Ikke-metalliske materialer 8200410226 [PDF]

Zitiervorschau

Rolf Garbo Corneliussen

MATERIALTEKNIKK

Ikke-metalliske materialer

Universitetsforlaget Oslo

© UNIVERSITETSFORLAGET AS 1993 ISBN 82-00-41022-6 Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til ånds­ verk.

Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget Postboks 2959 Tøyen 0608 OSLO

«Ikke-metalliske materialer» er produsert i PageMaker i Universitetsforlaget AS. Illustrasjoner: Trelleborgs Gummifabriks Aktiebolag, Perstorp AB, Bayer AG, Windmbller & Hblscher, Hoechst Ceram Tec., FFV-Yttec, BASF, Schott, Feldmiihle, Bjørn Norheim. Omslag: Tor Berglie Trykk: HS-trykk, Oslo 1993

Forord

Dagens krav til ressurs- og energisparing har ført til utvikling av nye materialer. Innen transportsektoren er trenden bruk av lettere materialer. Dette har ført til at stål i mange tilfel­ ler er erstattet av lettere materialer, blant annet plast, kompositter og keramiske materialer. Myndighetene krever at de nye materialene som tas i bruk, også må være resirkulerbare for å redusere avfallsmengden og for å skåne miljøet.

Med boken Ikke-metalliske materialer er serien Materialteknikk komplett. Boken gir en generell orientering om de ikke-metalliske materialtypene som har fått betydelig anvendelse på en rekke områder, enten som substitutt for eller som supplement til metalliske materialer. De polymere materialene har fått den bredeste omtalen fordi disse materialene er størst i mengde og applikasjoner. Stoffet i boken er hentet fra en rekke publikasjoner i norske og utenlandske tidsskrifter og plastprodusenter og bygger likeledes på forelesninger holdt på Oslo Ingeniørhøgskole og In­ stitutt for industridesign, SHKS.

Asker, juli 1993 Rolf Garbo Corneliussen

Innhold

1 Produktutvikling. Materialvalg og verdianalyse......... Integrert produktutvikling................. Simultaneous Engineering................. Materialvalg......................................... Verdianalyse........................................ Spørsmålsliste ved utvikling av alternativer............................................ Design............................................. Funksjon........................................ Funksjonsbetingede egenskaper . Materialer...................................... Tilvirkning..................................... Eksempler fra praksis.........................

2 Polymere materialer.......................

7 9 10 11 12 13 13 13 13 13 14 15

16 Hva er plast?........................................ 16 Kjedemolekylet............................ 17 Gummi og plast.................................... 18 Gummi................................................... 19 Gummiegenskaper........................ 19 Syntetisk gummi........................... 21 Plast....................................................... 22 Plastenes strukturelle oppbygning. Kjedestivhet........... 22 Intermolekylære krefter. Polaritet 23 Molvekt og molekylfordeling.... 23 Kry stallinitet.................................. 23 Smelteindeks ................................. 24 Aggregattilstander........................ 24 Nedbryting av plast...................... 24 Viskoelastisitet og deformasjonsmekanismer........... 25 Materialvalg og egenskapskarakteristika.............. 27 Additiver (tilsetninger)................ 32 Polymere materialer............................ 33 Forskning og utvikling på polymerområdet........................... 49

Høytemperaturstabile plaster............. Produktutforming, design av plastprodukter....................................... Hvilket plastmateriale skal nyttes?............................................. Konstruksjons- og tilvirkningsteknisk utforming ......................... Gjenger i plastprodukter.............. Tilvirkningsmåter for plastprodukter Sprøytestøping............................... Ekstrudering .................................. Statisk støping, fristøping og rotasjonsstøping............................ Skumplast...................................... Laminering..................................... Blåsing............................................ Vakuumforming ........................... Sintring - metallisering............... Sveising av plast........................... Liming av plast..............................

50

51

52 52 55 58 58 61 63 64 66 67 68 70 70 72

3 Kompositter..................................... 74 Oppbygning........................................... Hva er et kompositt?.................... Kompromisser............................... Cermets er keramisk-metalliske blandinger...................................... Fiberforsterkede metaller og plaster.............................................. Fiberforsterket plast............................ Fibermaterialer.............................. Glassfibrer..................................... Karbonfibrer.................................. Aramidfibrer.................................. Syntetiske keramiske fibrer......... Overflatebelagte fibrer................ Egenforsterkede plastfibrer......... Avanserte fibermaterialer........... Matriksmaterialer.................................

74 74 74 75

76 76 76 77 78 80 80 80 81 81 82

Ikke-metalliske matriksmaterialer...................................... Metalliske matriksmaterialer..... Keramiske matriksmaterialer .... Kompositter (matriks pluss armering) Tilvirkning og egenskaper.......... Kompositter på plastbasis (PMC) Tilvirkningsmåter for glassfiberforsterket herdeplast.......... Dimensjonering av glassfiberlaminater....................... Høyfaste komposittmaterialer........... Kevlarkompositter....................... Keramiske kompositter............... Metalliske kompositter............... Fremstillingsmetoder for MMC.. Overflatebelegg............................ Anvendelsen av kompositter............. Flyindustrien................................. Båtindustrien................................. Offshore......................................... Bilindustrien.................................. Svinghjul....................................... Fremtidsoppgaver................................ Bearbeiding av fiberforsterket plast.. Dreiing og fresing........................ Boring............................................. Konturskjæring............................. Metodevalg.................................... Hybrider........................................ Økonomiske betraktninger......... Fordeler med kompositter.................. Ulemper med kompositter..................

4 Glass.............................................. Glassets oppbygning......................... Glasstyper og egenskaper................ Termisk etterbehandling av glass.... Glasskompositter............................... Glasskeramikk................................... Porøst glass........................................

82 83 83 83 83 84 85

88 91 92 92 93 94 94 94 95 95 95 95 97 97 98 98 98 98 98 99 99 99 99

100 100 101 102 102 102 102

Emalje................................................... Bruksområder for glass..................... Glass som substratmateriale...... Glass tåler sterk varme.............. Glass er stabil ved høy temperatur.................................... Glass reflekterer varmestråling. Glass konsentrerer energi.......... Glass leder lys rundt hjørner.... Glass er generelt porefritt......... Glass kan forandre farge........... Glass kan øke øyets ytelse mangedobbelt.............................. Glass kan svekke lys.................. Glass genererer en elektrisk spenning.......................

103 103 104 104

104 104 104 104 104 105 105 105 105

5 Keramikk ........................................ 106 Fordeler og ulemper.......................... Egenskaper.......................................... Design og konstruksjon..................... Fremstillingsmetoder........................ Keramikkgrupper............................... Silikatkeramikk............................ Oksidkeramikk ............................ Ikke-oksidkeramikk.................... Keramapplikasjoner.......................... Bilindustrien................................ Metallbearbeiding....................... Pumper og armaturer.................. Kulelager..................................... Tekstilindustrien......................... Elektroteknikk og elektronikk... Biokeramer, implantater............

107 107 108 108 109 109 109 110 112 112 113 113 113 114 114 115

6 Betong.............................................

117

Reaksjonspolymerbetong .................. Polymerbetong i maskin­ konstruksjoner .................................... Design........................................... Utvikling og fremtid...................

118 118 120 120

KAPITTEL 1

Produktutvikling Materialvalg og verdianalyse

Konstruksjonsmaterialer

Produktutvikling Produktutvikling, valg av materialer og tilvirkningsmåter må foregå parallelt i en produktutviklingsprosess. Det store mangfol­ det av materialer som tilbys i dag, gjør det ikke lett å velge det riktige materialet, og pro­ blemet vil øke i tiden fremover. Det kommer stadig «nye» materialer med nye egenskaper. Ved ethvert materialvalg er det nødvendig å ta hensyn til en rekke faktorer for å kunne oppnå det optimale både hva angår det tek­ niske og det økonomiske. Materialene og materialegenskapene be­ stemmer ikke bare holdbarheten (levetiden) til produktene som blir fremstilt, men i høy grad også de totale tilvirkningskostnadene, inklusive råvarer og halvfabrikater. Det er viktig å være klar over at material­ egenskapene, materialvalget og tilvirknings­ kostnadene henger nøye sammen. Produktutviklere og konstruktører bør derfor ha et godt generelt kjennskap til de ulike materialene og deres egenskaper og til den gjensidige påvirk­ ningen mellom materialer, konstruksjon og tilvirkningsmetoder. Gode materialtekniske kunnskaper kan være avgjørende i dagens harde konkurranse. Miljøhensyn, ressursknapphet og energi­ sparing har ført til:

• • • • •

En stigende utnyttelsesgrad for materialer Valg av materialer som er lette å resirkulere Stigende materialsikkerhet Større bruk av syntetiske materialer Økende tilbud av nye materialer med større spredning av egenskapene

Av nye konstruksjonsmaterialer har vi: glass, glasskeramikk, polymerer, keramer, amorfe metaller, halvledere, superplastiske materia­ ler og komposittmaterialer. Blant nye produksjonsmetoder kan nevnes:

• • • •

Pulvermetallurgi Plasmateknikk Laserteknikk Liming som sammenføyningsteknikk for metaller • Ekstremt hurtig avkjøling • Isostatisk pressing • Metallsprøyting En produktoptimalisering kan skje ved å:

• Redusere antall komponenter i et produkt • Minimalisere antall produksjonsprosesser, operasjoner og gjennomløpstiden

Produktutvikling

8 • Utnytte materialene maksimalt • Erstatte materialfraskillende prosesser med sponfrie plastiske bearbeidingsprosesser eller minimalisere dem • Anvende nye materialer og prosesser • Danne detaljfamilier og standardisere

Til hvert av punktene kan det sies følgende: Når produktutvikleren skal utforme et nytt produkt, deler han det opp i hensiktsmessige enkeltdeler. Disse går han nøye gjennom for å finne den mest rasjonelle tilvirkningsmåten og det riktige materialet. Et hjelpeverktøy er verdianalysen (se side 12). Ved utformingen prøver man å gi delene eller produktet en slik utforming at det blir så enkelt og funksjonelt

som mulig og at flere funksjoner og deler kan sammenfattes i én del. For å øke gjennomløpshastigheten (den ti­ den det tar fra ordren mottas til leveringen skjer) er moderne logistikksystemer tatt i bruk. De omfatter blant annet transport og lager, fleksible tilvirkningssystemer (FMS, PBB, JIT) osv. Eksempler på bruk av produksjonsmetoder som reduserer antallet operasjoner, er punktsveising eller liming i stedet for skruer og muttere, selvgjengende skruer, og ekstruderte profiler i stedet for sammensveising av enkle profiler. Pulvermetallurgisk fremstilte deler har betydelig færre arbeidsoperasjoner og mate­

Resirkulasjon og gjenbruk av materialer er et miljøkrav i dag

Kapittel 1 rialkostnader og mye kortere leveringstid enn konvensjonelt fremstilte. Ved masseproduksjon representerer mate­ rialkostnadene en stor del av totalkostnadene. Materialutnyttelsen må derfor vies stor opp­ merksomhet. Ved materialfraskillende (sponende) me­ toder får vi en masse spon som selvfølgelig kan resirkuleres, men det koster. En snekkeaksel som før ble fremstilt ved fresing blir i dag presisjonssmidd. Dermed har bearbeidingstiden sunket til en firedel og totalkost­ nadene til en tredel. Miljø, energiøkonomisering og økologi er faktorer som det blir stadig viktigere å ta hen­ syn til i produktutviklingen. Resirkulering er et aktuelt tema i denne forbindelsen. Resirkulering er tilbakeføring av brukt materiale og produksjonsavfall i et materialkretsløp. Målet er å skåne omgivel­ sene og naturen ved å unngå eller minske avfallsmengden. Et godt eksempel på energisparing ser vi i resirkuleringen av aluminum. Til fremstilling av primæraluminium fra råstoff til råalumi­ nium går det med ca. 15 000 kWh/t, men ved resirkuleringen, sekundærproduksjonen, er det ikke nødvendig med mer enn ca. 5 % av denne energien. I fremtiden vil produktutviklere i størst mulig utstrekning måtte nytte materialer som er godkjent for resirkulering. Alle materialer vil få et internasjonalt kodenummer, slik at sortering for resirkulasjon blir lettere og rik­ tigere. Den globale konkurransen har økt, og den har trukket nye dimensjoner inn i rampelyset. Av disse er kanskje formgiving og «design management» to av de viktigste. Analyserer vi suksessen til en del norske og utenlandske bedrifter som har erobret markedsandeler for produktene sine, så ser vi klart den betydning industriell formgiving har hatt for fremgan­ gen. Industridesign er blitt en stadig viktigere konkurransefaktor. En produktutvikling, en industriell form­ giving av produkter, baserer seg på informa­ sjon om markedsmessige, tekniske og økono­ miske faktorer. Produksjonsbedriftene er der­

9 for i dag i høy grad informasjonsbearbeidende. Ideer, og senere verbale og skriftlig formulerte markedsbehov, blir konvertert til produktmodeller som så blir realisert i produksjonsavdelingene og til slutt distribu­ ert til kundene. Selve bearbeidingen og omdanningen til geometriske produkter skjer tradisjonelt ved hjelp av maskiner, mens den vesentlige de­ len av prosessen, informasjonsbearbeidingen, skjer ved hjelp av personell og elektronisk databehandling. Det betyr at bedriften ikke bare må sørge for å organisere materialstrømmen, men også har ansvaret for infor­ masjonsstrømmen.

Integrert produktutvikling I informasjonsstrømmen må alle avdelingene, også produktutviklingen, være integrert. Vi må ha en integrert produktutvikling.

Informasjonsstrømmen blir hindret, og produktene fordyres når det er for tette vegger mellom avdelingene

Den industrielle utviklingen med til dels kompliserte produkter har ført til arbeidsde­ ling og spesialisering. Produktutviklingsoppgaven kan isolert sett utføres av personer med ulik bakgrunn. Den ideelle prosjektgruppen er satt sammen slik at de enkelte delopp­ gavene blir løst av personer med en faglig bakgrunn som passer for oppgaven. Rolle­ fordelingen mellom industridesignere og in­ geniører er ofte gjenstand for diskusjon. Det er viktig å slå fast at begge kan løse en utvik­ lingsoppgave, men ideelle løsninger oppstår oftest med bidrag fra både designere og in­ geniører. Denne erkjennelsen har ført til at

Produktutvikling

10

et avstemt samarbeid mellem spesialister i den konstruktive syntesen • Produktoptimalisering og rasjonalisering kan man oppnå gjennom dataassistert prosessimulering med et samarbeid mellom spesialister innenfor områder som funksjon, kvalitet, kostnader og leveringstid • En forkortelse av gjennomløpstiden fra idé til leveranse oppnår man best ved et samar­ beid mellom avdelingene som er parallelt og integrert i stedet for sekvensielt («Simultaneous engineering»)

Sekvensiell produktutvikling

Markedsanalyser Design/konstruksjon

Produksjons­ planlegging Materialinnkjøp og logistikk

Tilvirkning Montering

Markedsføring

Integrert (parallell) produktutvikling Markedsanalyser

Design/konstruksjon Produksjons­ planlegging Materialinnkjøp og logistikk

Simultaneous engineering

Tilvirkning Montering

Markedsføring

Tid ----- -

Integrert produktutvikling gir tid- og kostnadsbesparelser mange industridesignere har en ingeniørmessig bakgrunn. Utvikling gjør det nødvendig med en inte­ grasjon av alle deloppgaver. Sammenfattet kan vi si:

• Datamaskiner for integrert informasjons­ bearbeiding finnes overalt i bedriften, og det letter kommunikasjonen • Det optimale produktet oppnår man best ved

I løpet av de siste ti årene har produktlevetiden sunket betydelig. I området elektroteknikk/ elektronikk har den sunket ca. 50 %, slik at den nå er ca. fire år i snitt. Samtidig har produktutviklingstiden og kostnadene i for­ bindelse med produktutviklingen steget. Re­ sultatet av dette er at «pay-back-perioden» (amortisasjonstiden) nå svarer til den samlede produktlevetiden. Dermed oppstår det proble­ mer med amortisasjonen av investeringene. Lang utviklingstid svekker også markeds­ posisjonen. Denne tilstanden, som er lite tilfredsstil­ lende, kan helt eller delvis oppheves gjennom «simultaneous engineering». Det er en organisasjonsstrategi som baserer seg på et

En integrert konstruksjon kan fremstilles som en ekstrudert profil. Det gir mange fordeler fremfor en som er satt sammen av mange enkeltdeler

Kapittel 1 tillitsfullt samarbeid mellom produktutviklings-, konstruksjons- og produksjonsom­ rådene under hele produktplanleggingen. Gjennom det parallelle og integrerte samar­ beidet mellom de ulike avdelingene kan man i forkant fastlegge alle vesentlige produksjonskomponenter. Målet er å senke innovasjonstiden og -kostnadene drastisk og samti­ dig øke kvaliteten på produktene og produk­ sjonsutstyret.

Materialvalg Materialene er ofte grunnlaget for bestemte nøkkelteknologier. Bruken av disse tekno­ logiene og materialvalget er blitt viktige konkurransefaktorer. Nye materialer erstatter de tradisjonelle materialene. 1 mange tilfeller kan skiftet kal­ les revolusjonerende. Et eksempel er den fiberoptiske kabelen som er i ferd med å er­ statte metallkabelen. Ved bruk av den nye teknikken som er knyttet til disse kablene, er overføringshastigheten og -mengden blitt betydeiig økt. Gamle og nye materialer er begreper som det ikke er lett å definere eksakt. I de fleste tilfeller er «nye materialer» et resultat av fors­ kning og utvikling (FoU) på gamle materia­ ler. Begrepet «nye materialer» knytter seg oftest til kompositter, keramer, høytemperaturmaterialer og materialer med ekstremt høy konduktivitet («superledning»), FoUvirksomheten på det materialteknologiske området har blant annet hatt som siktemål: • Vektbesparelse ved å optimere den kon­ struktive utformingen uten tap av de meka­ niske egenskapene • Økning av styrken • Materialer med større motstand mot slitasje • Økning av brukstemperaturen • Utvikling av spesielle materialegenskaper

11

tykkelsen kunnet reduseres med ca. 20 %. Det gir besparelser for eksempel i transport­ sektoren i vekt og brennstoff sammenlignet med bruk av konvensjonelle stålkvaliteter. Tofasestålene (Dual Phase Steel) er like sterke som HSLA-stålene, og har mye bedre formingsegenskaper. Til bruk i Nordsjøen er det utviklet spesi­ elt korrosjonsbestandige rustfrie stål, ferrittisk-austenittiske dupleksstål og PESR-stål (pressurized electroslag remelting), som med sitt høye nitrogeninnhold og sin korrosjonsresistens også har svært høy styrke.

Aluminiumpulverteknologien har åpnet nye veier for utviklingen av aluminiummaterialer med bedre egenskapsprofiler. Gjennom ulike tilvirkningsprosesser av høytlegert og hurtigstørknet (hurtig avkjølt) lettmetallpulver har man fått nye høyfaste materialer. De har foruten høy styrke også høy varmefasthet, lav utvidelseskoeffisient og stor slitestyrke. Et nytt materiale er alunskiver. Det har svært lav tetthet (egenvekt). Den varierer mellom 0,1-0,8 g/cm3. Poreinnholdet kan være fra 70-98 %, og porene kan være åpne eller lukket. Magnesium er også et konstruksjons­ materiale i utvikling. Bilindustrien utgjør et stort potensielt marked. Gjennom legering er styrken økt. En hurtigstørknet magnesiumlegering (RS-AZ91) har en flytegrense på 400 MPa og en strekkfasthet på 500 MPa. Et ek­ sempel på bruk av lette høyfaste Mg-legeringer er sykkelrammer. Korrosjonsegen­ skapene er vesentlig bedret ved fremstilling av en høyren Mg-legering. Sammenlignet med en konvensjonell legering AZ91, vil en trykkstøpt AZ91HP (High Purity) nærmest være korrosjonsresistent.

Keramer er ikke-organiske, ikke-metal­

Stål Typisk for utviklingen av stål er at det er utviklet av finkornbehandlede, mikrolegerte høyfaste stål, også kalt HSLA-stål (High Strength Low Alloy). De er mye brukt i bilindustrien. Med samme stivhet har plate-

liske materialer som formes til produkter før eller under en høytemperaturreaksjon (over 500 °C). Vekstraten er 10-15 % for elektronikkeramer og 20-30 % for konstruksjonskeramer.

Produktutvikling

12 Begrepet keramiske mateiialer omfatter i dag ikke bare de klassiske keramene, men en rekke nye keramer med navn som elektrokeramer, høyteknologikeramer, høytemperaturkeramer osv., sammenfattet som ingeniørkeramer.

Polymere materialer har fått økt anven­ delse. I en del tilfeller har de polymere mate­ rialene (plast-) gitt nye artikler, i andre tilfel­ ler har de erstattet andre materialer. Produk­ sjonen av plaster har steget raskere enn pro­ duksjonen av andre materialer. Du kan lese om de polymere materialene i kapittel 2, side 16. I sin oppbygning er metaller og plaster helt ulike. Metallene er uorganiske, og atomene har faste plasser. Metallene er bygd opp av krystaller, de er krystallinske og har metal­ lisk binding. Plastene er høymolekylære organiske for­ bindelser og er amorfe. (De kan være delkrystallinske.) Molekylkjedene er bundet sammen av van der Waals krefter. Disse er betydelig svakere enn metallbindingskreftene. Egenskapene til plaster og metaller er ofte helt motsatt, slik det fremgår av tabell 1.1. Når det gjelder valg av materiale og tilvirkningsmetode for et produkt, vil det all­ tid være en kombinasjon av krav som bestem­ mer. Prisen er i de fleste tilfeller avgjørende. Som råvarer er plastene ofte dyrere enn me­ tallene, men tilvirkningskostnadene er lavere, slik at produktprisen blir lavere. Plast

Metaller

Brennbar Lav hardhet Lav styrke Gode isolatorer for varme og elektrisitet Lette, de har lav tetthet

Ikke brennbar Høy hardhet Høy styrke Gode ledere for varme og elektrisitet Tunge, de har høy tetthet Lav lengdeutvidelseskoeffisient Står generelt ikke mot syrer

Høy lengdeutvidelseskoeffisient Står generelt mot syrer

Tabell 1.1.

Materialdatabaser Med den stadig økende mengden av materialinformasjoner blir valget av materialer en informasjonsteknologisk oppgave. Arbeidet med å velge det riktige materialet er lettere nå enn før, fordi vi har anledning til å gå inn i materialdatabaser for å få veiledning. Det forutsetter imidlertid at vi har den nødvendige basiskunnskapen for å vurdere opplysnin­ gene. Innenfor området polymermaterialer stiller de store produsentene sin PC-databank gratis til disposisjon for kundene sine. Det gjelder blant annet programvaren CAMPUS fra BASF, Bayer, EMS fra Huls, Hoechst, EEMIS fra Du Pont, EPOS fra ICI og RP3L fra Rhone-Poulenc. Fordi kravene til et produkt oftest er man­ ge, kan et riktig materialvalg ofte være van­ skelig. En fordel kan gi en eller flere ulem­ per.

Verdianalyse Verdianalyse (VA) er en metode til bruk ved industriell produktutvikling og systematisk kostnadsreduksjon. Hensikten med enhver produksjon er å tilvirke produkter til en ak­ septabel pris som tilfredsstiller kundens og brukerens ønsker og krav. Disse er mange og ulike. Før vi begynner på produktutviklingen, må vi derfor slå fast hvilket omfang ønskene og kravene har, og hvilket område, hvilket nivå og hvilken brukergruppe produktet er for. Med andre ord er markedsundersøkelse viktig før vi starter for alvor. Brukerne verds­ etter produktet etter i hvor høy grad ønsker og krav er oppfylt. For produsenten er tilvirkningen av et pro­ dukt interessant bare dersom det er penger å tjene på det. De to partenes ønsker lar seg ikke alltid forene, derfor må det ofte bli et kom­ promiss. Produsenten, som vil beholde sin markedsandel, må hele tiden forsøke å gi pro­ duktet en økt verdi for den kundegruppen produktet er ment for. Her kommer verdianalysen inn. Økt verdi for brukerne kan være:

Bedre funksjon

Kapittel 1

13

1" messing egenproduksjon

Festebøyle

Vekt redusert fra 60 g til 15 g innsparing 82,5 %

Egenproduksjon 80,- kr/m

Polyamid innkjøpt

En spesialleverandør kan levere samme bøyle for 16,- kr/m

Festeplate Innsparing 80 %

Før verdianalyse: To hull bores og gjenges

Etter verdianalyse: To hull lokkes i 1/8" flatstål. To muttere sveises på. Innsparing 75 %

Verdianalyse kan føre til forenklet konstruksjon, lettere tilvirkning og kostnadsbesparelse

• • • •

Lengre levetid Lavere pris Lettere håndtering og høyere sikkerhet Universell bruk

Spørsmålsliste ved utvikling av alternativer Design • Kan en forandring av formgivningen gi la­ vere material- og bearbeidingskostnader? • Kan enkelte deler med fordel fås fra underleverandører? • Kan det nyttes deler fra andre egenprodu­ serte produkter, eller er det mulig med små forandringer? • Kan det nyttes standarddeler?

Funksjon • Kan enkelte delfunksjoner sløyfes? • Kan funksjonen overtas av en annen del? • Kan funksjonen oppfylles ved andre meto­ der eller andre midler?

• Er funksjonen viktig for flertallet av bru­ kerne?

Funksjonsbetingede egenskaper • Er det anført finere toleranser og pasninger enn det som er nødvendig for funksjonen? • Er det andre funksjonsbetingede krav som kan reduseres? • Kan en annen overflatekvalitet tillates? • Er en annen overflatebehandling mulig?

Materialer • Kan det oppnås fordeler ved å velge et annet materiale eller en annen materialkvalitet? • Kan materialforbruket reduseres ved å bruke mindre dimensjoner? • Kan materialforbruket og avfall minskes ved å bruke andre tilvirkningsmetoder eller en annen utforming av produktet? • Kan avfall, for eksempel platerester. brukes til andre detaljer? • Kan materialet resirkuleres?

Produktutvikling

14

Eksempler på prisbelønnet produktutvikling a) En rekke ulike plastmaterialer er benyttet i denne rullestolen for barn. Stolen kan brukes både inne og ute (Produsent: IMM Elektronikk AB, Molnlycke)

b) Dette armaturet er utformet med tanke på at man skal kunne operere begge håndtakene med én hånd. Håndtakene for varmt og kaldt vann kan opereres uavhengig av hverandre, men operert sammen vil de produsere en blanding av varmt og kaldt vann på omkring 40 °C. Diplomoppgave 1987. Hilde S. Angelfoss

Tilvirkning • Finnes det for den delen som skal tilvirkes, andre og bedre tilvirkningsmetoder eller produksjonsmidler? • Er produksjonsmidlene utnyttet fullt ut? • Kan tilvirkningskostnadene senkes ved bruk av andre verktøy eller andre maskiner? • Kan operasjoner kuttes ut eller forkortes? • Kan kostnadene senkes ved økt mekanise­ ring og automatisering? • Kan kostnadene senkes gjennom et bedre logistikksystem? • Kan det være mer lønnsomt å kjøpe deler enn å produsere dem selv?

Kapittel 1

Eksempler fra praksis En 1" gjenget plugg som skal lukke en behol­ der, var utført i messing i egenproduksjon. En VA-analyse viste at dersom man gikk over til å kjøpe inn gjengede plugger i polyamid (ny­ lon), ble vekten redusert fra 60 g til 15 g, og kostnadsbesparelsen var 82,5 %. Et annet eksempel er en festeplate. Den var utført i tykk plate. To hull ble boret og gjen­ get opp. Så valgte man å bruke en tynnere plate som man stanset to hull i og sveisenestet en mutter over hver av disse. Dermed opp­ nådde man en kostnadsreduksjon på 75 %. Et eksempel på produktutvikling er hentet fra bilindustrien. Innsugingsrørsystemet for bilmotorer er tradisjonelt i metall. Ved at man gikk over til plast, ble det nye systemet 50 % lettere, og det gav betydelig lavere tilvirk­ ningskostnader. Utførelsen i plast er glattere innvendig, og det gav økt motoreffekt.

Smel tekjernetekn ikk

15 Produktutviklingen startet med at man gikk inn i WIS (Working Materials Information System), som er en database med over 20 000 ulike opplysninger om 350 BASF-materialer. Det gav svært raskt en løsning på materialproblemet. Valget falt på en polyamid 6.6 forsterket med 35 % glassfiber. Gjennom et CAD-system fikk man frem en design som optimalt kunne utnytte plastmaterialets egen­ skaper. Tilvirkningsmetoden man kom frem til, var også ny. Den gikk ut på å bruke utsmeltbar kjerne slik at grenrøret kunnet til­ virkes i ett stykke. Kjerne av en tinn-vismutlegering plasseres i innsprøytingsformen, og plasten sprøytes rundt den. Den lett smeltbare legeringen smeltes så ut, og dermed har man fått den kompliserte strukturen i ett skudd. Ikke noe etterarbeid er nødvendig. Utsmelteteknikken er etter hvert utviklet, og proses­ sen er automatisert slik at produksjonstiden bare er noen minutter.

KAPITTEL 2

Polymere materialer Materialgruppen plast har utviklet seg svært raskt. Dersom plast behandles riktig, er den miljøvennlig og ressursbesparende. Bare 3 % av verdens samlede oljeforbruk går med til å produsere plast og plastprodukter. Mye av den energien som settes inn ved tilvirkningen, kan siden fås tilbake ved å resirkulere eller brenne plastavfall i spesielle ovner. Resirkulering av plast er etter hvert blitt et krav. Teoretisk sett kan all plast resirkuleres. Etter rensing, opp­ maling og eventuell korrektur kan plast­ materialene igjen tilføres produksjonsproses­ sen. Den praktiske vanskeligheten ligger i en organisert innsamling.

Hva er plast? Den definisjonen som er vedtatt, sier: «Plast er et materiale som består av eller inneholder som karakteritisk bestanddel, et naturlig eller syntetisk, makromolekylært organisk stoff og

Polymerene er hygd opp av monomerer. Gjennom ulike prosesser blir monomerene bundet sammen til polymerer

som på ett eller annet trinn i fremstillingsprosessen er eller kan gjøres flytende eller plastisk, slik at den kan formes». Alt etter de strukturer og bindingsmekanismer som makromolekylene har, skil­ ler man mellom termoplaster og herdeplaster. Hovedgruppene kan deles i en rekke under­ grupper. Termoplastene kan alt etter oppbyg­ ning deles i amorfe termoplaster og krystal­ linske termoplaster. Termoplastene blir van­ ligvis smeltet og formet under temperatur og trykk, og stivner ved avkjøling. Løpssystemet, vrak og kasserte deler kan granuleres (males opp) og brukes om igjen. Herdeplastene kan alt etter oppbygning forekomme både i harde og myke typer. I herdeplastene skjer det, ved forming under høyt trykk og høy temperatur, en kjemisk re­ aksjon som tverrbinder polymerkjedene. Det nettverket som oppstår, kan være svært tett, og materialet blir stivt og hardt. Nettverket kan også være løst strukturert, og da kan materialet få gummielastiske egenskaper. Elastomer er en annen betegnelse som forekommer. Elastomerene kan høre til begge gruppene. Hos disse polymerene er makro­ molekylene slik strukturert og løst sammen­ knyttet at de fra lave temperaturer (-10 til -60 °C) og opp til den temperaturen der de brytes ned, vil være gummielastiske. Elasto­ merene kan selv med små krefter tøyes flere hundre prosent, og antar sin opprinnelige lengde når belastningen fjernes. På grunn av sin fremragende elastisitet nyttes de blant annet i fjærings-, svingnings- og lagerteknikken. De blir også brukt som materiale for alle typer tetninger, og fordi de også kan være slitesterke, brukes de til bildekk, transport­ bånd osv.

Kapittel 2

17

H H i I H-C- C-H I I H H

Etanc]ass

H H I i C=C I I H H

-

Varme

Trykk

l

I

H

H

. Etylen monomer

—

Varme

-

H H I I C=C

Trvkk

Katalysator

+

h2

+

Hydrogen

H

H

H

i

i

H I

HHHHHHHHHHHH

l

H

H

H

H

HHHHHHHHHHHH

l

I

I

I

l

i

l

I

l

I

I

I

—c-c-c -c- c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c— I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I I

Etylen monomer

Polymer polyetylen

Polymerene er bygd opp av lange kjedemolekyler

Kjedemolekylet For å kunne forstå egenskapene til polymerene må vi kjenne til den molekylære oppbygnin­ gen. Plastene er overveiende syntetisk frem­ stilt, det vil si at kjemikerne bygger opp plastmaterialene av basisråmaterialer kalt monomerer. En monomer (en kjemisk enhet) som for eksempel etylen (C2H4) har en opp­ bygning med en dobbeltbinding mellom karbonatomene. Ved høyt trykk og høy tem­ peratur åpner denne dobbeltbindingen seg, og vi får radikaler som gjør at etylenmonomerene kan reagere med andre monomerer. De hektes sammen i en lang kjede der hver etylenenhet blir repetert. Slik dannes poly­ etylen. På samme måten vil flere vinylkloridmonomerer danne polyvinylklorid, PVC. Når flere like monomerer under bestemte betingelser kjeder seg sammen, kaller vi pro­ sessen polymerisasjon. Eksempler på slike produkter er polyetylen, PE, og polystyren, PS. Når flere ulike monomerer kjeder seg sammen, kalles prosessen polyaddisjon. Ek­ sempler er monomerene diisocyanat og dialkohol, som ved polyaddisjon gir polyuretan, PUR. Under høyt trykk og temperatur kan ulike monomerer danne polymerkjeder som tverrbindes. Da kalles prosessen polykondensasjon, og vi får herdeplast. Eksempel er monomerene fenol og formaldehyd, som

sammen danner fenolformaldehyd, PF, med det kjente handelsnavnet «bakelitt». Det er bare få elementer som kjemikerene bruker for å skape flere tusen ulike plast­ materialer. Blant disse elementene er hydro­ gen, karbon, nitrogen, oksygen og fluor.

Termoplastene har en løs molekylstruktur

Herdeplastene har tverrbundne molekylkjeder og nettverks struktur

18

Termoplastene kan ha krystallinske områder

Gummi og plast Gummi er i likhet med plast et makromolekylært materiale. Gummi kommer fra kaut­ sjuk, et naturprodukt som er overført til gummi gjennom en vulkaniseringsprosess (tverrbinding av molekylkjedene). Plast er generelt et helsyntetisk materiale bygd opp av ulike monomerer, sammensatt og fremstilt på en måte som gir plasten de øn­ skede egenskapene. Produksjonsskjemaet for plast- og gummiprodukter er omtrent likt.

Polymere materialer Trinn l er fremstilling av råvaren og tilsetting av fyllmidler, fargestoffer, stabilisa­ torer, myknere, herde- og vulkaniseringsstoffer osv. Trinn 2 er blandingen som utføres i åpne val­ severk (kalandere) eller i lukkede blandemaskiner (miksere). Trinn 3 er formingen, som kan skje på ulike måter, for eksempel ved kalandrering, sprøytestøping, formpressing, ekstrudering, blåsing, vakuumforming osv. Trinn 4 For plastmasser som inneholder «herdekomponenter», skjer det en kje­ misk prosess under formingen og umiddelbart etterpå. Den resulterer i at molekylkjedene tverrbindes. Van­ ligvis skjer det ved høy temperatur (100-200 °C) og høyt trykk.

Kautsjukblandingen gjennomgår etter for­ mingen en vulkaniseringsprosess. Vanligvis skjer dette ved høy temperatur (100-200 °C) og høyt trykk. Kautsjukmolekylkjedene tverr­ bindes, og vi får gummi.

Prosesskjema for tilvirkning av plast- og gummiprodukter

19

Kapittel 2 Termoplastproduktene kan etter formingsprosessen være ferdige til bruk. I andre tilfel­ ler følger et etterarbeid i form av sliping, stansing, termoforming (vakuumforming), metallisering osv.

Gummi Siden Goodyear tok patent på vulkaniseringsprosessen i 1839, har gummi vært brukt i in­ dustrien til en rekke formål. Utgangsmaterialet til (natur)gummi er kautsjuk. Det har lange molekylkjeder som er løst bundet sammen. Kautsjuk er ikke ideelt elastisk, det vil si at dersom den utsettes for en strekkbelastning, vil den etter avlastningen få en permanent forlengelse. Kautsjuk har et smalt termisk bruksområde. Under dette blir det sprøtt, over blir det klebrig. Hvis kautsjuken blir tilsatt et vulkaniseringsmiddel, for eksempel svovel, og utset­ tes for varme og trykk, tverrbindes molekylkjedene, og produktet kalles gummi. Det har bedre materialegenskaper enn kautsjuk og har større termisk bruksområde. Jo mer vulkmiddel som tilsettes, desto flere kjeder tverrbindes, og desto hardere blir gummien. Gummi som fjæringselement er kjent. Maskinvibrasjoner kan isoleres med mer el­ ler mindre myke mellomlegg av gummi. En stor fordel med gummi er den store evnen til å dempe høyfrekvente svingninger (lyd), støt og akselerasjonspåkjenninger. Det kommer av at gummi har en høy indre demping, i motsetning til stål, som har en meget liten

indre demping. Svingeenergien går over i varme. Ved store og raske dynamiske forløp må man derfor ikke bruke en gummi med for høy demping (for bløt gummi). Som fjærelementet er gummi ofte festet til metallskiver. Gummi er lett å forme til ulike fasonger, og bindingen til metall blir ofte så sterk at et eventuelt brudd skjer i gummien og ikke i bindingssonen. Gummidempere mon­ teres slik at de enten utsettes for rent trykk (kompresjon), ren skyvpåkjenning eller en kombinasjon. Et element montert for ren skyvpåkjenning er relativt mykt, det vil si at det gir en lang fjærende vei. Det gir en effek­ tiv vibrasjonsdemping, men stabiliteten er ikke så god. Ved at man monterer dempeme i en viss vinkel mot hverandre, øker stabilite­ ten. Gummikvaliteten må ikke bare velges et­ ter dempingsegenskapene, men også etter re­ sistensen mot olje, ozon og setting, temperaturegenskapene osv.

