Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima

Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima je materijal nove generacije i vjerni pokazatelj inovacije koja oblikuje građevinski sektor. Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima karakterizira plastičnost, iznimna snaga, širok opseg primjene, te mogućnost proizvodnje kompozita različite snage, elastičnosti i otpornosti na abrazivne tvari.

Budućnost plastike je prvi put predviđena u filmu „Diplomac“ (eng. The Graduate) iz 1967. godine kada gospodin McGuire (Walter Brooke), govori Benjaminu Braddocku (Dustin Hoffman) da postoji blistava budućnost u plastici. Međutim, tvorci toga filma tada nisu mogli ni zamisliti koliko će budućnost plastike biti napredna i trajna.

Od početka 1970-ih godina termoplastični kompozitni materijali primaju sve veću pozornost i započinju se mnoga istraživanja u svrhu poboljšanja svojstava materijala i implementacije u različite industrijske sektore. Do sada ovaj materijal pronalazi svoju primjenu u zrakoplovstvo, aerosvemirskom sektoru, automobilskoj, kemijskoj, elektroničkoj industriji, građevinarstvu i proizvodnji sportske opreme.

Ugljična vlakna deset puta su jača od čelika sa samo četvrtinom težine. Naprimjer, 100 m dug snop ugljičnih vlakana teži samo 7,5 kg, a za postizanje iste čvrstoće s čeličnom žicom bio bi potreban veći volumen materijala, te težio bi četiri puta više. Osim što je lakši od klasičnih materijala, termoplastični kompozitni materijal od ugljičnih vlakana ima dodatnu prednost jer je visoko otporan na deformacije, na kiselinsku i alkalnu koroziju.

Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima je materijal koji se sastoji od dvije glavne komponente, matrice – vezivni materijal (različite plastike i smole); armature – ugljična vlakna, tvar koja daje čvrstoću materijalu. Tvari koje čine kompozitne materijale moraju biti kompatibilne na način da djeluju zajedno, u svrhu poboljšanja termalnih, mehaničkih i električnih svojstava. Glavna svojstva koja ih razlikuju od ostalih kompozitnih materijala su visoka čvrstoća s malom masom, visoka žilavost, velika tolerancija oštećenja, dobra dielektrična konstanta, niski troškovi održavanja.

Iz perspektive proizvodnog procesa, razdoblje skladištenja sirovina termoplastičnih kompozitnih materijala od karbonskih vlakana nije ograničeno. Za oblikovanje nije potrebno skladištenje na niskim temperaturama, zahtjeva kraći ciklus oblikovanja, nije potrebna velika oprema poput autoklava, te je materijal pogodan za reciklažu. Mogućnosti recikliranja, ponovne upotrebe i smanjenje zagađenja okoliša poželjne su karakteristike u današnjem vremenu sa strogim ekološkim zahtjevima industrije materijala.

Termalna i mehanička svojstva

Mehanička svojstva termoplastičnih kompozita ojačana ugljičnim vlaknima općenito ovise o obliku ugljikovih vlakana (jednosmjerna vlakna i diskontinuirana vlakna), njegovom volumenskom udjelu i orijentaciji u kompozitnoj matrici te proizvodnom procesu (kompresija, injektiranje, ekstruzija itd.). Jednosmjerni kompoziti koji sadrže približno 70 vol % ugljičnih vlakana pokazuju bolju otpornost na vlačnu silu i čvrstoću u usporedbi s metalnim legurama, jer su ugljična vlakna poravnana, čime se olakšava prijenos sile s jednog vlakna na sljedeći. Jednosmjerni kompoziti obično se sastavljaju i kompresijski oblikuju u poprečne slojeve kako bi se postigle visoke mehaničke performanse u više smjerova. Parametri obrade imaju veliki utjecaj na konačna svojstva kompozita. Istraživači s Kraljičinog sveučilišta u Belfastu su otkrili vezu između parametara obrade termoformiranjem (tj. temperature i vremena) polifenilen sulfid laminata s ugljičnim vlaknima i konačnih karakteristika kompozita, kao što su kristalna struktura tvari i hrapavost površine. Otkrili su da je otpornost na savijanje oblikovanih laminatnih kompozita proporcionalna stupnju kristalnosti termoplastične matrice.

