ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη μηχανικής συμπεριφοράς πάνελ χαρτοκυψέλης για την κατασκευή επίπλων Συγγραφή εργασίας: Χασαποπούλου Ηρώ (A.M.511/ ) Επιβλέπων καθηγητής: Π.Παπανίκος Μέλη της επιτροπής: Ν.Ζαχαρόπουλος, Γ.Σταθάκης Σύρος Σεπτέμβριος

2 Πίνακας περιεχομένων 1 Εισαγωγή Χαρτί και κυματοειδές χαρτόνι Χαρτί Χαρτί και τα συστατικά του Η παραγωγή του χαρτιού Ιδιότητες του χαρτιού Διάφορα για το χαρτί Υπολογισμός των μηχανικών ιδιοτήτων Κυματοειδές χαρτόνι Συστατικά του κυματοειδούς χαρτονιού Η παραγωγή του κυματοειδούς χαρτονιού Ιδιότητες του κυματοειδούς χαρτονιού Διάφορα για το κυματοειδές χαρτόνι Μετρήσεις των μηχανικών ιδιοτήτων Σάντουιτς υλικά- πάνελ τύπου κηρήθρας Σύνθετα υλικά Δομή και χαρακτηριστικά σάντουιτς υλικών- πάνελ Η θεωρία των σάντουιτς υλικών Στοιχεία και εσωτερική δομή Πυρήνες τύπου κηρήθρας σε σάντουιτς δομές Κυψελοειδή Υλικά Τρόποι κατασκευής κυψελοειδών υλικών Εφαρμογές των κυψελοειδών υλικών Τρόποι σύνδεσης των πάνελ τύπου σάντουιτς

3 2.4.1 Γενικοί τρόποι σύνδεσης κυψελοειδών πάνελ Τρόποι σύνδεσης χάρτινων κυψελοειδών πάνελ Αστοχίες σάντουιτς δομών Μοντελοποίηση Παραμετρική μοντελοποίηση στο ANSYS Δομική σύγκλισης Παραμετρικές αναλύσεις Συγκέντρωση τάσεων Μοντέλα κατασκευής Καρέκλα Γραφείο Μοντελοποίηση πρότυπων επίπλων ΑΝΑΦΟΡΕΣ

4 Περίληψη Τα σάντουιτς πάνελ με κυψελοειδή πυρήνα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές που απαιτούν ελαφριές δομές με υψηλή αντοχή. Τα σάντουιτς αυτά πάνελ μπορούν να είναι κατασκευασμένα από διάφορα υλικά, η επιλογή τους γίνεται ανάλογα με την εφαρμογή που θα χρησιμοποιηθούν. Τα χάρτινα κυψελοειδή πάνελ χρησιμοποιούνται σήμερα σε διάφορες εφαρμογές, μια από τις οποίες είναι η χρήση τους για την κατασκευή συμβατικών δομών επίπλων (τραπέζι, καρέκλα, βιβλιοθήκες). Σύμφωνα με την βιβλιογραφία τα χάρτινα σάντουιτς πάνελ με κυψελοειδή πυρήνα έχουν άριστη συμπεριφορά στην απορρόφηση ενέργειας από κρούσεις και γι' αυτό χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευασίες προϊόντων. Αντίθετα δεν υπάρχουν κάποια βασικά στοιχεία για τις αναγκαίες μηχανικές ιδιότητες των χάρτινων πάνελ σε εφαρμογές κατασκευών. Είναι λοιπόν χρήσιμο να πραγματοποιηθούν κάποιες αναλύσεις μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή προκειμένου να εξαχθούν κάποιες βασικές μηχανικές ιδιότητες τόσο του υλικού όσο και των μεταξύ τους συνδέσεων. Οι ιδιότητες αυτές αποκαλύπτουν τις δυνατότητες του υλικού σε παρόμοιες εφαρμογές. 4

5 Σκοπός τη εργασίας Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή στοιχείων που αφορούν τις ιδιότητες των χάρτινων πάνελ σε κατασκευές επίπλων. Ο σκοπός επιτυγχάνεται με τον σχεδιασμό δύο πρότυπων μοντέλων (καρέκλα, γραφείο) και την ανάλυσή τους. Δομή της εργασίας Η εργασίας χωρίζεται σε τρία κεφάλαια. Το πρώτο αποτελεί μια εισαγωγή πάνω στο χαρτί και το κυματοειδές χαρτόνι, τα βασικά του συστατικά, τις μεθόδους παραγωγής τους καθώς και μια βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τις ιδιότητες και μηχανική συμπεριφορά τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται οι σάντουιτς δομές, με επίκεντρο αυτές με κυψελοειδούς διαμόρφωσης πυρήνα. Ακόμα εξετάζονται πιο εκτενώς τα κυψελοειδή στερεά (διαφόρων υλικών) σε εφαρμογές που έχουν να κάνουν με την χρήση τους σε σάντουιτς δομές. Τέλος παρουσιάζονται οι βασικοί τρόποι αστοχίας των δομών αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η διερεύνηση των ιδιοτήτων των χάρτινων πάνελ με κυματοειδούς διαμόρφωσης πυρήνα. Αρχικά γίνεται μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των πάνελ χρησιμοποιώντας λεπτομερή μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πρότυπα μοντέλα, οι βασικές προδιαγραφές τους και μια τυπική ανάλυσή τους. 5

6 1 Εισαγωγή Χαρτί και κυματοειδές χαρτόνι 1.1 Χαρτί Το χαρτί είναι ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται από ένα τρισδιάστατο δίκτυο κυτταρινικών ινών σε συνδυασμό με προαιρετικές πρόσθετες ύλες για την βελτίωση των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων του. Οι κυτταρινικές ίνες γενικά προκύπτουν από δύο διαφορετικούς τύπους πηγών: φυτικά υλικά ( όπως δέντρα, μπαμπού, τριφύλλι κτλ) ή είναι προϊόν ανακύκλωσης χαρτιού ή χαρτονιού. Οι κυτταρινικές ίνες που προέρχονται από φυτικά υλικά ονομάζονται πρωτογενείς παρθένες ίνες, ενώ αυτές που είναι προϊόντα ανακυκλωμένων υλικών ονομάζονται δευτερογενείς ίνες. Οι πρωτογενείς ίνες για την παραγωγή του χαρτιού προέρχονται κυρίως από τα δέντρα Χαρτί και τα συστατικά του Κυτταρινικές ίνες Ίνες ξύλου που προέρχονται από διαφορετικά φυτά έχουν και διαφορετικές ιδιότητες. Οι ίνες από σκληρά ξύλα ( όπως κυρίως ξύλο σημύδας, ευκαλύπτου, οξιάς και λεύκας) είναι πιο κοντές και λεπτές σε σύγκριση με αυτές των μαλακών ξύλων (όπως κυρίως της ελάτης, της ερυθρελάτης και του πεύκου) όπως φαίνεται στον πίνακας 1.1 [1]. Το κύριο συστατικό των ινών ξύλου είναι η κυτταρίνη η οποία αποτελεί το πιο σύνηθες οργανικό πολυμερές στην γη. Οι πρωτογενείς ίνες είναι γενικά πιο μακριές από τις δευτερογενείς, καθώς κάθε διαδικασία ανακύκλωσης μειώνει το μήκος των ινών και αυξάνει τον ινιδισμό (αποκόλληση των κυτταρικών τοιχωμάτων και την απόσπαση από ινιδίων από την επιφάνεια της ίνας). Οι ίνες μπορούν να ανακυκλωθούν μέχρι δέκα φορές, από εκεί και πέρα γίνονται τόσο κοντές που δεν είναι πλέον ικανές να σχηματίσουν δίκτυο με τις άλλες ίνες. 6

7 Πίνακας 1.1: Ιδιότητες ινών ξύλου. Μήκος[mm] Ακτίνα [mm] Σκληρά- ξύλα Μαλακά- ξύλα Πρόσθετες ύλες Οι πρόσθετες ύλες μπορεί να είναι είτε οργανικές είτε μη οργανικές χημικές ουσίες οι οποίες μεταβάλλουν τις μηχανικές ή τις φυσικές ιδιότητες του χαρτιού. Μια κατηγορία πρόσθετων υλών είναι τα υλικά πλήρωσης, τα οποία όπως υποδηλώνει και το όνομα τους, γεμίζουν τους πόρους του χαρτιού και αυξάνουν την αδιαφάνεια και την λευκότητα του. Πυριτικά άλατα, ανθρακικά άλατα, θειικά άλατα και οξείδια είναι τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα υλικά πλήρωσης. Οι πρόσθετες ύλες μπορούν επίσης να βελτιώσουν την κατασκευή( την ίδια την παραγωγή του χαρτιού) ή την μετατροπή (την εκτύπωση του χαρτιού ή την μετατροπή του σε άλλα χάρτινα προϊόντα), μπορούν να ενισχύσουν τις οπτικές ιδιότητες του χαρτιού (στίγματα, χρώματα) ή να τροποποιήσουν τις μηχανικές του ιδιότητες (πχ. αντοχή σε εφελκυσμό, συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες ή υγρασία). Για την βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων χρησιμοποιούνται άμυλο κάθε είδους, ζωικές κόλες ή κόλες ρητίνης Η παραγωγή του χαρτιού Ανάκτηση κυτταρινικών ινών Για την παραγωγή χαρτιού επιδιώκεται η απελευθέρωση των ινών της κυτταρίνης από την ομοαξονική τους διάταξη μέσα στην φυτική ύλη και η διευθέτηση τους στο επίπεδο. Για την απελευθέρωση των κυτταρινικών ινών των δέντρων, οι κορμοί κόβονται σε μικρά κομμάτια και ο φλοιός αφαιρείται. Τα κομμάτια διαχωρίζονται με επεξεργασία, και οι κυτταρινικές ίνες εξάγονται με μηχανική ή χημική διάσπαση και μερική ή ολική απομάκρυνση της λιγνίνης και εν μέρη και της ημικυτταρίνης. Οι πολυμερείς αυτές ενώσεις δρουν σαν συγκολλητικές ύλες που συγκρατούν τις ίνες της κυτταρίνης στην αρχική ομοαξονική τους διάταξη. 7

