Od kilkunastu lat zauważalna jest wyraźna tendencja do zastępowania w konstrukcjach elementów wykonanych z drewna, stali i metali kolorowych tworzywami sztucznymi. Pozwala to na zmniejszenie wagi konstrukcji, zmniejszenie wrażliwości na niekorzystne oddziaływanie czynników atmosferycznych, łatwiejsza też i bardziej zautomatyzowana jest produkcja tworzyw. Jednakże większość popularnych tworzyw sztucznych na podstawową wadę: słabą odporność na działanie wysokiej temperatury, co wiąże się z niepewnością co do ich właściwości wytrzymałościowych w ekstremalnych warunkach.
Na warunki ekstremalne mamy jednak laminaty. Wymyślono je jeszcze przed II wojną światową. Jest to bardzo specyficzna grupa tworzyw sztucznych oparta na żywicach duroplastycznych (termo i chemoutwardzalnych). W największym uproszczeniu laminat to trwałe połączenie nośnika (odpowiadającego za właściwości mechaniczne) z żywicą.
Postać i budowa
Laminaty wytwarzane są w oparciu o żywice termoutwardzalne tzw. duroplasty, głównie epoksydowe, fenolowe i poliestrowe, ale także silikonowe i melaminowe, które cechują się przestrzenną strukturą cząsteczkowa (siecią) po utwardzeniu. Każdy laminat posiada nośnik którym może być: papier (laminaty bakelitowe, PCF), tkanina bawełniana (laminaty tekstolitowe TCF), tkanina szklana lub włókna szklane (laminaty szklano-epoksydowe TSE, szklano-poliestrowe). Większość typów i ich właściwości opisuje norma PN-EN 60893. Laminaty mogą być także produkowane na innych nośnikach np. papierze mikowym (mikanity – odporność termiczna 7000 °C), włóknach para-aramidowych, włóknach węglowych, grafitowych lub poliestrowych. Dodatkowo do żywic można dodawać domieszki nadające laminatom specyficzne właściwości np. dodatek teflonu, lub MoS2 powoduje polepszenie właściwości trybologicznych, dodatek sadzy lub grafitu powoduje antystatyczność laminatów. W ostatnich latach pojawiają się coraz częściej laminaty z różnymi dodatkowymi warstwami funkcjonalnymi np. bakelitowe z warstwą papieru dekoracyjnego i melaminy – laminaty dekoracyjne tzw. Unilam, Elektrolam, laminaty szklano-epoksydowe z warstwą miedzi – na obwody drukowane, laminaty szklano-epoksydowe z warstwą grafitową – jako płyty ślizgowe, laminat bakelitowy z warstwą gumy.
Laminaty są produkowane w postaci płyt, rur, prętów, a także gotowych elementów wytwarzanych w formach.
Produkcja
Technologia wytwarzania laminatów składa się z dwóch procesów: powlekania i prasowania. Proces powlekania odbywa się na urządzeniu zwanym powlekarką. W przemyśle są stosowane dwa typy powlekarek: pionowa i pozioma. Powlekarka służy do przesycenia nośnika odpowiednią kompozycją żywicy z rozpuszczalnikiem i wstępnego utwardzenia układu nośnik-żywica. Powstaje tzw. preimpregnat (prepreg), w którym żywica znajduje się w stanie „B”, to znaczy jest częściowo usieciowana i gotowa do dalszego końcowego sieciowania. Preimpregnat jest produktem bazowym do prasowania różnych postaci wyrobu, niestety jest produktem o krótkiej żywotności. Poprzez prasowanie określonej ilości warstw prepregu w prasach półkowych otrzymujemy płyty, poprzez nawijanie na rdzeń i utwardzanie otrzymujemy rury zwijane, poprzez prasowanie w formach zamkniętych lub półzamkniętych otrzymujemy pręty, panewki i inne wypraski. Proces prasowania w wysokich temperaturach powoduje dokończenie i utrwalenie procesu sieciowania materiału. Na świecie są stosowane jeszcze inne procesy produkcji laminatów np. laminowanie na zimno, pultruzja itp.
Właściwości
Usieciowana struktura cząsteczkowa z trwałymi wiązaniami utwardzonej żywicy duroplastycznej (nie jak w typowych termoplastach – splot łańcuchów cząsteczkowych) i wzmocnienie nośnikiem, są odpowiedzialne za właściwości mechaniczne i termiczne laminatów.
Laminaty techniczne cechują się bardzo dużą stabilnością kształtu i wymiarów, przy długotrwałych i krótkotrwałych działaniach podwyższonej temperatury, oraz znacznego obciążenia. Marginalne i pomijalne jest zjawisko mięknięcia materiału, nie występuje topienie się materiału, ani tzw. pełzanie, co jest głównym mankamentem tworzyw termoplastycznych. Laminaty ze względu na swą złożoną budowę cechują się pewną anizotropią właściwości mechanicznych, dlatego istotne jest położenie elementu względem działających na niego sił. Najlepsze właściwości posiada laminat przy siłach działających prostopadle do jego warstw, a najgorsze, przy siłach działających równolegle.