Kompresijski oblikovani diskontinuirani kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima uglavnom su manje čvrstoće od jednosmjernih vlaknastih kompozita. Kompresijski oblikovani diskontinuirani kompoziti mogu imati mehanička svojstva slična jednosmjernim kompozitima ako su vlakna dovoljno duga i poravnana. Mehanička svojstva diskontinuiranih kratkih injektiranih kompozita ojačana s visokim udjelom ugljikovih vlakna mogu se usporediti s metalnim legurama niske čvrstoće. Drastična razlika u svojstvima materijala karakteristična je za kompozite oblikovane injektiranjem gdje visoki tlak u talini kompozita tijekom obrade potiče lom vlakana.

Proizvodnja kompozitnih materijala s ugljičnim vlaknima je uveliko otežana zbog potrebe za postizanjem visoke temperature taline i specifične viskoznost taline. Visoka viskoznost taline sprječava postizanje potpunog prekrivanja ugljičnih vlakana matricom, što rezultira šupljinama unutar kompozitne strukture i smanjenim mehaničkim svojstvima. No, taj problem se može riješiti dodavanjem kompatibilnih plastifikatora, poput termotropnih tekućih kristalnih polimera i makrocikličkih spojeva. Dodavanjem plastifikatora smanjuje se i potrebna temperatura obrade. Na primjer, dodavanje termotropnih tekućih kristalnih poli (eter keton) akrilata smanjuje se viskoznost taline i omogućava obrada polimera na 2014° C a ne 2098° C.

Međusmjerna čvrstoća i međufazne veze polimernih vlakana definira kritični omjer širine i visine vlakana, kao i omjer duljine vlakana i promjera vlakana ispod kojeg se opterećenje ne može učinkovito prenijeti s matrice na vlakno. Budući da omjer širine i visine vlakana premašuje kritični omjer, više se naprezanja prenosi na vlakno, a slom kompozita popraćen je lomom vlakana. Učinkovitost pojačanja vlaknima povećava se s većim omjerom širine i visine vlakana jer dulja vlakna mogu izdržati veću silu bez loma vlakna ili kompozita. Trenutni kompoziti od kratkih vlakana postižu maksimalnu učinkovitost ojačanja vlaknima do oko 40% u odnosu na druge materijale, a teoretski je moguće postići 90% mehaničkih svojstava s jednosmjernim kompozitom.  Cilj za sljedeće generacije termoplastičnih kompozita s dugim vlaknima je postići 90% poboljšanje mehaničkih svojstava. Navedeno se može postići kombinacijom dugih vlakana (povećan omjer vlakana) i poboljšane međufazne veze kompozita i ugljičnih vlakana (smanjeni kritični omjer širine vlakana). Tipična duljina ugljikovih vlakana u najsuvremenijim diskontinuiranim kompozitima je manja od 0,5 mm, što znači da se prosječna duljina vlakana mora povećati na 2,5 mm kako bi se postigla 90% mehaničkih svojstava bez poboljšanja međufaznog spajanja.

Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima u građevinskom sektoru

Kompoziti su se u prošlosti najčešće koristili za smanjenje težine u sekundarnim strukturama. Danas pronalaze primjene i u primarnim, glavnim nosivim strukturama, a razlog tome su iznimno poželjna mehanička i termalna svojstva. Termoplastični kompozit ojačan ugljičnim vlaknima svoju namjenu u građevini najčešće nalazi u vanjskim dijelovima zgrade isključivo u svrhu zaštite struktura od potresa. To je najlakši i najučinkovitiji način pojačanja strukture. Ovaj materijal je lako prenosiv, održiv i iznimno čvrst građevinski materijal koji učinkovito stvara statičku stabilnost i kompresiju dok podržava strukturu. Dobar primjer upotrebe termoplastičnog kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima je sjedište tvrtke Komatsu Seiren u gradu Nomi, Japan. Japanska tvrtka razvila je sustav postavljanja šipka termoplastičnog kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima pod kutem. Mreža šipkastih struktura, osigurava zgradi čvrstoću tijekom potresa tako što svaka šipka na fasadi zgrade tijekom podrhtavanja povlači strukturu na svoje mjesto.