8 Κατά την μηχανική εξόρυξη, το ξύλο τροχίζεται και κατακερματίζεται σε τεμαχίδια ξύλου προκειμένου να επιτευχθεί η εξαγωγή των ινών: είτε με θερμομηχανική μέθοδο, κατά την οποία τα τεμαχίδια ξύλου αλέθονται σε περιβάλλον υπέρθερμων ατμών (οδηγεί στην τήξη λιγνίνης), είτε με χημική- μηχανική μέθοδο η οποία εμπεριέχει την προσθήκη διαλύματος ηλεκτρολυτών στα αλεστικά μηχανήματα εκ των προτέρων, πριν τον τεμαχισμό (κάτι που επιταχύνει τις διεργασίες τήξης της λιγνίνης και μειώνει τις απαιτήσεις σε ενέργεια). Στην χημική μέθοδο η κυτταρίνη διαχωρίζεται από ημίκυτταρινη, τη λιγνίνη και τα εκχυλίσματα όπως η ρητίνη, με την επεξεργασία των τεμαχίδιων ξύλου υπό πίεση με την παρουσία των υδροξειδίων του νατρίου και θειούχου νατρίου (μέθοδος των θειικών), ή το όξινο θειώδες ασβέστιο (μέθοδος των θειωδών). Η μέθοδος των θειικών είναι φτηνότερη και περισσότερο διαδεδομένη από τις χημικές μεθόδους. Παράγει χαρτομάζα πολύ μεγάλης μηχανικής αντοχής, που όμως έχει σκούρο καφέ- λαδί χρώμα. Επειδή η λεύκανση της παραγόμενης χαρτομάζας είναι δύσκολη η λειτουργία των εργοστασίων KRAFΤ προκαλεί συχνά σοβαρά προβλήματα ρύπανσης της ατμόσφαιρας από δύσοσμα αέρια. Ακόμα, το οικονομικό μέγεθος των εργοστασίων αυτών είναι μεγάλο, γεγονός που επιβάλει την επένδυση πολύ μεγάλου κεφαλαίου. Τα κύρια μειονεκτήματα της μηχανικής μεθόδου είναι ότι σε κάποια στάδια της επεξεργασίας(κατά τις ενέργειες λείανσης) τραυματίζονται και αποδυναμώνονται οι κυτταρινικές ίνες, ενώ αντίθετα στις χημικές μεθόδους αποφεύγονται μεγάλες ζημιές της κυτταρίνης και οι ίνες διατηρούν την φυσική τους αντοχή. Ωστόσο η τελευταία μέθοδος μπορεί να έχει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις εξ αιτίας της χρήσης ισχυρών χημικών ουσιών. Για την ανάκτηση των κυτταρινικών ινών από τα χαρτιά και τα χαρτόνια πλέον, τα υλικά αρχικά τοποθετούνται σε νερό προκειμένου να μαλακώσουν και να διαλυθούν στα συστατικά τους, δηλαδή σε κυτταρινικές ίνες και σε προσμείξεις. Στην συνέχεια τα συστατικά διαχωρίζονται μηχανικά με πλέγματα, κόσκινα, μαγνήτες ή με διαδικασίες φυγοκέντρισης και επίπλευσης. Αυτό οδηγεί σε μια μουλιασμένη μάζα από το νερό, 8

9 ίνες κυτταρίνης και ινίδια, τα οποία μπορεί να επαναχρησιμοποιηθούν στη διαδικασία παραγωγής χαρτιού. Μέθοδος Θειικών Η μέθοδος KRAFT προσαρμόζεται εύκολα και μπορεί να χρησιμοποιεί σαν πρώτη ύλη μαλακά ή σκληρά ξύλα, ακόμα και αυτά που περιέχουν σημαντικό ποσοστό ρητινικών συστατικών, καθώς και άλλα μη ξυλώδη φυτικά υλικά. Από την αλεύκαντη χαρτομάζα KRAFT (κυρίως από μαλακά ξύλα) παράγονται χαρτοκιβώτια, ανθεκτικές χαρτοσακούλες, όπως αυτές της μαναβικής και σάκοι συσκευασίας(πχ τσιμέντου και λιπασμάτων). Όταν η χαρτομάζα πρόκειται να χρησιμοποιηθεί λευκασμένη (πχ. για χαρτί γραφής) τότε η πρώτη ύλη μπορεί να είναι ξύλο φυλλοβόλων δέντρων σε ποσοστό άνω του 50%. Η παραγωγή της λευκασμένης χαρτομάζας επιβάλει την απομάκρυνση του μεγαλύτερου ποσοστού λιγνίνης η οποία είναι έγχρωμη. Όμως με την μέθοδο KRAFT το ποσοστό της απομάκρυνσης της λιγνίνης δεν επιτρέπεται να ξεπεράσει το 90%- 95%, γιατί αλλιώς προσβάλλεται έντονα η κυτταρίνη. Τα εργοστάσια που χρησιμοποιούν την μέθοδο των θειικών έχουν σήμερα πετύχει τη σχεδόν πλήρη ενεργειακή τους αυτοδυναμία με την καύση των φλοιών των δέντρων. Το μόνο χημικό αντιδραστήριο που χρησιμοποιείται είναι το θειικό νάτριο και από εκεί προέρχεται και το όνομα της μεθόδου. Η άλλη της ονομασία οφείλεται στην γερμανική λέξη KRAFT που σημαίνει δύναμη- αντοχή και αναφέρεται στην εξαιρετική μηχανική αντοχή της χαρτομάζας. Πολτοποίηση Το υγρό μείγμα νερού και ινών κυτταρίνης ονομάζεται πολτός. Τα συστατικά του πολτού ποικίλλουν ανάλογα με τις επιθυμητές ιδιότητες του χαρτιού. Υψηλής αντοχής χαρτί περιέχει συχνά μόνο πρωτογενείς ίνες κυτταρίνης. Υψηλότερα ποσοστά μακριών ινών έχουν ως αποτέλεσμα ένα ισχυρότερο φύλλο χαρτί. Κανονικά στον πολτό περιέχεται ένα μείγμα μακριών και κοντών ινών. Ακόμα και τα πιο ανακυκλωμένα χαρτιά περιέχει μικρή ποσότητα πρωτογενών ινών προκειμένου να εξασφαλίσουν την 9

10 βασική αντοχή. Διάφορες πρόσθετες ύλες μπορούν να προστεθούν στο πολτό προκειμένου να ενισχύσουν τις ιδιότητες του τελικού χαρτιού. Προετοιμασία των αποθεμάτων Η προετοιμασία του αποθεμάτων είναι μια μηχανική δράση που παραδοσιακά είναι γνωστή ως ραφινάρισμα. Η έννοια αυτή αναφέρεται στο πέρασμα του πολτού των ινών μεταξύ ενός περιστρεφόμενου και ενός σταθερού δίσκου.η προετοιμασία αυτή επηρεάζει το σχήμα, το μέγεθος, τη διανομή και την φυσική κατάσταση των ινών του πολτού. Σε αυτό το στάδιο οι ίνες κονταίνουν και σχίζονται. Οι άκρες ξεφτίζουν και τα ινίδια χαλαρώνουν στην επιφάνεια (ινιδισμός) και έτσι οι ίνες γίνονται περισσότερο εύκαμπτες. Η αυξημένη ελαστικότητα οφείλεται στην κατάρρευση των κοιλοτήτων στο εσωτερικό των ινών, η οποία καταλήγει σε δομές που μοιάζουν με κορδέλες. Η πιο σημαντική λειτουργία της διαδικασίας αυτής είναι ο ινιδισμός και η ελαστικοποίηση των ινών όπως επίσης και η αύξηση της ικανότητας τους να συγκρατούν το νερό (ενυδάτωση). Ο ινιδισμός αυξάνει τον αριθμό των πιθανών σημείων επικόλλησης των ινών, οι εύκαμπτες ίνες κολλάνε πιο εύκολα μεταξύ τους, και η ενυδάτωση βοηθάει τον σχηματισμό δεσμών υδρογόνου. Χαρτιά που φτιάχνονται από αποθέματα που δεν έχουν υποστεί την παραπάνω κατεργασία έχουν μικρότερη αντοχή και είναι πορώδη και ακατάλληλα για τις περισσότερες χρήσεις, ενώ το χαρτί που προέρχεται από καλά ραφιναρισμένα αποθέματα έχει μεγαλύτερη αντοχή, είναι πυκνό και σκληρό στην υφή[2]. Διαμόρφωση του χαρτιού Πριν την εισαγωγή του αποθέματος στην μηχανή κατασκευής χαρτιού, καθαρίζεται με διαδικασίες φυγοκέντρισης για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών και των ενωμένων ινών. Ο πολτός στην συνέχεια περνά ανάμεσα από δύο άλλα τμήματα της γραμμής παραγωγής καθώς διαμορφώνεται το συνεχές φύλλο χαρτιού, τα οποία ονομάζονται υγρό- τέλος (wet- end) και στεγνό- τέλος (dry_end). Στην αρχή του τμήματος υγρού- τέλους ο πολτός χύνεται πάνω σε μια κινούμενη ταινία με μορφή κόσκινου. Σε αυτό το 10