Gummiegenskaper Som konstruksjonsmateriale har gummi svært spesielle egenskaper som knapt kan sammen­ lignes med noe annet materiale. De fysiske egenskapene er avhengig av blant annet hvil­ ken sammensetning gummiblandingen har. Hardhet. Gummi kan leveres i mange hardhetsklasser fra svært myk til «steinhard». I myk tilstand deformeres den lett. Størstede­ len av deformasjonen er elastisk, det vil si at tøyningen er reversibel. En liten del blir til­ bake som en permanent deformasjon, setting.

Gummidempere. Ved montering (1) blir dempingselementet bare utsatt for kompresjon, ren skyvpåkjenning (2) og en kombinasjon av 1 og 2 (3). Et gummielement som er montert for ren skyvpåkjenning, er relativt mykt. Det gir lav egenfrekvens og effektiv vibrasjonsdemping. Stabiliteten er ikke så god. Den er bedre ved montering etter metode (3)

20

Polymere materialer Støykilde (f.eks. maskin)

Aktiv isolasjon

Ømfintlig måleinstrument

Passiv isolasjon

Omgivelse (mennesker, maskin)

Luftputefjæring. Gummibelger av polykloropren eventuelt en naturgummiblanding byr på mange gode løsninger i svingingsisolering

Settingen blir større med økende temperatur. Den blir også støne med økende grad av de­ formasjon. Gummiens hardhet måles i grader Shore (vanligvis Shore A) eller internasjonale hardhetsgrader IRDH. Shore null er svært mykt, og Shore 100 er svært hardt. Tøyning. Gummi har generelt en meget stor tøyning før brudd inntreffer. Den kan ligge på 50-1000 %. Trykkdeformasjon. Gummi tåler sju til ti ganger større skyvbelastning enn trykkbelastning. Skal gummi nyttes som fjærende element, blir elementene montert slik at de får en skyvbelastning. Slitestyrke. Mesteparten av gummiproduksjonen går til bil- og sykkeldekk. Grunnen til det er gummiens store slitestyrke. Harde par­ tikler som slynges inn mot gummioverflaten, blir slynget tilbake av gummiens fjærende virkning. For visse gummityper er det en sam­ menheng mellom slitemotstand og strekkfasthet. Uretangummi har høy strekkfasthet og høy slitemotstand. For andre typer er der ingen sammenheng. Slitemotstanden er økt ved tilsetninger, blant annet av karbon. Kjemikalieresistans. Gummi blir angrepet av kjemikalier på ulike vis, enten ved at den sveller, eller ved kjemiske angrep som bryter ned gummistrukturen. Naturgummi er ikke resistent mot mineraloljer. Oljemolekylene trenger inn mellom gummimolekylkjedene, og gummien øker i volum, den sveller. Hvilke medier som sveller de ulike gummitypene, er avhengig av hvordan gummimolekylene er

oppbygd, og mediets karakter. En enkel re­ gel er at «like løser eller sveller like». Kjemiske angrep av for eksempel ozon, oksygen eller kjemikalier som salpetersyre, kromsyre osv. fører til at gummien brytes ned og løses fullstendig opp. Gummityper med dobbeltbindinger i molekylkjeden angripes ikke så sterkt. Ozon angriper gummi i sterkere grad enn oksygen. Kulderesistens. Utsettes gummien for lave temperaturer, blir den stivere, og til slutt «fry­ ser» den og blir steinhard. Øker temperaturen, reverseres prosessen, og gummien får tilbake de samme egenskapene som før innfrysingen. Akrylgummi tåler minst og silikongummi mest kulde før de viser sprekkdannelser ved bøying. Varmebestandighet. I motsetning til metal­ ler er organiske materialer som gummi og plast i større eller mindre grad ømfintlige for varme. Ved høye temperaturer, for eksempel 100 °C, har de til dels betydelig lavere fysiske data enn ved romtemperatur. For naturgummi (hardhet over 50 °Shore) er bruddgrensen ca. 70 % lavere, ved nitrilgummi ca. 40 prosent lavere og ved kloroprengummi ca. 30 % la­ vere. Varme kan også føre til at gummien oksiderer, og til kjemisk nedbryting av gummimolekylene. Det er tre faktorene som bestemmer gren­ sen for brukstemperaturen til gummi, nemlig det omgivende medium, tiden gummien utset­ tes for temperaturen og størrelsen på de for­ andringene som kan tillates. I motsetning til termoplaster har ikke

Kapittel 2 gummi et direkte mykningspunkt. Gummi som inneholder visse radikaler, blir «varmebestandig». Slike radikaler er for eksempel silikon i silikongummi og fluor i fluorgummi.

Syntetisk gummi Den første syntetiske gummien var metylgummi, men den ble lite brukt. Deret­ ter kom butadiengummi (BR) og kopolymeren styren-butadien-gummi (SBR) og nitrilgummi (NBR), kloroprengummi (CR) og en rekke andre som butylgummi (IIR), isoprengummi (IR) og silikongummi (SI). Siden 1962 har produksjonen av syntetisk gummi vært større enn produksjonen av naturgummi. SBR har relativt høy indre demping. Slitestyrken er god, og værbestandigheten bedre enn NR. SBR er mye brukt og utgjør ca. halvparten av gummiforbruket. På grunn av den svært gode slitestyrken blir SBR brukt i bildekk. Den er da blandet med NR og an­ dre syntetiske gummier. Nitrilgummi har god resistens mot oljer, bensin og upolare løsemidler. Varme- og oksidasjonsbestandigheten er også god. Polykloropren med handelsnavn som blant annet Neoprene, står godt mot vær, og

21 er ozonresistent. Likeså står den godt mot olje. Innholdet av klor gjør gummien selvslokkende. CR blir brukt som teknisk gummi, tetningsprofiler, kabelisolasjon osv. Etylen-propylen-dien-gummi (EPDM) er bygd opp på basis av de billige monomerene etylen og propylen og gir derfor billige pro­ dukter. Gummitypen har mange gode egen­ skaper, blant annet har den god værbestandighet. Polyuretangummi (PUR-gummi) er hard og har god slitestyrke og brukes derfor blant annet i skoindustrien. Den står godt mot fett, oljer og løsemidler. Silikongummi (SI) er svært resistent mot kjemikalier og svelling i løsemidler. De er blant de gummiene som tåler høyest tempe­ ratur, med brukstemperatur opp til 250 °C (kortvarig opp mot 400 °C). Lignende egen­ skaper har fluorgummi. Sammenfattet kan vi si:

• Gummi kan nyttes innenfor et stort temperaturområde, vanligvis mellom -30 °C og +90 °C. Visse gummityper kan brukes i temperaturområdet -40 °C til +250 °C (400 °C kortvarig). Vemedrakter mot brann

Naturgummi tåler ikke høye temperaturer. Figuren viser et stykke naturgummi som har vært utsatt for en temperatur på 240 °C i to timer. Silikongummi (figuren til høyre) som har gjennomgått den samme testen, har beholdt sin mykhet (Foto: Trelleborg)

22

Polymere materialer

Gummitype

Hardhets område Shore°

Naturgummi Styrengummi Butylgummi Nitirilgummi Kloroprengummi Akrylgummi Uretangummi Silikongummi

30-90 50-90 40-70 40-90 30-90 60-80 60-90 50-80

* dårlig, **

mindre god, ★★★

Oljeresistens

Slitasjeresistens

Utendørs resistens

★ ★

★ ★ ★

★ ★

★ ★ ★

★ ★

★

★ ★

★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★ ★

★ ★

★★★

★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

★

★

★★ ★ ★

god, ★★★★

meget god

Gummiegenskaper. Når en velger gummi (elastomerer) til bestemte formål, er det viktig å vevre oppmerksom på at de ulike gummitypene viser stor spredning i egenskapene

kan gjøres lettere og smidigere med flammebestandig kloroprengummi i kombinasjon med tekstilvev og aluminisert polyesterfolie • Gummi er elektrisk isolerende, men kan ved tilsettinger bli elektrisk ledende • Visse gummityper motvirker nedising og brukes blant annet i høye master og kraftledninger • Maskinvibrasjoner kan isoleres ved hjelp av fjæringselementer av gummi • Gummi demper høyfrekvente svingninger, støt og akselerasjonspåkjenninger • Gummi har stor slitestyrke (den er smidig) •Gummi har lav E-modul, 0,001-0.1 GPa, mot 210 GPa for stål

er stive og «glassaktige» ved lave temperatu­ rer, men myke ved høye temperaturer. Tem­ peraturen ved overgangen fra den ene til den andre tilstanden kalles glasningstemperaturen, betegnet med T . Med få eller ingen sidekjeder, med en høy grad av linearitet med bare en til tre sidekjeder per tusen karbonatomer, ligger kjedene tett sammen (parallelt) og kan i visse områder ha en form for krystallinitet. I andre områder kan atomene være løsere pakket og gi en amorf struktur, det vil si at molekylkjedene har in­ gen orientert retning. Ingen eller få sidekjeder og en høy grad av krystallinitet gir høy tett­ het, liten kjedebevegelighet, stor bøyelighet og dermed lav T- verdi. Et eksempel er bløt polyetylen (HDPE), som brukes til slanger, folier osv. Med mange sidekjeder blir egen­ skapene de motsatte. Da får vi for eksempel hard og stiv polyetylen (LDPE), som brukes blant annet i bøtter, kar osv.

Plast Plastenes strukturelle oppbygning. Kjedestivhet Karbonatomer danner hovedstammen i all plast. Ved tilsetting av forholdsvis få andre elementer blir tusenvis av ulike typer plast fremstilt. De ulike egenskapene er bestemt av den strukturelle oppbygningen. Den kan gi kjedemolekylet en større eller mindre grad av kjedestivhet og polaritet, eller den strukturelle oppbygningen kan gi en plast med få eller mange sidegrener, sidekjeder. Karakteristisk for mange plasttyper er at de

En struktur uten eller med få forgreininger gir en polymer med høy tetthet. Mange sidekjeder gir lav tetthet

Kapittel 2 Intermolekylære krefter. Polaritet Molekylene blir holdt sammen av sterke pri­ mære bindingskrefter. Mellom molekyl­ kjedene virker svakere sekundære bindings­ krefter. Disse sekundære bindingskreftene er blant annet avhengige av kjedemolekylets polariserbarhet. Jo høyere den er, desto større er de intermolekylære kreftene. Dette gir også plastmaterialet en høyere glasningstemperatur. For eksempel har polypropylen, som er praktisk talt upolart, en T på -10 °C, mens det polare polyvinylklorid har en Tg på 87 °C. Mange av egenskapene til plastmaterialene blir bestemt av størrelsen på de intermole­ kylære kreftene. Det gjelder foruten glasningstemperaturen også egenskaper som styrke og hardhet, E-modul, løselighet, elek­ triske egenskaper, nedbryting osv.

Molvekt og molekylfordeling Molvekten er summen av atomvektene i et molekyl eller et makromolekyl. For å beskrive makromolekyler av samme art bruker man begrepet molvekt eller polymerisasjonsgrad. Polymerisasjonsgraden angis ved et tall som forteller hvor mange monomerer (i gjen­ nomsnitt) et makromolekyl er bygd opp av. Vanligvis ligger den midlere molekylarvekten hos høypolymerer mellom 10 000 og 100000. Ved enkelte høypolymerer, f.eks. polyetylen, kan molekylarvekten gå opp i 500 000 og mer. Molvekten og molekylfordelingen har avgjørende betydning for egenskapene til høypolymerer.

Krystallinitet Overgangen fra en partiell krystallinitet ti] en amorf tilstand skjer ved krystallittsmeltepunktet. Den er karakterisert ved at alle sfærolitter og krystallitter i stoffet ved lang­ som oppvarming blir løst opp ved denne tem­ peraturen. Jo enklere og mer regelmessig molekylene er bygd opp. desto raskere og mer omfattende krystalliserer stoffet. Størrelsen av krystalliniteten er blant annet avhengig av avkjølingshastigheten og en eventuell meka-

23 Krystallinske

Ikke-krystallinske

ra- Skarpt smeltepunkt

ra Bredt mykningsområde ra- Vanligvis trans­ parente, glassklare ra Lav krymping ra Påvirkes av løsemidler ra Står ikke så godt mot utmatting og slitasje

ra- Vanligvis opake ra Høy krymping ra- Resistent mot løsemidler ra- Står godt mot utmatting og slitasje

Forskjell i egenskaper hos krystallinske og ikke-krystallinske plaster

nisk påkjenning under avkjølingen. (Ved langsom avkjøling uten mekanisk påvirkning av materialet danner det seg i partielt krystalliserende termoplaster, for eksempel polyetylen, en molekylær overstruktur i form av sfærolitter. Sfærolittene blir vesentlig større enn krystallittene, i polyetylen opp til 40 nm. De bryter gjennomfallende lys, og materialet synes å være grumset eller ugjen­ nomsiktig. Overgangen fra en bløtelastisk tilstand til en flytetilstand skjer for termoplastiske ma­ terialer i et smalt temperaturområde (ca. 30 °C). Med økende polymeriseringsgrad for­ skyves flyteområdet mot høyere temperatur og nedbrytingsområdet (dekomponeringen) for plasttypen. Bearbeidingen, formgivingen av termo­ plast, enten den er krystallinsk eller amorf, skjer i flyteområdet. Krystallinske

Ikke-krystallinske

ra Acetal (POM) ra Polyester (PETP, PBTP) som står for Polybutylentereftalat

ra- Akrylnitril-butadienstyren (ABS) ra Akryl (PMMA) ra- Polykarbonat (PC) ra- Modifisert polyfenylenoksid (PPO) ra- Polystyren (PS) ra Polyvinylklorid (PVC)

og Polyetylentereftalat

ra rara ra

Polyamid (nylon) (PA) Fluoretylen (PTFE) Polyetylen (PE) Polypropylen (PP)

Eksempler på krystallinske og ikke- krysta l lin ske termoplaster

Polymere materialer

24

Smelteindeks Smelteindeksen (MFI = melting flow index) er et mål for flyteevnen. Jo høyere verdier, desto mer tyntflytende er det smeltede mate­ rialet. MFI har innflytelse på bearbeidingsmåten. PE med lav MFI går best å ekstrudere, mens PE med høy MFI bearbeides lettest ved sprøytestøping.

Aggregattilstander Ved temperaturer under Tg er termoplastene glassharde og ganske sprø med høy E-verdi (tilnærmet ideelt elastisk). Når temperaturen stiger mot T , faller elastisitetsmodulen raskt. Polymerkjeden får en formendring. Når T

| Amorf termoplast

sprøti

''----------------

GLASS \\ ganske sprøtt \ \

GUMMI

VÆSKE

(Ty

\

L

passeres, går de amorfe termoplastene over i en myk, gummiaktig tilstand (flyteområdet). Ved en ytterligere temperaturøkning går de over i en seigtflytende væsketilstand. Belig­ genheten av flyteområdet på temperatur­ skalaen er avhengig av størrelsen på de intermolekylære kreftene og av lengden på makromolekylene. Jo større polymerisasjonsgraden for det høypolymere stoffet er, desto høyere og nærmere det struktumedbrytende området ligger flyteområdet. I væsketilstanden begynner sekundærbindingene å brytes ned, og molekylkjedene får stor bevegelighet. Økes temperaturen, bry­ tes plasten helt ned, den dekomponeres. I den gummiaktige tilstanden skjer termoforming, kalandrering og sveising. I overgan­ gen mellom gummi- og væsketilstand, og i væsketilstand, skjer sveising, ekstrudering og sprøytestøping. De krystallinske termo­ plastene har et mer definerbart «smelte­ punkt». For herdeplaster med tett nettverks­ struktur er forholdene helt annerledes. De har bare en svak reduksjon av stivheten (E-modul) helt opp til den temperaturen hvor de brytes ned.

Nedbryting av plast

VÆSKE

__

Plast er et utmerket materiale. Det finnes utal­ lige typer av plastmaterialer, hvert med sine spesielle egenskaper. Disse bør vi kjenne når vi skal bruke plast i et produkt. Når vi tar hensyn til de spesielle egenskapene, kan vi også dempe ulike påvirkninger eller hindre dem i å bryte ned den makromolekylære struk­ turen. Av ulike former for strukturnedbrytende krefter kan vi nevne:

Varme

Aggregattilstander for ulike plasttyper / amorf termoplast, høy molekylvekt 2 amorf termoplast, lav molekylvekt 7 krystallinsk termoplast, høy krystallinitet 8 krystallinsk termoplast, lav krystallinitet 9 ingen krystallinitet (T. Meland)

Plast er generelt ikke særlig vamebestandig. Plastene inneholder karbon og er brennbare. Mange termoplaster mykner allerede ved 70100 °C, og er da ikke lenger formstabile. Varmen fører til økt molekylbevegelse, og sekundærkreftene mellom kjedene svekkes og brytes. Molekylkjedebevegelsen øker ytterli­ gere, og plasten går over i en flytende fase. Til slutt brytes også primærbindingene. Plas-

Kapittel 2 ten dekomponeres. Herdeplast med tett tverrbundet nettverksstruktur mykner ikke, men ved høy temperatur forkuller den.

Mekaniske påkjenninger Dersom plasten blir utsatt for større meka­ niske påkjenninger, får vi i første omgang en elastisk deformasjon. Økes påkjenningene og tiden, får molekylkjedene en formendring. Knutepunktene mellom molekylkjedene for­ flyttes langs kjeden, og sekundærbindingene brytes. Når påkjenningene blir store nok, bry­ tes primærbindingene, og det inntrer makrobrudd.

Inntrengning av fremmedmolekyler Mange typer termoplaster og gummi, og en del herdeplaster, tåler ikke visse løsemidler. De sveller fordi fremmedmolekyler trenger inn mellom ikke-tverrbundne molekylkjeder og svekker sekundærbindingene som holder dem sammen. Krystallinske plaster, og plaster med tette og tverrbundne kjeder, står bedre mot svelling enn amorfe plaster.

25

Etter avlasting får vi en varig formendring dersom materialet har vært inne i flyteområdet. Hos plastene skjer flytningen når de sekun­ dære bindingskreftene blir svake, slik at de lange molekylkjedene lett kan gli i forhold til hverandre.

Tidsavhenige mekanismer. Reologi Reologi (gr. rheos, det som flyter) er læren om flyteegenskapene, spesielt hos seige væsker, men den er også viktig for studiet av disse forholdene hos høypolymere stoffer, metal­ ler etc. Blir en høypolymer utsatt for en skjærspenning eller en normalspenning, kan det føre til deformasjoner. Vanligvis kan vi forklare deformasjonsforløpet ved hjelp av tre deformasjonsmekanismer.

Hooks fjær

Hurtig dempet elastisk deformasjon og hurtig tilbakefjæring. Prosessen er reversibel, øyeblikkelig og tapsfri.

Stråling Dersom plasten ikke er tilsatt stabilisatorer, brytes den ned av energirik stråling, for ek­ sempel UV-stråling.

Kjemiske angrep Selv om plastmaterialene generelt sett står godt mot kjemiske angrep, kan en del reaktive stoffer angripe primærbindingene og dermed ødelegge plasten. Det kan være organiske løsemidler eller oksiderende kjemikalier. Spenningskorrosjon kan også angripe en del plasttyper.

Langsom elastisk deformasjon. Molekylkjedene rettes ut.

Støtdemper 1 med Newtons væske

Prosessen skjer ikke uten tap. Den er reversibel, men tid- og temperaturavhengig. Varig deformasjon, kaldflyting. Molekylkjedene forskyves innbyrdes.

Prosessen er irreversibel, tidavhengig og forbundet med tap. Materialet flyter.

Viskoelastisitet og deformasjonsmekanismer Når et materiale har både en tidsavhengig og en tidsuavhengig elastisk tøyning, kalles det viskoelastisitet. Den momentane formendringen eller deformasjonen oppstår i det øye­ blikket lasten settes på, mens den tidsavhen­ gige pågår så lenge lasten blir opprettholdt.

Hurtig elastisk deformasjon og hurtig tilbakefjæring.

Varig deformasjon, kaldflyting.

Langsom elastisk deformasjon, langsom tilbakefjæring.

Viskoelastisitet og deformasjonsmekanismer

26

1) Ideell elastisk tilstand (fast stoff) Ved temperaturer under T> er plaster i en «glasstilstand», og de har høy E-modul. Dersom de belastes og avlastes, vil proses­ sen være reversibel, øyeblikkelig og tapsfri. Molekylkjedene forandrer ikke form, det skjer bare små forandringer i atomavstandene, og bevegelse av molekylkjeder. Prosessen kan symboliseres ved Hooks fjær.

2) Ideell flytning (Newtons væske) Den viskøse deformasjonen gjelder vesent­ lig for amorfe molekylære materialer. Hos plastene skjer flytningen når sekundærbindingene blir så svake at de lange mole­ kylkjedene kan gli lett i forhold til hveran­ dre. Den viskøse deformasjonen endrer seg raskt med temperaturen. Prosessen er irreversibel, tidsavhengig og forbundet med tap. Den kan symboliseres ved en Newtons demper (væskedemper). 3) Dempet elastisk deformasjon En mellomting mellom ideell elastisk til­ stand og ideell flytning vil gi en prosess med dempet elastisk deformasjon. Det vil

Polymere materialer si at det tar en viss tid for materialet å nå sin likevektsdeformasjon (om lasten holdes konstant). Den tiden det tar for å nå en de­ formasjon (tøyning) på l-l/e = 0,63 av likevektsdeformasjonen etter spenningsendring kalles retardasjonstiden. Fjerner vi belastningen, får vi først en mo­ mentan elastisk tilbakefjæring, og så vil det ta en viss tid før materialet kommer tilbake til sin tidligere likevektstilstand. I denne tiden avtar spenningen eksponensielt, og prosessen kalles relaksasjon eller gjenvinning. Under belastningen har molekylene foran­ dret form, og det har skjedd en knutepunktsforskyvning langs kjedene. Etter av­ lastningen prøver molekylene å komme til­ bake i sine utgangsposisjoner. Prosessen skjer altså ikke uten tap. Den er reversibel, men tids- og temperaturavhengig. For bedre å kunne forstå forholdene ved polymermaterialenes viskoelastisitet er det laget en 4-parametermodell der det første led­ det representerer ideell elastisitet (fjæren), det andre leddet dempet elastisitet (fjær + Newtons demper) og det tredje leddet viskøs flytning (Newtons demper).

Tid-deformasjonsdiagram som viser den viskoelastiske oppførsel (T. Meland)

Kapittel 2 Hukommelse Visse termoplastiske materialer, for eksem­ pel polyetylen, har enkelte tverrbindinger mellom molekylkjedene. Tverrbindingene hindrer at knutepunktene glir langs kjedene. Dersom vi varmer opp og strekker en folie av tverrbundet termoplast, kan molekylkjedene strekkes til en viss grad. Avkjøles folien, vil molekylkjedene trekke seg sammen igjen. Avkjøles imidlertid folien ved forhøyet tem­ peratur og under strekkpåkjenning, vil den dempede elastisiteten (krympespenningen) bli «innefrosset», og sammentrekningen etter avlastningen blir utsatt til temperaturen igjen heves over T . Denne egenskapen nyttes ved tilvirkning av blant annet krympefolier.

Materialvalg og egenskapskarakteristika Plast i konstruksjoner og enkeltdetaljer erstat­ ter ofte metalliske materialer. Det finnes et utall av plastmaterialer å velge mellom. Sam­

27

menlignet med metalliske materialer har plastene en del egenskaper som er helt for­ skjellige fra disse. Ved valg av plastmateriale bør vi kjenne til dette forholdet for å kunne velge riktig materiale på rett sted. Videre må vi velge riktig tilvirkningsmetode. Skal delen presstøpes, sprøytestøpes, ekstruderes eller termoformes, eller er andre tilvirkningsmetoder i et gitt tilfelle det gun­ stigste? I de fleste tilfeller vil plastfagmannen fort kunne bestemme materiale og tilvirk­ ningsmetode. Industridesignere/produktutviklere/konstruktører, derimot, behersker vanligvis ikke dette feltet, og må derfor samrå seg med en fagmann. En godt utarbeidet spørsmålsliste er utmerket å ha for hånden. Listen kan blant annet inneholde spørsmål om hva delen eller komponentene skal brukes til, og hvilke påkjenninger den vil bli utsatt for, stykkantall, leveringstid, volum/vekt, materialtekniske data, kjemisk påvirkning osv. Prosedyren blir at vi først lister opp krav og ønsker til den komponenten som skal la­

Strekkspenning R [MPa]

Spennings-ltøyningsforhold for ulike plastmaterialer

28

Polymere materialer

ges. Deretter sjekker vi kravene mot materialegenskapene. Et materiale kan da enten bli forkastet eller akseptert. Så sjekker vi alle ønsker mot materialegenskapene. Alt etter i hvilken grad ønskene blir oppfylt, kan vi gi en karakter (eller et tall i de ulike egenskapsgruppene). Summen gir en hovedkarakter for hvert enkelt materiale og er det endelige valgkriteriet.

Mekaniske egenskaper De mekaniske egenskapene til polymerene har et overordentlig bredt spekter. De meka­ niske dataene er avhengig av den molekylære oppbygningen, av polymermorfologien og av ytre parametere som temperatur og deformasjonshastighet. Ved produktutvikling av plastprodukter må man kjenne til de viskoelastiske egenskapene til plastpolymerene. I motsetning til metallene er det bare ved lave temperaturer at termoplastiske materialer har et lineært forhold mellorp belastning og tøy­ ning. I tillegg til den elastiske tøyningen vil det, alt etter størrelsen på belastningen/temperaturen, opptre en irreversibel forlengelse/ deformasjon, en siging. Det fører til at detal­ jen etter avlastning ikke får tilbake sin opp­ rinnelige form. I tillegg kan det i noen tilfel­ ler, under innflytelse av det omliggende me­ diet, opptre brudd ved spenninger som ligger langt lavere enn dem som er funnet ved materialforsøk. I så fall har det dannet seg spenningsriss. Deformasjonen ved siging er omvendt proporsjonal med E-modulen. Polyoksymetylen POM (polyacetal) siger for ek­ sempel mindre enn polypropylen PP. Duktile brudd hører til en viss grad sammen med sigeegenskapene. Mekaniske egenskaper som vi bør kjenne til:

• • • • • • • •

Strekkfasthet E-modul ved strekk Bruddforlengelse Bøyefasthet Slagseighet, utmatting Følsomhet for kjerver og riss Hardhet Sigefasthet

E-modulen til plastene er til dels sterkt avhengig av temperaturen E-modulen viser stivheten til plast­ materialet. Den er i regelen betydelig lavere enn for metaller. På grunn av plastmaterialenes viskoelastisitet er det viktig å ta hen­ syn til de tids- og temperaturavhengige material dataene. Krystallinske plastmaterialer har for det meste høyere E-modul enn de amorfe. Slagseigheten er av interesse når komponentdelene blir utsatt for dynamiske påkjen­ ninger, for eksempel av slag. Faktorer som påvirker slagseigheten, er temperatur, strukturorientering, kjerver, riss, hulrom, fremmedpartikler, skarpe hjørner og tverrsnittsoverganger. Ved lave temperaturer blir mange plastmaterialer sprø og tåler lite slag. Armeres de, blir forholdene betydelig bedre. Utmatting som følge av dynamiske påkjen­ ninger kan forekomme i elementer som tann­ hjul, koblinger og fjærelementer som blir ut­ satt for varierte krefter ved trykk, strekk eller bøyning og torsjon. Plastenes viskøse egen­ skaper gjør at spennings- og deformasjonsegenskapene er mer avhengig av påkjenningstid og -hastighet enn konvensjonelle konstruk­ sjonsmaterialer. Dette må vi ta hensyn til un­ der beregningen. Vanligvis setter vi utmattingsfastheten til 20-30 % av den styrken som er funnet ved korttidsforsøk. Utmattingshastigheten varierer sterkt for de ulike plasttypene. Det mest utmattingsfaste

Kapittel 2 plastmaterialet vi kjenner i dag, er karbonfiberforsterket epoksy (CEP). Spenningsriss kan opptre som følge av en kombinasjon av indre orienterings- og avkjølingsspenninger eller påvirkning av ytre strekkspenninger og bestemte væsker og dam­ per. Det starter for det meste med at det på overflaten opptrer fine riss (micro-crazes). Dannelsen og en eventuell sprekkutvidelse (propagering) er tidsavhengig. Praktisk talt alle termoplaster har i bestemte omgivelsesmiljøer en tendens til å danne spen­ ningsriss, avhengig av blant annet følgende faktorer: • • • • •

Større strekkspenninger Lengre innvirkningstid Høyere temperatur Høyere krystallinitet Lavere molekylvekt

Friksjonsforhold De friksjonslovene som Coulumb satte opp, gjelder bare for metaller. For høymolekylære materialer har man ikke funnet en tilfredsstil­ lende friksjonsteori. Hos disse er friksjonen avhengig ikke bare av de materialene som glir mot hverandre, men også av glidehastighet, temperatur, størrelse på berøringsflatene, ut­ formingen og kontakttrykket. Som veiledende verdier kan vi sette friksjonskoeffisienten p = 0,004 - 0,5 for krystallinske termoplaster og p. = 1,0 for amorfe termoplaster og herdeplaster. Gummi har en svært høy friksjonskoeffisient, og PTFE har en svært lav. På mange områder har termoplastiske lavfriksjonsmaterialer erstattet metaller, for eksem­ pel som lager, tannhjul, sleider osv. Dersom det er smøremiddel mellom de gli­ dende flatene, er friksjonsforholdet overvei­ ende bestemt av egenskapene hos smøre midlet. Flere spesialplaster har en viss selvsmørende effekt. Det kan også nyttes smøremidler, som kan være et fint pulver av PTFE, silikonolje, grafitt eller molybdendisulfid.

29

Termiske egenskaper Varmeledningsevnen (konduktiviteten) til polymerene er avhengig av hvor sterk koblin­ gen mellom molekylene og atomene er. De amorfe termoplastene har lav varmeledningsevne sammenlignet med de krystal­ linske, fordi de sekundære bindingskreftene er svakere enn de kreftene som binder atomene/molekylene sammen i de krystallinske plastene. Skumplast inneholder ca. 1-2 volumprosent plast, resten er gass som har særlig lav varmeledningsevne. Den termiske utvidelseskoeffisienten hos termoplaster er generelt høy, betydelig høyere enn for metal­ lene. Armeres plasten, blir den mye lavere. For GUP (glassfiberarmert polyester) ligger den omkring 2,5 • 10 5K-1 mot 1,2 for stål og 2,2 for aluminium. Under innvirkning av varme forandrer plastenes molekyloppbygning seg. Stigende temperatur gjør at de mellommolekylære kreftene hos termoplaster svekkes, og dermed også styrkeegenskapene. Formstabiliteten hos amorfe og krystallinske termoplaster er ikke bare avhengig av temperaturen, men også av varigheten av varmepåvirkningen og av beTermoplast

Formstabil i varme °C

Maksimal brukstemperatur (10 000h)°C

Polyoksymetylen polyacetal POM

170

100

Polyenyleter PPE mod.

155

115

Polyamid PA 6 og PA 66

230

100/120

Polyetylentereftalat PETP

200

125

Polybutylen tereftalat PBTP

210

135

Polykarbonat PC

150

135

Polysulfon PSU

175

160

Polyeterimid PEI

210

170

Polyetersulfon PES

215

180

Polyfenylensulfid PPS

250

210

Polyetereterketon PEEK

280

250

Temperaturgrenser for en del plastmaterialer

Polymere materialer

30

Den termiske utvidelseskoeffisienten til forskjellige plastmaterialer

lastningen. De termiske egenskapene som vi bør kjenne til, er:

• Termisk konduktivitet • Termisk utvidelseskoeffisient (lengdeutvidelseskoeffisient) • Maksimal kontinuerlig brukstemperatur • Formbestandighet ved forhøyet temperatur • Laveste brukstemperatur (sprøhetstemperatur)

Elektriske egenskaper Plaster er generelt gode elektriske isolatorer. Gjennomslagsfastheten er svært høy hos PS, SB, ABS, middels hos PE, PP, PVC, POM og relativt lav hos PUR, MF, PA-6. De dielektriske egenskapene er delvis tem­ peratur- og tidsavhengige. Materialets permittivitet angir proporsjonaliteten mellom påsatt elektrisk feltstyrke og resulterende dielektrisk polaritet i materialet. Den relative permittitiveten £r kalles også dielektrisitets­ konstanten. Tapsfaktoren tgS er et mål for tapsenergien som blir omsatt i varme i dielektrikumet. Denne egenskapen benytter

man seg av ved sveising av plast. De meget lave dielektriske tapene i de upolare plastene PE og PTFE har gjort at disse på et tidlig sta­ dium ble brukt som isolasjonsmateriale i elek­ tronisk utstyr, for eksempel radar. Mange plaster inneholder additiver (tilsatsstoffer), og den elektriske konduktiviteten er derfor avhengig av hvilke addi­ tiver plasten inneholder. Til bestemte formål kan plast gjøres elektrisk ledende ved tilset­ ninger. Denne egenskapen har gjort at elek­ trisk ledende plast i den senere tid er kommet mer i bruk. De elektriske egenskapene vi bør kjenne til, er:

• • • •

Gjennomgangsmotstanden Gjennomslagsfastheten Dielektrisitetskonstanten Dielektrisk tapsfaktor

Miljø. Gjenbruk Det blir stadig mer søppel og avfall. Plasten har lenge stått i miljøvernets søkelys. For øye­ blikket er det polyvinylklorid, PVC, man vil ha bort. Plast utgjør imidlertid bare en forsvin­

Kapittel 2 nende liten del av avfallsmengden. Det har vært hevdet at plastbæreposer er mer miljøfiendtlige enn papirposer. Det er ikke tilfel­ let. Miljøbelastningen fra bæreposer gir for papir tre ganger så mye SO2 som plast, NOx 50 % mer, CO fire ganger så mye og støv sju ganger så mye. I tillegg krever bæreposer av polyetylen bare halvparten av den energien som må til for å tilvirke det samme kvantu­ met bæreposer av papir. Ved normale temperaturer, under materia­ lets mykningstemperatur, kan alle plastmate­ rialene anses som miljømessig nøytrale i bruk. Ved høyere temperaturer kan plasten dekom­ poneres, og komponentene for spesielle plas­ ter, kan da være helsefarlige. Særlig må man være oppmerksom på de fluorholdige plastene, for eksempel polytetrafluoretylen, PTFE. Spesielt må man være forsiktig med støv og spon under maskinering (røyking for­ budt). Klorholdige plaster som PVC dekom­ poneres ved forbrenning og danner saltsyre. Den kan skade komponenter av metall. Herdeplaster tilsatt herdemidler eller andre tilsetninger kan være etsende og kan ved ufor­ siktig håndtering medføre hudirritasjon og til og med hudkreft. Industrien er klar over miljøaspektene og har gjort mye for å bedre miljøet. I produk­ sjonstrinn der miljøulempene har vært størst, har man tatt i bruk automatisk håndteringsutstyr. Resirkulasjon og gjenbruk er blitt kjente begreper. I fremtiden vil bare slike plaster som lett lar seg resirkulere, bli tillatt. Alle plastartikler vil få et internasjonalt kjenne­ merke slik at sortering for gjenbruk kan bli effektiv. Når det gjelder miljø og resirkulasjon, bør vi kjenne til:

• Mulighet for gjenbruk, resirkulasjon • Miljøskadelige effekter ved bruk av plast • Motstand mot kjemikalier som syrer, baser, løsemidler osv. • Effekt av sollys • Vannabsorpsjon • Brennbarhet

31

Vannopptak En rekke plasttyper kan over tid ta opp vann. Tallmessige oppgaver over vannopptak er sammenlignbare bare dersom de er tatt opp under like forhold. Opptak av vann eller an­ dre væsker kan i noen tilfeller være uønsket, i andre tilfeller ønsket. Eksempelvis oppnår PA sin optimale seighet etter vannopptak. Vannopptak gir formdelen en volumøkning, og dette må produktutvikleren/designeren ta hensyn til, spesielt når det gjelder målnøyaktighet ved sprøytestøpte deler der det kreves høy presisjon.

