Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες

Transcript

1 Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες Κατασκευή πολυμερικών ινών με την μέθοδο της ινοποίησης από τήγμα έκταση στερεάς κατάστασης Διδάσκοντες: Ν. Μ. Μπάρκουλα, Επ. Καθηγήτρια, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός Εργαστηριακή Υποστήριξη: Π. Αλαφογιάννη, Υποψήφια Διδάκτορας Β. Σταύρου, Μεταπτυχιακός Φοιτητής Χ. Δρούγκας, ΕΤΕΠ 1

2 Περίγραμμα Εργαστηριακής Άσκησης Με τι ασχολείται : ΙΝΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ, ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΤΑΣΗΣ Προϋποθέσεις για ίνες υψηλής απόδοσης Ίνες απείρου μήκους σε σύγκριση με πεπερασμένου μήκους Μέθοδοι ινοποίησης και προσανατολισμού Δημιουργία ινών από το τήγμα (Μelt spinning) Παρασκευή ινών από πήγμα (Gel spinning) Ινοποίηση από διάλυμα (slutin spinning) Μέθοδοι προσανατολισμού και έκτασης Έκταση στερεάς κατάστασης (Slid State Defrmatin) 2

3 Πολυμερή - Γενικά: Η δομή πολυμερούς καθορίζεται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά του: Σύσταση Στερεοταξική διευθέτηση /Απεικόνιση Σχηματισμός /Διαμόρφωση Κρυσταλλικότητα Προσανατολισμός 3

4 Κίνητρα για την παρασκευή ινών υψηλής απόδοσης: ΙΣΟΤΡΟΠΙΚΗ ΜΟΡΦΗ: ΑΝΤΟΧΗ ΚΑΙ ΔΥΣΚΑΜΨΙΑ ΧΑΜΗΛΕΣ-ΤΥΧΑΙΟΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ υγρό προσανατολισμός κρύσταλλος ΕΥΘΥΓΡΑΜΜΙΣΜΟΣ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΑΛΥΣΙΔΩΝ ΥΨΗΛΟΥ ΜΟΡΙΑΚΟΥ ΒΑΡΟΥΣ 4

5 Fibre Ίνες υψηλής απόδοσης: Density (g.cm -3 ) Tensile Strength (GPa) E-mdulus (GPa) Specific Strength (GPa/g.cm -3 ) Specific E-mdulus (GPa/g.cm -3 ) Steel E-Glass Flax Carbn Aramid PP PP Dyneema HDPE

6 Ίνες υψηλής απόδοσης: Προϋποθέσεις και Περιορισμοί Προϋποθέσεις: πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους πλήρης έκταση των μακρομοριακών αλυσίδων (~draw rati) αλληλοεπικάλυψη των μακρομοριακών αλυσίδων προσανατολισμός των μακρομορίων στη διεύθυνση φόρτισης Περιορισμοί: Κρυσταλλίτες, Εμπλοκή Αλυσίδων (entanglement), Χημική αλληλεπίδραση μεταξύ των αλυσίδων Μη Πολικά: PP, PE Ασθενείς αλληλεπιδράσεις, Κρυσταλλίτες: μικρή αντίσταση Πολικά: PET, PA Ισχυρές αλληλεπιδράσεις, Δύσκαμπτοι κρύσταλλοι, δύσκολη απεμπλοκή 6

7 Βαθμός και Θερμοκρασία Έκτασης Βαθμός έκτασης, λ=v 2 /v 1 Θερμοκρασία έκτασης 7

8 Μέθοδοι ινοποίησης, προσανατολισμού και έκτασης Δημιουργία ινών από τήγμα (melt spinning): το πολυμερές τροφοδοτείται, λιώνει και εκβάλλεται η ίνα ψύχεται και σταθεροποιείται, εκτείνεται σε κυλίνδρους ή τύμπανα Δημιουργία ινών από πήγμα (gel spinning): παρασκευή χαμηλής συγκέντρωσης διαλύματος ο διαλύτης εκχειλίζεται και παράγεται πορώδης ίνα εκτείνεται εν θερμώ Δημιουργία ινών από διάλυμα (slutin spinning): διασπορά ή διάλυση της ίνας σε διάλυμα, ανάμιξη και πήξιμο Έκταση στερεάς κατάστασης (slid state drawing): Η ίνα εκτείνεται σε θερμοκρασία πάνω από την Τg 8