11 στάδιο η περιεκτικότητα του πολτού σε νερό είναι 98%. Η λεγόμενη Fourdrinier διαμόρφωση, μορφοποιεί τα φύλλα και τα αφυδατώνει σε περίπου 80% περιεκτικότητα νερού. Στην συνέχεια, τα φύλλα υπόκεινται σε πιέσεις προκειμένου να μειωθεί η περιεκτικότητα νερού των φύλλων στο 60% και για να τοποθετηθούν οι ίνες μαζί. Μετά από αυτό το στάδιο, δεν μπορεί να αφαιρεθεί περισσότερο νερό από τα φύλλα με μηχανικό τρόπο. Με το πέρασμα όμως από το στάδιο στεγνού- τέλους, το νερό που έχει απομείνει εξατμίζεται από το υγρό χαρτί με θέρμανση και κινούμενο αέρα. Το στάδιο στεγνώματος είναι η πιο σημαντική ενότητα για την διαμόρφωση των ίνα με ίνα συνδέσεων. Όταν φτάσει η περιεκτικότητα σε υγρασία το 8% περίπου, τα φύλλα διπλώνονται σε ρολά, κόβονται, τυπώνονται ή γενικά μετατρέπονται με κάποιον τρόπο. Οι ιδιότητες του μπορούν επίσης να τροποποιηθούν με την εφαρμογή επιστρώσεων ή με εμποτισμό με διάφορες ουσίες. Το χαρτί που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του κυματοειδούς χαρτονιού, συνήθως χρησιμοποιεί επαλείψεις αμύλου σε όλη του την επιφάνεια προκειμένου να βελτιώσει τις ιδιότητες αντοχής του Ιδιότητες του χαρτιού Όλες οι μηχανικές ιδιότητες του χαρτιού είναι αποτέλεσμα της συμπεριφοράς των δικτύων των κυτταρινικών του ινών. Ένας κύριος παράγοντας είναι οι μηχανικές ιδιότητες των ίδιων των ινών, ενώ ένας δευτερεύον παράγοντας είναι οι σύνδεσμοι μεταξύ των μονών ινών. Μια σημαντική ιδιότητα του χαρτιού που κατασκευάζονται με την χρήση μηχανημάτων είναι ο προσανατολισμός των ινών στο δίκτυο τους. Λόγω της κατεύθυνσης λειτουργίας των μηχανημάτων στα στάδια κατεργασίας (στεγνώματος ή στα στάδια που ασκούνται τάσεις πάνω στα φύλλα) η πλειονότητα των ινών αποκτά αυτή την κατεύθυνση της λειτουργίας των μηχανημάτων, κάτι το οποίο οδηγεί το τελικό φύλλο χαρτιού να έχει μια κατευθυντική συμπεριφορά. Το χαρτί παρουσιάζει μηχανικές και φυσικές ιδιότητες που είναι εμφανώς διαφορετικές στις τρεις ορθογωνικές κατευθύνσεις. 11

12 Πάχος Το πάχος του χαρτιού εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως τη περιεκτικότητα σε υγρασία, το ραφινάρισμα ή γενικά την επεξεργασία των επιφανειών του. Το πάχος των χαρτιών έχει εύρος από 0.1 mm έως 1.5mm και το χαρτί με το μεγαλύτερο πάχος ονομάζεται χαρτόνι. Συχνά το πάχος του χαρτιού είναι δύσκολο να καθοριστεί λόγω των ακανόνιστων επιφανειών και την σχετική λεπτότητα των φύλλων, και δεν μπορεί συνήθως να είναι συμβατό με τα μηχανικά χαρακτηριστικά του χαρτιού. Μια περισσότερο σημαντική ιδιότητα που επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του χαρτιού είναι η πυκνότητα. Βάρος Χαρτιού και Πυκνότητα Με την έννοια βάρος χαρτιού εννοούμε το βάρος ανά εμβαδόν φύλλου χαρτιού συνήθως εκφράζεται σε g/ m!. Η φαινομενική πυκνότητα του χαρτιού την υπολογίζουμε διαιρώντας το βάρος χαρτιού με το φαινομενικό πάχος, όπου το πάχος του χαρτιού υπολογίζεται με την χρήση μικρομέτρου. Γενικά, το χαρτί με μεγαλύτερο βάρος έχει επίσης και μεγαλύτερη πυκνότητα, με κάποιες εξαιρέσεις όπως για παράδειγμα τα χνουδωτά χαρτιά. Το βάρος χαρτιού για τα χαρτιά που διαθέτουν δομή είναι εύρους από 80 g/m 2 ως 300 g/m 2. Οι πυκνότητες των χαρτιών έχουν εύρος από 500 kg/m 3 για ογκώδη φύλλα έως 750 kg/m 3 για άκρως συνδεδεμένα φύλλα[2]. m 2 Εφελκυστικές ιδιότητες Όπως και τα ξύλα, τα χαρτιά εμφανίζουν μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Η εφελκυστική τους αντοχή εξαρτάται από την αντοχή των μονών κυτταρινικών ινών και των συνδέσμων μεταξύ των ινών οι οποίοι διανέμουν τις φορτίσεις σε όλη την έκταση του δικτύου. Σε μικρές φορτίσεις, το χαρτί παρουσιάζει γραμμική συμπεριφορά τάσης- παραμόρφωσης. Σε υψηλότερες φορτίσεις, η κλίση μειώνεται σταδιακά μέχρι την αστοχία. Η εφελκυστική σχέση τάσης παραμόρφωσης συνήθως υπολογίζεται με την χρήση μιας διγραμμικής καμπύλης(εικόνα 1.1)[3]. 12

13 Η αστοχία σε εφελκυσμό οφείλεται στην τοπική διαταραχή των συνδέσμων που συνδυάζεται με την αστοχία των ινών. Η περιοχή αστοχίας στην συνέχεια επεκτείνεται μέχρι να επιτευχθεί καθολική αστοχία στο χάρτινο φύλλο. Η εφελκυστική αντοχή του χαρτιού στην κατεύθυνση MD (machine direction) είναι υψηλότερη από την CD(cross direction), κάτι το οποίο οφείλεται στον προσανατολισμό των κυτταρινικών ινών κατά την κατεύθυνση της λειτουργίας των μηχανών. Η αντοχή σε εφελκυσμό των δομημένων χαρτιών έχει αναφερθεί ότι ποικίλει από 9MPa έως 35MPa στην κατεύθυνση CD ενώ στην κατεύθυνση MD είναι υψηλότερη και ποικίλει από 17MPa έως πάνω από 75MPa[4,5,6,7,]. Οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας ποικίλουν από 2000MPa έως 20000MPa, μια τυπική τιμή για ένα δομημένο χαρτί είναι περίπου 5000MPa στην κατεύθυνση MD και 2500MPa στην κατεύθυνση CD[8]. Τέλος ο λόγος Poisson κυμαίνεται από 0.17 έως 0.5[9,11]. Εικόνα 1.1 Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης σε θλίψη, εφελκυσμό και διάτμηση 13

14 Θλιπτικές ιδιότητες Η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης όπως προκύπτει από δοκιμές θλίψης μικρής διάρκειας(short- span) [βλέπε ενότητα 1.1.5] παρουσιάζει μια γραμμική κλίση σε μικρές δυνάμεις. Στο τελικό στάδιο αυτής της γραμμικής ενότητας το χαρτί αστοχεί ξαφνικά, γι αυτό τον λόγο η συμπεριφορά του χαρτιού στην θλίψη μπορεί να θεωρηθεί γραμμική και ελαστική( Εικόνα1.1). Το χαρτί είναι ορθοτροπικό υλικό γι' αυτό εμφανίζει μοναδικές και ανεξάρτητες μηχανικές ιδιότητες σε καθέναν από τους τρεις κατακόρυφους άξονες, η θλιπτική αντοχή στην κατεύθυνση MD είναι διαφορετική από αυτή της CD κατεύθυνσης, καθώς η CD θλιπτική αντοχή είναι περίπου τα δύο τρίτα της MD θλιπτικής αντοχής. Τα μέτρο ελαστικότητας του χαρτιού σε θλίψη και εφελκυσμό είναι παρόμοια και γι αυτόν τον λόγο συχνά θεωρούνται ίσα. Η αντοχή σε θλίψη του χαρτιού είναι περίπου δύο με τρεις φορές μικρότερη από την αντοχή σε εφελκυσμό, αυτό οφείλεται σε διαφορετικούς μηχανισμούς αστοχίας. Η θλιπτική αστοχία στα χαρτιά υποθέτουμε ότι οφείλεται στην κάμψη ενός ελεύθερου τμήματος μιας κυτταρινικής ίνας αρχικά, και στην συνέχεια στη διαδοχική αστοχία των γύρω ινών. Αυτό εξηγεί γιατί η θλιπτική αντοχή των χαρτιών σχετίζεται με το βάρος του χαρτιού: στα πυκνά χαρτιά περισσότεροι δεσμοί ανά ίνα σχηματίζονται, και ως εκ τούτου τα ελεύθερα τμήματα των ινών μεταξύ των δεσμών είναι μικρά κάτι που οδηγεί σε μικρότερες κάμψεις. Η θλιπτική αντοχή στις ακμές των περισσότερων χαρτιών που κυκλοφορούν στο εμπόριο είναι (80 g/m g/m 2 ) έχει εύρος από 5 MPa έως17 MPa στη CD διεύθυνση, και από 10 MPa έως 28 MPa στη MD διεύθυνση. Ιδιότητες κάμψης Η καμπύλη παραμόρφωσης(κάμψης) σε σχέση με την ροπή κάμψης του χαρτιού αρχικά είναι γραμμική. Αυτό ακολουθείται από μια μικρή περίοδο μη γραμμικής συμπεριφοράς. Στην κατεύθυνση MD η αστοχία πραγματοποιείται ξαφνικά, κάτι που οφείλεται για μια ακόμα φορά στην κατεύθυνση των ινών. Μια διαφορετική συμπεριφορά παρατηρείται στην CD κατεύθυνση: εδώ μια μέγιστη ροπή κάμψης επιτυγχάνεται και διατηρείται με την αύξηση της καμπυλότητας(εικόνα 1.2)[11]. 14