Kjemikaliepåvirkning I motsetning til metaller står plastene relativt godt mot kjemikaliepåvirkning. De fleste plastene har gjennomgått prøver for å fastslå deres kjemikalieresistens. Det finnes tabeller over dette og over værbestandigheten. Noen plaster tåler ikke olje og brennstoffer. Termoplastene er med få unntak syre- og baseresistente, men løses i enkelte løsemidler. Hos herdeplastene er det omvendt. De står godt mot organiske løsemidler. Rent generelt er kjemikaliepåvirkningen avhengig av kon­ sentrasjon, temperatur og tid. Plastenes gode korrosjonsresistens har ført til at de har erstat­ tet metallene i mange konstruksjoner i korrosivt miljø. Resistensen synker dersom det i tillegg til kjemikaliepåvirkningen opp­ trer mekaniske påkjenninger (særlig ved for­ høyet temperatur). Har plastproduktet dess­ uten innebygde spenninger fra tilvirkningen, kan resultatet bli spenningsriss og eventuelt brudd.

Diffusjon Plastmaterialene er med få unntak ikke «gasstette». De krystallinske plastene er mer «gasstette» enn de amorfe. Diffusjonen gjen­ nom plasten, uttrykt ved materialets permea­ bilitet, er avhengig av temperatur, veggtykkelse, forholdet overflate til voluminnhold og tid, og dessuten av plastenes strukturelle oppbygning. I mange tilfeller kreves et diffusjonstett produkt. Da må produktveggen bygges opp av flere sjikt (bæresjikt + sperre sjikt osv.).

Polymere materialer

32

Brennbarhet For bruk av plast i industri og privat er det viktig å kjenne til plastenes brennbarhet. Plast er overveiende bygd opp av organiske mate­ rialer, og er derfor brennbar. Villigheten til antennelse er forskjellig for de ulike plasttyper. Gjennom en modifikasjon (tilset­ ting av flammehindrende midler) kan plast som normalt er brennbar, gjøres brannsikker.

Optiske egenskaper Noen plastmaterialer har liten lysbryting og lysabsorpsjon og er glassklare, for eksempel PS, SAN og PMMA. Andre er mer eller min­ dre transparente, for eksempel PP, POM og EP. Noen er mer eller mindre opake eller fra svakt gjennomskinnelige til fullstendig ugjen­ nomsiktige, som SB, PE og PTFE. De gode optiske egenskapene til enkelte plasttyper er utnyttet i optisk utstyr som linser, briller, op­ tiske fibrer til lysledere osv.

Additiver (tilsetninger) For å oppnå bestemte egenskaper hos plastene kan man tilsette ulike stoffer, additiver. Plastmassen som man tilvirker produkter av, kan for mange formål bestå av en blanding av

rene polymerer og ulike additiver som hoved­ sakelig er myknere, fyllstoffer og fibrer som forsterkermaterialer. Myknere tilsettes for å oppnå en ønsket mykhetsgrad. Hvis man tilsetter spesielle lavmolekylære stoffer, vil det føre til at av­ standen mellom molekylkjedene øker, og der­ med blir plasten mindre stiv, den blir mykere. For PVC finnes det en rekke myknere, van­ ligst er di-2-etyl-heksylftalat (DOP) og diisononylolftalat (DINP). Nyere typer myknere har også en UV-stabiliserende virk­ ning og innbygde antistategenskaper eller brannhemmende egenskaper. Fyllstoffer har flere formål. De kan tilset­ tes for å gjøre produktet billigere og gi økt stivhet (E-modul), bedre elektriske og meka­ niske egenskaper, bedre slitasjeegenskaper osv. Fyllstoffer kan være tremel, karbonpulver, talkum osv. Armering gir økt stivhet og styrke. Arme­ ringen består av glass-, karbon- og aramidfibrer. Fibrene kan være kontinuerlige eller i form av fiberkutt. Armeringen kan være i form av fiberkutt eller vevde matter av ulik struktur. Stabilisatorer bedrer fargestabiliteten og øker varmefastheten og motstanden mot UVstråling. De virker også beskyttende mot kje-

Glassklar. Nesten Transparent gjennomsiktig glassklar

Nesten transparent

Opak

Ikke gjennomsiktig

Brytningsindeks

1.59

PS 7SSSS//SSSA SB SAN^W/W

1.57 V////////////////////////////////,

PE

1.50

PP

PVC

w

1.52-1.55 1.35-1.38

PTFE

PMMA^^^

1.49 V/7///7/7//77

POM

1.59

PC PE MF, UF UP

1.51

Y//////77//77/7

1.55-1.58

V77777777777

EP

Optiske egenskaper til en del plastmaterialer

V777777777777

1.47-1.57

Kapittel 2 misk nedbryting under bearbeidingen og bru­ ken av plaster. Antistatmidler forebygger statisk opplad­ ning i blant annet elektroniske produkter. De er høyaktuelle blant annet som følge av det voksende behovet for innpakning og kapsling av ømfintlig elektronikk. Antistatmidler som inneholder aminer. kan forårsake spenningskorrosjon og sprekkdannelser i produkter som tilvirkes av polykarbonat. Flere tilvirkere ut­ vikler derfor nå aminofrie antistatmidler. Smøremidler som forbedrer bearbeidbarheten, brukes i forbindelse med de fleste termoplaster. De er blitt mer aktuelle etter at produksjonstakten og bearbeidingstemperaturen har steget ved ekstrudering og formsprøyting. Utviklingstrenden er at de blir mer komplekse, det vil si at de får flere funk­ sjoner. for eksempel at de tillater økt bruk av fyllstoffer og understøtter funksjonen til an­ dre tilsetninger. De fleste smøremiddeladditiver er i granulert form eller som pelleter. Til spraying av former for å øke slippevnen brukes smøremidler på basis av ulike fluorpolymerer. Brannhemmende additiver har alltid vært et viktig innsatsområde for additivkjemien. De brannhemmende additivene kan være magnesiumhydroklorid, ammoniumpolyfosfat, melaminamylfosfat og aluminiumtrihydrat som ved brann danner et porøst barrieresjikt på overflaten av plastdelen. Der­ med stenges oksygen ute, og ilden slokner. Blåsemidler (esemidler) nyttes ved tilvirk­ ning av skumplast. Tidligere ble det brukt CFC-forbindelser til å blåse opp cellestrukturen. De kan ikke lenger brukes, fordi de gir utslipp som bryter ned ozonlaget. De fleste av verdens produsenter av for eksem­ pel uretancelleplast holder på å bytte ut CFC med «mykere freoner» av typen HCFC, som bare inneholder små mengder klor. Man reg­ ner med at omkring år 2000 vil det komme klorfrie esemidler.

33

Polymere materialer Mange av de polymere materialene vi har i dag, er relativt nye, deres utviklingshistorie har foregått bare i noen tiår. I løpet av denne tiden har de utviklet seg fra eksotiske mate­ rialer for spesielle bruksområder til en om­ fattende materialgruppe for stadig mer krav­ fulle applikasjoner. Gjennom ulike kjemiske prosesser kan vi påvirke molekyloppbygningen og -strukturen slik at vi får de egeskapene vi ønsker til bestemte formål. Det finnes tusenvis av plasttyper. Oversikten som følger, omfatter bare noen få utvalgte.

ABS, akryl-butadien-styren ABS er en kopolymer som har vært produsert siden midten av 50-årene. Den har en tetthet på 1,06-1,12 g/cm?. Brukstemperaturen lig­ ger, alt etter typen, mellom 75 og 85 °C og T> mellom 85 og 115 °C.

Kjøkkenmaskin, i ABS og med gjennomsiktig beholder av ASA

ABS er hard og seig, med god slagseighet også ved lave temperaturer. Den har høy formbestandighet i varme, den er opak. men det finnes ABS-typer som er transparente. Den er betinget værbestandig og har lavt vannopptak og god dimensjonsstabilitet, god kjemikalieresistens og god motstand mot spenningsriss. ABS er lett å bearbeide ved de fleste tilvirkningsmetoder for termoplaster som sprøytestøping, ekstrudering, ekstruder-

Polymere materialer

34

ABS står godt mot syrer og baser, alkoho­ ler, fett, olje, bensin og saltløsninger, men ikke mot bensol og en rekke løsemidler. Den er lett antennelig og brenner med en lysende, sterkt sotende flamme. Den lukter søtlig. Styren-akrylnitril-kopolymeren SAN og ASA (akrylnitril-styren-akrylester) blir om­ talt under polystyren.

Støvsugerhus utført i ABS

blåsing og kalandrering. Den er sveisbar og klebbar, og egner seg godt for påføring av galvaniske belegg ved forkromming. formk­ ling osv. ABS kan forsterkes med fibrer (glass-, kar­ bon-), og det gir høy formtoleranse. ABS kan også blandes (blends) med andre termoplaster som PVC og PC.

Telefonhus i ASA

Anvendelse ABS blir brukt til lager- og transportbeholdere, instrumentpaneler, armaturbrett, kjølegrill, i telefoner, radio- og fjernsynsap­ parater, til innvendig kledning i kjøleskap, i kaffemaskinerog andre husholdningsartikler, til flasker, leketøy, kofferter, rør- og rørfittings og i kontormaskiner. I lampedeksler (Luxo) brukes en lettflytende og antistatisk ABS.

PE, polyetylen Polyetylen hører til gruppen polyolefiner. Ved siden av polyvinylklorid, PVC, er PE et av de mest brukte plastmaterialene. Utgangsråstoffet er etylengass. Polymeriseringen foregår enten etter høytrykksmetoden (ICImetoden) ved 2000 bar og 200 °C, eller ved lavtrykksmetoden (Ziegler-metoden). Ved høytrykksmetoden får man polymerkjeder med sideforgreninger. Dermed blir det stor avstand mellom kjedene og stor bevege­ lighet, og materialet blir mykt. Det har lav tetthet, og har fått betegnelsen PELD eller bare PEL. Ved lavtrykksmetoden ligger molekylkjedene tettere. Det gir større stivhet og tett­ het, og betegnelsen er PEHD. Det er også fremstilt PE med middels tetthet, PEMD, som hovedsakelig er lineær, det vil si uten grener. Alt etter typen har PE ulik smelteviskositet. Den er delvis bestemt av additivene og tilpas­ ses bruken og tilvirkningsmetoden. Som polyamidene er polyolefinene delkrystallinske og er, alt etter graden av krystal­ linitet, mer eller mindre opake. Med økende krystallinitet øker tettheten, smeltetemperaturen, formbestandigheten i varme, hardhe­ ten, stivheten og styrken, mens slagseigheten,

Kapittel 2

35

Polyetylenisolasjon av tele- og koaksialkabel med PEHD. I den ytre kappen benyttes PELD. PE har høy isolasjonsevne og lave dielektriske tap

36 permeabiliteten og transparensen avtar. PE er upolar og har en meget lav dielektrisitetskonstant, den har høy gjennomslagsmotstand, og er derfor ideell for kabelisolasjon. Alle PEsorter har en overflate som lett kan ripes med neglen. På grunn av parafinkarakteren er kjemikalieresistensen svært god. PE er lett å forme ved sponende metoder og lett å sveise. PE har en voksaktig overflate, og liming som sammenføyningsmetode går ikke fordi PE er upolart og tungt løselig. Alle polyolefiner brenner med en lysende flamme, og det luk­ ter parafin. For å oppnå spesielle egenskaper er det utviklet en rekke kopolymerer mellom etylen og vinylacetat, EVAC, etylen og etylakrylat, EEA, og kloroprenetylen, PE-C/CM. Det finnes også en polyetylen med en ultrahøy molekylarvekt. PE-UHMW. Den er fremstilt etter lavtrykksmetoden og har en molvekt på 3-8 millioner g/mol. Denne typen polyetylen har blant annet svært høy slagseighet og gode glideegenskaper, lave friksjonstap og lav slitasje, svært høy kjemikalieresistens, lyddempende virkning, stor motstand mot spenningsriss og et stort termisk bruksområde som går fra -200 °C til +90 °C. Den brukes blant annet som belegg på alpinog langrennsski. På grunn av styrken og den lyddempende virkningen brukes den i maskinindustrien til løperuller, tannhjul, lagerbøssinger osv. Anvendelse PELD brukes til innpakningsfolier, krympefolier, sekker, belegg, hullegemer, elektrisk isolasjon, rørledninger og tråd- og kabel­ isolasjon. PEHD brukes til lager- og transportbeholdere, ekstrusjonsblåste hullegemer (opp til 10 000 1), rørledninger. folier. hushold­ ningsartikler, leketøy, kjemiske apparater osv.

PVC, polyvinylklorid Polyvinylklorid blir fremstilt etter tre meto­ der: emulsjonspolymerisasjon (E), suspensjonspolymerisasjon (S) og massepolymerisasjon (M). Molekylstrukturen styres ved hjelp av reaksjonstemperaturen. PVC har ho­

Polymere materialer vedsakelig en amorf struktur med 10-15 % krystallinske områder. PVC har en tetthet på 1,38 g/cm3 og en T på 80 °C. Maksimal og kontinuerlig brukstemperatur ca. 65 °C for PVC-hard og 55 °C for PVC-bløt. Norsk Elydro har utviklet en ny type PVC med langt bedre temperatur- og slitasjeegenskaper enn tidligere kvaliteter. Den nye tverrbundne PVC tåler langvarig temperaturbelastning på 125 C. Egenskapene til PVC er på den ene siden avhengige av den kjemiske sammensetningen og den strukturelle oppbygningen og av polymerisasjonsteknikken, og på den annen side av virkningen av additivene. Ved emul­ sjonspolymerisasjon får man transparente pro­ dukter med høyt vannopptak. Suspensjonspolymerisasjonen gir gode elektriske egenska­ per og lavt vannopptak. Metoden kan gi glass­ klare produkter. Massepolymerisasjonen gir høyeste grad av transparens. Det additivet som har størst innvirkning på egenskapene, er mykningsmidlet. Alt etter typen og andelen får man alle overganger fra PVC-bløt til PVC-hard-kvaliteter. PVC-hard er karakterisert ved stor stivhet og hardhet, og er sprø i kulde. Den har høy kjemikalieresistens, er gjennomskinnelig til glassklar, alt etter stabilisering og pigmentering, er selvslokkende når flammen tas bort, avgir saltsyre under brann, og har lav permeabili­ tet for oksygen og karbondioksid. Den er lett å lakkere og har utmerket sveise- og klebbarhet og god termisk formbarhet (vakuumforming). Eksempler på bruk av PVC-hard er rørled­ ninger. armatur, fittings, drensrør, apparater for kjemisk industri, ekstruderte profiler, vindusrammer og veggpaneler, innpaknings­ folier. skumplast osv. PVC-bløt er karakterisert ved gode elek­ triske egenskaper i lavspennings- og lavfrekvensområdet. Den har god resistens mot mange kjemikalier, men sveller i bensol, drivstoffblandinger og enkelte løsemidler. Eksempler på bruk av PVC-bløt er håndtak, kabel- og trådisolasjon, slanger, dempingselementer, tetninger, gulvbelegg, isolasjonsfolier, transportbånd og skumplast.

37

Kapittel 2

Suppebeholder i modifisert PVC (med tverrbundne molekylkjeder) kan tas direkte fra fryseren og settes inn i mikrobølgeovnen. Suppebeholderen i ikke-modifisert PVC tåler ikke en slik behandling PVC kan sveises , men liming er vanskelig selv om PVC er polart fordi det er tungt løse­ ligPVC blir fremstilt i Norge av Hydro i Pors­ grunn. Polyvinylacetat, PVAC og polyvinylalkohol, PVAL, blir fremstilt av A/S Borregård i Sarpsborg. PVAC blir også frem­ stilt av Dyno Industrier og Jotun.

PET(P), polyetylentereftalat PBT(P), polybutylentereftalat PET og PBT blir fremstilt ved polykondensasjon av henholdsvis tereftalatsyre og dimetyltereftalat med henholdsvis etylenglykol og butandiol 1.4 og med bruk av spe­ sielle katalysatorer. Det blir fremstilt et helt sortiment av typer alt etter hvilke egenskaper man ønsker, og bruksområdene:"

• Uforsterket for sprøytestøping, lett å bear­ beide, lett formbar • Glassfiberforsterket. Med et glassinnhold fra 10-50 % får komposittet høy mekanisk styrke, hardhet og stivhet og formbestandighet i varme • Brannsikre typer med og uten glassfiberarmering. Egner seg godt for elektro­

•

•

• •

tekniske deler som skal ha høy brann­ sikkerhet og god motstand mot krypestrømmer Glasskulefylte typer med god stivhet og formbestandighet i varme. Fremragende overflatekvalitet og isotropisk svinn Mineralfylte typer med høy stivhet, god seighet og god form- og dimensjonsbestandighet (dimensjonsstabil). Et rimelig materiale for presisjonssprøytestøping av komponenter med strenge toleransegrenser Slagseigmodifiserte typer med høy slagseighet, også ved lave temperaturer Typer med ulik viskositet for ekstrudering av folier, profiler og rør og for belegging av papir og kartong

De mekaniske egenskapene som stivhet, styrke og seighet er avhengige av typen. Uforsterket har materialene en fint avstemt kombinasjon av midlere stivhet og styrke sam­ tidig med god seighet og formbestandighet i varme og fremragende dimensjonsstabilitet. De står godt mot overflateslitasje, og de har gode glideegenskaper. Ved forsterkning med glassfibrer blir styrke og stivhet (E-modul) betydelig høyere enn ved uforsterkede typer, men seigheten avtar. Additiver som bedrer

38 brannsikkerheten, har liten innflytelse på Emodulen. Termiske egenskaper. Polyetylen- og butylentereftalatene er delkrystallinske plas­ ter og har derfor et noenlunde bestemt smeltepunkt. For PBT ligger det omkring 220 °C og for PET noe høyere (opp mot 280 °C). Den høye krystallinske andelen gjør at disse plastene tåler korttidsoppvarming til like un­ der smeltepunktet uten å bli deformert eller skadd. Maksimal kontinuerlig brukstem­ peratur er 150-180 °C. PET og PBT har lav termisk utvidelseskoeffisient, særlig når de er forsterket med glassfibrer. De elektriske egenskapene er meget gode, og PET og PBT har derfor fått stor betydning i elektroteknikk og elektronikk. De har gode isolerende egenskaper (gjennomgangs- og overflatemotstand) kombinert med høy gjennomslagsfasthet og krypestrømfasthet. Med brannhemmende additiver tilfredsstiller de krav til forhøyet flammesikkerhet. Bearbeidbarheten til PET og PBT er god. De lar seg bearbeide med alle kjente metoder som nyttes for termoplaster. De viktigste er sprøytestøping av formdeler og ekstrudering av rør. profiler, plater og folier. Materialene egner seg for lakkering. De står godt mot organiske løsemidler, bensin, diesel og smøremidler. Bruksområdene er mange. Eksempler er lampesokler. stikkontakter, mikrobrytere. re­ leer, spoilere. vindusviskere, sokkeldel til kaffemaskin. hårfønere osv. PET brukes til fremstilling av fibrer, folier og sprøyte-strekkblåste kanner, termoformet emballasje og flasker for drikkevarer. Flasker os flaskeavfall er lett å resirkulere.

EP, epoksy Utviklingen av epoksy herdeplast startet hos CIBA, Sveits, og produktet fikk navnet Araldit. Sammen med en herder dannes det et tredimensjonalt nettverk, og vi får en herdeplast. Utherdingen kan skje ved romtem­ peratur. men en forhøyet temperatur gir større styrke. Krympingen under herdeprosessen er mindre enn hos andre herdeplaster. Egenska­

Polymere materialer pene til epoksyene kan varieres ved valg av herder. Epoksyproduktene er mer kjemikalieresistente enn polyesteme. I utherdet tilstand er EP uten lukt og smak og ikke giftig. EP brenner med en lysende, sotende flamme når flammekilden er tatt bort. Halogenerte epoksyer er imidlertid selvslokkende. Ved tilsetting av fyllstoffer kan styrke, hardhet og slitestyrke påvirkes i gunstig ret­ ning. Likeså avtar volumkrympingen og den termiske utvidelseskoeffisienten. Epoksyene har gode elektriske og termiske egenskaper. I elektroteknikken brukes EP blant annet til innstøping av kabelforbindelser i transformatorer og elektronikkprodukter. Epoksyforbindelser er svært reaktive. Sammen med bruken av anhydrider og aminer som kryssbindemidler har dette ført til sensibilisering og derav følgende eksem el­ ler astma. Epoksy herder ikke 100 %, og det vil derfor kunne frigjøres rester av monomerer og aminer ved for eksempel mekanisk bear­ beiding av plasten. Epoksyene har utmerket adhesjon til de fleste overflater. Som laminatlim i glassfiberforsterkede produkter har de seige epoksyene vist seg å være svært gode. Epoksylim blir også brukt i limte trekonstruk­ sjoner. Et interessant område er liming av metaller i stedet for nagling eller sveising. Limte forbindelser gir en jevnere spenningsfordeling i sammenføyningen. Liming av metaller får økt anvendelse i bilindustrien, elektronikken og båtbyggingen.

PF, fenol-formaldehyd Fenol-formaldehyd er det eldste syntetiske herdeplastmaterialet. Det ble oppfunnet i 1907 av Baekland. Molekylkjedene tverr­ bindes under tilvirkningsprosessen, og vi får et tett, stivt nettverk. PF er hardt, termostabilt og formbestandig i varme; det er sprøtt, men blir sterkere med fyllstoffer eller armering. Kjemikalieresistensen er god. men det angri­ pes av syrer og baser. Som ren plastmasse brukes PF som lim og bindemiddel i laminater av papir, tre og vevde matter. Den overveiende delen av PF blir til­ satt fyllstoffer som for eksempel tremel, cel­

Kapittel 2 lulose, tøyfiller, papir osv. Sammensetningen av massen er standardisert. De får et kode­ nummer som viser typen av fyllstoffer og mengden av dem. Bruksområdet til PF er svært stort. PF blir brukt til plater og laminater for innredningsformål, til beslag og til en rekke deler i elektroindustrien.

MF og UF, melamin- og urea-formaldehyd Til gruppen aminoplaster hører melamin- og urea-formaldehydene. Den kjemiske resisten­ sen er god, noe svakere enn for PF-plastene. De er krypestrøm- og lysbuefast og ikke an­ tennelige; de forkuller i flammer. Ureaplastene bør ikke komme i berøring med mat­ varer. Som for PF er MF og UF standardiserte. Ved termisk nedbryting og bearbeiding av MF er formaldehyd det toksiologisk viktigste nedbrytningsproduktet. Ferdigherdet plast er også i stand til å avgi formaldehyd og andre lavmolekylære forbindelser som kan gi irri­ tasjon i hud og luftveier.

Forskjellige husholdningsdeler i MF (melamin)

39 MF brukes i elektroindustrien til ulike elek­ triske artikler, kopper og tallerkener (turartikler), laminater (Respatex) osv. UF (karbamid) brukes til toalettseter, håndtak, elek­ triske artikler, knapper, stikkontakter osv.

UP, umettet polyester UP armert med for eksempel glassfiber er hard, seig, har god formbestandighet i varme og er værbestandig. Den er transparent og lett innfargbar. UP blir brukt til laminatoppbygging og kan bearbeides med sponende metoder. Uttrykket umettet kommer av at polyestermolekylene har flere reaktive dobbeltbindinger. Ved å bruke ulike typer syrer og glykoler som utgangsråstoffer kan vi frem­ stille ulike typer UP. Den kjemiske resisten­ sen mot syrer og baser er i enhver konsentra­ sjon god. Mot løsemidler er UP ikke så god. Vannopptaket er lite. UP i forbindelse med forsterkermaterialer er omtalt i kapitlet om kompositter (side 74).

40

Polymere materialer

Forskjellige elektriske artikler i polyester Glassfiberarmert polyestere har tallrike bruksområder. De blir brukt til beholdere, oljetanker, rørledninger, båter, karosserier, skillevegger, badekar og dusjkabinetter, ski, kofferter osv.

PP, polypropylen Isotaktisk polypropylen av høy krystallisasjonsgrad blir fremstilt ved hjelp av en ka­ talysator gjennom polymerisasjon av propylen. Karakteristisk for isotaktisk PP er den identiske romlige anordningen av metylgruppene på hvert annet karbonatom. Denne svært regelmessige oppbygningen gjør dannelsen av krystallinske områder lettere. Mellom disse er-der ca. 30 % ikke-krystallinske amorfe områder. PP har en tetthet på 0,91 g/cm3, som er den laveste tettheten av alle termoplastene. PP har en glasningstemperatur T på -10 °C og en brukstemperatur på 70-80 °C alt etter typen. Egenskaper. Den delkrystallinske oppbyg­ ningen gir PP høy styrke og stivhet (E-mo­ dul), mens den amorfe delen gir kjedesegmentet høy bevegelighet, fleksibilitet og seighet. PP har høy hardhet og svært god kjemikalieresistens, svært høy temperatur-

bestandighet med brukstemperatur fra 80 °C og opp til 110 °C alt etter typen (korttidstemperatur opp til 140 °C). PP har lavt vannopptak og dermed høy formbestandighet, høy seighet og liten tendens til spenningsriss. Den har en utmerket akustisk demping og svært god bearbeidbarhet. Gjennom variasjon av molekylvekten og -fordelingen, og ved modifisering, får vi en rekke PP-typer med ulike egenskaper som kan tilpasses bruksformålet. PP kan bearbeides med alle vanlige metoder for termoplastiske materialer. Folier av PP kan sveises med de vanlige sveisemetodene for plast, men kan ikke høyfrekvenssveises. PP er en nesten upolar plast, tungt løselig og derfor ikke uten videre limbart. Det må forbehandles. Ved hjelp av spesielle primere som påføres umid­ delbart før limingen, kan overflatene prepareres slik at limet hefter godt. Full styrke fås først etter en tids lagring. Forsterket PP. Som følge av økte krav til materialene har man modifisert PP gjennom bruk av forsterkermaterialer som mineraler, glassfibrer, oppmalt glassfiber og mikroglasskuler. Forsterket PP har bedre kjemi­ kalieresistens, større styrke og formbestan-

Kapittel 2 dighet i varme, støne hardhet og trykkfasthet og mindre termisk utvidelse, seighet og for­ lengelse enn uforsterket PP. Bruksområder. PP har mange bruksområ­ der, for eksempel deler til bilindustrien som luftinntakskanaler, støtfangere, innvendig kledning og deksler. Videre til elektrodeler, oppvaskemaskiner, husholdningsartikler, steriliserbare medisinske apparater, fittings, transportbeholdere osv. PP leveres som pla­ ter, ekstruderte profiler og folier, monofilamenter for vevde produkter, tau, teppegam, møbeltrekk osv. PP kan leveres i alle ønske­ lige farger med god fargekvalitet.

Cellulosederivater, CN, CA, CAB, CAP Cellulosederivatene hører til de halvsyntetiske plastene, det vil si at råstoffene er naturlige. Cellulose er bygd opp av molekylkjeder som er knyttet sammen i krystallitter. Molekylkreftene mellom OH-gruppene er svært stor. CN, cellulosenitrat (celluloid) ble oppfun­ net i 1869. Den tilvirkes ved innvirkning av en blanding av svovel- og salpetersyre på cel­ lulose. Myknet med kamfer gir det et sterkt og glassklart materiale. Det er svært brenn­ bart, og det brenner med en lys flamme og lukter kamfer. Det brukes til fremstilling av innpakningsfolier, baller, leketøy, kammer, toalett­ artikler, esker osv. CA, celluloseacetat blir fremstilt ved at cellulose reagerer med eddiksyre. I motset­ ning til CN er CA tungt antennelig. CA tilvir­ kes for det meste gjennom sprøytestøping. Bruksområdene er omtrent som for CN. CAB, celluloseacetatbutyrat får man ved at cellulosen reagerer med eddiksyre, smør­ syre og propionsyre. CAB står godt mot olje, ikke fullt så godt mot alkoholer og drivstoffer. Det er brennbart. Det nyttes blant annet til møbelbeslag, telefonapparater, instrumentknapper, folier, solbrilleglass osv.

PUR, polyuretan Polyuretan forekommer i en rekke ulike vari­ anter både som lineær polymer og nettverkspolymer. Alt etter hvordan reaksjo­ nen styres, får man ulike typer polyuretan.

41 PUR kan være både termoplast, herdeplast og elastomer. Lineært PUR har en tetthet på 1,17-1,27 g/cm3. Det haren brukstemperatur på 70-90 °C. Krystallittsmeltepunktet ligger i området 150-180 °C. Som elastomer har det en tetthet på 1,26 g/cm3. Noen typer tåler tem­ peraturer opp til 350 °C, men de fleste typene har en temperaturgrense på 80-110 °C. PUR er fast, seigt og har en hardhet som kan stilles inn etter ønske og krav. Vannopptaket er lite. Det har en brun egenfarge og kan bare farges i mørke farger. Det har god lakkerbarhet (av stor betydning i bilindu­ strien). PUR står godt mot svake syrer og ba­ ser, bensin, olje og fett. Det er betinget værbestandig. Det har høy slitestyrke og god bøyelighet/fleksibilitet innenfor et bredt temperaturområde, ikke minst ved lave tem­ peraturer. PUR er tungt antennelig. Det bren­ ner med en lysende flamme og har en stik­ kende lukt. Termoplastisk klorert polyuretan brenner ikke. Fremstillingen av PUR og bearbeiding av ikke-utherdede polyuretaner er omfattet av en rekke miljømessige forordninger. Ekspone­ ring for monomeren isocyanat kan, selv i lave konsentrasjoner, medføre sensibilisering og en meget alvorlig astma. Det kan også gi tåkesyn og bronkitt, og det er observert at lungefunksjonen blir dårligere enn normalt ved varig arbeid med fremstillingen av PUR. En del av de tilsetningsmidlene som nyttes, må også regnes som helseskadelige. Det viktigste bruksområdet for PUR er i form av skumplast. Polyuretanskum blir frem­ stilt gjennom en polyaddisjon av tre hoved­ komponenter, langkjedete polyester- og polyeterpolyoler, kortkjedete dioler og diisocyanater, og en katalysator for å aktivere den kjemiske prosessen. Alt etter i hvilket forhold komponentene blandes, får man forskjellige skummingsgrader med ulik tetthet. Polyuretanskumplast består av ca. 5 % cellemateriale (plast) og 95 % gass (luft). Bløttpolyuretanskum med åpne celler bru­ kes blant annet til svamper, i møbelindustrien og til madrasser. Det er også utmerket til lydisolasjon. Halvhardt skum har en større grad av

42

nettverksstruktur enn bløtt skum. På grunn av den høyere stukningshardheten er halvhardt polyuretanskum fint til formpolstring med støtdempende egenskaper. Ved å variere rom­ vekten og tilvirkningsprosessen kan man va­ riere egenskapene. Hardt polyuretanskum, også kalt integralskum, er et utmerket isolasjonsmateriale med et varmeledningstall på 0,0197-0,0232 W/ mK (0,017-0,025 kcal/mh°C). Til sammen­ ligning har glassvatt 0,03 og steinull 0,04 W/ mK. Integralskum har et tett og stivt nettverk og lukkede porer og er fremstilt på en slik måte at det får en tett og hard randsone som konti­ nuerlig går over i en mer mikroporøs kjerne­ sone. Hardt polyuretanskum har en trykkfasthet på ca. 20 N/cm2 ved en tetthet på 30 kg/m3 og en trykkfasthet på ca. 40 N/cm2 ved 50 kg/m3. Herfra øker den omtrent lineært med tettheten. Hardt polyuretanskum er stivt i seg selv, og i sandwichelementer laminert med for eksem­ pel møbelfiner, sponplater, gipsplater eller aluminium gir det et lett byggeelement med stor styrke. Hardt polyuretanskum brukes også i bilindustrien til støtfangere, pakninger og slanger i hydrauliske systemer, overflater i ruller fordi det er slitesterkt, og til andre detaljer.

PS, polystyren Standard polystyren blir fremstilt ved polymerisering av styren. Det har en tetthet på 1,05 g/cm3 og en brukstemperatur på 6575 °C alt etter typen. Glasningstemperaturen T ligger på 80-100 °C. ' PS er hardt, stivt og sprøtt slik at det ikke er slagfast (det kan modifiseres slik at det blir slagfast). PS har svært gode elektriske og dielektriske egenskaper, lavt vannopptak og derfor høy dimensjonsstabilitet. Det er glass­ klart, lett å farge inn og er uten lukt og smak. Produkter av PS tilvirkes hovedsakelig gjennom sprøytestøping, sprøyteblåsing og ekstrudering og gjennom varmforming. En stor del går også til skumplast (med handelsnavn som isopor og styropor). PS kan sveises og limes, står godt mot syrer og ba­

Polymere materialer ser, alkoholer, fett, olje og saltløsninger, men ikke så godt mot bensin, bensol og en del løsemidler. PS er lett antennelig og brenner med en lysende sotende flamme og lukter søtlig. PS er en relativt billig plast. Gjennom polymerisering med andre monomerer (kopolymerisering) eller blanding med andre polymerer (polyblends) kan det fremstilles en rekke polystyrentyper med et bredt spekter av egenskaper. SB. Hvis polystyren blir polymerisert med granulert butadienkautsjuk, får vi slagfast polystyren, SB. Vannopptaket er noe større enn for PS, og det er heller ikke så værbestandig. Denne ulempen kan delvis eli­ mineres ved stabilisatorer. Transparent SB slipper 90 % av lyset igjennom og har en glansgrad som standard PS og betydelig over andre styren-kopolymerisater. Det høytransparente SB er bruddsikkert, fysiologisk sik­ kert og steriliserbart. Produkter til medisinsk bruk tilvirkes ved sprøytestøping og sprøyte­ blåsing. SAN. Blandingspolymerisater med akrylnitril (SAN) har gitt teknisk interessante polymerer som, sammenlignet med standard PS, har høy styrke, hardhet og formbestandighet i varme. Det er seigt som PS, glass­ klart, transparent, opakt og lett å farge inn. Vannopptaket er høyere enn for PS. SAN er ugjennomtrengelig for vann, men vanndamp og gasser kan diffundere i en viss utstrekning. Det har god kjemisk resistens mot bensin, olje og fett, men er ømfintlig for en rekke løse­ midler. Den kjemiske resistensen øker med økende innhold av akrylnitril. Produkter til­ virkes hovedsakelig ved sprøytestøping. SAN kan sveises og limes. Det kan forsterkes med glassfibrer, vanligvis med 35 %. Det øker stiv­ heten og formbestandigheten i varme og set­ ter ned den termiske utvidelseskoeffisienten. SAN er mindre ømfintlig for spenningsriss enn PS. ASA. Ved å bytte ut butadienkautsjuk med elastomerer på akrylesterbasis får man akrylnitril-styren-akrylester, ASA. Den står bedre mot lyspåvirkning og termiske påkjen­ ninger, og er lettere å bearbeide enn for ek­ sempel ABS. Den har lavere vannopptak enn

Kapittel 2 PS og er metalliserbar i vakuum. Produkter av ASA tilvirkes ved sprøytestøping, ekstrudering og ekstruderblåsing. ASA kan sveises og limes. Anvendelser. Standard PS blir brukt til blant annet spisebestikk, emballasje, i elektro­ teknikken til spoler, isolasjon, brytere, lampe deksler, radio, fjernsyn, telefonapparater osv., i farmasøytisk industri, til leketøy osv. Polystyrenskum brukes i form av plater, formstøpt (ekspandert) emballasje og kjerner i sandwichelementer og som integralskum i møbler, blomsterkasser, svømmevester, gamblåser osv.

43 SB brukes til emballasje av levnetsmidler, farmasøytiske produkter og kosmetiske pro­ dukter og ellers til lignende formål som PS. SAN brukes til bestikk for hjem og reiser, vannmålere, telleverk, batterihus, husholdningsmaskiner og ellers til de samme formå­ lene som PS. ASA brukes til telefonbokser, ventilatorhus, trafikklysutstyr, i kofferter, veiskilt, sur­ febrett, hagemøbler osv.

POM, polyoksymetylen Polyoksymetylen, også kalt polyacetat, ble først produsert av DuPont i 1958. Det er en

Blandebatteri i POM er dimensjonsstabil og korrosjonsresistent

Polymere materialer

44

høykrystallinsk termoplast med en tetthet på 1,41 g/cm3. Krystallittsmeltepunktet er 170— 180 °C, og kontinuerlig brukstemperatur lig­ ger på rundt 100 °C. Det blir produsert i en rekke typer for ulike formål. POM har stor seighet, også ved lave tem­ peraturer (inntil -40 °C), høy hardhet og me­ kanisk styrke, høy stivhet (E-modul) og god formbestandighet i varme, og utmerkede fjæ­ rende egenskaper. POM har gode glideforhold, lav friksjonskoeffisient og står godt mot slitasje. POM er opakt, kan farges, har lavt vannopptak og dermed god dimensjonsstabilitet. POM er relativt upolart, har gode elektriske egenskaper og små dielek­ triske tap. Det har god kjemisk resistens mot for eksempel brennstoffer og organiske løse­ midler, men angripes av sterke syrer og ba­ ser. POM påvirkes sterkt av UV-stråling og mister raskt styrke og seighet under væreksponering hvis man ikke tar spesielle forholdsregler. Stabilisering kan oppnås ved additiver, spesielt oppnås god værbestandighet ved tilsetning av sot. Produkter av POM fremstilles ved sprøytestøping, men også ved ekstrudering. Det kan være uforsterket eller forsterket. Det er lett formbart med sponende metoder, og er sveisbart. POM er bare betinget limbart, det vil si at man må behandle flatene for å få en noenlunde styrke mot skjærespenninger. Det brenner med en svakt blålig flamme. Anvendelse. POM brukes til beslag, til de­ ler i finmekanikken, i telefoner, radio- og fjernsynsapparater, til husholdningsartikler og til ulike formål i elektroteknikken. POMkopolymerer brukes i tannhjul, vifteblader og pumpe- og ventildeler.