9 Βασικά στάδια ινοποίησης 1. Τροφοδοσία 2. Τήξη / Πήξη 3. Προώθηση 4. Μήτρα Εκβολής 5. Ψύξη 6. Περιέλιξη 9

10 Ινοποίηση από τήγμα Τροφοδοσία πολυμερούς Τήξη πολυμερούς Προώθηση πολυμερούς Μήτρα εκβολής Περιέλιξη 10

11 Προώθηση τήγματος ΜΕ ΑΝΤΛΙΑ ΜΕ ΠΙΣΤΟΝΙ ΜΕ ΕΞΩΘΗΤΗ 11

12 Ινοποίηση από πήγμα Τροφοδοσία πολυμερούς (διάλυμα 2-5%) Τροφοδοσία διαλύτη Προώθηση gel Μήτρα εκβολής Θέρμανση και έκταση 12

13 Ινοποίηση από πήγμα 13

14 Ινοποίηση από διάλυμα Τροφοδοσία πολυμερούς (διάλυμα 80%) Τροφοδοσία διαλύτη Προώθηση διαλύματος Απομάκρυνση διαλύτη Πλύση Στέγνωμα - έκταση 14

15 Ινοποίηση από διάλυμα 15

16 Έκταση στερεάς κατάστασης v 1 v 2 Draw Rati, l=v 2 /v 1 Ινοποίηση Βαθμός έκτασης, λ=v 2 /v 1 Θερμοκρασία έκτασης Μπάνιο v 1 v 2 Ψύξη / Ρυθμός 16

17 Σύγκριση Διατάξεων Περιπλοκότητα Κόστος Αποτελέσματα 17

18 Ινοποίηση από τήγμα Πιο σύντομη-απουσία διαλύτη Ομαλές επιφάνειες ινών-γρήγορες ταχύτητες ( mm το λεπτό) Υψηλότερες θερμοκρασίες ινοποίησης Βαθμός έκτασης χαμηλός Πιο οικονομική Πιο γρήγορη Μαζική παραγωγή 18

19 Ινοποίηση από πήγμα Πιο αργή-ανάγκη εξάτμισης διαλύτη Πιο χαμηλές ταχύτητες ( mm/λεπτό) Καλύτερα αποτελέσματα έκτασης Πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους (παράδειγμα διαλύτη πολυακρονιτρίλιο) 19

20 Ινοποίηση από διάλυμα Ακόμη πιο αργή ( mm το λεπτό) - ανάγκη εξάτμισης διαλύτη Για πολυμερή που δεν λιώνουν εύκολα Καλύτερα αποτελέσματα έκτασης Πολυμερή υψηλού μοριακού βάρους Απομάκρυνση εμπλοκών Περισσότερες τρύπες στη μήτρα εκβολής 20

21 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ-ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΙΝΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΤΗΓΜΑ ΙΝΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΤΗΓΜΑ ΙΝΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΠΗΓΜΑ ΙΝΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΜΑ ΕΞΩΘΗΤΗΣ ΠΙΣΤΟΝΙ /ΑΝΤΛΙΑ ΑΝΤΛΙΑ ΕΞΩΘΗΤΗΣ ΑΝΤΛΙΑ 1.ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ 200 ΕΥΡΩ 200 ΕΥΡΩ 1200 ΕΥΡΩ 1500 ΕΥΡΩ 2.ΤΗΞΗ/ΠΗΞΗ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 3.ΠΡΟΩΘΗΣΗ ΕΥΡΩ 200/400 ΕΥΡΩ 1000 ΕΥΡΩ 1000 ΕΥΡΩ 4.ΜΗΤΡΑ ΕΚΒΟΛΗΣ ΕΥΡΩ ΕΥΡΩ 600 ΕΥΡΩ 600 ΕΥΡΩ 5.ΨΥΞΗ ΑΕΡΑ ΑΕΡΑ 1000 ΕΥΡΩ 1000 ΕΥΡΩ 6.ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ 500 ΕΥΡΩ 500 ΕΥΡΩ 500 ΕΥΡΩ 500 ΕΥΡΩ 21

22 Διάταξη ινοποίησης τήγματος 22

23 Υλικά 23

24 Έκταση στερεάς κατάστασης 24