15 Η ακαμψία στη κατεύθυνση CD είναι γενικά δύο με τέσσερις φορές μικρότερη από τη ακαμψία στην κατεύθυνση MD αποτέλεσμα επίσης της κατεύθυνσης των ινών[11]. Η καμπτική ακαμψία των χαρτιού εξαρτάται από το πάχος του (και ως εκ τούτου από το βάρος του χαρτιού) και από το μέτρο ελαστικότητας. Αυτές οι ιδιότητες σχετίζονται με την ακαμψία των ινών και πάλι με την διατμητική ακαμψία των δεσμών. Αστοχία σε κάμψη οφείλεται από την κάμψη των ινών κατά τις θλιπτικές ενέργειες των χάρτινων φύλλων. Η επάλειψη της επιφάνειας με κόλα μπορεί να βελτιώσει την ακαμψία σε κάμψη του χαρτιού λόγω του υψηλού μέτρου ελαστικότητας της κόλας[12]. Συγκεκριμένα μεγέθη για την ακαμψία σε κάμψη του χαρτιού δεν έχουν ανακοινωθεί ακόμα. Εικόνα 1.2 Καμπύλη τάση κάμψης- παραμόρφωσης κάμψης του χαριού Διατμητικές ιδιότητες Κατά την διαδικασία διάτμησης στο επίπεδο, το χαρτί αρχικά εμφανίζει γραμμική ελαστική συμπεριφορά, επιτρέποντας τον καθορισμό του μέτρου διάτμησης. Σε υψηλότερες φορτίσεις, η κλίση της καμπύλης τάσης παραμόρφωσης μειώνεται μέχρι 15

16 να εμφανιστεί αστοχία (Εικόνα1.1). Η αστοχία με καθαρή διάτμηση συνήθως δεν επιτυγχάνεται, το υλικό αστοχεί με θλίψη με την δημιουργία ρωγμών σε γωνία 45 μοιρών από την διεύθυνση της ασκούμενης διατμητικης τάσης. Σε μια μελέτη των Setterholm et al. [13] αποδεικνύεται ότι η αντοχή σε διάτμηση αυξάνεται με την υψηλότερη αναλογία ινών μαλακού ξύλου σκληρού- ξύλου. Οι Baum et al. [14] ανακάλυψαν ότι τόσο η διαδικασία της πίεση σε υγρό περιβάλλον όσο και η διαδικασία ραφιναρίσματος αυξάνουν το μέτρο διάτμησης σημαντικά. Οι πρωταρχικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις διατμητικές ιδιότητες του χαρτιού και ως εκ τούτου τον αριθμό και την αντοχή των δεσμών μεταξύ των ινών, φαίνεται να είναι: Οι ίνες που προέρχονται από μακριά και πιο χοντρά μαλακά ξύλα προσφέρουν μεγαλύτερη επιφάνεια για την δημιουργία δεσμών, οι πιέσεις σε υγρά περιβάλλοντα ακόμα αυξάνουν τον αριθμό των δεσμών πιέζοντας τις ίνες την μια κοντά στην άλλη, και τέλος το ραφινάρισμα το οποίο αυξάνει τον ινιδισμό και κατά συνέπεια τον αριθμό των πιθανών περιοχών των δεσμών. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης του χαρτιού κυμαίνεται από 1MPa έως 2MPa [13, 14]. Στην μελέτη των Setterholm et al., η τάση αστοχίας του χαρτιού σε διάτμηση (λυγισμός) αναφέρεται ότι είναι περίπου 7 MPa Διάφορα για το χαρτί Το χαρτί εμφανίζει κάποιες ιξωδοελαστικές ιδιότητες, έτσι τα φαινόμενα του ερπυσμού και της χαλάρωσης είναι εμφανή σε αυτό. Κυρίως ο ερπυσμός είναι σημαντικός για όλες τις δομικές χρήσεις του χαρτιού. Κατά την εφαρμογή μιας σταθερής δύναμης,η παραμόρφωση του υλικού αρχικά αυξάνει ραγδαία. Αυτή η απότομη αύξηση ακολουθείται από μια μακριά περίοδο γραμμικής αύξησης της παραμόρφωσης στην διάρκεια του χρόνου. Ανάλογα με το επίπεδο φόρτισης, μετά από αυτή την γραμμική περίοδο ακολουθεί είτε πιο αργά είτε πιο γρήγορα η αστοχία. Αυτές οι τρεις διακριτές περιοχές της καμπύλης ερπυσμού ονομάζονται πρωτοβάθμιος, δευτεροβάθμιος και τριτοβάθμιος ερπυσμός(εικόνα 1.3)[1]. Σε χαμηλές τάσεις το υλικό μπορεί να μην μπει στο στάδιο του τριτοβάθμιου ερπυσμού. Τα ποσοστά ερπυσμού και της χαλάρωσης επηρεάζονται από το μέγεθος της δύναμης που εφαρμόζεται και από τα ποσοστά υγρασίας. Κάτω από μεγάλες φορτίσεις και 16

17 υψηλή ατμοσφαιρική υγρασία τα ποσοστά ερπυσμού και χαλάρωσης είναι υψηλά. Οι αυξομοιώσεις των επιπέδων υγρασίας (από υψηλή σε χαμηλή και το αντίθετο) γενικά προκαλούν υψηλότερα ποσοστά ερπυσμού και χαλάρωσης σε σχέση με τα σταθερά ποσοστά υγρασίας του περιβάλλοντος. Η εμφάνιση του ερπυσμού και της χαλάρωσης στο χαρτί οφείλεται εν μέρη στις ιξωδοελαστικές ιδιότητες των συστατικών του, Ακόμα τα φαινόμενα αυτά επιδεινώνονται από την φθορά των δεσμών μεταξύ των ινών λόγω τοπικών τάσεων ή της υγρασίας και ως εκ τούτου την ολίσθηση μεταξύ των ινιδίων. Το χαρτί μπορεί να παρουσιάσει μεγάλη παραμόρφωση με τον μηχανισμό του ερπυσμού. Ακόμα υπό κανονικές συνθήκες, φορτίσεις μικρών δυνάμεων και μεγάλης διάρκειας μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες παραμορφώσεις στο χαρτί. Εικόνα 1.3 Σχηματική απεικόνιση μιας γενικής καμπύλης ερπυσμού του χαρτιού Όσον αφορά την θερμική αγωγιμότητα του χαρτιού, η μεταφορά θερμότητας γίνεται είτε με αγωγή (μέσω ινών) είτε με συναγωγή μέσω των υδρατμών, η δεύτερη είναι πιο αποτελεσματική συνεπώς μια υψηλότερη περιεκτικότητα σε υγρασία ή υψηλότερη θερμοκρασία αυξάνουν την θερμική αγωγιμότητα του χαρτιού. Η θερμική αγωγιμότητα του χαρτιού διαμέσου του πάχους του σε θερμοκρασία δωματίου έχει 17

18 αναφερθεί ότι κυμαίνεται μεταξύ 0,013 έως 0,15 W/mK, ενώ για την θερμική αγωγιμότητα στο επίπεδο δεν υπάρχουν μετρήσεις. Ακόμα το χαρτί είναι ένα υλικό φιλικό προς το περιβάλλον, καθώς πέρα από κάποιες διεργασίες που το επιβαρύνουν, κατασκευάζεται από φυσικούς ανανεώσιμους πόρους, μπορεί και επαναχρησιμοποιείται αρκετές φορές και στο τέλος της ζωής του μπορεί να κομποστοποιηθεί. Ακόμα το χαρτί είναι ευαίσθητο στην φωτιά, τα λεπτά φύλλα χαρτιού καίγονται εύκολα, η θερμοκρασία ανάφλεξης του χαρτιού είναι 230. Ο ρυθμός καύσης του χαρτιού εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού, για τα πολύ πυκνά χαρτόνια υπολογίζεται να είναι παρόμοιος με αυτή ενός ξύλινου δοκαριού δηλαδή περίπου 0.7!!.!"# Όσον αφορά τις πιθανές απειλές του συγκεκριμένου υλικού από το περιβάλλον, τα υψηλά ποσοστά υγρασίας και υψηλές θερμοκρασίες ενισχύουν την ανάπτυξη βακτηρίων, ακόμα κάποια χαρτιά με επιστρώσεις κολλητικών ουσιών αμύλου προσελκύουν τρωκτικά. Με προσθήκες χημικών ουσιών είναι δυνατό να αποφύγουμε τέτοιου είδους φαινόμενα. Το χαρτί τέλος επηρεάζεται από τις μεταβολές της υγρασίας στο περιβάλλον. Η περιεκτικότητα του χαρτιού σε υγρασία ορίζεται ως η αναλογία του βάρους του χαρτιού που έχει κάποια περιεκτικότητα σε υγρασία προς το βάρος του τελείως στεγνού χαρτιού. Δύο σημαντικά φαινόμενα που περιγράφουν την συμπεριφορά του χαρτιού στα διαφορετικά περιβάλλοντα υγρασίας είναι η υστέρηση και το φαινόμενο Συρρίκνωση και διόγκωση. Σε χαρτιά που εμφανίζουν χαρακτηριστικά υστέρησης: η κατάσταση ισορροπίας σε περιεκτικότητα υγρασίας μια δεδομένη θερμοκρασία και η σχετική υγρασία εξαρτώνται από το ιστορικό υγρασίας. Η επιδράσεις του φαινομένου αυτού οφείλονται στην από την υγροσκοπική φύση (προσροφητική δύναμη) των ινών κυτταρίνης. Είναι εμφανές ότι η ισοδύναμη υγρασία (υγρασία κατάστασης ισορροπίας) είναι μεγαλύτερη στην εκρόφηση (απώλεια υγρασίας) παρά στην 18