PMMA, polymetylmetakrylat Polymetylmetakrylat blir også kalt akrylglass, med kjente handelsnavn som Pleksiglass, Perspex osv. Den har en tetthet på 1,18 g/cm3, T, ligger på 105 °C, og kontinuerlig brukstemperatur ligger alt etter typen mellom 75 og 95 °C. PMMA er en termoplast som består av lange molekylkjeder, vanligvis uten sidegrener og nettverksstruktur. Den polyme-

riseres av akryl- og metakrylester ved hjelp av katalysatorer og varme. PMMA er full­ komment glassklart og har et utseende med høy glans. Det er hardt, stivt, sprøtt (lav slagseighet), har høy styrke, er ripefast, lett å farge, svært værbestandig, UV-bestandig og tåler sol og varme. På grunn av sine interessante optiske egen­ skaper og delvis fordi det er lett å bearbeide, har ikke-modifisert PMMA i lang tid hatt en mangesidig optisk anvendelse i linser. Det brukes også som lysleder i optiske kabler. Produkter av PMMA tilvirkes hoved­ sakelig ved sprøytestøping og ekstrudering (rør, profiler, plater). Ved oppvarming til ca. 150 °C blir PMMA plastisk og kan lett bøyes, blåses eller dyptrekkes til formlegemer (vakuumforming). PMMA kan sveises og limes og er lett å bearbeide med skjærende verktøy. Metylmetakrylat kopolymerisert med akrylnitril gir et slagfast PMMA. Denne ty­ pen kan bare støpes. PMMA står godt mot svake syrer og baser, saltløsninger, alifatiske hydrokarboner (upolare løsemidler), fett, olje og vann. Det brenner med en lysende flamme. Arbeidsmiljømessig vurdering. Ved termisk nedbryting dannes alt overveiende monomeren metylmetakrylat, som kan føre til eksem og sannsynligvis astma. Ved mekanisk bearbeiding av PMMA utvikles et fint støv og monomerholdige damper som, foruten de sensibiliserende egenskapene, også virker ir­ riterende på de øvre luftveiene. Ved tempe­ raturer over 450 °C utvikles formaldehyd. PMMA brukes til beslag, solariumdeksler, vaser, skilt, baklys på biler, urglass, optiske linser, optiske kabler, sanitærartikler, tannmedisinske artikler, rør, plater, fylle­ penner, tastaturer, «sement» til proteser osv.

PC, polykarbonat Polykarbonat er en amorf termoplast med en tetthet på 1,20 g/cm3. Det har en T på 150 °C og et smeltepunkt på 225 °C mecf en maksi­ mal brukstemperatur på 135 °C. PC er hardt og stivt med svært god

Kapittel 2

45

Lyskasterhus i PC slagseighet, også i kulde (ned til -50 °C). Det har høy formbestandighet i varme, er glass­ klart og kan farges. Det er videre lakkerbart, værbestandig og har lavt vannopptak og der­ med god dimensjonsstabilitet. PC er svakt polart med gode elektriske egenskaper og lavt dielektrisk tap. Det står godt mot olje, bensin, alkohol og svake syrer og baser, klorerte hy­ drokarboner, en rekke løsemidler og varmt vann. Utsatt for vær og vind gulner PC gjeme til å begynne med. Nedbrytingen går ikke i dybden, og de mekaniske egenskapene foran­ drer seg ikke særlig. PC er tungt antennelig og selvslokkende. Produkter i PC tilvirkes fortrinnsvis ved sprøytestøping og ekstrudering, men også ved ekstruderblåsing. Det er lett å bearbeide med sponende verktøy og kan høyglanspoleres. Det kan sveises og limes. På grunn av de gode mekaniske egenska­ pene i et temperaturområde fra -140 °C til + 135 °C er PC en god konstruksjonsplast. Det finnes en rekke polymermodifiserte

polykarbonater og blandinger (blends) for spesielle formål, for eksempel PC/ABS og PC/PBT. Anvendelser. PC blir brukt til kapsling (hus) for kontor- og husholdningsmaskiner, flasker, signallys, slagfaste lykteglass og glass i telefonkiosker, til vernehjelmer og til ulike formål i elektroteknisk og elektronisk indus­ tri. PC brukes også som materiale for lysledere og optiske kabler. Høyren PC haren høyere temperaturbestandighet enn de polymere materialene som hittil er brukt til lysledere. Dessuten er lysledere av høyrent PC karakterisert ved stor fleksibilitet og bøye­ lighet. Det er uømfintlig overfor vibrasjoner, mekanisk stabilt og har lite vannopptak. PC har en høy numerisk apertur på 0,54 (sinus til fiberens åpningsvinkel), som gir lave overføringstap.

PA, polyamid Polyamidene er blant de eldste polymerene (1930). Gjennom polykondensasjon av

46 adipinsyre og heksaetylendiamin får man PA 6.6, bedre kjent som nylon. Polykondensasjon av kaprolaktam og amino-kaprolaktam fører til PA 6 (handelsnavn perlon). Det finnes også andre typer polyamider og spesielle typer på basis av kopolyamider. PA danner en viktig gruppe av sterke og stive høykrystallinske termoplaster. Tettheten er 1,08-1,13 g/cm3, alt etter typen. Krystallisasjonssmeltepunktet ligger mellom 175 °C og 265 °C, og brukstemperaturen (langtids-) ligger, alt etter typen, mellom 80 °C og 120 °C. PA 6.6 har høy hardhet og stivhet, høy formbestandighet i varme, høy slitestyrke og gode glideegenskaper, høy dempingsevne, og god kjemikalieresistens unntatt for syrer og sterke baser. De mekaniske egenskapene er bestemt dels av den kjemiske oppbygningen og dels av vannopptaket. Det siste er større enn for de fleste andre plasttypene. I tørr tilstand, like etter tilvirkningen, er PA hardt og mer eller mindre sprøtt. I luft tar det opp fuktighet (et vannopptak på 2-3 %), og da blir det seigere. Man bør være oppmerksom på vannopptaket, fordi det er forbundet med volum- og dimensjonsforandringer. PA kan antennes og brenner med en ly­ sende blå flamme. PA er lett å bearbeide med sponende verktøy. Det sveises sjelden (kan friksjonssveises) og er bare betinget limbart. Det er polart, men likevel vanskelig å lime fordi det er tungt løselig. Polyamidene er del­ vis krystallinske og delvis amorfe, og har der­ for et melkeaktig, opakt utseende. Jo større den krystallinske andelen er, desto smalere er smelteområdet. Produkter av PA tilvirkes mest ved sprøytestøping. men det tilvirkes også halvfabrikater ved ekstrudering. I tillegg spil­ ler fremstilling av fiber (-tråd) en viktig rolle. Anvendelse. I energi- og teleteknikken blir PA brukt til en rekke formål på grunn av den høye gjennomgangs- og overflatemotstanden og den høye motstanden mot gjennomslag og krypestrømmer. I maskinindustrien brukes PA til tannhjul, lager, glideelementer, ruller, ven­ tiler, pumpehjul, transportkjeder osv. Andre

Polymere materialer områder er sprayflasker, ampuller og steriliserbar emballasje, poser, børster, fiskesnøre, tekstiler, tepper, tråd osv. Forsterkning av PA. PA har i mange år vært et attraktivt konstruksjonsmateriale. Gjennom forsterkning med glass- og karbonfibrer og spesialsilikater, fylt med kritt, talkum, glasskuler, og modifisert og blandet med andre polymerer, kan man få et bredt typespekter. Disse kan i tillegg gjennom additiver som smøremidler, stabilisatorer, brannhemmende midler osv. tilpasses ulike krav og forbedre spesielle egenskaper. Eksempler på forsterket PA er hus for elektroverktøy og i bilindustrien til kjøle- og ventilatorvifter, tannhjul, lyskasierhus, dørhåndtak, kulelagerbur og hjulkapsler. PA brukes også som belegg utenpå bensintanker av PEH for å hindre hydrokarboner i å lekke ut.

PTFE, polytetrafluoretylen Fluorplastene er en gruppe plaster med en rekke gode egenskaper. PTFE er en krystal­ linsk plast med et smeltepunkt på 327 °C. Det beholder sine mekaniske egenskaper i temperaturområdet fra -200 °C og opp til +260 °C. PTFE har en voksaktig overflate, er sterkt og har meget gode elektriske og dielektriske egenskaper. PTFE er tungt antennelig og brenner ikke. Det er opakt og har et minimalt vannopptak, er værbestandig og uten lukt og smak. PTFE står godt mot alle kjemikalier selv ved forhøyet temperatur, det har en me­ get lav friksjonskoeffisient og en selvsmørende effekt. Krystallittene smelter ved 327 °C, men blir ikke flytende. Det går over i en geléaktig tilstand og kan derfor ikke bru­ kes til sprøytestøping. PTFE i pulverform blir kompaktert (stangpresset) og sintret ved 370380 °C til bolter, plater og blokker som der­ etter blir bearbeidet med sponende verktøy til ønsket form. Ved en regelmessig innbygging av etylen i polymerkjeden kan PTFE modifiseres slik at det blir termoplastisk bearbeidbart. Dermed blir bruksområdet betydelig utvidet. PTFE er bare betinget sveisbart og limbart.

47

Kapittel 2 De andre fluorplastene, som PCTFE, polyklortrifluoretyn, PVF, polyvinylfluorid, og PVDF, polyvinylidenfluorid har lignende egenskaper som PTFE, men i motsetning til denne kan de bearbeides ved de vanligste metodene for termoplastiske polymerer. De kan sveises, men er vanskelige å lime.

PBI, polybenzimidasol PBI er en polymer som er utviklet innenfor høyteknologimaterialene. Opprinnelig ble det utviklet for NASA for romfart. Det ble brukt til sikkerhetssnor og som materiale til vemeklær for amerikanske astronauter. PBI har nå fått en rekke andre oppgaver. Det er ekstremt ildfast. I en flamme brytes det ned først ved en temperatur på 580 °C. Det bren­ ner ikke og produserer derfor heller ikke røyk eller brennbare gasser. Det forkuller. På mange områder har det erstattet asbest. PBI har ikke bare gode isolasjonsegenskaper, men er også utmerket kjemikalie- og løsemiddelresistent. PBI-fibrer har tekstillignende egen­ skaper, de har et fuktighetsopptak som kan sammenlignes med bomull, og gir den samme behagelige komfort. PBI kan nyttes innenfor et vidt temperaturområde, helt fra -175 °C og opp til +425 °C, korttids opp til 750 °C. Den egenskapen at de tåler høye tempe­ raturer og kjemikaliepåvirkning, har vist seg fordelaktig for lukkere og tetninger for petro­ kjemiske og geotermiske anlegg. Den høye Emodulen og en fremragende trykkfasthet har ført til at PBI brukes til lager og muffer. Det brukes også i stabilisatorer og dyser i raket­ ter.

PPO, polyfenylenoksid PPO har en tetthet på 1,06 g/cm3, en Tg på 130-145 °C, og en brukstemperatur på 80g°C. PPO er hardt, stivt, slagseigt, har gode glideegenskaper, er ripefast og har høy formbestandighet i varme. Det er flammesikkert og har gode elektriske og mekaniske egenskaper. Vannopptaket er minimalt, og dimensjonsstabiliteten er svært god. PPO hø­ rer til gruppen konstruksjonsplaster i likhet med PA. PC og POM. PPO er opakt, kan far­ ges og er steriliserbart. PPO står godt mot

syrer, baser og alkoholer, det tåler kokende vann og ellers alle medier det kommer i kon­ takt med i husholdningen. De viktigste bruks­ områdene er husholdningsmaskiner og medi­ sinsk steriliserbart utstyr.

PPS, polyfenylensulfid PPS er en lineær, delkrystallinsk termoplast. Fenylenringer og svovelatomer danner rygg­ raden i makromolekylet og gir PPS en rekke attraktive egenskaper. PPS uten forsterkning har lav formbestandighet i varme. Ved arme­ ring med glassfibrer blir den betydelig bedre. PPS tåler høy kontinuerlig temperatur, opp til 220 °C, kortvarig opp til 260 °C. Den er brannsikker uten additiver, har svært god kje­ mikalie- og oksidasjonsresistens, gode elek­ triske egenskaper, høy hardhet og stivhet, lavt vannopptak og høy dimensjonsstabilitet og har liten tendens til siging selv ved forhøyet temperatur. PPS leveres i pulverform og som granulat. Produkter av PPS kan tilvirkes ved sprøytestøping og ekstrudering. Gjennom valget av og mengden av additiver, og valget av smelteviskositet kan man få ulike typer av PPS. Spesielt lettflytende og armerte typer egner seg for tynnveggete formdeler som har ugunstige forhold mellom flyteveier og veggtykkelse. PPS egner seg til ulike formål i elektro­ teknikken og elektronikken, for eksempel til stikkontakter, spoler, releer, brytere og hus for kondensatorer og transistorer. I bilindustrien brukes PPS i stigende grad til luftinntakssystemer, pumper, ventiler, tetninger osv. For mange formdeler som i praksis blir ut­ satt for store påkjenninger, er PPS et alterna­ tiv til lettmetaller, herdeplaster og mange an­ dre termoplaster.

Elastomerer Elastomerer er polymermaterialer med et tre­ dimensjonalt molekylnettverk. De er gummiaktige og beholder denne egenskapen ned til området -10 til -60 °C. De har stor forlengelse som kan gå opp til 800-1000 prosent. De får en ubetydelig varig forlengelse etter en be­ lastning. Elastomerene kan være blandinger av

48

Polymere materialer

Trykkfast rørarmatur i PSU

termoplaster eller herdeplaster med fyll­ stoffer, myknere og andre hjelpestoffer. Ved å variere andelen av komponentene får man et bredt egenskapsspektrum. Gummi får man gjennem vulkanisering av naturkautsjuk. Syntetiske elastomerer får man fra ulike typer polymere kautsjuker. Gummi og syntetiske gummityper er be­ handlet på side 19.

produkter har, ligger i den orienteringen som den flytende krystallinske fasen får i strømningsretningen. Denne orienteringen behol­ des for en stor del i avkjølt tilstand. Produk­ ter fremstilt ved sprøytestøping har ofte mineralske fyllstoffer, eller de kan være for­ sterket med fibrer. Det bedrer dimensjonsstabiliteten. formbestandigheten i varme,

LCP, flytende krystall-polymerer Alt etter molekylstrukturen og dermed stiv­ heten til molekylkjedene får man ulike typer av LCP-er. LCP har en dimensjonsstabilitet, styrke og stivhet som langt overstiger de fleste kjente termoplaster. De kan sammenlignes med stå] og keramikk. Dertil er LCP vesent­ lig lettere og mer kjemikalieresistent. LCP kan bearbeides ved sprøytestøping, ekstrudering og termoplastiske metoder, er tungt antennelig og tåler en kontinuerlig tem­ peratur på 240 °C. Den store styrken som ekstruderte LCP-

LC-polymerens molekylstruktur. Under bearbeidingen for eksempel ved ekstrudering og sprøytestøping far krystallområdene en unidireksjonal orientering, og dette gir svært stor styrke i orienteringsretningen

49

Kapittel 2 branntekniske forhold og kjemikalieresistensen. Den høye størkningshastigheten gir korte syklustider. LCP blir brukt for visning av data i lommekalkulatorer, i ur og i instrumenter i biler, bildeskjermer for datamaskiner og i de store veggfargebildeskjermene. Til dette for­ målet er det utviklet spesielle ferroelektriske flytende krystaller. Reaksjonstiden for hvert bildepunkt ligger i størrelsesorden 10-6 s. Der­ med får man skarpe og kontrastrike bilder.

Egenforsterkede plastfibrer Styrken og stivheten i en polymerkjede er svært høy i kjederetningen, men lav normalt på denne. Det betyr at hvis man ønsker stor styrke i en plastkonstruksjon, må flest mulig av polymerkjedene være orientert i belastningsretningen. Den enkleste teknolo­ gien for å få en orientert molekylstruktur, maksimal anisotropi, ligger i fibertilvirkningen. Plast er generelt et amorft mate­ riale, men noen plaster har en viss krystallinitet, og dette gir økt styrke og stiv­ het (E-modul). Jo høyere andelen er av krystallinske områder, og jo mer orientert disse er, desto større blir strekkfastheten. Gjennom kaldstrekking av en delkrystallinsk polymer vil de sfærolittiske krystallinske områdene bli plastisk deformert, sfærolittene blir elliptiske og får til slutt en fiberaktig struktur. Ved polyetylen har en slik egenforsterkning gitt en strekkfasthet på 3000 MPa og en E-modul på 100 GPa. Til sammen­ ligning har aluminium en E-modul på 70 GPa og stål 210 GPa.

Forskning og utvikling på polymerområdet Et tiltakende mellomfaglig samarbeid mellom makromolekylær kjemi, polymerfysikk, mate­ rialteknologi og ingeniørteknikk har gitt plastmaterialene en sjanse til å erobre nye og ti] dels komplekse bruksområder. Modifisering av de polymerene vi har, står i fokus og fører raskest til nye produkter. Det koster svært mye å bygge opp helt nye

produktlinjer og kommersialisere dem. Blant de feltene det forskes på, er:

• • • • •

Polymerblandinger (blends) Elektrisk ledende polymerer Høytemperaturpolymerer Polymerer med optoelektroniske egenskaper Kompositter

Polymerblandinger Polymerblandinger er ikke noe nytt. I mange år har vi for eksempel hatt ABS akrylnitridbutadien-styren og SAN, som er styrenakrylnitrid på basis av styrenpolymer, og an­ dre på basis av for eksempel polyamid og polyester. Noen polymerer er fullstendig blandbare, andre ikke. Disse siste blandingene, «blends», kan bestå av mikroskopisk små områder av forskjellige kjemiske sammensetninger og med ulike fysiske egenskaper. Egenskapene til de enkelte komponentene adderes til nye egenskapskombinasjoner. Går man ut fra kjente polymerer, kan man på denne måten få frem skreddersydde plastmaterialer for ulike anvendelser. Et eksempel er en kombinasjon av polyamid og polyfenyleter. Her gir PA seighet, kjemikalieresistens og en god bearbeidbarhet, mens PPE gir høy formbestandighet i varme, liten krymping og der­ med god dimensjonsnøyaktighet. Dessuten gjør PPE-andelen at vannopptaket blir mindre enn for ren PA. Blandingen kan forsterkes med glassfibrer. PA/PPE har særlig fått anven­ delse i bilindustrien (karosserideler som lakkeres). Andre eksempler er ABS/PC, ABS/ PVC og PP/EPDM.

Elektrisk ledende plast Elektrisk ledende plast er noe nytt. Plast er dårlige elektriske ledere. Den spesifikke elek­ triske resistiviteten ligger i størrelsesorden 1012—10’6 ohm/cm2. Det at plastene er elisolerende, er ofte en forutsetning for bru­ ken av dem. I andre tilfeller kan de gode egen­ skapene til plastene kombineres med evnen til å lede strøm. Ledende plaster kan realiseres på to prin­ sipielt ulike måter:

50 • Ved innarbeiding av ledende stoffer i den ikke-ledende plastmatriksen • Ved syntese av spesielle polymerer med konjugerte dobbeltbindinger, som etter en bestemt modifisering får høy ledningsevne

Følgende ledende stoffer arbeides inn i den ikke-ledende plastmassen: • Sot, grafitt, karbonfibrer • Metaller i form av pulver, fibrer og oblater (for eksempel Al, Cu, Fe, Ni, ferritter) • Metallbelagte fyllstoffer (for eksempel aluminiserte glassfibrer, forniklet glimmer osv.)

Høytemperaturstabile plaster

Polymere materialer løst ved å kombinere og bygge opp plastmonomerene på en slik måte at polymerene blir mer resistente mot varme. Sammenlignet med andre konstruksjonsmaterialer regner man med at høytemperaturplastene HT vil få en sterk vekstrate. Noen av grunnene til dette er: • En trend i retning av miniatyrisering av komponenter samtidig med en høyere varmebelastning • Tendens til i større grad å erstatte glass, keramikk og metaller med lett bearbeidbare plaster • Økende krav til sikkerhet (pålitelighet og tilgjengelighet), særlig når det gjelder formbestandighet i varme over lengre tid, branntekniske forhold, røykutvikling osv. • Meget god dimensjonsstabilitet

De fleste plastene er ikke særlig varmebestandige. Denne ulempen har kjemikerne

Brukstemperaturomrdder for en del høytemperaturstabile plasttyper

51

Kapittel 2 Av høytemperaturplastene har vi polytetrafluoretylen. PTFE, polyetersulfon, PESU, polysulfon, PSU, polyfenylensulfid, PPS, polyeterimid, PEI, polyamidimid, PAI, LCpolyester, polyeterketon, PEK og polyetereterketon, PEEK. For å bedre egenskapene ytterligere kan HT-plastene forsterkes, armeres, med for­ skjellige typer av fibrer. Høytemperaturplastene tåler ikke bare høye temperaturer kombinert med god formbestandighet i varme. De har også lavt vannopptak, de er dimensjonsstabile, har god strekk- og trykkfasthet og slagseighet og god kjemikalieresistens. Blant HT-plastene er polyetereterketon PEEK. PEEK er en delkrystallinsk termoplast som tilvirkes i fire varianter, standard, GF med 30 % glassfiberarmering, CF med 30 % karbonfibrer og en modifisert type med karbonfibrer. PTFE og grafitt (for å optimere de tribologiske egenskapene). PEEK har ut­ merket bøye- og strekkfasthet, høy seighet og

Fysiske egenskaper

Enhet

PEEK

PEEK GF

PEEK CF

Tetthet Smeltepunkt Vannopptak

g/cm3 °C %

1,32 334 0,5

1,49 334 0,11

1,44 334 0,06

Produktutforming, design av plastprodukter

Mekaniske egenskaper

Strekkfasthet 23 °C 150 °C 250 °C

MPa

92 34 12

157 90 37

208 98 43

250 300

250 300

250 300

140

315

315

4.7

2,2

1,5

Termiske egenskaper

Brukstemperatur kontinuerlig korttid

en meget god utmattingsfasthet. Glassfiber­ armert PEEK har en strekkfasthet på 210 MPa, og armert med karbonfibrer kan PEEK selv ved en temperatur på 200 °C ha en strekkfasthet på 60 MPa. PEEK har høy brukstemperatur sammen­ lignet med andre termoplastiske materialer. Selv etter lang tids varmepåkjenning behol­ des duktiliteten (formbarheten). Ved fiberforsterket PEEK av typene GF og CF lig­ ger varmebestandigheten på 300 °C. PEEK har lav termisk utvidelseskoeffisient, for PEEK CF30 er den 1,5-10 5.K1. De elektriske egenskapene er meget gode, og de beholdes også ved langvarig høye temperaturer. Den kjemiske resistensen mot konsentrerte baser og ikke-oksiderende syrer er meget god. Det samme gjelder resistensen mot løsemidler. Derimot er PEEK ikke resisent mot konsen­ trert svovelsyre og klorgass. Materialets egenskaper gir det interessante bruksmåter i elektroteknikken og elektronik­ ken, i papirindustrien og i medisinteknikken. PEEK yter motstand mot gamma-, beta- og røntgenstråler, og er derfor interessant for ulike bruksområder i kjernekraftverk.

°C

Formbestandighet °C i varme ved 1,8 MPa °C Termiske utvid­ 10-5- K1 elseskoeffisient 20-150 °C

Egenskaper til uforsterket PEEK, forsterket med 30 % glassfiber PEEK GT og 30 % karbonfiber PEEK CE

Plast er ikke lenger noe ukjent konstruksjons­ materiale for produktutviklere, designere og konstruktører. Plast brukes på så å si alle områder. Integrerte konstruksjoner er karak­ terisert ved at enkeltdeler er kombinert til én del. Konstruksjonene får da færre deler og monteringssekvenser. Dette karakteriserer dagens produkter og påvirker designen. I denne sammenhengen er plast blitt et viktig materiale. Ved at man får fram anisotrope materialegenskaper, blant annet ved armering, vil bruken av plast i bærende konstruksjoner bare øke i fremtiden. Produktutviklingen av plastdeler eller produkter i plast krever omstilling fra de tankebaner man tidligere har hatt når det gjelder metalliske materialer.

Polymere materialer

52 Når vi skal formgi produkter av plast, må vi ta hensyn til: Hvilken funksjon delen skal ha Estetikk At plastmaterialet må være lett å resirkulere Hvilket plastmateriale som skal nyttes Konstruksjons- og tilvirkningsteknisk utfor­ ming • Hvilken tilvirkningsmetode som skal nyttes

• • • • •

Funksjonelle synspunkter Det fremste kravene til et produkt er at det tilfredsstiller brukerens krav og ønsker. Disse kan være:

Rombehov Vekt Tilkoblingsform og -mulighet Toleranse Mekaniske, kjemiske, termiske, elektriske og optiske behov • Lett å betjene • • • • •

Andre ting som brukeren kan ønske, er: • • • •

God design Tiltalende farger og overflate God holdbarhet Håndteringsvennlighet

Estetiske synspunkter En god teknisk form kan verken defineres entydig eller generelt. Men det finnes natur­ ligvis en hel del kunnskap om hvilke midler som kan brukes for å få til en god form. Det gjelder å finne skjæringspunktet mellom de funksjonelle, tilvirkningstekniske og estetiske hensynene. Som vesentlige elementer i en god design gjelder • Gjennomgående rette eller lett svingede ho­ risontale linjer • Unngå spisse former • God oversikt og orden • Lett synlig sammenheng mellom funksjonsgrupper • Enkle kompakte former og konturer

• Ta hensyn til den naturlige stabiliteten • Hensiktsmessig bruk av farger, lys og skyggesoner

Hvilket plastmateriale skal nyttes? Plastmaterialenes spesielle egenskaper må utnyttes optimalt gjennom egnet design, materialvalg og tilvirkningsmetode. Hos større plastprodusenter og ved en del institut­ ter finnes det tilgjengelige databaser til hjelp for å finne frem til det riktige materialet og den riktige tilvirkningsmetoden ut fra de krav og ønsker man har.

Konstruksjons- og tilvirkningsteknisk utforming En konstruktiv oppgave omfatter:

• Materialvalg • Styrkeberegning • Utforming, design Materialvalget ved bruk av plast kan by på vanskeligheter, og en analytisk beregning er ikke lett, blant annet fordi plastenes termiske forhold er helt forskjellige fra metallenes. Egenskapene til plastmaterialene er blant an­ net avhengige av om plasten er amorf eller krystallinsk eller en blanding av disse strukturformene. Til de amorfe plastene hører PS, SAN, SB, ABS, ASA, PMMA, PVC og PC. En delkrystallinsk struktur har PE, PP, POM, PBT og PET. Hvordan materialene forholder seg under fleraksiale påkjenninger, må undersøkes og beregnes nøye. I dette arbeidet har produktutviklerne i dag stor hjelp av datamaskin­ programmer som kan simulere alle tenkelige påkjenninger i 3D på bildeskjermen. Deformasjonsforholdet til plast under på­ virkning av en ytre belastning er sammensatt av:

• En spontan elastisk deformasjon • En tidsavhengig reversibel viskoelastisk deformasjon • En tidsavhengig irreversibel viskøs defor­ masjon

53

Kapittel 2 Deformasjonsmekanismene er beskrevet på side 25. Sprø plastmaterialer forlenger seg, defor­ meres, lite før brudd inntreffer (sprøbrudd). Slike plastmaterialer egner seg for produkter som må være formstabile. Seige plastmaterialer har en mer eller min­ dre markert flytegrense. Under flytingen de­ formerer, strekker, plasten seg. Brudd viser tydelig deformasjon. Seige plastmaterialer egner seg for deler som må tåle støt. Gummielastiske materialforhold er karak­ terisert ved at materialet selv ved små belast­ ninger får relativt store formforandringer, slik spenningstøyningskurvene på side 27 viser. Temperaturen har en vesentlig innflytelse på styrkeegenskapene. For de fleste termo­ plastiske polymerer faller E-modulen og styr­ ken raskt med økende temperatur, det vil si at de ikke er formstabile i varme. Dette forhol­ det kan imidlertid forbedres vesentlig ved for eksempel at plasten kombineres med andre plasttyper i form av kopolymerer, eller ved at plasten forsterkes ved fyllstoffer eller fibrer. Sammenlignet med metaller har plastene en betydelig høyere termisk utvidelseskoeffisient. Denne egenskapen må vi ta hensyn til dersom vi for eksempel vil omsprøyte metalldeler. Ved avkjøling krymper plasten slik at det kan oppstå sprekkdannelser i den dersom den ikke er i stand til ved (langsom) relaksasjon å bygge ned de spenningene som er oppstått. Den termiske konduktiviteten, varme led­ ningsevnen til plast, er generelt lav. Plastene er gode isolatorer. En strekkoperasjon og der­ med orientering av makromolekylkjedene gir økt varmeledning i strekkretningen, men den senkes normalt på den. Om det er ønskelig, kan varmeledningen økes ved tilsetninger av ulike stoffer, og den kan senkes ved oppskumming med luft, CO2 eller et annet drivmiddel. Den spesifikke varmen er avhengig av tem­ peraturen. Den stiger med økende temperatur. Ved romtemperatur ligger den for de fleste termoplastiske materialer mellom 0,8 og 1,6 kJ/kgK, og er vesentlig større enn for metalliske materialer. Den konsekvente utnyttelsen av alle de

designmuligheter og tilvirkningsmetoder som plaststoffene byr på, gjør at vi kan velge i et utall av til dels utradisjonelle løsninger. Ut fra ønsket om å redusere antallet deler i et sys­ tem er den integrale byggemåten utviklet. Grunnideen er å sammenfatte alle de enkelt­ elementene som tjener den samme funksjo­ nen, til en eneste samlet del. Denne «resultantdelen» kan imidlertid ofte bli ganske kom­ plisert. Men med en egnet tilvirkningsmetode er det mulig å fremstille ganske kompliserte deler i én arbeidsoperasjon. Selv om dette krever dyrt og komplisert formverktøy, kan det alt i alt by på en betydelig reduksjon av tilvirkning, montering og lagring. Andre ting som det må tas -hensyn til un­ der formgivningen, er for eksempel størrelse, maksimal og minimal veggtykkelse og kon­ struktive detaljer som ribber, radier, kanter osv. Videre tiltak går ut på å forbedre formstabiliteten, og holde fastlagte mål og å redusere krymp og fortrekninger.

Ugunstig: Høye utstøterkrefter, lang utstøterbevegelse

Gunstig: Slipp i alle uttaksretninger, minst 0,5°

Tillegg for strukturert overflate: 1,5° per 0,02 mm ruhetsdybde

Plastprodukter som støpes, må ha slipp. Da blir produktene lettere å fjerne fra formen

54

Polymere materialer

Slipp Som ved støping av metaller må vi ved tilvirk­ ning av detaljer i lukkede former ha en liten skråning for at detaljen kan slippe lett. Stør­ relsen er avhengig av plasttypen, tilvirkningsmetoden og flyteveilengden i støpeformen.

Veggtykkelse Materialansamlinger og brå tverrsnittsoverganger fører ved praktisk talt alle tilvirkningsmetoder til spenninger eller fortrekninger. Veggtykkelsen er ikke bare avhengig av størrelsen av påkjenningene, men også av materialegenskapene, om for eksempel plas­ ten er fiberforsterket eller har et fyllmiddel, og av tilvirkningsmåten. Ved for eksempel sprøytestøping av termoplast må ikke vegg­ tykkelsen være så liten at formen ikke fylles helt før plastmassen stivner.

Runde ytter- og innerkanter gjør at plast­ massen flyter lettere i formen, og det skåner verktøyet

Forstivninger ved ribber Plastene har betydelig lavere E-modul enn stål; og selv armerte plaster kommer ikke opp mot stålets E-modul. Dette må designeren ta hensyn til ved utformingen. Han/hun kan støtte opp veggflater med ribber eller gi fla­ tene en bølgeform (korrugert), eller velge en sandwichkonstruksjon.

Profil

Plast-kompositt

Hold jevn godstykkelse, unngå godsansamlinger

Radier Plastmaterialene er stort sett mer ømfintlige for kjerv (tendens til sprekkdannelse) enn metaller. Skarpe overganger, skarpe hjørner og kanter må unngås. Ved bøying av plater bør innvendig radius ikke være under 2 s og ved rør ikke under 3 Dy.

Tre

Skumplast

Økning av produktets stivhet gjennom en kombinasjonsoppbygning

55

Kapittel 2 Underskjæringer bør unngås. Er det ikke mulig, må man ha løse kjerner og da blir verktøyutgiftene store.

Gjenger i plastprodukter For å fremstille løsbare forbindelser kan plaster også utføres med gjenger, men siden plastene er mer kjerv ømfintlige enn metaller, kan man ikke som ved metaller bruke spisse gjenger; det må brukes rundgjenger eller trapesgjenger med stor stigning. Skrueforbindelser som må holde store kref­ ter, eller som må løses ofte, bør ikke utføres i plast. Det finnes gjengeinnsatser av metall, og

Måter å sikre innstøpte metalldeler mot dreiing og mot å kunne trekkes ut

de kan i mange tilfeller støpes inn under til­ virkningen.

Tabell 2.6 Noen forkortelser for polymerer, stoffnavn, handelsnavn og firma Plaster

Stoffnavn

Handelsnavn

Firma

ABS

akrylnitrid-butadien-styren

BASF

ASA CA

akrylnitril-styren-akrylester celluloseacetat

CAB CAP CN CP CS E EP

celluloseacetat-butyrat celluloseacetat-propionat cellulosenitrat cellulosepropionat kasein etylen epoksy

Novodur Cycloae Luran S Cellidor A Trolit Tenite Cellidor B

Bayer

Cellidor

Bayer

Araldit Epoxsin Lekuterm

BASF Bayer

Hostalen G Lupolen

(Hoechst) (BASF)

Catalin Mepal Ultrapas

BASF

EPDM EPS EVA GF-EP GEP GFK GMT GRP GUP HDPE LDPE MDPE MF

MMA PA

etylen-propylen-terpolymer ekspandert polystyren etylen-vinylacetat kopolymer glassfiberforsterket epoksy glassfiberforsterket kunststoff (tysk betegnelse) glassmatteforsterket termoplast glassfiberforsterket plast (engelsk betegnelse) glassfiberforsterket umettet polyester «High density» PE «Low density» PE «Medium density» PE melaminformaldehyd

metylmetakrylat polyamid («nylon»)

Maranyl Duretan Delrin Ultramid Vestamid Rilsan

BASF Bayer

ICI Bayer du Pont BASF Huls

Polymere materialer

56 Plaster

Stoffnavn

PAN PB PBTP PC PCTFE PE

polyakrylnitril polybutylen polybutylentereftalat polykarbonat polyklortrifluoretylen polyetylen

PEEK PETP

polyetereterketon polyetylentereftalat

PESU PF

polyetersulfon fenolformaldehyd («bakelitt»)

PIB PMMA

polyisibutylen polymetylmetakrylat

PO POM

polyolefin polyoksimetylen (polyacetal)

PP

polypropylen

PPO PPS PS PSU PTFE

poiyfenylenoksid polyfenylensulfid polystyren polysulfon polytetrafluoretylen

PUR

polyuretan

PVAC

polyvinylacetat

PVAL

polyvinylalkohol

PVC

polyvinylklorid

PVDC PVDF PVF SAN SB Sl SP TCP TPX UF UP

polyvinylidenklorid polyvinylidenfluorid polyvinylfluond styren-akryl-nitrilkopolymer styren-butadienkopolymer silikon mettet polyester trikresylfosfat poly-4-metylpenter ureaformaldehyd umettet polyester

Handelsnavn

Firma

Ultrador Makrolon Fluorothene Lupolen Alathon Alkathene

BASF Bayer

Mylar Dacron Terylene Ultrason E Asplit Lupen Oppanol Plexiglass Perspex Diakon, Lucite

BASF du Pont ICI

BASF Hoechst BASF BASF

Delrin Ultraform Hostaform C Novolen Hostalen Luparen PPO

du Pont BASF Hoechst BASF Hoechst

Ultrason Fluon Hostaflon Teflon Durethan Vukolan Desmophen Borvimar Vinamud Polva Kuralow Vestolit Hostalit Vinoflex

BASF ICI Hoechst du Pont

Luran

BASF

Vestopal Palatal Leguval

Huls BASF Bayer

Huls Hoechst BASF

57

Kapittel 2 Tabell 2.7 Noen forkortelser for gummi, stoffnavn, handelsnavn og firma Gummier

Stoffnavn

ACM BR CR EPDM EPM GR-I GR-N GR-S HR IR NBR NR SBR SIR PUR-gummi Fluorgummi

polyakrylatgummi butadiengummi kloroprengummi etylen-propylen-terpolymer etylen-propylen-kopolymer butylgummi nitrilgummi styren-butadiengummi butylgummi isoprengummi akryl-nitril-butadiengummi naturgummi styren-butadiengummi silikongummi polyuretangummi

Plaster/gummi Lette skumplaster Tunge skumplaster Plaster Gummier Glassfiberarmerte plaster

Thor Meland

g/cm3 1,7 2,7 4,5 7,8

OK/dm3 60 50 500 40

7,9

160

g/cm3 0,02-0,1 0,1-0,5 0,9-2,2 1,0 -1,5

NOK/dm3 0,5-5 5-50 6-300 50 - 250

1,3-2,0

15-50

*) Metallene som valsede/støpte produkter, plastene som

råvare før bearbeiding

Firma

Neoprene

du Pont

Perbunan N

Bayer

Buna Silopren

Huls Bayer

Tabell 2.9

Tabell 2.8 Tettheten og priser* (typiske verdier) Metaller Magnesium Aluminium Titan Karbonstål 18/8 stål (rustbestandig stål)

Handelsnavn

Tillatte tøyninger og spenninger (typiske verdier) Metaller eti|| = 0,05-0,2 % Rti|| = 50-400 MPa

Plaster Gummi/myk PVC Amorfe termoplaster Krystallinske termoplaster Herdeplaster Fiberarmerte plaster

Thor Meland

10-20 1 2-3 0,5-1 0,2-1

F?(|ll er sterkt avhengig av påkjenningstid, temperatur og påkjenningstype (spenningstilstand, statisk/ dynamisk, miljø osv.) Enkel angivelse er ikke mulig. Fremste eksponent: enakset karbonfiberlaminat har W6 utmattingsfasthet i utsvingende strekk på opptil 1000 MPa.

