materiálový systém, který je složen z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna je pevná, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samostatně ani prostou sumací.“

Složení kompozitů 1 Kompozitní materiály = MATRICE + PLNIVO + TEKUTÁ FÁZE (pojivo) (vlákna) (plynné póry) Rozdělení kompozitů: dle materiálu matrice na kovové (+disperze, částice, vlákna) polymerní keramické anorganické

Složení kompozitů 2 Rozdělení kompozitů: dle geometrické charakteristiky plniva na granulární (částicové) fibrilární (vláknové) lamelární (plošné) Tři základní strukturní typy kompozitních materiálů: Kompozit I. typu (Vk = Vf + Vm) Kompozit II. typu (Vk = Vf + Vm + Vv) – uzavřené póry Kompozit III. typu (Vk = Vf + Vm + Vv) – otevřené póry

Tři strukturní typy kompozitních materiálů

Změny vlastností polymerů po vyztužení skelnými vlákny (polyester, epoxid, akrylát) Výztuž: rohož (sekaná, nahodile rozložená vlákna) tkanina roving (pramence vláken s orientací ve směru namáhání) vinuté vlákno (impregnace předpolymerem) Vlákna – přírodní, chemická, hutnická. Vláknové kompozity: > tuhost, modul pružnosti, < mech. parametry klesají s teplotou a časem (creep)

Uhlíkové lamely Kompozit: uhlík – polymer X uhlík – uhlík (C-P) (C-C) Matrice v C-C kompozitech je uhlík, který vzniká karbonizací či grafitizací prekurzoru. C – vlákna → anorganická, výroba pyrolýzou organických materiálů: částečně karbonizovaná, 400°C, 90%C karbonizovaná, 900-1000°C, 90-95%C grafitová, 2800-3000°C, 98%C Uhlíková vlákna = grafitové krystality 2-10nm

Grafitové krystality b) Grafitové vrstvy a jejich vazby ←→ kovalentní vazba, E = 910 GPa ↕ Wan der Waalsovy vazby, E = 30 GPa Geometrický charakter C – vláken: 1D – vláknové 2D – vyztužené plošnými textiliemi 3D – objemové textilie tkané nebo splétané

Charakteristické vlastnosti vláken

Porovnání uhlíkových a ocelových lamel Nevýhoda C – lamel = cena!

Konec přednášky V přednášce byly použity obrázky z knih: „Materials“ autor Alan Everett, Longman Scientific and Technical, England 1995 „Plasty v stavebníctve“ autor A. Letenay a M. Aroch, Alfa Bratislava, 1985 „Plastické látky ve stavebnictví“ autor R. Drochytka, skripta VUT 1998 „Kompozitní materiály ve stavebnictví“ autor L. Bodnárová, skripta VUT 2002