19 προσρόφηση (Αύξηση υγρασίας) και η διαφορά που παρουσιάζεται ονομάζεται υστέρηση και είναι χαρακτηριστικό φαινόμενο των κυτταρινικών ινών. Όταν στα χαρτιά αυξάνεται η περιεκτικότητα υγρασίας πρήζονται, ενώ όταν στεγνώνουν συρρικνώνονται. Υπάρχουν διαφορετικές εξηγήσεις για τον λόγο που το χαρτί διογκώνεται. Πιο συχνά υποθέτουμε ότι με την εισαγωγή υγρασίας αρχικά γεμίζουν οι πόροι του χαρτιού και οι κοιλότητες μεταξύ των ινών. Όταν αυτά τα σημεία γεμίσουν η υγρασία εισχωρεί μέσα στα τοιχώματα των ινών και αποθηκεύεται μεταξύ των ινιδίων τα οποία αρχίζουν να διαχωρίζονται κάτι που οδηγεί στη διόγκωση των ινών και μακροσκοπικά στη διόγκωση του χαρτιού. Γι αυτόν τον λόγο η διόγκωση είναι έντονη στην CD κατεύθυνση και λιγότερο έντονο στην MD. Αυτή η παραμόρφωση που υφίσταται το χαρτί εξαρτάται από την περιεκτικότητα υγρασίας και είναι αντιστρεπτή με την προϋπόθεση ότι η περιεκτικότητα σε υγρασία δεν θα ξεπεράσει ένα επίπεδο (περίπου 20%). Το μέτρο της επέκτασης του μεγέθους του χαρτιού ορίζεται ως ο λόγος της παραμόρφωσης προς την διαφορά της περιεκτικότητας υγρασίας και συνήθως είναι 3 με 5 φορές μεγαλύτερη στην CD κατεύθυνση. Στα συνηθισμένα χαρτιά έχει εύρος μεταξύ 0.1% και 0.15% ανά ποσοστιαία αλλαγή στην περιεκτικότητα υγρασίας στην CD διεύθυνση[15]. Η υγρασία έχει επιπτώσεις στην αντοχή του χαρτιού. Η αντοχή του χαρτιού και το μέτρο ελαστικότητας του μειώνονται με την αύξηση του ποσοστού υγρασίας. Αυτό το χαρακτηριστικό προκύπτει από τις ιδιότητες των συστατικών του χαρτιού και την μικροσκοπική θραύση των δεσμών των μορίων που οδηγεί στο σπάσιμο των δεσμών μεταξύ των ινών Υπολογισμός των μηχανικών ιδιοτήτων Όπως και στα περισσότερα υλικά της μηχανικής, οι μέθοδοι για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του χαρτιού περιγράφονται με πρότυπα. Υπάρχουν κάποια συγκεκριμένα πρότυπα τύπου ISO[1] που έχουν να κάνουν με την προετοιμασία των δειγμάτων και τον υπολογισμό των βασικών ιδιοτήτων του χαρτιού. Πιο συγκεκριμένα τα ISO 186 καθορίζουν μια μέθοδο για τη λήψη αντιπροσωπευτικού δείγματος από μια παρτίδα χαρτιού ή χαρτονιού, τα ISO187 θέτουν τους κανόνες για 19

20 την πρότυπη ατμόσφαιρα στην οποία θα πραγματοποιηθούν η προετοιμασία και οι δοκιμές, τα ISO 287 εξετάζουν τον καθορισμό της περιεκτικότητας σε υγρασία του χαρτιού χρησιμοποιώντας την μέθοδο του φούρνου ξήρανσης. Τα ISO 534 διευκρινίζουν με ποιόν τρόπο να καθορίσουμε το πάχος, την πυκνότητα και τον ειδικό όγκο των δειγμάτων, και τα ISO 536 αποτελούν τα πρότυπα για τον καθορισμό του βάρους των υλικών του χαρτιού. Οι παρακάτω μέθοδοι που περιγράφονται για τον προσδιορισμό των βασικών μηχανικών ιδιοτήτων του χαρτιού ή του χαρτονιού αναφέρονται σε αυτά τα πρότυπα. Εφελκυστικές ιδιότητες Το πρότυπο ISO 1924 περιγράφουν μεθόδους προκειμένου να καθοριστεί η αντοχή σε εφελκυσμό, το μέτρο ελαστικότητας και άλλες ιδιότητες του χαρτιού και του χαρτονιού. Αποτελείται από δύο μέρη, στα οποία περιγράφονται δύο διαφορετικοί μέθοδοι υπολογισμού. Η διαφορά τους ανάγεται στην ταχύτητα των δοκιμών και στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Και για τις δύο μεθόδους ελέγχου, λαμβάνουμε ένα δείγμα πλάτους 15 mm και με επαρκές μήκος ώστε να είναι στερεωμένο στα δύο του άκρα. Η μέση απόσταση μεταξύ των σφιγκτήρων είναι 180 ή 100 mm για το πρότυπο ISO και ISO , αντίστοιχα. Το δείγμα τεντώνεται με σταθερό ρυθμό επιμήκυνσης 20 mm / min και 100 mm / min, αντίστοιχα. Η μέθοδος υπολογισμού με πρότυπο ISO είναι αυτή που χρησιμοποιείται πιο συχνά, ενώ το πρότυπο ISO προσφέρει επιπλέον υπολογισμούς της ακαμψίας, του συντελεστή ακαμψίας, καθώς επίσης και πιο ακριβή μέτρηση της επιμήκυνσης. Και στα δύο πρότυπα ISO οι δοκιμές αστοχίας πραγματοποιούνται σε δέκα διαφορετικά δείγματα του υλικού και στις δύο κατευθύνσεις MD (machine direction) και CD (cross direction) [1]. Αντοχή σε θλίψη Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για τον καθορισμό της αντοχής σε θλίψη είναι η δοκιμή θλίψης σύντομης διάρκειας την λεγόμενη short- span(sct) που περιγράφεται από το πρότυπο ISO Σε αυτή την μέθοδο ένα δείγμα πλάτους 15 mm και ελεύθερου 20

21 μήκους 0,7mm συμπιέζεται μέχρι να εμφανιστεί αστοχία (Εικόνα 1.4). Με την μέτρηση της μέγιστης φόρτισης υπολογίζεται η αντοχή σε θλίψη του δείγματος. Προκειμένου τα αποτελέσματα να είναι αξιόπιστα πραγματοποιούνται έλεγχοι σε είκοσι δείγματα σε κάθε κατεύθυνση [1]. Άλλοι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία του χαρτιού είναι: η κυματοειδής δοκιμή θλίψης, η δοκιμή θλίψης δακτυλίου και η δοκιμή θλίψης γραμμής Concora (Εικόνα 1.5) [1]. Εικόνα 1.4 Απεικόνιση της δοκιμής θλίψης Short- span [1]. Copy- right ISO [1] Εικόνα 1.5 Άλλες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται συχνά για υπολογισμού της αντοχής σε θλίψη: η κυματοειδής δοκιμή θλίψης, η δοκιμή θλίψης δακτυλίου και η δοκιμή θλίψης γραμμής Concora 21

22 Αντίσταση στην Κάμψη Το πρότυπο ISO 5628 ορίζει τρεις διαφορετικές μεθόδους για τον καθορισμό της καμπτικής ακαμψίας του χαρτιού η του χαρτονιού: φόρτιση δύο σημείων, φόρτιση τριών σημείων και φόρτιση τεσσάρων σημείων(εικόνα 1.6). Η ακαμψία σε κάμψη προσδιορίζεται από την παραμόρφωση του δείγματος με την χρήση της θεωρίας δοκού Bernoulli. Η φόρτιση δύο σημείων είναι κατάλληλη για τα ελαφριά υλικά, ενώ αντίστοιχα η φόρτιση τριών και τεσσάρων σημείων είναι κατάλληλες για πιο βαριά υλικά. Για κάθε μία από τις κύριες κατευθύνσεις απαιτούνται τουλάχιστον δέκα διαφορετικές μετρήσεις. Εικόνα 1.6 Δοκιμή κάμψης σύμφωνα με το πρότυπο ISO 5628 (L=μήκος δοκιμής,f= δύναμη κάμψης,d=παραμόρφωση του δείγματος, φ= γωνιακή παραμόρφωση,l1=απόσταση κάθε εξωτερικής στήριξης από την κοντινότερη εσωτερική στήριξη,l2=απόσταση μεταξύ των δύο εσωτερικών στηρίξεων) Το πρότυπο ISO 5629 περιγράφει πως καθορίζεται το ενδεικτικό μήκος ενός δείγματος που χρησιμοποιείται σε δοκιμές ενός σημείου και είναι στερεωμένο στο ένα άκρο και ακόμα πώς καταλήγουμε στην αντίστοιχη καμπτική δυσκαμψία. 22