Polymere materialer

58 Tabell 2.10 Stivhet/E-modul Metaller Magnesium Aluminium Titan Stål

Tilvirkningsmåter for plastprodukter

Thor Meland E(GPa)* 35 70 115 210

*) Modul uavhengig av ti d, temperatur og retning innenfor et vidt temperaturområd 3

Plaster/gummi Umodifiserte polymerer: Termoplaster Herdeplaster Gummier (myke) Plaster modifisert med:Vol % gassceller 98-50 mykner 50-20 fyllstoff 20-60 armerende fibrer korte glassfibrer 0-20 glassfibermatte 15-20 glassfibervev 30-40 enakset glassfiber 50-60 enakset karbonfiber 50-60

E(GPa)* v/20 °C/1-2 min 1 -4 2-5 0,001-0,01

0,0001 -1 0,001-0,01 3-20 6-8 8-10 13-17 38-45 200 - 240

*) Modul mer eller mindre sterkt avhengig av tid, temperatur og retning

Alle polymerene er viskoelastiske. Derfor er deres elastiske egenskaper avhengig av påkjenningstid/ hastighet/frekvens og temperatur. Tids- og temperaturinnflytelsen i brukstemperaturområdet er for: • myke, uarmerte plaster............................ stor • stive, uarmerte plaster.............................. moderat • armerte plaster (de stiveste).... liten til svært liten • gummier....................................................liten

Tabell 2.11 Bruddoppførsel Metaller • Oftest duktil, men enkelte mangler flytegrense og har lav eD • Høy bruddseighet • Utmattingspåkjenning kan føre til sprøbrudd Plaster • cB i enakset strekk varierer svært mye, fra 1 % hos de sprø typene til 500-1000 % hos gummiene og de seige, krystallinske TP, 1-3 % hos de fiberarmerte typene • Sprøbrudd kan imidlertid observeres hos samtlige både ved langtids statisk og dynamisk påkjenning • Bruddseighet: lav hos de uarmerte, høy på tvers av fibrene hos de armerte

For å konvertere plastråstoffer til halvfabri­ kata eller ferdigprodukter benyttes forskjel­ lige metoder og utstyr. Hvilken tilvirkningsmåte som skal benyttes, avhenger av om plastmaterialet er varmemyknende termoplast eller varmerherdende herdeplast (duroplast). Varmemyknende termoplast vil ved oppvar­ ming mykne, mens varmeherdende herdeplast vil beholde sin hardhet og etterhvert bli sprø og til slutt forkulle. Årsaken kan føres tilbake til den kjemiske strukturen. Termoplast består av lange kjedemolekyler som ved oppvarming kan bevege seg i forhold til hverandre. Herdeplast består av kjedemolekyler som er knyttet sammen i alle retninger til et innfiltret nettverk. Termoplast stivner i formen på grunn av avkjøling. Herdeplast stivner i formen på grunn av en kjemisk reaksjon som følge av varmen i formen. De mest brukte metodene er sprøytestøping og ekstrudering.

Sprøytestøping (engelsk: Injection moulding, tysk: Spritzgiessen) I de første sprøytestøpemaskinene skjedde fremmatingen av plastmassen ved hjelp av et stempel. I dag skjer det i stor utstrekning i sprøytestøpemaskiner med snekkesylinder. Disse gir en betydelig økning av plastifiseringsytelsen, særlig for høyviskøse plaster som polystyren, polymetakrylat, polyamider og hard PVC. For å optimalisere prosessen er alle arbeidsparametrene datastyrt. Ved sprøytestøping med snekkeplastifisering drives plastmassen fremover gjennom oppvarmingssonene av den roterende snek­ ken, også kalt skruen. Trykket i rommet foran snekken øker. Etter en fastlagt tid skyves snekken fremover og trykket stiger igjen. Når innsprøytningen starter, passerer den varme plastmassen utløpsdysen i snekkesylinderen og sprøytes gjennom et konisk innløp (formkanalen) inn i den ene formhalvdelen gjennom et lite hull, porten. Begge formhalv-

Kapittel 2

59

Sprøytestøping av plast, prinsippskisse delene flytter seg nå et lite stykke fra dyseåpningen. Etter en kort holdtid (kjøleperiode) åpnes formen, og produktet støtes ut av utstøterpinner eller det trekkes ut, manuelt eller av gripearmen til en robot. Formene tilvirkes av forskjellige materia­

ler. Valget avhenger av kravene vi stiller til dem. Som oftes velger vi et lettbearbeidbart materiale, f.eks. aluminium eller magnesium. Dersom disse ikke klarer fasthetskravene, velger vi stål eller kombinasjoner av stål, magnesium og/eller aluminium. Former av magnesium eller aluminium legges ofte i morformer av stål, som tar opp de høye innsprøytningstrykkene. Formene er innven­ dig forkrommet og høyglanspolert. Produk­ tene får derfor også en høyglanseffekt. Den innvendige overflaten i formene kan også få en overflatebehandling, f.eks. et nikkel/teflonbelegg. I aluminiumsformer brukes metoder som omvandler aluminium i overfla­ ten til et aluminiumoksid som er et keramisk, svært hardt materiale. Disse beleggene forlen­ ger levetiden til formen. Overflaten får gode slippegenskaper uten tilsetningsstoffer, og korrosjonsegenskapene forbedres. Nøyaktig temperatur på plastmassen og formen er av stor betydning. Er temperaturen for lav, kan det bli vanskelig å få fylt formen ordentlig. Er den for høy, kan det skje en termisk nedbryting av plasten, og den kan klebe til formveggen og gi en dårlig overflate. Bearbeiding av formene kan skje ved

Polymere materialer

60

Plastprodukter tilvirket i overflatebehandlet verktøy. Overflatebehandlingen øker slitestyrken, korrosjonsbestandigheten og gir bedre slippegenskaper (Foto: FFV-Yttec)

sponende metoder, gnisterosjon eller ved elektrokjemisk bearbeiding. Formene kan bli ganske kostbare, det gjelder også maskiner og nødvendig utstyr. Prosessen egner seg derfor best for masseproduksjon. Ved større produk­ ter (stort innsprøytningsvolum) er det nødven­ dig med svære kompakte maskiner med et formlukketrykk på opp til 100 MN (10 000 tonn), vanligvis 0,1-10 MN (10-1000 tonn). Innsprøytningstrykket kan gå opp til 2000 bar. For å korte ned syklustiden kan plastmasssen forplastifiseres. Det finnes ulike ut­ førelser slikt utstyr. Sprøytestøping brukes mest i forbindelse med termoplaster. I noen tilfeller benyttes sprøytestøping også for herdeplaster. Da er formene oppvarmet. Sammenlignet med den vanlige press-støpeprosessen har den føl­ gende fordeler: • Kortere utherdetid på grunn av en kontinu­ erlig kondensasjonsprosess i snekkesylinderen • Utmerket overflate på grunn av mer inten­ siv forkondensasjonen • Bedre formnøyaktighet

Sprøytestøpemaskin for støping av støtfangere for Volvo (Foto: Raufoss)

Kapittel 2

61

Plastmasse

Temperatur-kontroller (termoelement)

Matetrakt

Oppvarming

Herdet foring Sylinder

Filter, sperrering

Termo­ element

Skrue

Matetrakt kjøle/ kappe

Breaker-plate

Adapter Matingsseksjon

Kompresjon og plastif iseringsseksjon

Regulenngsseksjon

Dyse

Folie Bakre oppvarmingsone

Fremre oppvarmingsone

Ekstruder, prinsippskisse

Ekstrudering (engelsk: Extrusion, tysk: Extrudieren) En ekstruder er en maskin hvis hovedelemen­ ter er sylinder, snekkeskrue og snekkehode med dyse. Ekstruderingsmetoden gir et pro­ duktspekter langt større enn noen annen tilvirkningsprosess for plastartikler, og den arbeider meget økonomisk. Datastyring av alle parametre er vanlig. Metoden er bereg­ net for kontinuerlig forming av profiler, sten­ ger, rør, slanger, bånd, folier, belegging og isolasjon av kabler. Den brukes videre til blåsing av hul-legemer som flasker, kanner, be­ holdere, fat, rørfittings og en rekke andre pro­ dukter. Kravet om en raskere produksjon har ført til et høyere turtall på snekken og større drivmotor. For at plastmassen ved et høyere snekketurtall skal få den nødvendige plastifiseringstid, blir sylinderen lang, som oftest 20 • d. Snekken kan ha forskjellig utførelse. Den kan være inndelt i soner, f.eks. med regulert (eller ikke regulert) forløpssone, en utluftingssone (avgassingssone) og en reguleringssone foran dysehodet. I denne sonen kan snekkeutformingen (stigningen på snekken) gi plastmassen det trykket som er fastlagt før den ekstruderes ut gjennom hodet. Oppvarmingen av snekkesyl inderen skjer ved hjelp av varme-

elementer på utsiden. Termoelementer måler massetemperaturen i de forskjellige sonene. Trykk og temperatur er de to viktigste arbeidsparametrene ved enhver plastfabrikasjon.

Plastifiseringssnekkens dimensjonering og utforming avhenger blant annet av plastmassens bearbeidingsegenskaper og tilvirkningsprosedyre (Foto: BASF)

62

Polymere materialer homogen masse og til slutt forme det når det passerer dysen. Foran dysen står en stålplate med mange hull. Platen har til oppgave å gi plastmassen, som kommer fremover med en roterende bevegelse, en rettlinjet bevegelse før den går inn i dysen. Enkeltekstrudere er den vanlige utførelse, men for større ytelser velges ofte dobbeltskrue- eller flerskrueekstrudere. Ekstruderblåsing er omtalt på side 67.

Press-støping - transpress-støping

Ekstrudering av slangefolier (BASF) Uavhengig av typeutforming har ekstruderen til oppgave å bearbeide plastpulveret, dvs. å komprimere det, plastifisere det, lufte det (avgasse det), smelte og blande det til en

Ekstrudering av slangefolier (BASF)

Press-støping er en prosess for forming av herdeplast. Formingen skjer i oppvarmede stålformer. Formene er herdet og ofte forkrommet og høyglanspolerte innvendig. Formene festes i hydrauliske presser med et lukketrykk på inntil flere hundre tonn. For­ mene er vanligvis to-delte. Formoverdelen er fast forbundet med trykkstempelet, og formunderdelen er festet til pressbordet. Ved kompliserte produksjoner er formene oppdelt i flere deler og utstyrt med f.eks. delvis løst innsatte kjerner. Den mest hensiktsmessige prosesstemperaturen er avhengig av den plastmassen som skal presses. For fenoplastene ligger den mellom 150-180 °C og for karbamidplastene mellom 135-150 °C. Når formen lukkes, får vi først en forpressing under høyt trykk. Varmen fra for­ men setter nå den kjemiske prosessen i gang; plastmassen blir plastisk og begynner å flyte ut i formen. Formen åpnes litt slik at kondensatet som dannes slipper ut. Deretter lukkes formen helt, og trykket økes til det som er fastlagt for materialet. Presstiden avhenger av presstemperatur og veggtykkelse på de delene som skal fremstil­ les. En forvarming av presspulveret er en for­ del. Transpress-støping benyttes ved mer kom­ pliserte produkter. Ved denne metoden får vi en kortere arbeidssyklus, og maskinen blir bedre utnyttet. Plastmassen blir forplastifisert i et eget kammer og sprøytes flytende inn i formrommet. Fordelene ved transpress-støping sammen­ lignet med vanlig press-støping er bl.a. en mer intensiv oppvarming av pressmassen ved

Kapittel 2

63 Form, overdel

Form, lukket

Stempel

Pressebord

Presstøping av herdeplast varmeledning i fyllrommet og ved friksjon i sprøytekanalen, en bedre avgassing av formen pga. den suksessive inntrengning av plastmassen og en bedre fiksering av eventuelle innleggsdeler fordi trykket i selve formrommet er lavt.

I dag finnes det en rekke valgmuligheter på markedet når det gjelder automatisering av støpeprosessen, fra rene pressautomater til forskjellige typer mekaniseringsutstyr for fyl­ ling av formen, fjerning av produktene fra formen og transport. Det finnes også sprøytestøpemaskiner for herdeplast etter samme prinsipp som for termoplast. Disse maskinene er beskrevet i avsnittet om sprøytestøping.

Statisk støping, fristøping og rotasjonsstøping

Transpresstøping: a) Verktøymellomdel i formoverdel b) Verktøyunderdel i formunderdel c) Fyllrom i sprøytesylinder d) Formrommet e) Verktøyoverdel, sprøytestempel f) Formkanal med formport

Transpresstøping av herdeplast

Ved statisk støping (vanlig støping uten trykk) benyttes vanligvis bare rene polymerer uten fyllstoffer. Det kan nyttes både herdeplaster og termoplaster. Ved bruk av herdeplaster må herdingen foregå i ovn. Herdetiden varer fra et par timer til flere døgn. Ikke alle plaster egner seg for statisk støping. Det avhenger av om plasten har en forholdsvist eksakt smeltepunkt-temperatur. Det har bl.a. polyamidene, vinylene og noen varmeherdende fenoplaster. Rotasjonsstøping er en tilvirkningsmetode mellom sprøytestøping og sveising for frem­ stilling av produkter med stort rominnhold. Veggtykkelsen kan varieres etter ønske, og tykkelser på 20-30 mm er ikke noe problem. Selve prinsippet går i korthet ut på å fylle en bestemt mengde plastpulver eller granulat

Polymere materialer

64

inn i formen (avhengig av volum og ønsket veggtykkelse). Deretter settes formen i rota­ sjon om to akser som krysser hverandre i 90°. Formen er oppvarmet og plastpulveret går gradvis over i en seigtflytende tilstand som ruller på formveggene og etterhvert sintrer. Etter avkjøling fjernes det stivnede produk­ tet fra formen. Produkter med volumer opp til 10-20 m3 kan tilvirkes med denne metoden. Sammen­ lignet med andre støpemetoder, tvinger ikke rotasjonsstøping materialet til bestemte posi­ sjoner, noe som gir et spenningsfritt gods.

Skumplast (engelsk: Foamed plastic, expanded plastic, tysk: Schaumstoff) Skumplast er en materialgruppe som har fått innpass på en hel rekke områder. Som varme- og kuldeisolasjon, lydisolasjon, polstring i møbelindustrien, emballasje osv. Skummets kjemiske egenskaper er de samme som plastråmaterialets, men de fysiske og mekaniske egenskapene kan være forskjellig, alt etter fremstillingen. Skumplasten kan ha cellestruktur eller porøs struktur, og cellene (porene) kan være åpne (interkommuniserende) eller lukkede. Skumfremstillingen kan skje ved visping eller kjemiske bldsemiddel-(ese-)metoder hvor det utvikles gass som reaksjonsprodukt og fysiske blåsemiddelmetoder (løsning av inert gass i plastmassen eller gassdannelse ved temperaturøkning). Klorfluorkarboner, KFK, erstattes nå med KFK-frie blåsemidler. Blant disse er HCFC22 og Tectrade som er en blanding av HCFC22, trikloretan og pentan. De tre komponentene er ved hjelp av emulgatorer emulgert sammen med de øvrige komponentene i blandingen. Selve plastmassen utgjør en liten del av produktet, mellom 1 -5 %, resten er gass (luft). Tettheten varierer med utgangsmaterialet og gassandelen er fra 5-15 kg/m3 for ureaformaldehydskum og opp til 300 kg/m3 for PVC-skum. Vanlig tetthet ligger mellom 3050 kg/m3. Foruten den lave tettheten har skumplastene en meget lav varmelednings-

evne (-konduktivitet). Med et varmeledningstall på 0,0197-0,0232 W/mK er hardt polyuretanskum et utmerket isolasjonsmate­ riale. Alt etter plasttypen har skumplast ulik temperaturbestandighet. De fleste typene har god resistens mot kjemikalier, og de er lette å formgi og bearbeide. Brennbarheten varierer, men de fleste er selvslukkende. Vi skiller mellom skumplasttyper fremstilt ved polykondensasjon (fenol-formaldehyd og urea-formaldehyd), polymerisasjon (PVC og PS) og polyaddisjon (nettverkspolyuretan og forgrenet polyester). De harde og sprø skumplastene er fremstilt på basis av fenolog ureaformaldehyd samt polyuretan. De harde og seige typene er fremstilt på basis av polystyren, polyvinylklorid og polyuretan. De bløte typene er fremstilt på basis av polyvinylklorid og polyuretan. De mest kjente skumplasttyper er karbamidskum, fenol-formaldehydskum, polyuretanskum, polystyrenskum og polyvinylkloridskum. De viktigste fysiske egenskapene til skum­ plast er følgende:

• Tettheten (kg/m3) • Hardhet/mottrykk, inntrykningshardhet i (N) • Sagfaktoren som angir forholdet mellom 65 % og 25 % kompresjon • Strekkstyrken (N/cm2) • Bruddforlengelsen (%) • Varig trykkdeformering (%) • Utmatting med hensyn til høydetap og trykktap (%) • Støtelastisitet (%). En kule droppes fra en bestemt høyde og refleksjonshøyden måles.

Urea-formaldehyd Urea-formaldehyd (karbamidskum) hører med blant de eldste skumplastene. Den lave tettheten (5-15 kg/m3) skyldes at den har polyedriske celler. Varmeledningstallet er i tørr tilstand meget lavt, ca. 0,03 W/mK. Denne skumplasten er ikke vannfast. Vannopptaket er 5-10 ganger så stort som for kork. Trykkfastheten er liten, ca. 2-5 N/cm2.

65

Kapittel 2 Polyuretanskum Denne skumplasttypen har fått stor betydning. Den fremstilles i hard, halvhard eller bløt kvalitetkan alt etter råmaterialenes mole­ kylære oppbygging og blandingsforholdet mellom reaksjonspartneme. Hovedkomponenten ved fremstillingen av polyuretanskum er polyester (lineær eller for­ grenet) eller polyester sammen med isocyanat. Videre må vi ha en katalysator for å aktivi­ sere den kjemiske prosessen. Vann, fargestof­ fer og stabilisatorer er nødvendige ingredien­ ser ved fremstillingen. Råstoffene pumpes i nøyaktig avpassede mengder inn i blandekammeret. Fra blandekammeret renner blan­ dingen kontinuerlig ut, og skummingen (oppesingen) begynner straks. Vi får ulike skummingsgrader og ulike kvaliteter, alt etter blandingsforholdet mellom komponentene. Bløtt polyuretanskum med åpne celler bru­ kes bl.a. til svamper, i møbelindustrien og til madrasser. Det egner seg også som lydiso­ lasjon. Halvhardt polyuretanskum har en større grad av nettverksstruktur enn bløtt skum. På grunn av høyere stukningshardhet egner halvhardt polyuretyanskum seg til formpolstring med støtdempende egenskaper. Vi kan variere egenskapene ved å variere romvekten og tilvirkningsprosessen. Hardt polyuretanskum (med lukkede cel­ ler) også kalt integralskum er et utmerket iso­ lasjonsmateriale med et varmeledningstall på kun 0,0197-0,0232 W/mK (0,017-0,025 kcal/ mh°C). Til sammenligning har glassvatt 0,03 og steinull 0,04 W/mK. Integralskum er frem­ stilt på en slik måte at det får en tett hard randsone som går kontinuerlig over i en mer mikroporøs kjernesone. Hardt polyuretanskum har en trykkfasthet på ca. 20 N/cm2 ved en tetthet på 30 kg/irr og ca. 40 N/cm2 ved 50 kg/m?. Herfra øker den omtrent lineært med tettheten. Vannopptaket er forholdsvis lavt (2,5-3 volumprosent) og er omvendt proporsjonal med tettheten. Alt etter kvaliteten tåler polyuretanskum opp til ca. 350 °C, men de fleste kvaliteter har en temperatuegrense på 80-110 °C.

Materialet er tungt antennelig og selvslukkende. Plane flater kan isoleres med skumplastplater, men ved hvelvede flater hvor det kan være vanskelig å komme til, sprøytes det på. Massen eser opp og fyller alle hulrom og gir en sammenhengende isolasjon uten skjøter. Hardt polyuretanskum er stivt i seg selv, og brukt som sandwichelementer laminert med f.eks. møbelfiner, sponplater, gipsplater eller aluminium, gir det et lett byggeelement med stor styrke. Det brukes også i bilindustrien til støtfangere og andre detaljer.

Polystyrenskum Utgangsmaterialet er styren, som er et deri­ vat av jordolje. I en reaktor tilsettes styrenmonomeren noen tilleggskjemikalier. Vi får en polymerisering og det dannes polystyren. Den leveres i komform eller kuleform (per­ ler). Under polymeriseringen er det også til­ satt et blåsemiddel slik at vi får en skumbar polystyren. Ekspandert polystyren (EPS) fremstilles i tre trinn, forskumming, mellomlagring og ferdigskumming. Under forskummingen utset­ tes perlene for varme (het damp), og de eser opp til et volum som er 40-50 ganger det opp­ rinnelige volumet. Etter oppesingen (for­ skummingen) ligger det noen dager, fylles deretter i ønskede former og utsettes for en ny varmebehandling ved at det kjøres hetdamp i en kappe utenpå formen. Polystyrenperlene eser nå ytterligere opp og an­ tar en sekskantet cellefasong, samtidig som celleveggene i de enkelte korn sveises sammen. Er formproduktet blokker, skjæres disse opp i mindre blokker eller plater. Kjente handelsnavn er bl.a. styropor og sundolitt.

Polyvinylkloridskum PVC-skum fremstilles vanligvis etter høytrykksmetoden i en to-trinnsprosess. I før­ ste trinn blir PVC-blandingen i fast eller pastaporøs form fylt i en oppvarmet form og gelatinert og ved et trykk på 10-30 bar blå­ ses det inn drivmiddelgass. Etter forskum­ mingen kjøles formen, og det forskummede

66 produktet tas ut. I annet trinn settes produk­ tene inn i en varmeovn og ved 75-95 °C utvi­ der cellene seg, slik at vi får den ønskede fa­ song og tetthet. Hard-PVC-skum fremstilles på samme måte, men uten tilsetting av mykner. Annet trinns varmebehandling skjer da ved ca. 120°C.

Polyetylenskum I motsetning til plasttypene som er nevnt foran, er polyetylen bare plastisk formbar i et snevert temperaturområde. Det er derfor svært vanskelig å fremstille polyetylenskum, og det har fått liten anvendelse som skummateriale.

Laminering Et laminat er et materiale (produkt) som er bygd opp ved sammenføyning (sammenliming) av to eller flere lag. Det finnes en rekke tilvirkningsprosesser med betegnelsen laminering. Fremstillingen av laminatplater (profiler eller andre formgjenstander) kan skje ved å impregnere tekstiler, finerplater, papir osv. med en oppløsning av f.eks. en herdeplast som

Fremstilling av Turbax-laminat

Polymere materialer fenolformaldehyd, kappe til bestemte størrel­ ser og legge lag på lag oppå hverandre. Der­ etter legges stabelen inn i en hydraulisk presse hvor temperatur og trykk gjør at produktet kommer ut som en kompakt plate. Slike pressplater danner utgangsmaterialet for flere maskinelementer, bl.a. tannhjul, trallehjul, lagerskåler, bolter og ulike profillister. Tannhjul i plastlaminat er sterke med en bøyefasthet på 140 MPa, en strekkfasthet på 80 MPa og en trykkfasthet på 250 MPa. De er olje- og syrebestandige, umagnetiske, har lav vekt med en tetthet på 1,35 kg/dm? og høy slitestyrke. De er elastiske og derfor støtabsorberende og lyddempende. Lagerskåler av plastlaminat (handelsnavn bl.a. Turbax) veier bare en seksdel av tilsva­ rende lagerskåler av bronse. De har også la­ vere smøremiddelforbruk og små friksjonstap. Armert plast kan også være et laminat. Det blir brukt i stadig større utstrekning som konstruksjonsmateriale, både fordi det i for­ hold til vekten er sterkere enn metallene, og fordi det har bedre kjemikalieresistens. Egenskapene og tilvirkningen av armert plast er omtalt i kapittel 3.

Kapittel 2 Blåsing

67 Plast råmateriale

Blåsing er en metode for varmforming av termoplaster. Materialet utsettes i varm til­ stand for et gasstrykk som presser det mot en form. Alle blåsemetoder med formblåsing omfatter tre trinn: 1 Massen bringes over i flytende form 2 Fremstilling av et slangestykke, emne 3 Oppblåsing i formen Alt etter maskintypen skilles det mellom sprøytestøpeblåsing og ekstruderblåsing. Ved sprøytestøpeblåsing anvendes en kon­ vensjonell sprøytestøpemaskin. En hul blåsedor settes på sprøytehodet og føres ned i den todelte formen. Så sprøytes plasten inn i mellomrommet mellom doren og formen. Deretter flyttes doren med det varme plastemnet over i selve blåseformen hvor det blåses opp og former seg etter formen. Meto­ den gir meget gode og jevne mål- og vekttoleranser. Sprøytestrekkblåsing er en metode hvor et forformet emne som er avkjølt i det termo­ plastiske området, oppvarmes på nytt i et oppvarmingskammer og deretter flyttes over

Eksteruderblåsing av hullegeme

i en blåseform hvor det strekkes og blåses opp. Det som karakteriserer denne metoden er jevn vekt, en fint utformet munning på formdelen og en styrkeøkning som følge av en biaksial orientering. Ekstruderer

Formen lukker

Sprøyteblåsing, prosesstrinn

Ferdig produkt

Ekstruderblåsing av emballasje

Polymere materialer

68 Ekstruderblåsing har i dag vesentlig større betydning enn sprøytestøpeblåsing, men gir ikke så gode mål-, tykkelses- og vekttoleranser. Blåseanlegget kan tilkobles alle typer ekstrudere. Produksjonshastigheten er mye større enn for sprøytestøpeblåsemaskiner. Ekstruderen kan utstyres med flere hoder og flere former. Dette gir en kapa­ sitetsøkning. Blåsemaskinene kan ha en ver­ tikal bordbevegelse og gjennomløpende (kon­ tinuerlig) ekstrudering. Det finnes også blåsemaskiner med horisontal bordbevegelse og diskontinuerlig ekstrudering.

Koekstrudering Det finnes ikke noe plastmateriale som har alle de egenskapene som i mange sammen­ henger er ønskelig. Det er derfor utviklet en kombinasjonsteknikk innen ekstruderblåsingen, en koekstruderingsteknikk. Den har i de senere årene fått stor utbredelse. Polyetylen (PE) og polypropylen (PP) har begge sine spesielle egenskaper. De er blant annet lavpolare og kleber derfor ikke til hver­ andre. Ønsker vi et laminat av PE og PP, må vi bruke en primer mellom dem som har den egenskapen at den kleber godt både til PE og PP. Tosjikt-koekstrudering er den enkleste metoden dersom delen som skal blåses består av to sjikt, f.eks. et hovedmateriale (bæresjikt) og et sperresjikt (barrieresjikt) som kan inne­ holde ulike typer tilsetninger (additiver). Metoden brukes i forbindelse med forenelige

(kompatible) plaster som ikke trenger noe heftmiddel. Fargeeffekter og påføring av UVstabiliserende sjikt er typiske eksempler på bruk av denne metoden. Tresjikt-koekstrudering benyttes når det materialet som skal ha en bestemt sperrevirkning danner et eget sjikt som via et heftsjikt sitter fast på bæresjiktet. Alt etter hva delen skal brukes til, kan sperresjiktet være på utsiden eller innsiden. Flersjikt-koekstrudering benyttes dersom plastmaterialer som skal ha en bestemt sperre­ virkning, f.eks. polyamid og polyvinylklorid, binder seg til polyetylen og polypropylen bare ved hjelp av et heftmateriale. Skal det f.eks. fremstilles flasker eller beholdere med denne kombinasjonen, og sperrematerialet også kre­ ver en beskyttelse, må det ektruderes minst fem sjikt.

Formverktøy for ekstruderblåsing Dimensjon, form og ikke minst antall formdeler som skal tilvirkes, har avgjørende betydning for valg av materiale og tilvirkningsmåte. For prototyper anvendes det bl.a. lett bearbeidbare aluminium knalegeringer. Middels store former blir vanligvis fremstilt av stål-legeringer ved hjelp av sponende me­ toder. Store former kan også fremstilles ved støping av aluminium- og finsinklegeringer. Gnisterosjonsteknikk og galvanometoder (elektrokjemisk bearbeiding) er også metoder som benyttes ved formfremstillingen.

Vakuumforming

Koekstrudering av en 3-sjikt-oppbygging

Forming av plast i varm tilstand, termoforming/vakuumforming, er bare mulig med termoplastiske materialer. Formgivingen kan deles i bøying og trekking. Arbeidsmetoden trekking kan deles i trekkforming og strekkforming. Ved trekkforming skjer omformingen med stempel, med eller uten motstempel. Veggtykkelsen blir ved denne metoden tilnærmet uforandret. Ved strekkforming avtar godstykkelsen. Denne metoden er ikke så mye brukt. Vakuumforming er en metode hvor en opp­ varmet folie eller plate formes ved hjelp av

Kapittel 2

Negativ og positiv vakuumforming

Postiv-verktøyet kjøres opp i den forstrukkede plate

Positiv vakuumforming med forstrekking

69 vakuum. Metoden brukes for folier og plater i tykkelser fra 0,1-6,0 mm. Forutsetningen for en god formbarhet er at plastmaterialet har et forholdsvis stort intervall mellom mykningstemperaturen og flytetemperaturen. I dette intervallet kan formgivingen skje med liten kraft. Formene (matrisene), for vakuumforming er enkle og billige å fremstille. De består bare av én formhalvdel. Formene kan være av stål (forkrommet og høyglanspolert), av ikkejemmetaller, hardtre, plast, gips osv. Former av stål har høyest slitestyrke og levetid. Vakuumforming kan deles i negativ og positiv forming. Ved negativ vakuumforming trekkes platen ned i formen pga. vakuumet under platen. Det kan brukes et hjelpestempel til forforming. Trekkdybden er begrenset. Dypere formprodukter fremstilles etter positivmetoden. Ved positiv vakuumforming senkes den oppvarmede plastplaten ned over formen og strekkes til den kommer til anlegg. Så suges lufta ut (evakueres). Platen får ved denne metoden en viss forstrekking. Forstrekkingen kan også skje ved hjelp av trykk­ luft som blåser platen opp før den trekkes ned over formen. Det er viktig at de enkelte trinn

Polymere materialer

70 i prosessen styres nøyaktig, og reguleringen er derfor datastyrt. Den tekniske utviklingen av vakuummetoden har gjort at produktstørrelsen har økt, og at vi nå kan fremstille kompliserte produk­ ter. Det tar f.eks. under to minutter å fremstille en dobbeltvegget kjøleskapsseksjon. En kan også fremstille plastbåter på 1,5-2 m.

Sintring - metallisering Med sintring menes metoder for å overflate belegge artikler med plastmaterialer i pulverform. Etter påføringen av pulver følger en oppvarming slik at plastkomene smelter og flyter utover og danner et tett og fastsittende belegg. Etter arbeidsmåten skiller vi mellom rotasjonssmeltemetoden, pulversmeltemetoden og virvelsintringsmetoden.

Ved virvelsintring blir plastpulver med en korning mellom 0,1-300 mikrometer holdt svevende i en beholder ved hjelp av trykk­ luft (blestluft). De gjenstandene som skal be­ legges, varmes opp til 200-400 °C og senkes ned i beholderen. En viss mengde plastpulver kleber seg da fast til gjenstandene. Ved å va­ riere temperatur og tid kan vi få belegg av forskjellig tykkelse. Metallisering av plast har fått et stor anven­ delsesområde. Fordelene er flere. Deler som metalliseres er lettere enn tilsvarende metalldeler. For eksempel er tettheten til metallisert

ABS 1,1-1,2 kg/dm3 mot 2,6-2,8 for alumi­ nium og 8,4-8,6 for messing. Metalliseringen kan skje etter to hovedmetoder: strømløs metallisering og gal­ vanisk eller elektrolytisk metallplettering. Til gruppen strømløs metallisering hører høyvakuumpådamping, som er en rasjonell og økonomisk metode. Delene henges opp i en beholder som evakueres. Metaller som alumi­ nium, kobber, sølv osv., varmes opp og for­ damper. Metalldampen slår seg ned på plastdelene som en tynn metallfilm. Overfla­ ten på plastdelene blir behandlet for å få en bedre forankring til metallet. Galvanisk metallisering gir et tykkere be­ legg. Metallene som blir brukt er sink, kob­ ber, nikkel, krom, tinn, sølv, gull og kombi­ nasjoner av disse. Den termoplasten som sy­ nes å få størst anvendelse innen galvaniserbare plaster er ABS-plast (akryInitrilbutadien-styren), med ca. 90 %. Innen indus­ trien blir ABS-plast brukt til pyntelister, instrumentpanel, grillglitter (bilindustrien), kontrollknapper, rammer, emblemer (elektroindustrien) og til håndtak, navneskilt, belysningsarmatur (bygningsindustrien). An­ dre termoplastiske materialer som blir brukt er akrylater, polyamider, polykarbonater, polyetylen, hard PVC og cellulosederivater. Før galvanisk metallisering må plastdelene forprepareres. Fordelene med metallisert plast er bl.a. at man unngår statisk elektrisitet, at brennbarheten nedsettes og at aldringen avtar. Slagfastheten er i mange tilfeller bedre enn tilsvarende produkter i metall.

Sveising av plast Det er bare termoplastene som er sveisbare. Ved all plastsveising spiller faktorene tempe­ ratur, trykk og tid en avgjørende rolle for sveisens kvalitet. Disse tre faktorene (de regulerbare sveisebetingelsene) må bestem­ mes ut fra plasttypens egenskaper, f.eks. om de er amorfe, krystallinske eller delkrystallinske. To plastmaterialer som brukes mye er PVC og PE. For PE brukes en sveisetemperatur

Kapittel 2 som ligger 70-80 °C over krystallittenes smeltepunkt. Ved PE bløt bør sveisetemperaturen holdes konstant på 180 °C, ved PE hard 200 °C og ved PP 210 °C. Ved hard PVC kan temperature uten fare holdes mellom 180 °C og 230 °C og for bløt PVC kan den holdes mellom 250 °C og 300 °C fordi mykningsmidlene som tilsettes tillater høyere tempera­ tur. Når vi sveiser, blir den molekylære struk­ turen «løsere» pga. oppvarmingen. Derved blir plasten myk og klebrig, og i grensesonen mellom delene som vi ønsker sammensveiset, kan molekylkjedene fra den ene delen «slange» seg inn mellom molekylkjedene fra den andre delen. Molekylkjedene blir gjensi­ dig innfiltret i hverandre. Etter avkjølingen er sammensveisingen fullført.