Laminaty mają też swoje wady. Do największych można zaliczyć brak możliwości recyklingu; zużyty materiał nadaje się tylko do utylizacji. Proste elementy można wykonywać poprzez prasowanie z preimpregnatów w formie, bardziej skomplikowane wytwarzać tylko poprzez obróbkę mechaniczną.
By w pełni zobrazować różnicę pomiędzy laminatami technicznymi i tworzywami termoplastycznymi porównajmy ich właściwości mechaniczne. Z całej gamy laminatów i tworzyw termoplastycznych wybraliśmy te, których aplikacje się najbardziej przenikają, a także posiadają zbliżone ceny (laminat jest tu trochę droższy).
W poniższej tabeli prezentujemy porównanie płyty konstrukcyjnej z termoplastu (poliamid PA6) i laminatu bawełniano-fenolowego TCF (tekstolit). Oczywiście różne firmy modyfikują swoje produkty dlatego właściwości materiałów mogą nieznacznie odbiegać od danych katalogowych poszczególnych producentów. Do porównania wybrano materiały posiadające zbliżone ceny i niektóre właściwości mechaniczne. „Wytłuszczeniem” zaznaczono najbardziej istotne cechy różniące oba materiały.
Aplikacje
W dobie dynamicznego rozwoju konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych laminaty nadal jednak mają duże znaczenie. W aplikacjach, gdzie występują duże obciążenia i temperatury znacznie przekraczające 1000 °C, laminaty techniczne są materiałem pewniejszym, bardziej niezawodnym i dającym gwarancję swoich właściwości, nawet w najcięższych warunkach pracy. Dlatego najwięcej zastosowań laminatów spotykamy w przemyśle elektrotechnicznym, maszynowym, metalurgicznym, a także zbrojeniowym i lotniczym. Doskonałe właściwości dielektryczne i dużo wyższa – od tworzyw termoplastycznych – odporność na łuk elektryczny i prądy pełzające spowodowały powszechne stosowanie laminatów w technologiach wysokich napięć.
Oto kilka typowych zastosowań laminatów technicznych:
- elektrotechnika i elektronika – dziś nikt nie może sobie wyobrazić urządzenia elektronicznego bez obwodów drukowanych. Materiałem bazowym do wykonywania obwodów drukowanych jest laminat z warstwą miedzi np.: szklano-epoksydowy FR-4, FR-5 lub rzadziej laminat papierowo-fenolowy FR-2 i złożony CEM-1. Duże maszyny wirujące – generatory i silniki posiadają sporą ilość elementów wykonanych z laminatów najczęściej szklano-epoksydowych, które pełnią zarówno funkcje elektroizolacyjną jak i konstrukcyjną. Podsumowując, w średniej wielkości generatorze znajduje się ponad tona różnego rodzaju laminatów. Podobnie w transformatorach mocy i rozdzielczych są stosowane laminaty w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych. Laminaty występują także powszechnie w aparaturze rozdzielczej wysokonapięciowej.
- przemysł maszynowy – laminaty znajdują zastosowanie jako różnego rodzaju elementy nośne (np. lotnictwo) osłony, zbiorniki o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i odporności chemicznej na większość żrących substancji, prowadnice i łożyska ślizgowe pracujące pod dużymi obciążeniami dynamicznymi, elementy trudnościeralne. Także w transporcie można zauważyć laminaty. Wyłożenie wnętrz wagonów kolejowych, autobusów i tramwajów, elementy siedzeń i półek. Ze względu na odporność udarową oraz nietopliwość laminaty są obecne także w konstrukcjach współczesnych wozów bojowych oraz sejfów.
Na rynku tworzyw sztucznych królują głównie termoplasty. Są łatwiejsze w przetwórstwie i tańsze, ale nie można zapominać, że ich zastosowanie jest ograniczone przede wszystkim niską ciepłoodpornością i niestabilnością wymiarową w wyższych temperaturach. Są aplikacje, gdzie są i będą stosowane laminaty, właśnie ze względu na swoje specyficzne właściwości, które trudno będzie uzyskać tworzywom termoplastycznym nawet z różnego rodzaju wypełniaczami.
Współczesne laminaty coraz szerzej już wkraczają także w aplikacje zastrzeżone do tej pory tylko dla stali i innych metali (dla przykładu: ciężar właściwy stali to ok. 6,8 g/cm3, natomiast ciężar właściwy płyty szklano-epoksydowej TSE wynosi 1,8-2,0 g/cm3, a ich wytrzymałość mechaniczna np. na zginanie wynosi ok. 400 MPa).
mgr inż. Marek Gnaty
IZO-ERG S.A. Gliwice
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (22/23) lipiec/sierpień 2009