23 Διάτμηση στο επίπεδο Για τον υπολογισμό της διάτμησης στο επίπεδο δεν έχουν γίνει πολλές μετρήσεις καθώς είναι δύσκολο να υπολογιστούν αυτές οι ιδιότητες του χαρτιού, ακόμα δεν υπάρχουν κάποια πρότυπα ISO για διατμητικές δοκιμές και ελέγχους στο χαρτί. Συχνά προκειμένου να υπολογιστεί το μέτρο διάτμησης, πραγματοποιούνται κάποιες δοκιμές στρέψης στο χαρτί [16]. Ωστόσο συνήθως πριν εμφανιστεί διατμητική αστοχία στο υλικό, το δείγμα γενικά αστοχεί λόγω τοπικής κάμψης[17]. 1.2 Κυματοειδές χαρτόνι Το κυματοειδές χαρτόνι συνδυάζει το απλό και το κυματοειδές χαρτόνι και αποτελεί ένα από τα κύρια υλικά που χρησιμοποιούνται στις συσκευασίες. Το 2006 στην Ευρώπη παρήχθησαν περισσότερα από σαράντα εκατομμύρια m! τέτοιου είδους χαρτόνι [Δ1]. Το κυματοειδές χαρτόνι κατασκευάζεται από επίπεδες και κυματιστές στρώσεις χαρτιού που συγκρατούνται μαζί με κόλα που απλώνεται στις κορυφές της κυματοειδούς διαμόρφωσης. Υπάρχουν διαφορετικά είδη κυματοειδών διαμορφώσεων που παράγονται ανάλογα με τον αριθμό των στρώσεων αυτής της διαμόρφωσης που παρεμβάλλονται στα επίπεδα φύλλα, όπως για παράδειγμα: μονού, διπλού και τριπλού τοιχώματος χαρτόνια. Η πλειοψηφία της παραγωγής είναι χαρτόνια μονού τοιχώματος (Εικόνα 1.7). Εικόνα 1.7 Χαρτόνι μονής επιφάνειας, μονού, διπλού και τριπλού τοιχώματος Το κυματοειδές χαρτόνι αποτελεί ένα υλικό υψηλής αντοχής. Σαν δομή μπορεί να θεωρηθεί σάντουιτς στην οποία ο κυματοειδής πυρήνας συγκρατεί τις επίπεδες 23

24 χάρτινες στρώσεις σε μια συγκεκριμένη απόσταση. Η απόσταση μεταξύ των επίπεδων φύλλων χαρτιού, που ονομάζεται ύψος του χαρτονιού αυξάνει την ροπή αδράνειας και ως εκ τούτου την ακαμψία σε κάμψη του χαρτονιού Συστατικά του κυματοειδούς χαρτονιού. Χαρτί Το κυματοειδές χαρτόνι αποτελείται από επίπεδες χάρτινες στρώσεις που ενδιάμεσα τους παρεμβάλλεται ένα φύλλο χάρτινης κυματοειδούς διαμόρφωσης. Οι ποιότητες χαρτιού που χρησιμοποιούνται στις επίπεδες στρώσεις είναι είτε Kraftliner είτε Testliners, το βάρος των οποίον έχει εύρος μεταξύ 125 g/ m! και 350 g/ m!. To βάρος της κυματοειδούς διαμόρφωσης είναι συνήθως μεταξύ 80 g/ m! και 180 g/ m!.η ποιότητα χαρτιού Kraftliner έχει βάρος από 120 g/ m! και πάνω και αποτελείται μόνο από πρωτογενείς παρθένες ίνες. Για την παραγωγή τους χρησιμοποιείται θειικό άλας στην μέθοδο πολτοποίησης και έτσι δεν κατασκευάζεται σε κάποιες χώρες για περιβαλλοντικούς λόγους (πχ. Γερμανία). Η ποιότητα Testliners είναι ένα απλό προϊόν το οποίο γενικά παράγεται από αναμίξεις με προϊόντα ανακύκλωσης και το βάρος του είναι περίπου από 125 g/ m! και πάνω. Ακόμα μπορεί να επιτευχθεί βελτίωση των ιδιοτήτων του με κάποιες επιφανειακές επικαλύψεις. Κόλλα Το άμυλο είναι η κολλητική ουσία που χρησιμοποιείται πιο συχνά στην παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού. Ως ένα φυσικό πολυμερές το άμυλο δεν δημιουργεί κανένα πρόβλημα στην διαδικασία της ανακύκλωσης και είναι φιλικό προς το περιβάλλον. Για κυματοειδές χαρτόνι με ειδικές ιδιότητες όπως για παράδειγμα χαρτόνι ανθεκτικό στο νερό ή αδιάβροχο χαρτόνι, χρησιμοποιούνται θερμοκόλλες ή άλλες συνθετικές κολλητικές ουσίες Η παραγωγή του κυματοειδούς χαρτονιού Κατά την έναρξη της κατασκευής του κυματοειδούς χαρτονιού ο χάρτινος ιστός αρχικά θερμαίνεται και μαλακώνει με ατμό. Στην συνέχεια ακολουθεί η διαδικασία μορφοποίησης του σε κυματοειδή διαμόρφωση, το χαρτί περνά μέσα από ένα 24

25 εργαλείο δημιουργίας πτυχώσεων, το οποίο διαμορφώνει πλαστικά τις αυλακώσεις(flutes) τραβώντας και λυγίζοντας το χαρτί ώστε να πάρει το συγκεκριμένο σχήμα(εικόνα 1.8/1.9). Στο επόμενο στάδιο διαδικασίας, απλώνεται κόλλα στις κορυφές των αυλακώσεων από την μια μεριά και το πρώτο επίπεδο φύλλο συνδέεται με το κυματοειδές στις διαμορφώσεις μονής επιφάνειας. Στις διαμορφώσεις διπλού τοιχώματος απλώνεται κόλλα και στην άλλη μεριά της κυματοειδούς διαμόρφωσης και ένα δεύτερο φύλλο συνδέεται στην ελεύθερη επιφάνεια της. Τέλος το χαρτόνι που κατασκευάζεται μπορεί να εμποτιστεί ή να επικαλυφθεί με διάφορα υλικά, είτε να τυπωθεί και μετατραπεί σε άλλα προϊόντα. Εικόνα 1.8 Σχηματική αναπαράσταση της παραγωγής κυματοειδούς χαρτονιού Εικόνα 1.9 Μηχανισμός δημιουργίας αυλακώσεων 25

26 Σαν αποτέλεσμα της διαδικασίας παραγωγής, οι ίνες του χαρτιού είναι προσανατολισμένες κάθετα προς τον άξονα των πτυχώσεων, μια ιδιότητα που ρυθμίζει και επηρεάζει αρκετά την μηχανική συμπεριφορά του χαρτιού(εικόνα 1.10). Υπάρχουν οχτώ πρότυπα κυματοειδών διαμορφώσεων[1]. Οι γεωμετρίες τους παρουσιάζονται στον πίνακα 1.2. Το ύψος και το μήκος κύματος της κυματοειδούς διαμόρφωσης, είναι οι αποστάσεις μεταξύ των κορυφών των κυμάτων κάθετα και οριζόντια αντίστοιχα(εικόνα 2.11).Η αναλογία του μήκους της μη κυματοειδούς διαμόρφωσης προς το μήκος του κυματοειδούς χαρτονιού ονομάζεται συντελεστής απορρόφησης. Οι τιμές του συντελεστή απορρόφησης δίνονται κατά προσέγγιση καθώς εξαρτώνται από την κατάσταση και την φθορά των εργαλείων αυλακώσεων. Μια μελέτη της εταιρείας FEFCO αναφέρει τις διακυμάνσεις του συντελεστή απορρόφησης της τάξης του 3% για τους τύπους A,B και C ενώ πάνω από 10% για τους τύπους μικρότερων διαμορφώσεων[18]. Εικόνα 1.10 Σύνθεση του κυματοειδούς χαρτονιού Ιδιότητες του κυματοειδούς χαρτονιού Οι μηχανικές ιδιότητες του κυματοειδούς χαρτονιού εξαρτώνται από τις ιδιότητες των συστατικών από τα οποία αποτελείται, καθώς επίσης και από την κυματοειδή γεωμετρία. Γι αυτό τον λόγο μπορούν να προσαρμόζονται μεταβάλλοντας τη διατομή γεωμετρίας, για παράδειγμα με την χρήση διαφορετικών μεγεθών κυματοειδούς διαμόρφωσης ή επίσης με διαφορετικούς συνδυασμούς διαφορετικών τύπων κυματοειδούς διαμόρφωσης και ποιοτήτων χαρτιού. Εφελκυστικές ιδιότητες Η συμπεριφορά σε εφελκυσμό εξαρτάται άμεσα από την συμπεριφορά σε εφελκυσμό των συστατικών του χαρτιού. Σε τάσεις παράλληλες με τον άξονα της κυματοειδούς 26

27 διαμόρφωσης, η αντοχή σε εφελκυσμό στην CD (cross- direction) διεύθυνση τόσο των επίπεδων φύλλων όσο και των φύλλων με την κυματοειδή διαμόρφωση θα συμβάλουν, ενώ τάσεις κάθετης διεύθυνσης οι αντοχή σε εφελκυσμό επηρεάζεται μόνο από την αντοχή της επίπεδης στρώσης στην διεύθυνση της μηχανής (machine direction). MD Εικόνα 1.11 Κυματοειδής γεωμετρία Πίνακας 1.2 Τύποι κυματοειδούς διαμόρφωσης Τύπος Ύψος Μήκος κύματος Συντελεστής απορρόφησης K A C B D E F G Ιδιότητες θλίψης Η αντοχή σε θλίψη (ECS) του κυματοειδούς χαρτονιού, παράλληλα στον άξονα των πτυχώσεων σχετίζονται με την αντοχή σε θλίψη των χάρτινων συστατικών του, όπως επίσης και την κυματοειδή γεωμετρία. Με την χρήση χαρτιού μεγαλύτερης πυκνότητας με μεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη γενικά αυξάνει την ECS του χαρτονιού. 27