71

Buttsveising med varmeelement

Sveisemetoder Oppvarming til sveisetemperatur kan ikke skje ved åpen flamme. For det første kan plastmaterialet lett bli ødelagt, og for det an­ dre vil det være vanskelig å holde en konstant temperatur. Derfor er det nødvendig med et varmeoverføringsmedium. Oppvarmingen i sveisesonen skjer ved hjelp av: faste medier, varmluft eller varmgass, friksjon, elektrisk energi eller laserenergi. Vi kan inndele sveisemetodene for plast etter oppvarmingstypen i:

• • • • • • •

Varmelementsveising Varmgass (-luft)sveising Friksjonssveising Dielektrisk sveising Ultralydsveising Induksjonssveising Lasersveising

Varmelementsveisingen skjer ved hjelp av ulike typer av elementer. Det kan være pla­ ter. skinner, bånd, kilestykker osv. Oppvar­ ming av elementene kan skje på forskjellige måter. Buttsveising er den enkleste. Her bru­ kes det varmeplater eller varmespeil som trek­ kes bort like før sammentrykkingen. Overlappsveising kan utføres på forskjellige må­ ter. Her kan det benyttes en skinneformet el-

Plastsveising med varmluft

ler et båndformet element. Når sveisetemperaturen nås, trekkes elementet vekk, og foliene eller platene trykkes sammen. Meto­ den kan anvendes for folier opp til 2 mm. Varmeimpulssveising (VIP) blir brukt ved sveising av tynne folier fra 0,05-0,5 mm. Det sveises i overlapp. Varmen i varmeelementet står ikke konstant på, men tilføres i pulser. Varmeelementet kan være formet som et metallstempel eller et bånd, som oftest belagt med teflon for å hindre klebing. Sveising med varmgasser og tilsettmateriale har en viss likhet med gassveising av metaller. Som varmemedium nyttes gasser som oppvarmes i selve sveisepistolen. enten elektrisk eller ved hjelp av gassflamme. Friksjonssveising er basert på at sveisetemperaturen oppnås ved friksjon. Minst en av delene må kunne settes i rotasjon. Den delen som ikke roterer, presses mot, og friksjonsvarmen gjør at sveisetemperaturen oppnås ganske raskt. Når denne er nådd, stop­ pes rotasjonen.

Polymere materialer

72

Dielektrisk sveising, også kalt HF-sveising nyttes ved sveising av tynne folier, vanligvis i form av overlappsveising. Dielektrisk sveising bygger på den dielektrisk oppvarmingseffekten. Er plasten bygd opp av polare molekyler vil disse be­ gynne å rotere for å stille seg inn etter polariteten når det legges på en høyfrekvent vekselstrøm. Jo høyere frekvens, jo raskere må molekylene forsøke å innstille seg. Da rotasjonen av polare molekyler hindres ved friksjon mot andre molekyler, oppstår det varme. Dette er prinsippet for dieelektrisk oppvarming. Oppvarmingen kan betraktes som et energitap, og en snakker derfor om den dielektriske tapsfaktor, tg delta. Plast som ikke er polart oppbygd eller bare viser svak pola­ ritet, gir lav dielektrisk tapsfaktor. Dielektrisk sveising er derfor vanligvis bare mulig for plaster som har tilstrekkelig stor dielektrisk tapsfaktor og et relativt lavt smeltepunkt. Ultralydsveising kan benyttes for alle termoplastiske materialer. Sonotroden svinger med en frekvens fra 18 000-30 000 Hz, og den overfører disse svingningene til trykk og varme i sveisesonen. Foliene ligger i overlapp på et fast grunnlag. Induksjonssveising kan benyttes blant an­ net til hermetisk lukking av plastesker. Det er lagt inn en metallring i deleflaten mellom lokk og boks. Settes esken ned i en spole, vil metallringen varmes opp ved induksjon og smelter (kleber) plasten i deleflatene sammen. Prosessen er utflørt i løpet av sekunder. Laserstråle kan også benyttes som energi­ kilde for å skaffe den nødvendige sveisev armen.

Liming av plast Liming som sammenføyningsmetode har vært brukt i mange år. Det finnes en rekke forskjel­ lige limtyper. Nye limtyper og limemetoder er under stadig utvikling. Forbindelsen mellom materialer som skal limes skjer ved at limet kommer i en så intim forbindelse med den rengjorte materialoverflaten at det oppstår atomære tiltrek­ ningskrefter. Disse kreftene kalles adhesjons-

krefter. Selv om vi benytter et lim med god adhesjon er forbindelsens styrke også avhen­ gig av limets kohesjon, altså av de indre kref­ tene som holder limet sammen.

Limtyper De fleste limtypene er i dag laget på basis av syntetiske organiske forbindelser. Klassifise­ ringen skjer etter gruppeegenskaper i:

1 Herdeplastlim (reaksjonslim) 2 Termoplastlim (smeltelim) 3 Blandinger (derivater, modifiseringer) av de to hovedtypene

Til gruppe 1 hører epoksyer, fenoler, elkyder og silikoner. Ved oppvarming forbin­ der de kjedeformede molekylene seg på kryss og tvers til et stivt nettverkt osm ikke mykner igjen ved ny oppvarming. Disse limtypene har stor E-modul, god kjemisk resistens og stor klebekraft. Til gruppe 2 hører akryl, pulyvinylklorid, polyamid, polyvinylbutyrat og cellulosenitrat. Hos disse limtypene opptrer det ingen tverrforbindelser mellom molekylkjedene, og de er derfir ikke så sterke som lim i gruppe 1. Til gruppe 3 hører lim som er en kombina­ sjon av flere limtypers gode egenskaper. Herdeplastlimene kan være enkomponentlim som reagerer uten herder eller hvor herdemiddelet er tilsatt limet. Tokomponentlim er lim hvor lim og herdekomponent opptrer hver for seg og først blandes bed bruk. Ved enkelte plasttyper kan sammenlimingen skje ved å bruke løsemidler. Sammenpressingen må skje så snart løse­ middelet er påført. Styrken i forbindelsen er avhengig av molekyldiffusjonene som skjer på tvers av limfugen.

Fordeler og ulemper ved liming av plast Liming av plast har både fordeler og ulemper. Limingen erstatter ikke i alle sammenhenger andre sammenføyningsmetoder, men kommer ofte som et suppplement.

Kapittel 2 Fordeler med liming av plast: • Jevn kraftfordeling • Varmetilførsel er unødvendig • Vanligvis billere enn andre sammenføyningsmetoder

Ulemper ved liming av plast: • Forbindelsene er ikke varmefaste • Limingen krever omhyggelig forpreparering • Noen limtyper krever lang utherdingstid og stort sammenpressingstrykk • Under vedvarende strekkpåkjenning vil limforbindelsen, særlig ved høye tempera­ turer, begynne å sige (krype) Noen plasttyper er lette å lime, andre van­ skeligere. Dette ligger til dels i manglende adhesjon mellom limet og plastoverflaten. Heftmekanismen er avhengig av om plastene er polare eller upolare. For noen plaster om de er løselige eller ikke.

73 Plast som er lett å lime Plast er lett å lime enten den er polar eller upolar dersom den er lett løselig. Plast som er lett å lime er PVC, PS, PC, PUR og nesten alle herdeplaster inklusive glassfiber­ forsterket plast. Plast som er vanskelig å lime Det er vanskelig å lime polar plast dersom den er tungt løselig. Plast som er vanslige å løse er myk PVC, polyamider, bestemte gummikvaliteter, syntetisk kautsjuk og spesi­ elle kopolymerer. Plast som ikke er limbar uten forbehandling Et plastmateriale kan ikke limes dersom det både er upolart og ikke løselig. Slike plaster er polyolefiner, polyfluorolefiner, polyoksimetylen (polyacetat) og silikoner.

KAPITTEL 3

Kompositter Oppbygning Komposittenes betydning som konstruksjons­ materiale er økende. Det begynte i romfartsindustrien, men kompositter blir nå brukt i økende utstrekning også på andre områder, blant annet i fly-, båt- og bilindustrien. I 1986 var verdensforbruket:

Stål: 800 mill, tonn Aluminium: 25 mill, tonn Plast: 80 mill, tonn I gruppen plast inngår fiberkompositter med 3 mill. tonn. Prognosene sier at verdens konsum av plast vil øke svært raskt, og det samme gjelder for kompositter. Armert plast og avanserte plastkompositter vil utkonkurrere metaller på mange områder. Årsakene til dette kan være mange, men en av dem er at energiforbruket ved fremstilling av komposittmaterialer er mye lavere enn for tilsvarende deler i metall.

Hva er et kompositt? Per definisjon er kompositt ethvert materiale som består av to eller flere fysisk forskjellige faser (det er heterogent), og der hver av fa­ sene gir sitt karakteristiske bidrag til materia­ lets egenskaper. Kompositter er makroskopisk homogene, men mikroskopisk kvasihomogene. Oftest er en av fasene kontinuerlig, og den kalles matriks. Man skiller mellom kombina­ sjoner av:

• Metalliske og keramiske (cermets) materia­ ler • Keramiske og polymere (ikke-metalliske) materialer

Spennings-Itøyningskurver for fiber, kompositt og matriks • Polymere (ikke-metaller) og metalliske materialer • Infiltrasjon av komponent(er) i en sintret matriks

Alt etter hvordan den andre eller de øvrige fasene er fordelt i matriksen, kan vi dele komposittmaterialene inn i gjennomgående faseforbindelseskompositter, dispergerte (finfordelte) kompositter og laminerte (sjiktvise) kompositter. Komposittlaminater følger ikke definisjo­ nen for en kompositt helt, fordi de ikke er makroskopisk homogene. Derfor bruker vi betegnelsen stofforbindelser eller sandwichmaterialer om disse.

Kompromisser Ved siden av optimering av egenskapene må vi ved utvikling av nye kompositter også

Kapittel 3

75

Skjematisk fremstilling av kompositter med ulike former for tofasestruktur a) Dispergente forsterkerelementer b) Gjennomgående (kontinuerlige) fibrer c) Diskontinuerlige fibrer d) Laminerte (sandwich-)kompositter

tenke på de økonomiske og økologiske aspek­ tene. Økologien krever at vi forsøker å erstatte råmaterialer som det er lite av, med andre som det er mer av, samtidig som disse er billige. Økologiske hensyn krever også at vi prøver å erstatte komponenter som er miljøbelastende (for eksempel beryllium, tungmetaller, asbest osv.), med andre. Kompositter er kompromisser: et kompro­ miss mellom kostnader og akseptable nivåer av for eksempel styrke, duktilitet, temperaturbestandighet og miljøbelastende fakto­ rer. Det er klart at også komponentenes dår­ lige egenskaper blir med i kombinasjonen. Det blir et kompromissmateriale med middelverdien av egenskapene. Disse middel­ verdiene er ikke bare avhengige av volumandeler i de fasene som inngår, men er også bestemt av strukturgeometrien, altså form, størrelse, orientering og fordeling av faseandelene. Styrken i sølv kan økes vesent­ lig med 30 volumprosent Al,O -pulver (pulverforsterket). Styrken kan økes enda mer ved å infiltrere Al,O?-whiskers (fiberforsterket). Slanke fibrer er bedre enn tykke osv.

Cermets er keramisk-metalliske blandinger Enhver pulvermetallurgisk fremstilt metallkeramisk blanding er en cermet når egenska­ pene til de metalliske og de keramiske ande­

lene er virksomme. Cermets består vanligvis av to faser. Mellom dem er det i mange tilfel­ ler en reaksjonsfase. Den formen fasene kan opptre i hos metallkompositter kan variere. Forsterkerfasen(e) kan være submikroskopisk dispergert, og størst styrke oppnås idet denne fasen er på vei til å bryte koherensen med matriksgitteret. Vi får en utherdet eller dispergert le­ gering. En fase kan også være utfelt mikro­ skopisk som en separat fase (ikke koherent). Den andre fasen kan også være fordelt makroskopisk og ligge i matriksmaterialet i «kuleform». Av egenskapene til faseblandinger er det enklest å bestemme de som er svakt retningsavhengige, for eksempel spesifikk varme, varmeinnhold og densitet. Da gjelder en enkel additivitet:

P=P f.2 .... p n • f M q ■ f, J 1 +p2, J Jn PM er blandingens egenskap, og P,P,...... egenskapene og/^...... volumandelene til fa­ sene som inngår i blandingen. Retningsbestemte egenskaper som elastisitetsmodul, strekkfasthet osv. lar seg bare bestemme under bestemte geometriske forut­ setninger når det gjelder fordeling og belig­ genhet av fasene i strukturen.

Kompositter

76

Fiberforsterkede metaller og plaster Fiber er definert som et enkelt kontinuerlig materiale med en lengde som er minst 200 ganger diameteren. Fiberforsterkede materialer og plaster er kompositter som består av en matriksfase (grunnmassefase) og en fiberfase (trådfase). Matriksen er vanligvis rene duktile metal­ ler eller plaster. Årsaken til at komposittmaterialer har fått større betydning, er kravet om høyere styrke og mindre vekt. Vi vet at mange materialer har langt høyere styrke i fiberformet tilstand enn i kompakt. I fibrer og whiskers som fremstilles, er det få uregel­ messigheter i oppbygningen og få mulighe­ ter for dislokasjonsbevegelser i den krystal­ liske oppbygningen, med andre ord økt flyte­ grense eller bruddgrense. Med fiber- eller whiskersforsterkning kan vi nå grenseverdier opp mot det teoretisk mulige. Jo tynnere fi­ brene eller whiskersene er, jo sterkere er de, og jo dyrere blir de. Fibrer kan ha forskjellig tykkelse og kan fremstilles av forskjellige materialer og på forskjellige måter. Derfor vil data for fibrene variere sterkt. Forsterkermaterialene kan klassifiseres slik: • Whiskers, det vil si filamenter av enkrystaller av ulik lengde • Fibrer, polykrystallinske • Fibrer, amorfe • Metalltråder (wires) med svært liten diame­ ter Forsterkermaterialet kan være infiltrert i matriksmaterialet enten som kontinuerlige trå­ der parallelt med fibrenes lengderetning, el­ ler som diskontinuerlige fibrer. I fiberforsterkende materialer tjener matriksmate­ rialet bare til å overføre ytre påvirkende kref­ ter til fibrene. Komposittmaterialenes egenskaper er blant annet avhengig av hvor stor andel forsterker­ materialet utgjør, og av fibermaterialenes egenskaper som elastisitetsmodul, strekkfast­ het og styrken i forbindelsen mellom fibrene og matriksmaterialet. For kontinuerlige fibrer er det forholdsvis enkelt å beregne E-modul og strekkfasthet hos kompositten. Under for­

utsetning av at komponentene blir forlenget lineært (elastisk) og at fasene hefter godt til hverandre, vil forlengelsen i fibrene og matriksen være den samme (e = efi Komposittens E-modul kan skrives: Ec =Et • Vt. + E m V

m

Her er V volumandelen, og c, f og m refe­ rerer seg til kompositt, fibrer og matriks. Hvis vi nå antar, som vanlig, at matriksen har mye lavere flytegrense enn fibrene, med andre ord at R « 7? , vil en kraft-/spenningsøkning føre til at matriksmaterialet begynner å flyte, mens fibermaterialet fortsatt forlenger seg elastisk inntil brudd inntreffer. De fleste fibermaterialene har liten eller ingen duktilitet. Derfor vil komposittmaterialet ha en nyttbar styrke som ligger mellom matriksens maksimale fly ting og grensen for fiberbrudd. Styrke (strekkfasthet) i kompositter med kontinuerlige fibrer kan skrives:

R c = R t • V+ R m -Vm t

Her er Rt fibermaterialets strekkfasthet og R m

3,45

-

Al, Ti, Mg

142

3,80

414

Al, Ti

5,00 4,6/5,2 3,5

260 300 400

Plast

1,4- 1,5

345 - 380

Mg, Al, (Pb, Cu, Zn)

1,65 1,85

345 - 380

SiC-fiber

C-kjerne

C-fiber

HT IM HM

AI2O3-fiber

Ubelagt

5 5 5 20

20 (210 monofilamenter) Belagt med et 0,005 pm SiO2-sjikt

som substrat. Slike overflatebelagte fibrer blir tykkere enn vanlige fibrer. For borfibrer med W-kjerne vil det si ca. 100-200 pm og for SiC-fibrer med C-kjeme ca. 150 pm. Styrken kan ligge rundt 3000-3500 MPa og Emodulen rundt 400 GPa. En fordel med denne typen fibrer er at de har en svært høy varmefasthet. En ulempe er at de har høy tett­ het.

ves for tiden forsøk med spesielle tilvirkningsmetoder, blant annet ekstrudering under høyt trykk og strekk- og varmebehandling for å få frem en nåleformet krystallisasjon i amorfe termoplastiske materialer. Ved polyetylen har en gjennom en slik egenforsterkning oppnådd en bruddstyrke på 5000 MPa og en E-modul på 100 GPa. Til sammen­ ligning har glassfibrer av E-glass en E-modul på 70-80 GPa og karbonfibrer (HM) ca. 400 GPa (stål har 210 GPa).

Egenforsterkede plastfibrer Plastmaterialer med høy styrke er av stor in­ teresse, fordi bruken av disse blant annet gir betraktelige vektbesparelser. Plast er generelt et amorft materiale. Noen plaster har imidler­ tid en viss krystallinitet, og dette gir økt styrke og stivhet (E-modul). Jo bedre makro­ molekylene krystalliserer seg, og jo mer ori­ entert de er, desto større strekkfasthet og Emodul får fibrene. Slike plaster kan vi si er kompositter som består av en amorf matriks med dispergerte krystallinske faser. Det dri­

Avanserte fibermaterialer Avanserte fibermaterialer er en gruppe kompositter med ekstreme egenskaper. De avanserte fiberkomposittene har fibrer med kovalente bindinger og er derfor meget sterke. Forsterkermaterialene kan være høyfaste bor-, karbon-, grafitt- eller kevlarfibrer og andre spesialfibrer. De blir fremstilt ved «håndverksmessige», ofte tidkrevende pro­ duksjonsmetoder og blir derfor dyre. De har

82

Kompositter

hittil vært mest brukt i romfartsteknikken, men etter hvert som prisen på fibrene faller, vil de også bli tatt i bruk i fly- og bilindustrien. Av verdensproduksjonen av komposittmaterialer på 3 mill, tonn (Mt), utgjør glass­ fiberarmert plast 90 %, og tilveksten er ca. 4,5 %. De avanserte komposittmaterialene utgjør bare 0,5 %, men tilveksten er 15 %.

Matriksmaterialer Matrikssystemets viktigste oppgave er å fik­ sere fibrene i den ønskede geometriske ord­ ningen og under trykkpåkjenning støtte dem så de ikke knekker ut. Videre har de en kraftbærende og over­ førende funksjon slik at de kreftene som på­ virker komposittsystemet, blir overført til fib­ rene. Matriksmaterialet får derved en avgjø­ rende innflytelse på egenskapene, samtidig som det hindrer at de omgivende mediene (fuktighet, kjemikalier osv.) påvirker fibrene.

Ikke-metalliske matriksmaterialer I plastkompositter er matriksmaterialet enten en termoplast eller en herdeplast. I fremtiden

regner man med økt bruk av keramiske matriksmaterialer, blant annet fordi plast­ materialene ikke tåler høye temperaturer. Ved innlegg av fibrer som er duktilere (seigere) enn det keramiske matriksmaterialet, kan for eksempel bruddseigheten heves vesentlig, fordi de spenningsspissene som opptrer, blir absorbert ved en plastisk deformasjon av den duktile faseandelen. Av herdeplastmaterialene er umettet poly­ ester (UP) mest brukt, men også epoksy (EP) og i noen grad silikon brukes. Umettet poly­ ester er en herdeplast som har gode meka­ niske og kjemiske egenskaper, er lett å bear­ beide og har lav pris. Ved oppvarming myk­ ner den omkring 100 °C, men tåler opp til 120 °C over tid uten at alvorlig nedbrytning fin­ ner sted. Den står godt mot vann og svake syrer, men baser virker nedbrytende. De elek­ triske egenskapene er gode. Som matriksmateriale kan det også brukes fenol. Kompo­ sitter med fenoler og glassfiberarmering har god termisk stabilitet (opp mot 250-300 °C), og gir dermed kompositten en brannhemmende evne. Epoksy er dyrere, men har mange gode egenskaper. Det har utmerkede mekaniske egenskaper. Det er kjemisk resistent og har

Tabell 3.3 Veiledende verdier for noen av de mekaniske egenskapene til termoplaster i uforsterket og glassfiberforsterket utførelse Plasttype

Glassfiberandel %

Tetthet g/cm3

E-modul GPa

Strekkfasthet BruddMPa tøyning %

SAN

Styren-akryinitril

— 35

1,08 1,36

3,4 14,0

80 120

ABS

Akrylnitrilbutadien-styren

— 35

1,5 1,09

2,2 9,0

45 65

3 2

PA6

Polyamid 6

— 35 50

1,13 1,40 1,55

1,8 7,5 15,0

60 130 220

200 7 3

— 35 50

1,13 1,40 1,55

2,0 10,0 16,0

70 160 240

150 5 3

PA6.6 Polyamid 6.6

6 2,7

POM

Polyoxymetylen

— 30

1,42 1,60

3,0 9,5

70 140

25 5

PC

Polykarbonat

— 30

1,20 1,42

2,2 6,5

70 90

80 3

83

Kapittel 3 god elektrisk isolasjonsevne. Det hefter godt til armeringsmaterialene. Denne typen matriksmateriale blir brukt i avanserte plastkompositter med karbon- og aramidfibrer (Kevlar). Karbon brukes som matriksmateriale for karbonfibrer. I den senere tiden har en også begynt å bruke visse typer termoplaster som matriksmateriale. blant annet fordi det gir kortere syklustid ved bearbeiding og en let­ tere håndtering og lagring. Blant de termoplastiske matriksmaterialene er polysulfon (PS), polyetersulfon (PES) og polyetereterketon (PEEK). Sammen med kon­ tinuerlige fibrer av karbon (CF), kalt APC (Aromatic Polymer Composite), er det opp­ nådd meget gode resultater. Sammenlignet med CF-epoksy har CF-PEEK disse egenska­ pene: • • • • • •

Bedre fasthetsverdier Høyere slagenergiabsorpsjon Hindrer fuktighetsopptak Bedre kjemikalieresistens Tåler temperaturer opp til 300 °C Lav termisk utvidelse

Metalliske matriksmaterialer Matriksmaterialet fikserer fasene og gir et vesentlig bidrag til komposittens egenskaper. Alt etter den egenskapen eller de egenskapene vi ønsker at matriksen skal ha, kan vi bruke lettmetaller/legeringer (Al, Mg, Ti), høyvarmefaste metaller/legeringer (Ni, Co), høytsmeltende metaller/legeringer (W, Mo, Nb, Ta), ledningsmetaller (Ag, Cu), magnetmaterialer (Fe, Ni, Co) og halvledermaterialer (Ge, Si).

Keramiske matriksmaterialer Dette er en ny type matriksmaterialer. Tilvirkningsmetodene er blitt bedre og kvaliteten jevnere, og prisen har gått nedover. Dermed er materialet blitt interessant. Det er et hardt matriksmateriale. Det er sprøtt, slitesterkt, korrosjonsresistent, og kan fremstilles porøst

slik at forsterkermaterialet kan infiltreres i det. Blant keramiske matriksmaterialer er alu­ minium-, zirkonium- og hafniumoksid, silisiumnitrid, silisiumkarbid og andre.

Kompositter (matriks pluss armering) Tilvirkning og egenskaper Stålet viker plassen for aluminium, magne­ sium, glass- og karbonfibrer og andre komposittmaterialer. I de eksperimentbilene som nå presenteres, er det i størst mulig utstrekning brukt lettmetaller i form av høyfaste alumi­ nium- og magnesiumlegeringer og avanserte fiberkompositter. Uten at man trenger å gi avkall på sikkerhet, kvalitet og økonomi, gir de en rekke fordeler, blant annet vekt­ reduksjon. 10 % vektreduksjon på en bil gir ca. 4-5 % lavere drivstofforbruk. I tillegg til sine mange gode egenskaper har fiberforsterkede plastkompositter et lavt energibehov ved tilvirkningen. Det finnes et mangfold av tilvirknings­ prosesser for kompositter. Det er mange fak­ torer som har betydning for valget. Et tilfreds­ stillende resultat krever derfor et seriøst for­ arbeid. Blant de produksjonstekniske forhol­ dene er:

• Stykkantall • Andel som må utføres for hånd • Maskinell andel • Hvor kompleks konstruksjonen er • Reproduserbarhet • Syklustid • KvalitetsnivåZ-sikring • Materialvalg av så vel matriks som forsterkermateriale • Fiberinnhold (-mengde) • Forsterkermaterialets orientering • Overflatekriterier • Etterarbeid • Integrasjon/montasje • Miljø • Økonomi/rentabilitet

84

Kompositter

Kompositter på plastbasis (PMC) Komposittmaterialene er karakterisert ved at forsterkermaterialet er betydelig sterkere enn matriksmaterialet. For eksempel er glassfibrer ca. 30 ganger stivere og styrken ca. 10-20 ganger større enn polymermatriksen, og i til­ legg er de relativt enkle å fremstille. Glassfi­ ber er det mest brukte forsterkermaterialet i kompositter med plastmatriks. Enda bedre egenskaper gir de vesentlig dyrere karbon-, aramid- (Kevlar) og borfibrene. Armeringsmaterialene i en kompositt kan være fordelt på forskjellige måter alt etter de primære egenskapene vi først og fremst øn­ sker at kompositten skal ha. Forgarn er en samling av parallelle konti­ nuerlige fibrer eller filamenter som legges ensrettet eller vikles. Det kan også veves matter av det. Fibermatter kan tilvirkes på ulike måter, enten av oppkuttede glassfibrer, kontinuerlige fibrer eller fiberflor. Oppkuttede fibermatter består oftest av 30-50 mm lange fiberkutt. Disse blir fordelt i et jevnt lag tilfeldig orien­ tert i planet og svakt sammenbundet av et egnet kjemisk bindemiddel (standard 225, 300, 450 og 600 g/m2). Fiberflor er svært tynne fibermatter med enkle kontinuerlige filamenter. Vevduk er fiberprodukter som kan tilvirkes på ulike måter. Til vevingen brukes rovings med høyt antall filamenter for grovvevde duker og et lite antall tynne rovings til tettvevde duker.

Armeringsmaterialer a) Ikke-orienterte fiberkutt (40^45 %) b) Unidireksjonalt rovingvev

Kypert- og toskaftsbinding

Vevingen kan utføres som lerretsvev, toskaftbinding, panamabinding, kypertbinding, og den mye brukte satengbindingen. Satengbundet vevduk er lett å forme over kompli­ serte strukturer. Vevingen gir høy trådtetthet, og i en kompositt gir den høy styrke i alle retninger. Kontinuerlige fiberbunter (rovings kan bestå av 5000-25000 filamenter) brukes i mange kompositter som forsterkermateriale både i enakset orienterte produkter og viklede produkter. Korte fibrer (0,5-10 mm) med uordnet fiberorientering brukes som forsterker­ materiale i en termoplastisk matriks. Andre former for vevde artikler er bånd i forskjelige bredder: Glassfiberforsterkede plaster (tysk: GFK, Glas Faserverkstårkte Kunststoffe, eng.: FRP, Fiberglass Reinforced Plastics) omfatter en rekke materialer med ulike egenskaper og bruksmåter. I glassfiberforsterket termoplast (tysk: GFT) er plastmatriksen forsterket med kortfibrer. Massen kan være i granulatform for sprøytestøping, for eksempel til kompli­ serte tekniske artikler som kapsling for elek­ triske håndverktøy, bunnpanne i motorer el­ ler sykkelskjermer. Termoplastiske materialer har mange gode egenskaper, men brukt som konstruksjons­ materiale har de ulemper som lav styrke, be­ grenset brukstemperatur og en høy termisk utvidelseskoeffisient. Disse ulempene motvirkes ved å blande inn forsterkerelementer. Blant glassfiberforsterkede termoplaster er SAN, ABS, PA i flere varianter, PC, POM, PPO og flere.

85

Kapittel 3

Injection Molding) i høytrykksmaskiner i et lukket formverktøy. Syklustiden er svært kort. Ved innføring av glassfibrer som forsterkerelement (RRIM), øker stivheten (Emodulen) betydelig, likeså mykningstemperaturen (formen beholdes ved høyere tempe­ ratur). Den termiske utvidelseskoeffisienten reduseres.

Egenskapene til fiberforsterket termoplast er i første rekke påvirket av termoplastens egenskaper. Sammenlignet med matriksegenskapene får fiber-termoplast-kompositter større hardhet, styrke og stivhet (økt E-modul) og bedre dimensjonsnøyaktighet. Ved PA6 med 30 % glassfiber senkes den lineære lengdeutvidelseskoeffisienten fra 100 K1 10'6 til 25 K 1 106, E-modulen øker fra 1,8 GPa til 7,0 GPa og brukstemperaturen fra 90 °C til 120 °C (200 °C kortvarig). Glassfibermatteforsterket termoplast (GMT) blir bearbeidet ved pressing. Det er stive plateformede halvfabrikater med lange vilkårlig orienterte glassfibrer i matteform. Som matriks brukes for det meste polypropylen (PP) og polyamid (PA). GMT med PP har en E-modul på 5 GPa. Det brukes til kapslingsforrnål, seteskåler, spoilere etc. GMT med polyamidmatriks brukes til oljepanner, ventildeksler og andre kapslingsformål, lampeskjermer, gressklipperdeksler osv. Glassfiberforsterkede elastomerer er en gruppe kompositter på basis av polyuretan. Seigelastiske PUR-formdeler blir hovedsake­ lig fremstilt ved RIM-metoden (Reaction

Tilvirkningsmåter for glass­ fiberforsterket herdeplast I gruppen glassforsterket herdeplast blir umettet polyester mest brukt som matriks, dernest epoksy. Men også vinylester. fenol, silikon, melamin osv. kan brukes. Polyester er relativt billig og gir en god balanse mellom de mekaniske, kjemiske og elektriske egenskapene. Den er videre dimensjonsstabil og lett å bearbeide. Produk­ ter av glassfiberforsterket umettet polyester (GUP) kan tilvirkes på ulike måter. Håndopplegg skjer ved at kjemisk bundne matter av glassfiberkutt og vevde matter av roving legges lagvis og impregneres med po­ lyester tilsatt herder som rulles inn.

Tabell 3.4 Egenskaper til glassfiberarmert plast (GUP) ved forskjellig andel glassfiber sammenlignet med stål og aluminium ANDRE MATERIALER

GLASSFIBERARMERT POLYESTER

EGENSKAPER Glass­ fiber

Umettet polyster

Matte 30%

Matte 40%

Roving 60%

Stål 0,3 % 0

Alumi­ nium

Densitet g/cm3

2.57

1.20

1.5

1.6

1.8

7.8

2.7

Termisk utv. koeff. KA10-6

5.4

100

25

20

12

11.5

23

Termisk konduktivitet W/K.m

0.19

0.22

0.24

0.28

74

225

Spesifikk varme Kj/kg.K

1.25

1.1

1.1

1.0

0.46

0.9

E-Modul GPa

70

4

8

10

19

210

75

Strekkfasthet MPa

14002000

40-90

ca. 100

ca. 140

ca. 350

ca. 350x)

70-100xx| (ren al.)

X) Legert ståltråd ca. 1500 - 2000 MPa. XX) Legert aluminium ca. 400 - 500 MPa.

86

Styrken til glassfiberarmert plast er avhengig av glassinnholdet og den formen og fordelingen som glassfiberarmeringen har i laminatet

Oppbygningen kan også skje ved påsprøyting. I et hoggeverk blir rovings kuttet i korte stykker og blåst sammen med et herdeklart bindemiddel (polyester) mot formen. Støping i form. BMC. Ved støping i form kan utgangsmaterialet være glassfiberkutt (ofte 33 % masseandel), UP. fyllstoffer,

Kompositter katalysatorer og andre tilsetninger i form av granulat (pelleter) eller som en deigaktig masse, premix. Metoden kalles BMC (Bulk Molding Compound) eller DMC (Dough Molding Compound). Styrenet i massen vil under oppvarming tverrbinde polyesterens molekylkjeder, og vi får en nettverksstruktur som gir økt stivhet og styrke. Prepreg. SMC. Prepreg er en annen metode for fremstilling av kompositter. Prepreg er et halvfabrikat i plateform der glassfibrene er impregnert med en spesial-UP eller EP og til­ satt initiatorer, akseleratorer, pigmenter osv. Massen ligger mellom to polyetylenfolier. Denne metoden kalles SMC (Sheet Molding Compound). Etter en viss modningstid, lagringstid, er platene klare til pressing i opp­ varmede former av stål. Metoden kalles varmpressing når formingen skjer ved en tem­ peratur på 140-200 °C og trykket er 50-100 bar (5-10 MPa). Under prosessen herder matriksmassen. Herdetiden er ca. 2-5 minut­ ter avhengig av materialkvaliteten og veggtykkelsen. Kaldpressing kan brukes for mindre serier. Metoden nytter rimelige verktøy bygd opp på basis av epoksy eller polyestermaterialer i kombinasjon med armering. Ved å bruke spe­ sielle polyestertyper og herdere får vi en eksotermisk reaksjon som gir så stor

Matter

Polyester + herder Form

Utlufting med trykkrulle

Håndopplegg av GUP

87

Kapittel 3

Håndopplegg der polyester blir rullet eller trykket inn i glassfibermattene

varmeutvikling at vi oppnår nødvendig formtemperatur med lavere trykk under herdingen. Utviklingen på området prepregmaterialer som herder omkring 180 °C, har ført til en vesentlig forbedring av egenskapene til matrikssystemet. De nye epoksytypene har en betydelig bedre lagringsstabilitet ved romtem­ peratur, en høyere seighet og en høyere

brukstemperatur. Ved de systemene som har en herdetemperatur på 120-130 °C, har man fått bedre varme-/fuktighetsegenskaper og en høyere seighet gjennom en modifisert epoksy. Sammen med forbedringen av egenskapene og den kostnadsgunstige bearbeidingen har det nye 120 °C-systemet fått nye bruks­ muligheter for høyt påkjente strukturdeler.

Prepreg med amorf termoplastisk matriks Bruken av termoplaster som matriks for høyfaste kompositter som inneholder 50-60 % kontinuerlige og rettede forsterkerfibrer, har en rekke fordeler sammenlignet med de herdeplastmaterialene som hittil har vært brukt. De gir impregnert prepreg, en ubegren­ set lagringsstabilitet og kortere bearbeidingstid og bedre seighet. Fibrene kan være Eglassfibrer eller karbonfibrer. Matriksen kan være polysulfon, polyetersulfon eller polyetereterketon.

Påsprøyting av glassfiber og polyester

RTM (Resin-Transfer-Molding) Et eksempel på en industriell prosessutvikling er RTM-metoden. Den metoden som hittil har vært brukt for fremstilling av produkter av prepreg, har mange mangler, blant annet er

88

Kompositter

Ulike metoder for fremstilling av kompositter med glassfiber som armeringsmateriale og polyester som matriks den omstendelig og tidkrevende. Dessuten må halvfabrikatet lagres ved lav temperatur. Ved RTM-metoden fremstilles forformer (emner) av rørrforsterkermateriale i stedet for av klebrig prepreg. Ved RTM-metoden skjer tilvirkningen i en lukket prosess. Matriksmaterialet (herdematerialet) blir injisert di­ rekte i den lukkede formen. Dermed bortfal­ ler de miljøproblemene man har med prepreg og herdematerialer. Man får også en bedre energiutnyttelse, og prosesstiden er sterkt re­ dusert. For RTM-tilvirkede detaljer er den bare noen minutter. Den raskere tilvirkningen og det mindre plassbehovet gir en kraftig økt produktivitet. I den kortere tilvirkningstiden ligger det også en tidsbesparelse ved innfø­ ringen av laser- og høytrykksvannskjæring sammen med robotbehandling og datastyring. Detaljer fremstilt ved SMC-metoden kan lakkeres. Metoden kalles MCS (Menzolite

Coating System) eller IMC (In-Mould Coa­ ting). Ved denne metoden blir formen etter pressing og herding åpnet noen millimeter et øyeblikk, og fargen sprøytes inn. Formen luk­ kes igjen, og under trykk flyter fargestoffet utover og blir presset inn i overflaten og her­ det. Alle hulrom i overflaten blir tettet igjen og gir dermed en fin overflate for den etter­ følgende dekklakkeringen. Metoden blir sær­ lig brukt i bilindustrien.

Dimensjonering av glassfiberlaminater Dersom en platekonstruksjon i stål skal byt­ tes ut med et glassfiberarmert laminat, må vi ta hensyn til at laminatet har en mye lavere E-modul enn stålet. Dimensjonering for stiv­ het for å unngå utbøying eller utbuling kan omtrentlig skje ved formelen:

Kapittel 3

89

Ved 25 % mattearmering og håndopplegg eller påsprøyting kan vi sette E} = 8 GPa og E = 210 GPa. Hvis dimensjonen på stålplaten settes til 1 mm, gir disse verdiene en nødven­ dig laminattykkelse på ca. 3,00 mm for å få samme stivhet i glassfiberlaminatet som i stålplaten. Sammenligner vi vektforholdet, så veier en stålplate på 1 mm 7,8 kg/m2 og en GUP-plate på 3,00 mm veier 4,26 kg/m2. Det betyr at dersom vi erstatter en stålplate med en kompositt i GUP, så får vi en vektbesparelse på ca. 50 %. Bestemmelsen av E-modulen for et GUPlaminat kan skje omtrentlig etter formelen:

E, = Eg E E E a P

= = = = =

ocp

+ E(1 -oc)

E-modul for laminat E-modul for glassfibrer E-modul for polyestermaterialet volumforholdet glass/polyester effektfaktoren for glassarmeringen

Skjematisk oppbygning av høyfaste kompositter

Skjematisk fremstilling av strekkfasthet- og tøyningsforhold av UD-laminater når spenningspåkjenningen er parallell med og står vinkelrett på fiberretningen

Hvordan og hvor høyt en glassfiberarmert konstruksjon kan belastes, er avhengig av lengden, mengden og retningen av fibrene i kompositten. Kompositter med korte, ikkeorienterte glassfibrer tåler bare middels be­ lastning, for eksempel RRIM, GFT og BMC. Noen høyere belastning tåler kompositter med lange kontinuerlige, men ikke-orienterte glassfibrer som i SMC, GMT, GM-UP, men også krysslagt som i et viklet rør (XMC). De som tåler størst belastning, er de som har lange, kontinuerlige fibrer med definert fiberanordning/fiberreting. Foruten standard SMC med betegnelsen SMC-R («Random») finnes det varianter som MSCD («Directional») med korte fibrer som ligger i påkjenningsretningen, SMC-C («Continous») med kontinuerlige fibrer, og kombinasjoner. Typiske egenskaper ved SMC-tilvirkede produkter er:

• Høy stivhet og styrke • Dimensjonsstabilitet også ved høye tempera­ turer (lav krymping) • Lakkerbar • Kjemikalieresistent • Brannhemmende

Kompositter

90

Typiske bruksområder for SMC er i båtproduksjon, karosserideler, motordeksler, bildører, kabelskjøtemuffer, sikringsskap osv. Dukpressing (trykkposepressing) er en pro­ sess for forming, vanligvis av flere lag armert polyester håndlagt og impregnert. Lagene leg­ ges med ulike trådretninger. En elastisk duk eller trykkpose (oftest av gummi) presser pla­ ten mot en fast form i en autoklav ved ønsket herdetemperatur. Ved vakuumpressing evaku­ eres luften mellom duken og formen. Ved trykkpressing legger man på et ytre gasstrykk. Vakuumstøping eller vakuuminjeksjon er en metode som brukes ved tilvirkning av pro­ dukter som containere og båter og til blandet produksjon av både små og store komponen­ ter. Formen består av to deler, en hunnform og en hannform. I den nederste formdelen legges fibermaterialet. Overformen settes på, og formen lukkes hermetisk. Luften evaku­ eres, og vakuumet suger så inn polyester og herder. Filamentvikling brukes for fremstilling av sylindriske produkter, tanker, rør etc. Filamentene påføres impregneringsmiddel, og viklingen som skjer på innvendige former, er programstyrt. Rotasjonsforming brukes for fremstilling av sylindriske produkter ved at man blander

Roving

Matriksbad med føring (leggesystem)

Prinsippskisse av viklingsmetode (linding)

Vikling av en beholder

Vikleform

Trykkrulle (utlufting)

Kapittel 3

91

Prinsippskisse av pultrering (profiltrekking)

fibrer og impregneringsmiddel i en roterende form, og under påvirkning av sentrifugalkraf­ ten herder kompositten. Profiltrekking eller pultrudering er en pro­ sess for en kontinuerlig produksjon av profi­ ler. Et antall rovings trekkes gjennom et impregneringsbad (polyester), og deretter gjennom en oppvarmet form (tørke-herdesone) som gir komposittmaterialet en ønsket profil. Produktene kan være rør, I-bjelker. ulike profiler, fiskestenger osv.

Tabell 3.5 Prosessfordelingen av armert plast. Tabellen viser at det er de manuelle prosessene som dominerer det norske og nordiske markedet Norge

Norden

Europa

Håndopplegg

35%

40%

24%

Sprøyting

40%

32%

16%

Pressing

1 %

4%

20%

Vikling

7%

4%

7%

14%

6%

11 %

1 %

1 %

2%

3%

2%

10%

18%

Prosess

Kontinuerlig laminering

Profiltrekking

Injeksjon

Annen prosess

2%

Høyfaste komposittmaterialer Høyfaste kompositter kan være sterkere enn stål og lettere enn aluminium. De har i dag en markedsverdi på 8-10 milliarder kroner på verdensbasis. Prognoser angir en årlig vekst­ rate på hele 30-40 %. Karbonfiberforsterket karbon (CFC) er et komposittmateriale som består av en karbonmatriks (matriks = grunnmasse) og forsterkerfibrer av karbon. Variasjonen av fibertype, orientering og mengde og tilvirkningsmetode for komposittmaterialer gir mu­ lighet for en stor variasjon i materialegenskapene. Tettheten varierer fra 1,40 til 1.65 g/cm? ved fiberinnhold fra 30 til 60 volumprosent. Bøyefastheten varierer fra 80 til 400 MPa. og E-modulen fra 30 til 120 GPa, alt etter laminatoppbygningen. Komposittet er varmefast opp ti] 2000 °C, det er korrosjonsresistent, har lav lengdeutvidelseskoeffisient og er elektrisk ledende. Fremstillingen skjer ved at tekstile karbon­ fibrer blir impregnert, og av dette prepreget fremstilles (for eksempel ved pressing) et mellomprodukt av blokker med en bestemt sjiktoppbygning, eller det vikles rør av im­ pregnerte karbonfibrer. I neste prosesstrinn

Kompositter

92 blir matriksmaterialet termisk herdet, og det blir pyrolisert ved oppvarming til ca. 1000 °C under beskyttelsesglass. (Pyrolyse er en termisk spalting, cracking, av sammensatte stoffer til enklere forbindelser, primærprodukter.) Ved gjentatt impregnering med etterfølgende karburisering (tilførsel av kar­ bon) oppnår man en kompositt med svært høy styrke. Komposittmaterialet blir brukt blant annet i høytemperaturovner og brennkamre. Det tåles også godt av det menneskelige vev og brukes derfor i mange sammenhenger i medisinteknikken, for eksempel i forbindelse med implantater. På grunn av sin gunstige tribologiske egenskap er CFC et interessant materiale for høyt påkjente bremser for fly, raske biler osv.

Kevlarkompositter Aramidfibrer, kjent under navnet Kevlar, er et fibermaterialé med mange gode egenska­ per. Sammen med epoksy som matriksmateriale gir det et kompositt med blant an­ net følgende egenskaper: lav densitet, slagfast, vibrasjonsdempende, korrosjonsresistent, form- og dimensjonsstabilt og høy utmattingsfasthet. Kevlar/epoksy unidireksjonalt laminat med 58 % fibervolum har en E-modul på 100 GPa, en strekkfasthet på 1400 MPa, og en forlengelse på 1,3 % for Kevlar 149. For Kevlar 49 er verdiene henholdsvis 72 GPa, 1150 MPa og 1,6 %.

Keramiske kompositter Keramiske kompositter befinner seg som mange andre kompositter ennå på et fors­ knings- og utviklingstrinn. Et mål for FoUvirksomheten er å forbedre de mekaniske egenskapene til den keramiske matriksen ved innlagring av fibrer. På mange områder innen teknikkken danner keramiske kompositter en erstatning eller et supplement til de konven­ sjonelle materialene. De keramiske materialene er for en stor del

sprø, og de er ømfintlige overfor raske og store temperaturvekslinger. Man forsøker derfor å bedre bøyefastheten og evnen til å tåle temperatursjokk ved å legge inn fibrer som er mer duktile og seige enn matriks­ materialet. En annen gruppe egenforsterkede keramer er for eksempel C/C og SiC/SiC. Ved materialriktig konstruksjon og tilvirkning av detaljer har keramikk følgende fordeler sam­ menlignet med metaller:

• • • •

Lav vekt Høy kjemisk resistens Middels lav varmekonduktivitet Høy overflatekvalitet og dermed gode glideog slitasjeegenskaper

Silisiumkarbid og borkarbid med sterke kovalente bindinger er karakterisert ved stor hardhet og høyt smeltepunkt. De hardeste kjente forbindelsene danner de fire småatomige elementene bor, karbon, silisium og nitrogen. Hvis vi kombinerer silisiumets gode oksidasjons- og temperatursjokkegenskaper og høye bruddseighet med borkarbidets svært store hardhet, høye slitasjemotstand og lave densitet, får vi et kompositt med ekstremt gode egenskaper. Fremstillingen skjer fra en finkornet pulverblanding av silisiumkarbid, borkarbid og karbon i en totrinns sintringsprosess. I første trinn forformes pulveret uten trykk ved 1950-2150 °C. I annet trinn skjer en varmeisostatisk pressing (HIP) ved 1850— 2150 °C i en høytrykksautoklav ved et gasstrykk på minst 10 MPa. Alt etter hvordan prosessen ledes, kan vi få de keramiske produktene helt kompakte (porefri) eller med en viss porøsitet slik at forsterkermaterialet kan infiltreres i det. For eksempel kan silisiumkarbid fremstilles med et porevolum som fylles med silisium. Der­ med får vi et kompositt som har høy meka­ nisk styrke, også ved høy temperatur, og som står godt mot temperatursjokk, har høy hard­ het og slitestyrke, god kjemikalieresistens, lav densitet, liten lineær lengdeutvidelse og god elektrisk konduktivitet.

Kapittel 3 Metalliske kompositter Metalliske kompositter (MMC, Metal Matrix Composites) består av en metallmatriks som kan være aluminium, magnesium eller andre metaller som er forsterket med metalliske el­ ler keramiske fibrer, eller plastfibrer eller dispergerte partikler som for eksempel A1,O? eller SiC. Tidligere dominerte whiskers, men de nye fibertypene har nesten de samme egenskapene og koster mindre. Metalliske kompositter brukes der det stilles følgende krav:

• Varmefasthet • Høy spesifikk stivhet • God slagseighet og duktilitet ved lave tem­ peraturer • God varmekonduktivitet • Liten lineær lengdeutvidelse i fiberretningen • Lavt fuktighetsopptak Aluminium er mest brukt som metall­ matriks, men også magnesium, bly, nikkel, titan og superlegeringer brukes. Forsterkermaterialet kan være fibrer av karbon, bor. borsilikat. bomitrid, beryllium, silisiumkarbid, aluminiumoksid, wolfram og molybden. I gruppen metalliske kompositter er fiberforsterket aluminium mest brukt. Mitsubishi Aluminium Co. har for eksempel kommet med en ny type aluminiumlegering forsterket med keramiske fibrer. Komposittet har en flytegrense på 420-560 MPa, en strekkfasthet på 530-690 MPa og en E-modul på 70-160 GPa avhengig av fiberandelen (0-30 %). Komposittet har høy varmefasthet. høy slitasjemotstand og liten termisk utvidelseskoeffisient. Det brukes i bil- og flyindustrien og til maskinelementer og elkomponenter. De økende krav til holdbarhet, høyere ytelse og høyere virkningsgrad, og krav om lav vekt kombinert med høy styrke, har ført til bruk av støpte aluminiumlegeringer med fiberforsterkning. Det brukes høyfaste metalliske eller ikke-metalliske fibrer som beholder styrken ved høyere temperaturer, er

93

kjemisk nøytrale og har høy utmattingsfasthet og vibrasjonsdempende egenskaper. Fibrene kan enten ligge i aluminiummatriksen i form av kortfibrer i vilkårlige ret­ ninger, eller i form av unidireksjonale konti­ nuerlige fibrer der de enkelte C-fibrene lig­ ger parallelt og påkjenningen bare skjer i fiberretningen. I denne aksen vil komposittet få en maksimal forsterkning, men i 90° kan styrken være betydelig mindre, og det kan være fare for delaminering. Hvis påkjennin­ gen er fleraksial, bør man velge en oppbyg­ ning med ikkeorientert fiberarmering. Kompositter med aluminiummatriks eller magnesiummatriks og dispergerte partikler eller whiskers av SiC har tilnærmet isotrope egenskaper. Strekkprøving av et magnesiumkompositt AZ91 med SiC-partikler viser at Fiberbunt

a) Vertikal infiltrasjonsmetode

o ° o o

Matrikssmelte

o Fibrer

ZZ —- Vakuumpumpe b) Vakuuminfiltrasjon

Tilvirkningsmetoder for metalliske fiberkompositter

94

strekkfastheten og E-modulen øker med økende andel av SiC. Et magnesiumkompositt (MMC AZ91) med 25,4 volumprosent SiCpartikler viste at E-modulen var omtrent dob­ belt så stor og strekkfastheten ca. 30 % høy­ ere enn foren AZ91-legering. Forsterker man AlMglSiCu med 40 volumprosent silisiumkarbid, øker E-modulen fra 70 GPa til 145 GPa samtidig som strekkfastheten øker fra 290 til 450 MPa. Motstanden mot slitasje øker, og friksjonskoeffisienten synker til halvparten av hva den er for uforsterkede aluminiumlegeringer.

Fremstillingsmetoder for MMC Fiberforsterkede metalliske kompositter kan fremstilles ved ulike metoder. Ved infiltrasjonsmetoden blir kontinuerlige fibrer infil­ trert ved å passere gjennom en metallsmelte og ut gjennom en profilert åpningskanal som er kjølt. En diskontinuerlig produksjon kan skje ved en vakuuminfiltrasjon i en lukket form. Ved valseplettering blir forsterkerfibrene valset inn i matriksmaterialet. Ved termisk sprøyting blir matriksmaterialet smel­ tet og sprøytet på fibrene. Gjennnom en et­ terfølgende varmvalsing eller varmpressing ved forhøyet trykk og temperatur blir matriksen kompaktert. Ved den pulvermetallurgiske metoden leg­ ges forsterkerfibrene inn i et keramisk pulver og deretter sintres dette. Ved smeltepressing (squeeze casting) presses flytende metall inn i en forform med fibrer (kontinuerlige eller korte) med et trykk på 5-10 MPa. Når formen er fylt, økes trykket til 30-100 MPa og me­ tallet størkner raskt. Dette gir matriks­ materialet en finkornet struktur og en god forbindelse mellom fibrer og matriks. Produk­ sjonstiden kan være fra 15 til 20 sekunder.

Kompositter Påføringen av belegg skjer på ulike måter. Mest brukt er termisk sprøyting, men CVDog PVD-metoden vil i fremtiden spille en større rolle. Eksempler på denne typen kompositter er aluminiumstempler med et keramisk belegg på toppen, aluminiumsylinderforinger med keramisk belegg, og i romfartsindustrien på varmeskjold, rakettneser og rakettdyser.

Anvendelsen av kompositter Kravene som stilles ved nyutvikling av konstruksjonselementer, er så høye at de nær­ mer seg de materialtekniske grensene. Det forskes derfor på «nye materialer» ved å kom­ binere de gode egenskapene til ulike materia­ ler. Resultatet er tallrike variasjoner av «skreddersydde» kompositter som etter hvert erstatter eller supplerer de konvensjonelle materialene. I det følgende skal vi se på en rekke områder der disse moderne materialene er tatt i bruk.

Overflatebelégg Ved siden av laminater, sjiktvis oppbygde kompositter (sandwich), regnes også over­ flatebelagte materialer som kompositter. Disse blir hovedsakelig brukt som varme- og lydisolasjon, og i elektronikken til kontakt- og termobimetaller.

Kuppelen (radomen) over radaranlegg er av glassfiberarmert plast medl et mellomliggende lag av avstivningsmaterialer (Foto: Ticon Plast)

Kapittel 3

Flyindustrien I flyindustrien er vektreduksjon kombinert med høy styrke og gode utmattingsegenskaper viktige faktorer ved valg av materialer. Lett­ metaller, plast og komposittmaterialer kom derfor tidlig i bruk her. I dag kan opptil 30 % av strukturvekten av et fly tilvirkes av komposittmaterialer. Deler av vinge, ribbekonstruksjoner og haleror utføres i karbonfiber-/epoksykompositt. Rotorblader til helikoptre utføres både i karbonfiber/epoksy og glassfiber/epoksy. Prøvestaver tatt ut av nye og 5 år gamle blad etter 3000 timers drift har vist at utmattingsfastheten ikke var blitt særlig mye dårligere. Kledning og golvpaneler i transportfly utfø­ res i glassfiber/epoksylaminat i bikubestruktur. Gassturbinblader kan utføres i glassfiber/polyamid.

Båtindustrien Her har glassfiberarmert plast (GUP) vært brukt lenge. Båtskrog på 30 meter og mer for hurtigbåter av katamarantypen og med fart opptil 60 knop bygges i komposittmaterialer. Det samme gjelder marinens nye minesvei­ pere. GUP brukes også i overbygning og inn­ redning. Komposittmaterialenes gode lydisolasjonsevne og antimagnetisme har økt bru­ ken av dem i marine- og forskningsfartøyer.

Offshore Kompositter kan med fordel nyttes til en rekke installasjoner for oljeleting til havs. Komposittene er lette, korrosjonsresistente og gir ingen statisk elektrisitet, og de er lette å vedlikeholde. Armerte plastkompositter bru­ kes til slam-, olje- og vanntanker og til diverse containere. Gasstette tanker og drikkevannstanker har en innvendig kledning av rustfritt stål. Helikopterdekk er et annet område. Disse kan bygges av laminatkonstruksjoner. Det er konstruksjoner som består av to fiberarmerte skallplater med mellomliggende forstivningsmateriale i bikubeutførelse. Slike dekk gir

95

vesentlig lettere dekkskonstruksjoner enn til­ svarende i stål, og er dessuten ikke utsatt for korrosjon. Andre områder der plastkompositter kan nyttes, er leidere, gangveier, trapper og rekk­ verk. Kledninger, skillevegger og inventar gir lette og praktisk talt vedlikeholdsfrie kon­ struksjoner som også tilfredsstiller brannsikringskravene. De er dessuten varme- og lydisolerende. Det samme gjelder for varmeog ventilasjonskanaler. Rør er et annet område der plastkom­ positter blir stadig mer brukt. Det gjelder rørledninger både over og under vann. Også til stigerør kan komposittmaterialer være et godt alternativ.

Bilindustrien Plastmaterialene kom for alvor inn i bilindu­ strien i 1960-årene. De gav mange fordeler som lav vekt, de ruster ikke og er lyddempende. De tåler små slag og støt, og slagog støtskader kan repareres lett og billig. Når det gjelder bruddseighet, står fiberforsterket plast, dersom den er riktig utformet, i en sær­ stilling. Riss som oppstår, stopper ved nærmestliggende tverrgående fiber, eller fin­ ner en ny vei. Dermed kan en forplantning av riss stoppes eller fortsette langsomt. Som en følge av denne kjensgjerningen har det tyske MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) gått over fra titan til et glassfiberkompositt i rotornavet på sine helikoptre. Kompositter av karbonfiberarmert plast er brukt i motorkomponenter som stempelbolter, veivstenger osv. Aksler og koblinger i fiberkompositt gir blant annet høy torsjonsstivhet kombinert med stor radiell elastisitet, høy demping og lav vekt. Bladfjærer av glassfiberarmert plast har vært brukt med suksess i mange år i sportsbi­ ler i USA. Bladfjærer i fiberkompositt er ve­ sentlig dyrere enn stålfjærer, men de begyn­ ner likevel å vinne innpass blant annet i min­ dre lastebiler og på biler av typen van. De reduserer den fjærende massen og gir dermed bedre kjørekomfort. Sammenlignet med fjæ-

Kompositter

96

Veivstang i fiberforsterket aluminium. Den har betydelig større styrke enn en uforsterket veivstang av aluminium rer av stål har bladfjærer av komposittmaterialer følgende fordeler:

• • • • • •

Innsugingsrør i glassfiberarmert polyamid til Porsche 928 (t.h.). Det veier 50 % mindre enn innsugingsrøret (t.v.) i støpt aluminium, har glattere overflate, gir høyere motoreffekt og krever ingen mekanisk bearbeiding. Kostnads­ nivået er det samme for de to utførelsene

Høy lagringsevne for elastisk energi Ekstrem belastbarhet Vektreduksjon opp til 80 % Svært god korrosjonsresistens Vedlikeholdsfrie De gode dempingsegenskapene gir en re­ duksjon av støynivået

Mot bruk av plastkompositter i karosseri i storserier taler høye tilvirkningskostnader som stiger med økt krav til dimensjonsnøyaktighet, i noen tilfeller sprøbruddtendens ved dyna­ miske påkjenninger og dårlig resirkulasjonsmulighet. Til tross for disse ulempene stiger forbruket av plastkomposittmaterialer i bilin­ dustrien. Flere tilvirkere arbeider med komposittkonsepter for store bærende deler. VW har

97

Kapittel 3 laget en prototyp av en komplett dørramme til en bil i Passat-størrelse. Ford har en proto­ typ der så vel frontstruktur som bakre gulv er utført i en kompositt. Volvo har bygd en prøvebil (LPC-2000) der golvet er i et fiberforsterket kompositt (GUP) med rettede fibrer i sidebanene der påkjenningen er størst. Bandvogner (for militæret) er utført med fiberkompositt-karosseri. Dette materialet er valgt blant annet fordi det er korrosjonsresistent. Vognene må kunne ta seg frem i snø og forsere vann, og dette stiller høye krav til tetthet. Glassfiberforsterkede termoplastplater (matriks PP og PA) blir brukt til beskyttelseskapper eller skjold og for lyddemping i motorrommet.

Svinghjul Svinghjul i kompositt blir brukt i satellitter, i strømforsyning og i prototyper av biler. For å spare energi vil de bli brukt i større utstrek­ ning i fremtiden. Svinghjul var tidligere mye brukt i maskin­ teknikken. De var tunge, den energimengden de kunne lagre, var liten, og det var nødven­ dig med omfattende sikkerhetsinnretninger. Med en energitetthet på 6,2 kW/kg var de dårlige sammenlignet med blybatterier, som har ca. 30 kW/kg. Bruken av fibrer av E-, Rog S-glass, aramid- og karbonfibrer sammen med UP eller epoksy, har gitt et komposittmateriale som er sterkere enn stål og vesent­ lig lettere. Svinghjul av fiberforsterket plast etter båndviklemetoden tåler derfor høyere hastighet (opp mot 25 000 r/min), og får der­ med økt energitetthet. Den forspenningen som er brakt inn under viklingen, gjør at svinghjulet blir pulverisert dersom det skulle briste.

Fremtidsoppgaver Armert plast har lenge vært synonymt med glassfiberarmert polyester (GUP). I dag om­ fatter armert plast mange flere materialer. De mange kombinasjonsmulighetene gir kreative industridesignere og konstruktører store mu­ ligheter. Med dataassistanse og element­

metoden, og ved å legge fibermaterialet på det stedet og i den retningen der påkjenningene er størst, er vi i stand til å optimere materialutnyttelsen i langt høyere grad enn tidligere. Det er ennå mange FoU-oppgaver på om­ rådet kompositter:

Fiberforsterket plast og karbon • Forbedring av selve forsterkerfibrene ved videreutvikling av høyfasthetskarbonfibrer, CFC og oksidasjonsbeskyttelse • Fremstilling av en billig og universell karbonfiber • Utvikling av glassfibrer med høy stivhet og korrosjonsresistens • Utvikling av nye organiske forsterkningsfibrer • Man forsøker å utvikle matriksmaterialer med høyere temperaturbestandighet og slagseighet • Utvikling av metoder for en mer rasjonell tilvirkning • Billigere seriefremstilling av komplekse deler, utvikling av bearbeidingsmetoder • Utvikling av metoder for gjenvinning av fibermateriale • «On-line»-prøving av halvfabrikater og de­ ler

Kompositter med metallmatriks • Utvikling av nye metoder for fremstilling av prisgunstige høyfasthetsfibrer uten kjemesubstrat • Utvikling av nye tilvirkningsmetoder, for eksempel smelteinfiltrasjon, varmisostatpressing, ekstrudering, folieplettering osv.

Fiberforsterket keramikk • Forbedring av sprøbruddstendensen, termosjokkresistens og slagseighet gjennom fiberinnlegg • Skadeforhold i grenseområdet fiber/matriks, for eksempel ved høye temperaturer, karak­ terisering av materialegenskapene

Nye strukturkonsepter • Utvikling av nye kompositter og dertil pas­ sende industrielle tilvirkningsmetoder og

Kompositter

98

utarbeiding av beregningsmetoder for de nye strukturkonseptene og data for egenska­ pene

Grenseflateforskning • Karakterisering av grenseflater og deres mekaniske egenskaper • Finne frem til modeller for heftmekanismen og kraftoverføringen i kompositter • Eksperimentelle undersøkelser av fiberforbindelser og sandwich-forbindelser • Utvikling av kvantitative, om mulig ikkedestruktive, metoder for prøving av tekniske kompositter

Bearbeiding av fiberforsterket plast Sponende bearbeiding av fiberforsterket plast stiller store krav til geometri og slitestyrke til de verktøy som nyttes. Til å bearbeide glassog karbonfiberlaminater kan vi bruke de kon­ vensjonelle skjæreverktøyene som nyttes ved metalliske materialer, bortsett fra boring, der verktøyene trenger en spesiell geometri.

Dreiing og fresing For å oppnå økonomisk standtid ved fresing av glass- og karbonfiberforsterket plast bru­ kes multiskjærfreser og for eksempel diamantfortannede freser. Ved aramidfibermaterialer er konvensjonelle verktøy ikke brukbare på grunn av faren for delaminering og oppflising. Her er det nødvendig med en særlig skarp egg. Vanlig high speed stål sli­ tes fort, hardmetall er bedre. Overlegent best er hardmetallbelagte skjæreverktøy (så lenge eggen er skarp). Verktøy av PKD (polykrystallinsk diamant) og CBN (kubisk bornitrid) blir vanligvis ikke brukt, fordi det byr på van­ skeligheter å få riktig eggeometri (uten store kostnader). Særlig vanskelig er bearbeiding av hybridmaterialer som i tillegg til aramidfibrer også inneholder glass og karbonfibrer. Vær oppmerksom på at det ved bearbeiding av glass- og karbonfiberforsterkede plast­ kompositter oppstår et meget fint sponstøv.

Boring Ved boring opptrer de største problemene på baksiden av platen. Idet boret går igjennom, har materialet lett for å flise seg opp og blir delaminert. Bredden av skadeområdet er et godt karakteristikum på bearbeidingsforholdet. Dette er sterkt avhengig av fiberlengden, av mengden komponenter og av måten de er bygd opp på. Vevd matte som forsterkermateriale er enklere å bearbeide enn vevd matte av roving med hovedtyngden av fibrene i én retning. Laminater med høy an­ del polymermatriks gir mindre problemer enn laminater med lav andel. Med stigende skjærehastighet og mating blir ruheten noe større. Ved bruk av kjølemiddel blir ruheten mindre. Ved aramidfibermaterialer må boring i satengvevd forsterkerinnlegg skje med høy­ ere skjærehastighet enn ved lintøyvevd. Det samme gjelder for laminat med fenolformaldehydmatriks sammenlignet med epoksymatriks.

Konturskjæring I den ikke-utherdede tilstanden, som vev og prepreg, består oppgaven for det meste i å fremstille todimensjonale utskjæringer med delvis kompleks geometri. Tidligere brukte man bare de samme metodene som ved tekstilskjæring, nemlig klippe- og støsselskjæring eller stansing ved stort antall. I dag bruker man i økende grad ultralydkniv, vann­ stråle- og laserstråleskjæring. Ved utherdede komposittmaterialer nyttes fresing i tillegg til vannstråle- og laserstråleskjæring. Laserskjæring er en termisk oppdelende metode, konturfresing en mekanisk. Hvor hardt vi kan kjøre, er avhengig av komposittmaterialet. I glassfiber- og karbonfiberlaminater kan vi med fresdiametrer fra 4 til 12 mm ha en matingskraft på 10-100 N, ved aramid kan matingskraften ligge på 30-350 N. Ved konturfresing utvikles det varme og dessuten støv og støy.

Metodevalg Aramidfiberforsterkede laminater skjæres utmerket med vannstråleskjæring. Med en

Kapittel 3

99

fremføringshastighet på 1,5-2 m/min får vi en meget fin snittkvalitet. I material tykkelser opp til 4 mm får vi med laserstråleskjæring kvali­ tativt de beste resultater og høyest matehas­ tighet. Fresebearbeiding er ikke så godt eg­ net for aramidfiberforsterkede laminater, fordi aramidfibrene har en tendens til å vike unna i matrisematerialet, og dette gir derfor en dår­ ligere bearbeidingskvalitet. Karbonfiberforsterkede laminater har sprø karbonfibrer, men laminatene kan uten pro­ blemer deles opp ved varmstråleskjæring. Ved laserskjæring får vi vanligvis ikke så gode snittkvaliteter. Konturfresing gir imid­ lertid fremragende snittkvaliteter også ved høy matehastighet. Glassfiberforsterke de laminater med sprø glassfibrer kan skjæres med vannstråle, men ved små materialtykkelser er det en delamineringstendens. Laserstråleskjæring gir noe bedre resultat. Best resultat med glassfi­ berarmert plast gir konturfresing. Med den oppnår man også høyest matehastighet. Den kan komme opp i 750 m/min.

Hybrider Hybridmaterialer bearbeides lett med vannstråleskjæring. Det gir glatte snittflater. Aramid-/glassfiberhybrider kan skjæres med laser, men bearbeidingskvaliteten er ikke den beste. Det blir lett delaminasjonsproblemer

mellom aramid- og glassfiberlagene. Dette kommer av at de to fibertypene har forskjel­ lige termiske egenskaper. Ved konturfresing oppnår man snittkvaliteter som kan sammen­ lignes med det man får med vannstråleskjæring.

Økonomiske betraktninger Ved valg av metode er følgende faktorer av betydning:

• • • •

Skjærehastighet (fremføringshastighet) Snittkvaliteter Investeringskostnader Kostnader for energi pluss andre driftsmid­ ler • Verktøykostnader

Ved vannstråle- og laserstråleskjæring be­ tyr strålekildene høye investeringskostnader. For vannstråleskjæring kreves en høytrykkspumpe med trykk på opp til 4000 bar, og ved laser må energikilden gi 500-1000 W. Inves­ teringene ligger høyere enn for en 8 kW høyfrekvensspindel for fresing. Ved laser kommer i tillegg til elektrisk energi kostna­ dene for de dyre prosessgassene helium, ar­ gon og nitrogen. Ved laser- og vannstråle­ skjæring er verktøykostnadene relativt små. For fresingen må det brukes dyre verktøymaterialer av hardmetall eller PKD.

Kompositter Fordeler • Fiber- og sjiktkompositter har høye strekkfasthetsog stivhetsverdier i visse retninger. • Fiberforsterkede plaster har lav tetthet og høy korrosjonsresistens. • Sjiktkompositter (sandwiches) har også disse gode egenskapene og lav varmeledningsevne. • Fiberforsterkede metaller tåler høye temperaturer og har høy elektrisk ledningsevne. • Fiberforsterkede keramer står bedre mot sprøhetsbrudd og termosjokk, og har høy elektrisk ledningsevne. • Partikkelkompositter har høy strekkfasthet. Innlagring av harde partikler øker slitasjestyrken vesentlig. • Overflatekompositter har stor motstand mot slitasje og korrosjon og mot økt temperatur.

Ulemper • Det kan forekomme sviktende vedheft mellom komponenter som inngår i materialet. Dette kan lede til uforutsigbar materialkollaps. • Produksjonsprosessen ved tilvirkning av komposittmaterialer er ofte omstendelig og tidkrevende. Dette gjelder spesielt ved store produkter. Tilvirkningen er sjelden anvendbar i storskal aserie. • Metoder for prøving og analyse av komposittmaterialets fasthetsegenskaper er dårlig utviklet, spesielt ved dynamisk belastning. • For fiberkompositter er den høye prisen for fibrene negativt. Spesielt gjelder dette karbonfibrer og keramiske fibrer. (Glassfibrer er riktignok billige, men de tekniske egenskapene er i mange tilfeller utilstrekkelige.)

KAPITTEL 4

Glass Glassets oppbygning En definisjon av glass er at det er et uorga­ nisk stoff som beholder smeltefasens uregel­ messige atomplassering når det stivner. En annen definisjon er at glass kan betraktes som en underkjølt væske med så stor viskositet at den ved vanlig temperatur er i fast form. Glass er et amorft materiale uten noen bestemt atomkonfigurasjon. Vanlig glass blir fremstilt ved sammen­ smelting av kvartssand, SiO,, kalkstein, CaCO? og soda, Na2COv I tillegg kommer andre stoffer med andre egenskaper som sær­ lig er knyttet til oksidene silisium, bor og fos­ for. I smeiten danner oksidene BO, SiO, og P,O, molekylkjeder som er infiltrert i hveran­ dre. Når den seige smeiten stivner, har ato­ mene i molekylkjeden vanskelig for å flytte på seg og danne et atomgitter og krystallisere. I fast tilstand danner molekylkjedene et nett­ verk som holdes sammen av bivalenser. I kvartsglass omgir Si-atomene seg med fire oksygenatomer, mens det kjemisk kan binde bare to. I tetraederåpningene (mellomrom­ mene) sitter det lille Si-atomet. Nettverket i kvartsglass er så løst pakket at det kan absor­ bere en økt atombevegelse ved temperatur­ stigning, det vil si at det ytre volumet nesten ikke endrer seg ved temperaturøkning, det er «ildfast». Hvis man tilsetter Na,0 eller CaO, bryter O-ionene SiO,-kjedene og fester seg på kjedeenden. Na+ og Ca++-ionene setter seg mellom kjedene. På denne måten dannes tek­ nisk glass. Vindusglass (natronglass) kan ha litt ulik sammensetning, men kan for eksem­ pel bestå av ca. 70 % SiO,, 14 % Na,O, 11 % CaO, 2 % MgO, 2 % BaO og 1 % Å1,O,

Kapittel 4

101

Todimensjonal struktur av natrium-silikat-glass. Det fjerde oksygenmolekylet som er bundet til Si-atomet må man tenke seg liggende i 3. dimensjon

Glasstyper og egenskaper Glass er sterkt, men sprøtt. En hul glasskule tåler betydelig høyere trykk enn en stålkule. Fordi det ikke er krystallinsk, har det heller ingen glideplan eller inneholder dislokasjoner, som er betingelsen for at et materiale er duktilt (ved romtemperatur). Ganske små riss i overflaten kan føre til brudd fordi det rundt risset ikke finnes noen duktil sone som kan absorbere spenningskonsentrasjonen. Dersom glass kan trekkes til fine tråder, glassfibrer, uten overflatesprekker, så er de svært sterke, med en strekkfasthet på rundt 3000 MPa. Glasslaminater brukes blant annet i skuddsikkert glass. Det består av flere sjikt med hardt spesialglass med seige folier av plast mellom sjiktene. Glass opptrer i tre ulike tilstander avhen­ gig av temperaturen. Ved romtemperatur er det sprøtt. Ved oppvarming til et temperaturområde som for vanlig glass er 700-800 °C, vil den sprø tilstanden gå over i en myk (viskøs) tilstand. Ved ytterligere oppvarming går glasset til slutt over i en ren væsketilstand

(med høy viskositet). Bearbeiding av glass skjer i mellomstadiet. Glass kan deles i to hovedgrupper, kalkglass og blyglass. Kalkglass kan igjen deles i flere undergrupper, for eksempel kvartsglass, som består av ren kiselsyre, SiO2, natronkalkglass, som er den vanligste formen for glass, og kalikalkglass. E-glass er et alkalifritt glass. I blyglass er kalken helt eller delvis erstattet med blyoksid (30-60 %). Glassets tetthet lig­ ger i området 2.4 til 2,6 kg/dm? for vanlig glass og 3,0 til 3,8 kg/dm3 for blyglass. Hardheten øker med innholdet av SiO2 og avtar ved tilsetting av alkalier og bly. Glass har dårlig termisk og elektrisk konduktivitet, det er isolerende. Den termiske utvidelsen er avhengig av glassets sammen­ setning. Kvartsglass har den laveste termiske utvidelseskoeffisienten med 0,55 ■ 10-6K '. Høyest ligger natronglass med 8,5 • 10 6K '. Det er selvfølgelig minst resistent mot tem­ peratursjokk. Glass har gode optiske egenskaper. Lysbrytingen er større hos blyglass enn hos vanlig glass.

102

Glassets «smeltepunkt» er høyest for rent kvartsglass. Hvis det tilsettes bor, alkalier og bly, senkes «smeltepunktet». Glass står generelt mot kjemikalier, men angripes av syrer og alkalier ved langvarig kontakt. Flussyre brukes til etsing av glass. Glass kan farges ved tilsetting av ulike oksider. Kobberoksid gir rød farge, kromoksid gir gul-grønn farge, koboltoksid gir blå, manganoksid fiolett farge osv.

Termisk etterbehandling av glass Den mekaniske styrken til en glasskive kan forbedres vesentlig ved at den varmes opp til like under mykningstemperaturen og så av­ kjøles raskt. Det gir en trykkforspenning i det indre. Termisk forspent glass (alkalisilikatglass) har en forspenning på 100 MPa og blir brukt som sikkerhetsglass i bygg- og bilindustrien.

Glasskompositter Glasskompositt er en forbindelse mellom glass og andre organiske eller uorganiske materialer. Glass kan sammen med en rekke plasttyper danne kompositter med mange for­ deler. Eksempler er bilruter som, dersom de knuses, nærmest blir pulverisert og ikke gir noen skarpe glassbiter. Flere millimeter tykke glasskiver med mellomlegg av glassklar plast brukes som skuddsikkert og innbruddsikkert glass. Glasskompositter har:

• • • • •

Lav tetthet Høy kjemisk resistens Lav termisk utvidelseskoeffisient Høy resistens mot slitasje Høy styrke og elastisitetsmodul

Sammenlignet med keramer har glass­ kompositt høy bruddseighet og står godt mot termosjokk.