28 Στην βιομηχανία του χαρτιού αυτή η ιδιότητα του κυματοειδούς χαρτιού υπολογίζεται με τον παρακάτω τύπο: ECS = k 2 ECS!"#$% + ECS!"#$%! όπου k είναι ένας συντελεστής ο οποίος εξαρτάται από το περιβάλλον κατασκευής και συνήθως είναι 0.7. Οι τιμές της θλιπτικής αντοχής των ακμών του κυματοειδούς χαρτονιού κυμαίνονται από 3 KN/m για το χαρτόνι μονού τοιχώματος έως 20 KN/m για το χαρτόνι διπλού και τριπλού τοιχώματος [1]. Ιδιότητες κάμψης Τα χαρακτηριστικά κάμψης του κυματοειδούς χαρτονιού εξαρτώνται σημαντικά από το μέτρο ελαστικότητας των συστατικών του καθώς επίσης και από την γεωμετρία του χαρτονιού. Η καμπτική ακαμψία του κυματοειδούς χαρτονιού μπορεί να υπολογιστεί από το άθροισμα της καμπτικής ακαμψίας της κάθε στρώσης n, όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο:!!!!!, E! I! + E! A! x! όπου E!, I!, A!, χ! είναι το μέτρο ελαστικότητας, η ροπή αδρανείας, το εμβαδόν διατομής και η απόσταση μεταξύ των κέντρων βάρους των στρώσεων i και του χαρτονιού αντίστοιχα. Για κάμψεις σε άξονα κάθετο στον άξονα της κυματοειδούς διαμόρφωσης η συμβολή των κυματοειδών στρώσεων είναι υψηλότερη σε σχέση με την κάμψη σε άξονα παράλληλα σε αυτή, όπου τα επίπεδα φύλλα χαρτιού ασκούν μεγαλύτερη επιρροή την συνολική συμπεριφορά. Επίπεδα φύλλα (liners) με μεγάλο μέτρο ελαστικότητας έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στην καμπτική ακαμψία της διατομής (όπως στις σάντουιτς δομές), σε σχέση με την χρήση κυματοειδών στρώσεων με μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας. 28

29 Η καμπτική ακαμψία στην κατεύθυνση MD ( machine direction) μπορεί να παίρνει τιμές από 3Nm έως και πάνω από 80Nm για διαμορφώσεις μονού τοιχώματος και πολλαπλών τοιχωμάτων αντίστοιχα. Η ακαμψία στην CD κατεύθυνση είναι περίπου το 50% με 70% της ακαμψίας στην MD κατεύθυνση [20,21,22,23,24]. Διατμητικές ιδιότητες στο επίπεδο Σε κυματοειδές χαρτόνι μονού τοιχώματος τις διατμητικές δυνάμεις τις δέχεται κυρίως η κυματοειδής στρώση (όπως στις σάντουιτς δομές). Λόγω της γεωμετρίας η αντοχή διάτμησης του χαρτονιού είναι υψηλή στην κατεύθυνση CM(cross- machine) και χαμηλή στην κατεύθυνση μηχανής MD των συστατικών του χαρτιού. Στην κατεύθυνση MD η μικρή αναλογία του ύψους της κυματοειδούς διαμόρφωσης προς το μήκος κύματος της κυματοειδούς διαμόρφωσης οδηγεί σε υψηλότερη αντοχή σε διάτμηση[25]. Το μέτρο διάτμησης του κυματοειδούς χαρτονιού έχει αναφερθεί ότι κυμαίνεται μεταξύ 1.8 MPa και 11.6Mpa στην κατεύθυνση MD και μεταξύ 11.2MPa και 31.5MPa στην CD κατεύθυνση, ανάλογα με την μέθοδο μέτρησης και την διαμόρφωση του χαρτονιού[25] Διάφορα για το κυματοειδές χαρτόνι Όταν υποβάλλεται σε ένα μόνιμο φορτίο, το κυματοειδές χαρτί εμφανίζει φαινόμενα ερπυσμού και χαλάρωσης, αυτή η ιξωδοελαστική συμπεριφορά προκύπτει άμεσα από την ίδια συμπεριφορά των συστατικών του. Στο κυματοειδές χαρτόνι η θερμότητα μεταφέρεται σε μεγαλύτερο βαθμό με αγωγή μέσω των επίπεδων και κυματοειδών φύλλων που παρεμβάλλονται όπως επίσης και με συναγωγή, ενώ μικρή ποσότητα μεταφέρεται με ακτινοβολία διαμέσου των κοιλοτήτων αέρα της κυψελοειδούς διαμόρφωσης. Στο κυματοειδές χαρτόνι η αντίσταση στην μεταφορά θερμότητας εξαρτάται από την θερμική αγωγιμότητα των συστατικών του και το μέγεθος της κυματοειδούς διαμόρφωσης. Καθώς ο αέρας είναι κακός αγωγός θερμότητας, χαρτόνια με μεγάλες κοιλότητες εμφανίζουν εξαιρετικές θερμικές μονωτικές ιδιότητες. Τιμές εγκάρσιας θερμικής αγωγιμότητας που έχουν 29

30 δημοσιευθεί για τα κυματοειδή χαρτόνια σε θερμοκρασία δωματίου έχουν εύρος από 0.29 W/mK για χαρτόνια με μικρή κυματοειδή διαμόρφωση (τύπου Ε)[26] έως περίπου 0.045W/mK για χαρτόνια με μεγαλύτερη κυματοειδή διαμόρφωση ( τύπου Α,Β ή C) [27]. Ακόμα το κυματοειδούς διαμόρφωσης χαρτόνι είναι ένα υλικό φιλικό προς το περιβάλλον όπως είναι και ο χάρτινες στρώσεις από τις οποίες αποτελείται. Γενικά αποτελείται από ανακυκλώσιμο χαρτί και κολλητικές ουσίες με βασικό συστατικό το άμυλο και έχουν την δυνατότητα να επανεισαχθούν στην παραγωγή χαρτιού χωρίς επιπτώσεις για το περιβάλλον. Καθώς το κυματοειδές χαρτόνι είναι κατασκευασμένο από μια σύνθεση από λεπτά φύλλα χαρτιού, καίγεται εύκολα αν δεν προστατευθεί με κάποιον τρόπο. Οι ρυθμοί καύσης που έχουν δημοσιευθεί του υλικού αυτού όταν εκτίθεται σε 500 KW φωτιάς (liquid tray) είναι λιγότερο από 3.5 mm/min [17]. Το υλικό μπορεί να προστατευθεί με την χρήση διαφόρων επιστρώσεων που υπάρχουν στο εμπόριο, τα οποία αφρίζουν σε περίπτωση φωτιάς και αποτρέπουν την καύση. Αλλες πιθανές απειλές που μπορεί να δεχτεί το χαρτόνι από το περιβάλλον είναι ίδιες με αυτές του χαρτιού, δηλαδή η ανάπτυξη βακτηρίων και η προσέλκυση τρωκτικών που οφείλονται στις κολλητικές ουσίες που περιέχουν άμυλο. Τέλος σε αλλαγές στις συνθήκες υγρασίας, η συμπεριφορά του κυματοειδούς χαρτονιού αντικατοπτρίζει την συμπεριφορά των συστατικών του σε παρόμοιες καταστάσεις. Από την άποψη της διόγκωσης αυτό σημαίνει ότι το κυματοειδές χαρτόνι διογκώνεται αισθητά σε κατεύθυνση παράλληλη με των άξονα των κυμάτων (flutes) την CD διεύθυνση του χαρτιού και πολύ λιγότερο στην διεύθυνση κάθετα στον άξονα των κυμάτων MD διεύθυνση του. Έτσι ακριβώς όπως οι ίδιες οι στρώσεις χαρτιού, το χαρτόνι με κυματοειδή διαμόρφωση χάνει την αντοχή του σε συνθήκες υγρασίας και μειώνεται το μέτρο ελαστικότητας του. 30

31 1.2.5 Μετρήσεις των μηχανικών ιδιοτήτων Όπως στο χαρτί, τα ISO 186 και ISO 187 καθορίζουν την διαδικασία της δειγματοληψίας και την προετοιμασία των δειγμάτων δοκιμής [1]. Το πρότυπο ISO 287 εφαρμόζεται επίσης στο κυματοειδές χαρτόνι για να καθορίσει την περιεκτικότητα υγρασίας. Επίσης το πρότυπο ISO 3039 ορίζει μια μέθοδο για τον καθορισμό του βάρους του κάθε ανεξάρτητης στρώσης στο κυματοειδές χαρτόνι. Ακόμα η Ευρωπαϊκή ομοσπονδία κατασκευής κυματοειδούς χαρτονιού (FEFCO) ορίζει τις δικές της μεθόδους δοκιμών που είναι σύμφωνες με τα πρότυπα ISO. Η πρώτη μέθοδος ελέγχου (No.1)αποτελεί την διαδικασία δειγματοληψίας, η δεύτερη (No.2) και η Τρίτη (No.3) εξηγεί πως να γίνεται ο καθορισμός του βασικού βάρους και πάχους της κυματοειδούς διαμόρφωσης, αντίστοιχα. Η μέθοδος ελέγχου (No.10) καθορίζει το βασικό βάρος των χάρτινων συστατικών του κυματοειδούς χαρτονιού[28] Εφελκυσμός Μέχρι σήμερα δεν έχουν πραγματοποιηθεί δοκιμές για τον καθορισμό των εφελκυστικών ιδιοτήτων του κυματοειδούς χαρτονιού. Ακόμα δεν υπάρχουν τυποποιημένες μέθοδοι δοκιμών για την διαδικασία αυτή. θλιπτικές ιδιότητες Το πρότυπο ISO 3037( και ομοίως η μέθοδος δοκιμής της FEFCO Νο.8) ορίζουν μια μέθοδο για τον καθορισμό της αντίστασης σε θλίψη το κυματοειδούς χαρτονιού. Ένα ορθογωνίου σχήματος δείγμα τοποθετείται ανάμεσα στις πλάκες του μηχανήματος θλιπτικών δοκιμών και συμπιέζεται μέχρι να εμφανιστεί αστοχία. Ο άξονας της κυματοειδούς διαμόρφωσης τοποθετείται κάθετα στην επιφάνεια των πλακών και έτσι η μέγιστη δύναμη που μπορεί να υποστεί το δείγμα υπολογίζεται. Η ίδια διαδικασία χρησιμοποιείται και από το πρότυπο ISO 13821, με την διαφορά ότι οι ακμές φόρτισης των δειγμάτων ενισχύεται με παραφίνη για να αποτρέψει την πρόωρη αστοχία των φορτισμένων ακμών[1]. 31

32 Κάμψη Η διαδικασία που περιγράφεται στο πρότυπο ISO 5628 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των ιδιοτήτων σε κάμψη του χαρτονιού. Αυτό το πρότυπο έχει περιγραφεί παραπάνω (1.1.5) για τις δοκιμές σε κάμψη του χαρτιού. Διάτμηση Δεν υπάρχουν πρότυπα για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων διάτμησης του κυματοειδούς χαρτονιού. Ωστόσο, από τότε που το κυματοειδές χαρτόνι θεωρείται ουσιαστικά ως μια δομή σάντουιτς, οι ιδιότητες του σε διάτμηση εκτός επιπέδου μπορούν να υπολογιστούν με την χρήση των παρακάτω μεθόδων δοκιμών που ισχύουν για τα υλικά πυρήνα των σάντουιτς δομών. Σε δοκιμές κάμψης τριών σημείων όπου ένα ενιαίο κομμάτι χαρτονιού υπόκειται σε φόρτιση κεντρικού σημείου, οι διατμητικές ιδιότητες μπορούν να καθοριστούν από την παραμόρφωση του μέσου. Σε δοκιμές διάτμησης με την χρήση άκαμπτων πλακών, τα επίπεδα φύλλα του χαρτονιού κολλιούνται σε μια άκαμπτη πλάκα. Στην συνέχεια τραβιούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις με διατμητικές δυνάμεις παράλληλες στα επίπεδα φύλλα. Η εφαρμοζόμενη δύναμη και η σχετική κίνηση των πλακών επιτρέπει στη συνέχεια τον υπολογισμό των διατμητικών παραμέτρων. Συντελεστής απορρόφησης Η Ευρωπαϊκή ομοσπονδία κατασκευής κυματοειδούς χαρτονιού (FEFCO) έχει εκδώσει μια σύσταση σχετικά με τον τρόπο προσδιορισμού του συντελεστή απορρόφησης του κυματοειδούς χαρτονιού. Ο συντελεστής απορρόφησης είναι ο λόγος του μήκους του μη κυματοειδούς υλικού προς το μήκος του κυματοειδούς χαρτονιού. Στην δοκιμή ελέγχου No.10 σύμφωνα με τη (FEFCO) χρησιμοποιείται νερό για τον διαχωρισμό του χαρτονιού στα συστατικά του, και το εσωτερικό τμήμα του χαρτονιού γίνεται επίπεδο καθώς βρέχεται. Αφού τα συστατικά του χαρτονιού στεγνώσουν, ο παράγοντας απορρόφησης υπολογίζεται με την διαίρεση του μήκους της ενδιάμεσης ισιωμένης στρώσης με το μήκος των εξωτερικών επίπεδων φύλλων[28]. 32

33 33

34 2 Σάντουιτς υλικά- πάνελ τύπου κηρήθρας 2.1 Σύνθετα υλικά Τα υλικά συνήθως κατατάσσονται σε μεταλλικά, κεραμικά και οργανικά. Η διάκριση ανάμεσά τους γίνεται με βάση τη χημική σύσταση, τη δομή και τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες τους. Υπάρχουν υλικά που αποτελούν συνδυασμούς των τριών αυτών κατηγοριών και έχουν ιδιότητες που δεν μπορούν να τα κατατάξουν σαφώς σε καμία. Ως σύνθετο υλικό ορίζεται το υλικό που αποτελείται από δυο ή περισσότερα συστατικά, τα οποία συνδυάζονται για να επιτευχθούν ειδικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά, που κανένα από τα συμμετέχοντα συστατικά δεν μπορεί από μόνο του να πετύχει. Τα σύνθετα υλικά από τον καιρό που πρωτοεμφανίστηκαν, έχουν εξελιχθεί από υλικά για δευτερεύοντα εξαρτήματα, όπως είναι τα συμπαγή καλύμματα, σε υλικά υψηλών επιδόσεων που αποτελούν κύριες εφαρμογές όπως είναι οι γάστρες αγωνιστικών σκαφών και τμήματα αεροσκαφών. Υπάρχουν διάφορα είδη σύνθετων υλικών καθώς αυτά αποτελούνται συνήθως από δύο διαφορετικά συστατικά που διακρίνεται μακροσκοπικά, το συστατικό της ενίσχυσης και την μήτρα. Με βάση την μορφή του συστατικού ενίσχυσης τα σύνθετα υλικά μπορούν να καταταγούν σε τρεις κατηγορίες. Σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών (Fiber reinforced composites) Σύνθετα υλικά με ενίσχυση σωματιδίων (particulate composite) Στρωματικά σύνθετα υλικά (laminar composites) με πυρήνα από πολυεστέρα,pvc, Balsa, κυψελοειδή διαμόρφωση αλουμινίου ή χαρτιού. Έτσι το χαρτόνι με την κυματοειδή διαμόρφωση στο κέντρο και τα δύο επίπεδα φύλλα πάνω και κάτω (skins) αλλά και τα πάνελ που αποτελούνται από πυρήνα που κατασκευάζεται από χαρτόνι ή άλλα υλικά με κυματοειδή ή άλλη διαμόρφωση και δύο χοντρά χάρτινα εξωτερικά φύλλα πάνω και κάτω κατατάσσονται στα στρωματικά σύνθετα υλικά που είναι γνωστά με την ονομασία σάντουιτς υλικά. 34

35 2.2 Δομή και χαρακτηριστικά σάντουιτς υλικών- πάνελ Η θεωρία των σάντουιτς υλικών Η θεωρία πίσω από τις σάντουιτς δομές είναι πια αρκετά γνωστή τεχνολογία, που το βασικό σκεπτικό της είναι να χρησιμοποιεί λεπτά, πυκνά και μεγάλης αντοχής εξωτερικά φύλλα τα οποία είναι συνδεδεμένα με ένα παχύ και ελαφρύ υλικό πυρήνα. Ανεξάρτητα τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα σάντουιτς είναι αδύναμα, αλλά όταν δουλεύουν σαν σύνολο προσφέρουν ελαφριές δομές με μεγάλη ακαμψία και αντοχή. Το κύριο πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης σάντουιτς κατασκευών είναι η ανάπτυξη των νέων δομών με υψηλή απόδοση και χαμηλή αναλογία βάρους[30]. Η συμπεριφορά σε κάμψη ενός σάντουιτς πάνελ μπορεί να συγκριθεί με αυτή των δοκαριών, αλλά με τις φλάντζες και τους συνδέσμους να επεκτείνονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο επειδή είναι πάνελ υπάρχει μια δύναμη κάμψης σε όλα τα επίπεδα όχι μόνο στο Υ- Ζ αλλά επίσης και στο Χ- Ζ επίπεδο. Όταν ένα σάντουιτς πάνελ κάμπτεται ένα από τα εξωτερικά φύλλα εμφανίζει εφελκυσμό ενώ το άλλο εμφανίζει θλίψη. Η αντοχή των σάντουιτς δομών είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού των κύριων ιδιοτήτων των στοιχείων του. Οποιαδήποτε ζημία που παρουσιάζεται σε ένα, ή περισσότερα, των βασικών υλικών (εξωτερικά φύλλα, πυρήνα και επιφάνεια σύνδεσης) θα έχει συνολική επίδραση στη συμπεριφορά του πλήρους σάντουιτς Στοιχεία και εσωτερική δομή Τα σύνθετα υλικά με μορφή στρώσεων είναι βασισμένα στη θεωρία των σάντουιτς η οποία περιγράφει την συμπεριφορά των δοκών, των επιπέδων ή των κελυφών με ένα σύστημα τριών στρώσεων: Τα εξωτερικά φύλλα (skins) Την περιοχή της κόλας μεταξύ των επιφανειών πυρήνα- εξωτερικών φύλλων Τον πυρήνα Τα εξωτερικά φύλλα παίζουν θεμελιώδη ρόλο, δεδομένου ότι είναι αυτά που δέχονται όλες τις ενέργειες κάμψης του επιπέδου, χάρη στις υψηλές ελαστικές τους 35