Glass

Glasskeramikk Glasskeramikk er også et kompositt. Ved pro­ duksjonen forsøker man å få en viss kontrol­ lert krystallisasjon ved avkjøling. Det mate­ rialet man da får, ligger i grenselandet mel­ lom glass og keramikk, og har fått navnet glasskeramikk. Ved tilvirkning av glasskera­ mikk starter prosessen som for glass. Sam­ mensetningen er valgt slik at den ligger i nær­ heten av den krystallfasen som ønskes. Glassammensetningen får i tillegg stoffer som skal tjene som kimdannere ved den etterføl­ gende kontrollerte krystallisasjonen. Formgivningen skjer som for glassprodukter. I den etterfølgende termiske behandlingen dannes det krystaller omkring de innlagrede stoffene, kimdannerne. Glasskeramikk kan alt etter sammensetningen og den termiske behand­ lingen ha en krystallfaseandel mellom 50 og 100 %. Glasskeramikk har de samme gode egen­ skapene som glasskompositter. Stor teknisk betydning har glasskeramikk av typen litiumalusilikat fått. Ved spesielle kimdannere (TiO2) dannes kvarts blandkrystallkeramikk. Den haren termisk utvidelseskoeffisient som ligger nær null, og det gir stor motstand mot temperatursjokk. Av den grunn brukes den blant annet til topplater på elektriske komfy­ rer. Glasskeramikk brukes også til speil i store teleskoper. Prosessen ved tilvirkningen av slike store speil er svært tidkrevende. Til et speil med 3,6 m i diameter tok det 21 dager å få ferdig glassmelten. Først etter 14 måneders varmebehandling ble glasskvaliteten slik som man ønsket. Den 40 tonn tunge glasskeramikkblokken ble fullstendig homogen og fri for fremmedlegemer.

Porøst glass En ny produktfamilie er sinterglass med åpne porer. Det kan leveres som plater, rør eller ekstruderte profiler. Det blir fremstilt ved at det tilsettes inerte fyllstoffer til et finkornet glasspulver. Den homogene pulverblandingen varmes opp mot glassets mykningstemperatur,

Kapittel 4 og pulverblandingen sintres. Etter avkjølin­ gen løses fyllstoffene ut. Komstørrelsen og mengden av fyllstoffer bestemmer porestørrelsen og porevolumet. Porestørrelsen kan variere mellom 10 og 1000 pm. Den lave tettheten, fra 0,3 kg/dm3, er avhengig av porevolumet. Sinterglass er let­ tere enn vann. Sinterglasset er inert, og den kjemiske resistensen er svært god, også over­ for aggressive medier. Det tåler høye tempe­ raturer (opp til 750 °C), og står godt mot tem­ peraturvariasjoner. Sinterglass med åpne porer har spesielle filtreringsegenskaper med en høy gjennomløpsmengde per tidsenhet. Sinterglass med åpne porer brukes til separasjonsprosesser i kjemisk rensing av varme røykgasser (man kan separere H, og CO fra gassen). Det kan brukes også til vannrensing og i klima- og renromsteknikken. Det porøse glasset har også høye kapillarkrefter og kan for eksem­ pel brukes til lagring av farlige væsker og fly­ tende nitrogen. Det brukes også i bioteknologien. Dispersjonsforsterket sinterglass kombine­ rer de gode egenskapene til glasskeramer med egenskapene som karakteriserer zirkoniumstrukturkeramer, nemlig høy bruddfasthet, høy E-modul og høy bruddseighet.

103 rekke områder. Den er hard, står godt mot abrasiv slitasje, er korrosjonsresistent, varmeog flammesikker, beholder fargen og er et hy­ gienisk og ikke-giftig belegg. Fordelaktige egenskaper er også at emaljebelegget kan fås i alle farger, med et glatt, glinsende eller matt utseende. Utviklingen av påføringsmetodene for moderne emaljetyper som har skjedd i forbin­ delse med automatiseringen i emaljeringsbedriftene, har ført til at det i dag finnes over tjue ulike metoder. Blant dem er manuell på­ føring ved dypping, maskinell påsprøyting med sprøyteautomater, elektrostatisk pulverpåsprøyting, elektroforese (en dyppemetode) osv. Etter påføringen brennes emaljen i ovner. Grunnemaljen blir brent ved ca. 780880 °C, dekkemaljen ved ca. 900-1100 °C.

Bruksområder for glass Glass er et materiale med en rekke forskjel­ lige og til dels unike egenskaper. Glass kan for eksempel brukes til hermetisk kapsling av elektrotekniske komponenter. Glassets li­ neære utvidelseskoeffisient kan tilpasses komponentenes, og dermed sikre at en glassmetall-forbindelse holder seg tett i temperaturområdet -270 °C til +250 °C.

Emalje Beskyttelesbelegg av glass kalles emalje. Emaljering er en gammel kunst. Emaljering av gull var kjent hos egypterne. Fra kelterne kjenner vi emaljerte kobbergjenstander fra det første århundre av vår tidsregning. Emaljen må ikke bare feste godt til metal­ let som skal dekkes. Den bør også ha omtrent den samme termiske utvidelseskoeffisienten. Til emaljering brukes derfor spesialglass, vanligvis alkaliborsilikater. Likevel er det ikke så enkelt å finne en emaljesammensetning som dekker begge kravene. Ofte på­ fører man derfor først en grunnemalje, van­ ligvis koboltoksid, som fester godt til under­ laget, og derpå en dekkemalje. Emaljen tilfredsstiller høye krav på en

Glass er et unikt materiale når det gjelder formgivning i plastisk tilstand

104

Glass

Glass kan bearbeides på ulike måter ved saging, skjæring, boring, fresing, etsing, støping, pressing, blåsing, bøying.

igjennom i plateområdet, men samtidig er den en dårlig varmeleder, slik at området rundt platen har en moderat temperatur.

Glass som substratmateriale

Glass reflekterer varmestråling

Glassubstrat brukes blant annet i forbindelse med LC-visninger (displayer). Andre produk­ ter er fotomasker av klart glass til elektroindustrien. Substratet er høyrent kvartsglass; Et nytt produkt er diskettsubstrat av glass. Det vil bli en konkurrent til aluminium. Fordelen med glass er at substratet blir svært plant og glatt (minimal overflateruhet).

Interferensfilterglass er glass som har fått et overfiatebelegg. Det gjør at deler av det op­ tiske spektret kan filtreres ut. Enhver ønsket bølgelengde kan reflekteres eller transmit­ teres. Det betyr at vi kan beskytte oss mot sterk solstråling og varme ved å nytte solrefleksglass i vinduene. Energiforbruket i et eventuelt klimaanlegg blir redusert. For bygningssektoren er det utviklet nye typer isolerende vindusglass. Innsiden er belagt med reflekterende sjikt av ZnO, SbO og In2O3 i opptil 20 sjikt. Mellomrommet mellom glas­ sene er fylt med tørr luft, slik at doggpunktet er lavere enn -70 °C.

Glass tåler sterk varme Noen typer, blant annet borsilikatglass (Pyrex, Jena, Pyran, Duran) kan nyttes som brannvernglass. Det tåler temperaturer opp til 1000 °C over en kort periode. Det springer ikke som vanlig vindusglass, men mykner. Det kan hindre at en brann sprer seg.

Glass er stabilt ved høy temperatur Glass i form av glasskeramikk har mange gode og unike egenskaper. Komfyrplater av glasskeramikk beholder planheten og er lette å holde rene. Selv ved 750 °C utvider ikke platen seg det minste. Den slipper varmen lett

Glass konsentrer energi Med glass i form av speil og svært rene op­ tiske glasslinser kan man konsentrere lysstråler, for eksempel laserstråler, og derved få en svært stor energitetthet. Denne egenskapen kan brukes til å skjære i ulike materialer og til å smelte selv høysmeltende metaller osv.

Glass leder lys rundt hjørner Selv om lyslederfibrer, optiske fibrer, av glass er fem ganger tynnere enn et menneskehår, består de av to glasstyper, en type med høy brytningsindeks i kjernen som leder lyset godt, og en med lavere brytningsindeks i mantelen (kappen) som gir en totalrefleks i fiberen. Medisinen har fått et uvurderlig hjelpemid­ del i den optiske fiberen. Vi kan for eksem­ pel studere mage, tarm og mange andre indre organer uten å måtte foreta en operasjon. På grunn av sin smidighet kan glassfiberen pas­ sere praktisk talt alle krumninger.

Glass er generelt porefritt

Glass i vinduer kan reflektere solstråler og har varmeisolerende egenskaper

At glass er tett og porefritt, er en viktig egen­ skap ved oppbevaring og transport av be­ stemte medikamenter. Glassampuller må ikke ha porer der bestanddelene i medikamentet

Kapittel 4 kan sette seg fast. Gasser, for eksempel ok­ sygen, må ikke kunne trenge igjennom, og ampullematerialet må ikke kunne avgi noe som kan endre det kjemiske innholdet i am­ pullen. Dessuten må medikamentet hele tiden kunne ses gjennom glasset.

Glass kan forandre farge Fotokromatiske brilleglass tilpasser seg auto­ matisk lysforholdene. Effekten, som skyldes at milliarder av små sølvkrystaller i glasset reagerer på de ultrafiolette strålene fra solen, forandrer seg ikke med årene.

105

sempel biler på parkeringsplasser, forsvars­ anlegg eller hva en måtte ønske å registrere.

Glass kan svekke lys Hvis man legger en elektrisk spenning på et glass som er belagt med wolframoksid. får glasset et blåskjær og blir trinnløst mørkere alt etter tilført strømstyrke. For bilførere kan et slikt glass være praktisk for det innvendige speilet for oversikten bakover. Hvis bilen bak har fjernlyset på, sjenerer ikke refleksen fra «sladrespeilet».

Glass genererer en elektrisk spenning

Glass kan øke øyets ytelse mangedobbelt Spesialglass har gitt optiske apparater en utro­ lig yteevne. Bare glass kan fremstilles så rent og slipes så eksakt at det kan brukes i optik­ ken, som det stilles ekstreme krav til. Med spesialoptikk i kameraer i romferger og satel­ litter kan vi ta bilder fra svært store høyder med en skarphet som gjør det mulig å se de­ taljer ned til noen meter eller mindre, for ek­

Så snart vi setter en spesiell glasstype i le­ dende vann, for eksempel i sjøvann, oppstår det en målbar spenning på glassoverflaten. Størrelsen står i et direkte forhold til pH-verdien i det omgivende mediet. Vi kan måle om en elv eller et vann er for surt og eventuelt treffe mottiltak. Glasselektroder brukes blant annet til å styre prosesser i industrien og til analyser i laboratorier.

KAPITTEL 5

Keramikk Keramikk (av gresk keramos, leire) er felles­ betegnelsen for produkter fremstilt av masser som inneholder leirer eller leirlignende ma­ terialer. De blir holdbare ved sintring (bren­ ning). Keramer er per definisjon ikke-organiske, ikke-metalliske materialer som formes til produkter før eller under høytemperaturreaksjoner (over 500 °C). Den årlige tilvekstraten for keramer ligger på ca. 10-50 % for den elektroniske keramikken og ca. 2030 % for konstruksjonskeramikken. Dertil kommer at keramer ofte utgjør nøkkeldetaljer i elektronikk og maskinkonstruksjoner. Keramiske materialer omfatter i dag ikke bare de «klassiske» materialene som steintøy, fajanse, porselen osv., men også nye keramer med navn som elektrokeramer. høyteknologikeramer og høytemperaturkeramer. Keramene erstatter metallene på mange områder der metallene under ekstreme forhold mister sine ellers gode egenskaper. Keramene består av forbindelser mellom metallatomer og ikkemetallatomer. Atombindingene er ionebindinger, kovalente bindinger eller kombinasjoner av disse. Disse bindingskreftene er mye sterkere enn metallbindingene. Keramene er derfor sterkere og

Hardhet til ulike keramer

Tetthet til ulike keramer hardere enn metallene, og de har også høy­ ere smeltepunkt og elastisitetsmodul, lavere termisk utvidelse og lavere reaktivitet. De mest betydelige tekniske keramene hører til gruppen oksider, nitrider, karbider og borider av metallene Al, Zr, Ti, Y eller halvlederelementet Si med en rekke dopingelementer. De kan også opptre i fiberforsterket utgave (kompositt), for eksempel Al,0 /SiC. De keramiske materialene har for det meste en heterogen polykrystallinsk struk­ tur som har visse andeler av amorf base (som bindemiddel). Med få unntak forekommer ikke de tekniske keramiske materialene i na­ turen, men er syntetisk fremstilt fra pulver, en finkornet pulverform som man får etter be­ handling i kulemøller eller annen type knuseverk. Mens de «klassiske» keramene er fremstilt av råmaterialer som kaolin, kvarts, feltspat osv. og derfor hører til silikatkeramikken, så omfatter den nye industrikeramikken for det meste materialer basert på syntetisk fremstilte oksider, karbider, nitrider osv. Aluminiumsoksid, sinkoksid, silisiumkarbid og silisiumnitrid er noen eksempler på henholds­ vis oksidkeramer og ikkeoksid-keramer.

Kapittel 5

107

• • •

•

•

slag. (Keramiske kompositter kan være seige.) Mange keramikktyper er ømfintlige overfor temperatursjokk Reproduserbarheten av materialdataene er usikker Kvalitetssikring av keramiske produkter er i dag bare mulig i begrenset grad. Skademekanismene er ennå lite kjent. En sikker ikke-destruktiv materialprøving og materialkarakterisering mangler Den høye hardheten gjør enhver mekanisk bearbeiding vanskelig og dyr. Det samme gjelder forbindelsen mellom keramikk og metall (cermet) Bruddspenningen ved trykkbelastning lig­ ger betydelig høyere enn den gjør ved bøy­ ing og strekkbelastning

Noen av disse egenskapene kan minimeres ved forskjellige tiltak, blant annet ved keramikkriktig konstruksjon.

Egenskaper

Fordeler og ulemper Keramiske materialer er teknisk-industrielt sett særlig attraktive av flere grunner:

• De tåler høye temperaturer (opp til 1400 °C) • De har høy styrke, svært stor hardhet og høy E-modul (stivhet) • De har lav tetthet (30-40 % av metallenes) • De har stor resistens mot slitasje og korro­ sjon • Alt etter materialtype kan de ha fra lav til høy elektrisk og termisk konduktivitet (ledningsevne) • De har lav friksjon

En større og bredere industriell bruk er til dels begrenset av at de keramiske materialene i mange sammenhenger har egenskaper som for eksempel: • De er oftest sprø, og keramikkprodukter er derfor ømfintlige for overflateriss, støt og

Egenskapene og dermed bruksområdene for keramer er svært omfattende. De er på den ene siden avhengig av den kjemiske sammenset­ ningen og de egenskapene som følger av den. På den annen side er egenskapene i høy grad avhengige av fremstillingen og den struktu­ ren det enkelte produktet får. I motsetning til metalliske bindinger, som gir de karak­ teristiske metalliske egenskapene som elek­ trisk konduktivitet og termisk konduktivitet, er det fremtredende trekket ved keramene at Tabell 5.1 Sammenligning av egenskapene til keramer og metaller KERAMER METALL

EGENSKAPER Termisk utvidelse Duktili tet Tetthet (spes, vekt) Term, konduktivitet Elektr. konduktivitet Høytemp eratureasthet Korrosjonsresistens Sl i tasjeres i stens Hardhet a = Tendens ▼ = Tendens

mot mot

▼ ▼ ▼ ▼

A A A A A

A A A A høyere lavere

W

▼

verdier verdier

108 de har kovalente bindinger eller ionebindinger eller en kombinasjon av disse. Disse bindingstypene er svært stabile og er årsaken til keramenes karakteristiske egenskaper som høy hardhet og styrke, kjemisk resistens, lav termisk og elektrisk konduktivitet osv. De «rene» keramiske materialene er imidlertid ikke duktile, og det betyr at brudd inntrer når elastisitetsgrensen overskrides. Mens de fysiske og kjemiske egenskapene er avhengig av bindingstypen, så er de me­ kaniske egenskapene avhengig av strukturen. Denne er avhengig av fremstillingsprosessen og sintringsbetingelsene. Avgjørende betyd­ ning har komstørrelsén, -formen og -fordelin­ gen og eventuelle tilleggsfaser til matriks­ materialet. Ved flerfasematerialer begrenser den svakeste fasen bruksmulighetene.

Design og konstruksjon Ved konstruksjon av detaljer i keramikk gjel­ der disse reglene: • Ingen skarpe kanter og overganger • Strekkspenninger må unngås eller holdes lave • Unngå strekkbelastninger ved for eksempel forspenning, eller lag en konstruksjon som gir trykkspenning i stedet for strekkspenning • Termisk utvidelse må ikke hindres • Unngå sterke temperaturgradienter i kon­ struksjonsdelen

Etterbearbeidingen kan skje ved sliping, honing, lepping, ultralyd og oppdelende me­ toder som gnisterosjon og laser.

Fremstillingsmetoder De «klassiske» keramene blir framstilt fra naturråstoffer, for eksempel leire. Råmateria­ lene for fremstilling av høyteknologikeramer er syntetiske. For at produktene skal kunne være reproduserbare, er det helt nødvendig at utgangspunktet har gått gjennom en streng kontroll. Et hovedkrav er at forurensnings­ graden skal være minimal. Dessuten tilstre­

Keramikk ber man et fint pulver med stor reaktiv over­ flate. Selve den keramiske massen fremstil­ les ved å blande pulveret av de bestanddelene som er ønsket, og tilsette midler som gir mas­ sen en konsistens som passer for innformingsmetoden. Formgivningen kan skje ved statisk støping, pressing (også isostatisk pressing), ekstrudering og sprøytestøping. Når formgivningen er ferdig, følger sintringen (brenningen). I denne prosessen bin­ des (smelter delvis) pulverkornene sammen. Sintringen skjer ved en temperatur under smeltepunktet og følger en spesiell oppvarmingshastighet, holdetid, temperatur og ovnsatmosfære som individuelt er tilpasset det materialet som skal sintres. Stilles det strenge krav til dimensjonstoleranser eller overflatefinhet, må produktene etter sintringen gis en etterbearbeiding. Ved pressingen, før sint­ ringen, får kornene en større berøringsflate, og under sintringen skjer det over korngrensen en atomdiffusjon og en rekke andre prosesser som til sammen gir keramene de karakteristiske egenskapene. Åpningene mellom pulverkornene som et­ ter pressingen fremdeles eksisterer, vil under sintringen bli mer eller mindre borte, og der­ for vil delene krympe (ca. 20 %). Dette kan gi til dels store dimensjonsforandringer som det må tas hensyn til under formgivningen. Ønsker man et helt tett materiale, kan man bruke en kombinasjon av trykk og varme, såkalt varmisostatisk pressing (HIP). I HIPteknikken bruker man et høyt ytre isostatisk trykk. Det virker på materialet via en kapsel som omgir detaljen som skal tilvirkes. Kaps­ lene kan være av metall eller glass. Ved den isostatiske pressingen nytter man et svært høyt trykk, 100-300 MPa. Ved kon­ vensjonell sintring er trykket bare ca. 5 MPa. Det presses ved temperaturer på 1200-1900 °C alt etter hvilket materiale som skal pres­ ses. Glasskappen kan fjernes ved blåsing et­ ter operasjonen. Bruk av HIP ved kompaktering/sintring gir: • Like egenskaper i alle retninger i materialet (isotropi)

Kapittel 5

109

Sprøyte­ støping

Sliping

Lepping

Honing

Polering

Fremstillingsprosessenfor keramiske produkter

Keramikkgrupper Silikatkeramikk • Lavere sintringstemperatur, bedre kontroll med korntilveksten og større mulighet til fiberinnblanding • Forhøyet varmefasthet og kryperesistens • Høyt utbytte, porer og sprekker kan elimi­ neres • Fullstendig tett materiale, densitetsvariasjonen er bare 0,001 g/cm? • Høy toleransenøyaktighet Visse pulvermaterialer er vanskelige å sintre. For slike materialer er det utviklet reaksjonssintring. Denne metoden går ut på at det under sintringen skjer en reaksjon slik at vi får det ønskede materialet. Vi kan for ek­ sempel la presset silisiumpulver under sintringen reagere med nitrogen: derved dan­ nes et silisiumnitridmateriale.

Keramiske produkter på silikatbasis som por­ selen, steintøy og steatitt osv. har vært i bruk lenge. De er laget av naturlige råmaterialer, og har større eller mindre porøsitet og en glassfaseandel. De regnes ikke til de «nye» keramiske materialene.

Oksidkeramikk Oksidkeramene er polykrystallinske materia­ ler av rene oksider eller oksidforbindelser. De har stor renhet og har som regel ingen glassfase. Aluminiumoksid er det mest kjente av de oksidkeramiske materialene. Takket være sine gode egenskaper som stor varme­ fasthet og hardhet og god korrosjonsresistens er det mye brukt blant annet som skjære materiale ved sponende bearbeiding (dreiing, sliping), isolasjonsmateriale, varmefaste ma­ terialer osv. På grunn av sin hardhet og slitestyrke, liten termisk utvidelseskoeffisient

Keramikk

110 og god mål- og formstabilitet nyttes presisjonskeramer av aluminiumoksid i måletek­ nikken. Egenskaper som piezoelektrisk effekt, halvlederegenskaper og høy dielektrisitetskonstant har sammenheng med en spesiell krystallgitterstruktur. De andre materialene i gruppen oksidkeramiske materialer har et snevrere bruks­ område. Sinkoksid er en type elektrokeramikk som brukes som overspenningssikring. Det er «do­ pet» med vismut-, kobolt-, manganoksid m.fl. Fra pulverform fremstilles polykrystallisk keramikk der komgrensene er isolerende opp til en viss spenning. Selv små elementer av ZnO, kan «sluke» ganske høye spenninger. Zirkoniumoksid er et dyrt materiale, men med sin utmerkede resistens mot raske temperaturutvekslinger ved svært høye tem­ peraturer, og god resistens mot reduserte gas­ ser. blir et brukt til spesielle formål i den ana­ lytiske måleteknikken. Zirkoniumdioksid stabilisert med yttrium er et av de sterkeste keramiske materialene som finnes kommersielt tilgjengelig. Over 300 °C faller styrken merkbart. Tabell 5.2 Inndeling av keramiske materialer Sinterkeramikk

Oksidkeramikk

Ikkeoksidkeramikk

Porselen Stentøy Fajanse Steatitt Glasskeramikk

Aluminiumoksid Berylliumoksid Zirkoniumoksid Titandioksid Magnesiumoksid Uranoksid Titanater Ferritter

Karbon Silisiumkarbid Silisiumnitrid Borkarbid Born it rid Titanborid Molybdensilisid

Ikke-oksidkeramikk I denne gruppen finnes de «nye» høyteknologikeramene. De er karakterisert ved at de har kovalente bindinger, og dette gir dem de spesielle egenskapene som høyt smeltepunkt, høy styrke, hardhet og E-modul. I de fleste tilfeller har de god elektrisk og termisk konduktivitet og god resistens mot aggressive medier. Egenskapene avhenger i høy grad av

Tabell 5.3 Betegnelse på noen høyteknologikeramer Silisiumkarbid SiC

Varmpresset silisiumkarbid Varmisostatisk presset silisiumkarbid Sintretsilisiumkarbid Silisiuminfiltrert silisiuFnkarbid Silisiumnitrid Si3N4 Varmpresset silisiumnitrid Varmisostatisk presset silisiumnitrid Sintret silisiumnitrid Reaksjonsbundet silisiumnitrid

Zirkoniumoksid ZrO2 Delstabilisert zirkoniumoksid Fu llstabi 1 isert zirkoniumoksid Tetragonalt zirkoniumoksid

HPSiC HIPSiC SSiC SiSiC

HPSN HIPSN SSN RBSN

PSZ

TZP

fremstillingsprosessen. Varmpresset og sintret er materialet svært tett. Silisiumkarbid fremstilles ved en sinterkeramisk prosess. Vi kan også, ved en reaksjonssintring, få frem et finporøst legeme som så under høy temperatur kan infiltreres med flytende silisium. Fritt karbon reagerer med silisium. SiC har fremragende egenska­ per. blant annet svært stor hardhet, nesten som diamant, det står svært godt mot erosjon, kor­ rosjon og oksidasjon, er temperaturbestandig opp til 1400 °C, er gasstett og er en særdeles god leder for varme og elektrisitet osv. På grunn av hardheten brukes store meng­ der silisiumkarbid til slipemiddel, og på grunn av den gode termiske konduktiviteten og den lave termiske utvidelseskoeffisienten brukes SiC til høytemperaturformål som smelte kammer, ovnsforing og i porselensindustrien. Videre brukes SiC i stålindustrien til legering, desoksidering og ymping. I elektroteknikken brukes det til elektriske heteelementer og spenningsavhengige motstandere. Silisiumfiltrert silisiumkarbid, Si-SiC, er et keramisk materiale med en rekke fordeler, blant annet har det høy styrke også ved høye temperaturer, er svært hardt, har god kjemisk resistens og svært høy varmekonduktivitet, og står godt mot termosjokk. Silisiumnitrid blir fremstilt på lignende måter som silisiumkarbid. Foruten fremstillingsmetoden av SiN har også tilvirkningsmetoden for produkter avgjørende innflytelse

Kapittel 5 på egenskapene. Tilvirkningen kan skje ved matrisepressing, isostatpressing, ekstrudering, sprøytepressing eller slikkerstøping. Silisiumnitrid brukes i skjæreverktøy ved sponende bearbeiding som fresing og dreiing der skjærehastigheten kan gå opp til over 1000 m/ min. Vi kan bearbeide legerte som ulegerte støpestykker i gråjem uten problemer. Ved at standtiden, inngrepstiden. er svært høy, vil tiden for verktøy veksling være kort, og det gir økt produktivitet. For øvrig er SiN-materialene de mest bruddsterke blant de ikkeoksidiske keramene. Vendeskjærplater i SiN står derfor godt mot slag og har en høy skjærkantstabilitet. En reduksjon av syklustiden på 35 %, og av verktøyomkostninger på opp til 50 %, gir en vesentlig reduksjon av bearbeidingskostnadene. Kuler og kulelagringer er et eksempel på bruk av SiN. I den kjemiske industrien blir SiN brukt til ventilkjegler og -seter fordi det står så godt mot kjemikalier, tåler høye trykk og tempe­ raturer og har lang levetid der erosjon og kor­ rosjon er innblandet. I elektroteknikken nyttes SiN til forskjel­ lige formål fordi det har høy elektrisk resis­ tens forbundet med stor motstand mot kraf­ tige temperaturvekslinger. Motordeler som forbrenningskamre, ven­ tiler, ventilforinger og rotorer for turboladere kan fremstilles ved varmeisostatisk etterpressing av porøs reaksjonsbundet Si?N4 (HIPRBSN). Silisiumpulver blir malt sammen med additiver, pulverblandingen tilsettes plastifiseringsmidler, og det fremstilles et granulat. Etter homogeniseringen blir granulatet ført til sprøytestøpemaskinen. Et­ ter sprøytestøpingen blir plastifiseringsmidlet fjernet ved oppvarming, og formdelen nitrert og varmisostatisk etterkomprimert. Borkarbid, B G. er den viktigste forbindelsen i systemet bor-karbon. Smeltepunktet lig­ ger på 2720 °K, og tettheten er 2.51 g/cm?. Den mest fremtredende egenskapen til borkarbid er den ekstreme hardheten (ca. 5500 HV) og evnen til å absorbere raske nøytroner. Gjennom den moderne sinterteknologien kan vi få frem ulike produkter med forskjellige egenskaper. Vi kan tilvirke tetrabor-bor-

111

karbid-sinterdetaljer, komposittmaterialer. materialer med definert porøsitet eller prak­ tisk porefrie materialer. På grunn av sin ek­ streme hardhet brukes borkarbid i slitasjeteknikken, for eksempel i forbindelse med abrasiver. Tetrabor sandstråledyser er et kvalitetsbegrep i stråleteknikken. Det brukes også som abrasivemiddel i forbindelse med vannstråleskjæring av metalliske materialer som stål. Med den lave tettheten og den høye E-modulen på 440 GPa blir borkarbid brukt til konstruksjoner der kravet til høy fasthet er koblet til lav vekt, for eksempel panserplater der det dannes et effektivt vern mot raketter (prosjektiler). Ved temperaturmåling ved svært høye tem­ peraturer utnytter man de fremragende termoelektriske egenskapene hos tetrabor. I forbin­ delse med grafitt er det utviklet et B4C/Ctermoelement med høy termospenning som kan brukes for temperaturmålinger opp til 2200 °C. I kjernekraftteknikken er tetrabor-borkarbid et materiale med fremragende egenskaper, fordi det har evnen til å absorbere nøytroner. Det brukes til avskjermingsoppgaver og til styrings- og reguleringsarmatur. Bornitrid blir fremstilt enten gjennom varmpressing med kvalitetene XBN og SBN eller ved varmisostatisk pressing i kvalitet HDBN. HDBN har isotropiske egenskaper. ASBN er en spesiell etterbehandlet SBN-kvalitet for å redusere B.Opnnholdet, som påvir­ ker de fysiske egenskapene og bruksmulig­ hetene til bornitrid. Bornitrid er lett å bear­ beide ved dreiing, fresing osv., og kan bear­ beides til snevre toleranser. Den gode bearbeidbarheten i forbindelse med de utmerkede termiske og elektriske egenskapene åpner for et bredt og interessant bruksområde. Bornitrid står godt mot raske tempe­ raturvariasjoner. har forholdsvis høy termisk konduktivitet, høy spesifikk resistens, svært lav dielektrisk tapsfaktor, og det er ikke gif­ tig. Bornitrid står godt mot bensin, aceton, alkohol og andre organiske løsemidler. Ty­ piske bruksområder er som smøre- og slipemiddel. isolatorkomponent, fyllstoff i silikonkautsjuk (varmeledende isolasjonsfolier for

Keramikk

112 elektronikk), tilsetning til silikonolje og som nøytronabsorpsjonsmiddel. Utviklingen går mot teknisk bedre kontroll med pulversammensetningen. Dette kan gjøre egenskapene til de «nye» høyteknologikeramene jevnere, sikrere og bedre. Nye materialkombinasjoner, økt renhet i utgangsmaterialene, bedre pulvertilvirkningsteknikk, kompaktering, en definert struktur og form­ givning er ting som det arbeides med. Likeså vil FoU-virksomhet søke å finne årsaken til tretthets- og bruddmekanismen hos keramiske materialer, for derved å gjøre dem sikrere i bruk.

Keramapplikasjoner De mange gode egenskapene til keramene har ført til at de blir brukt i stadig større utstrek­ ning på mange områder. Vi skal nevne noen.

Bilindustrien Egenskaper som blant annet god varme-

Turbinhjul for turbolader, utført i silisiumkarbid isolasjon og varmekonduktivitet, lav friksjon og stor slitasjestyrke har ført til at bilindstrien

Keramikkbelegg på stempeltopp, avgassrør og ventiler i sylinder gir bedre energiutbytte

Kapittel 5 har satset på keramer som materiale for mange komponenter i motorene. Motorlevetiden kan økes, energi kan spares og miljøbelastningen kan reduseres. Ved et keramisk belegg på avgasskanaler i sylinderhodet («portliner») og avgassamlerøret får turboladeren tilført avgass med en høyere temperatur (energimengde). Dermed øker den termiske virkningen, og det gir et lavere forbruk. Som varmeisolasjon nyttes aluminiumtitanat (AlTiO,) og zirkon(di)oksid (ZrOJ. Turbinskovlene er utført i sintret silisiumnitrid, SiN 1 (SSiN), og sintret silisiumkarbid, SiC (SSiC). Disse keramene tåler høy temperatur. En vesentlig fordel er at de er lette. De har en tetthet som bare er en tredel av stålets. Treghetsmomentet blir la­ vere, og det gjør at turboen kan reagere ras­ kere og bilens akselerasjonsevne økes. Keramiske turbinløpehjul (rotorer) er kjørt med en periferihastighet på 285 ms'1 og en gasstemperatur på 1250 K. Ved at man keramikkbelegger den delen av sylinderhodet som vender inn mot forbrenningsrommet, synker temperaturen blant an­ net på det kritiske partiet mellom ventilene. I den øvre delen av sylinderen får vi størst sli­ tasje. Ved å belegge denne delen med et ke­ ramisk belegg blir slitasjen vesentlig mindre.

Metallbearbeiding I den sponende tilvirkningen er skjære keramikk tatt i bruk i økt omfang både til grovdreiing og findreiing. Moderne skjære­ verktøy av aluminiumoksid (AlnO?), silisium­ nitrid (Si N4), silisiumkarbid (SiC), borkarbid (BC) og sialon eller silisiumnitrid/sialon (Si?N4/SiA10N) er uovertruffet når det gjel­ der varmefasthet, slitasjeresistens og kjemikalieresistens. Sialon blir fremstilt ved innlegering hoved­ sakelig av aluminiumoksid i silisiumnitrid. Det har lignende egenskaper som gjør at sialonkeram blir brukt som skjæreverktøy ved høyhastighets metallbearbeiding. Av andre komposittkeramer som tilvirkes (ved HIP), er Al2O?/TiC. aluminiumoksid med innsintret titankarbidpartikler. Den har større

113

Ettgrepsarmatur med tetningsskiver i aluminiumoksid. Keramikkmaterialet er korrosjonsresistent og vedlikehaldsfritt

hardhet og slitestyrke enn ren Al,0 . Denne typen dispersjonskeramikk blir utelukkende brukt til vendeskjærplater for dreiing og fresing av støpejern og stål.

Pumper og armaturer I pumpeindustrien blir det brukt abrasiv- og korrosjonsresistente maskinelementer av oksidkeramikk. Eksempler er lager for varmeomløpspumper og slitefrie ministempler i pumper for høyttrykksrensing og doseringspumper. Høyrent aluminiumoksid brukes også til glidelager og pakninger i for eksem­ pel kjølevannspumper i bilindustrien. De kan bearbeides til en svært fin overflate som gir minimal friksjon, og garanterer derfor tetningsevnen over lengre tid. Den store hard­ heten gjør at kranpakninger av A1,O? ikke blir skadd av sand, rust eller kalk som følger med vannet.

Kulelager Kuler og kulelager kan tilvirkes av silisium­ nitrid. De kan slipes og poleres slik at de får

114

Keramikk

Kulelager har silisiumnitrid og en meget fin overflate som gir lav friksjon. Det har høy trykkfasthet og høyere bcereforhold enn metalllageret

Aluminiumoksid anvendes som substrat (underlag) i integrerte kretser

en svært fin overflate. Presisjonskuler i SiN kan tilvirkes med en overflateruhet helt ned til R = 0,01 pm. Den store hardheten gjør at kulen kan ha mindre diameter enn en stålkule ved samme belastning. Mindre diameter gir mindre friksjon, mindre varmeutvikling og mindre roterende masser. De har gode nødløpsegenskaper, dersom lagersmøringen skulle svikte. Den lave tettheten, den svært høye trykkfastheten og hardheten tillater et høyere bæreforhold (belastninger) enn for metalliske kulelagre.

svært mye brukt materiale i isolasjonsteknikken, blant annet til tennplugger. I gitterstyrte høyfrekvensrør for fjernsynssendere og radarapparater anses keramer som det ideelle materialet, blant annet fordi det er høyvakuumtett, har et gunstig dielektrisk for­ hold og har en effektiv varmebortledning. Høyren, transparent aluminiumoksidkeramikk blir brukt i spesielle lysrør. De oppfyl­ ler de ekstreme kravene til temperatur opp til 1800 K, en garantert brukstid på 10 000 timer og et høyere energiutbytte enn konvensjonelle lamper. Aluminiumoksid blir også brukt som sub­ strat (underlag, fundament) i integrerte kret­ ser, tynnfilmproduksjon og metallisert kera­ mikk for høyintegrerte halvledere, «byggesteiner», og i OFM (overflatemonteringsteknikk). I magnetkeramikken skiller vi mellom bløtmagnetiske materialer (for temporære mag­ neter) og hardmagnetiske materialer (for per­ manente magneter). Sammenlignet med metalliske magneter har keramikkmagneter den fordelen at de har betydelig lavere elek­ trisk konduktivitet og derfor mindre virvelstrømstap. Keramiske superledere har siden effekten ble oppdaget i 1986, hatt en rask utvikling. De keramiske massivmaterialene står i dag foran

Tekstilindustrien Den enorme produksjonsøkningen på områ­ det syntesetråd og utviklingen av tekstilmaskiner som stadig blir raskere og sikrere, har ført til økt bruk av keramer i trådføringsorganene. Til disse er aluminiumoksid mest brukt. For høyhastighetstilvirkning av syntesefibrer er det utviklet en spesiell type keramer på basis at titanoksid.

Elektroteknikk og elektronikk Elektrokeramer spenner over et stort område. På grunn av sine gode mekaniske, termiske og elektriske egenskaper er aluminiumoksid et

Kapittel 5

115

innføring på mange aktuelle bruksområder. Superledning (superkonduktivitet) kaller man det fenomenet at den elektriske resisten­ sen hos de fleste metaller og legeringer plut­ selig faller mot null ved en temperatur som er karakteristisk for materialet. Denne overgangstemperaturen. T , også kalt spangtemperaturen, ligger i et svært snevert temperaturområde. Forsøk med en rekke keramiske materialer har ført til at man i 1987 med yttrium-barium-kobber-oksid har hevet T fra litt over 0 K til 92 K. Dermed kan man nytte flytende nitrogen i stedet for flytende helium. Det gir en betydelig kostnads­ reduksjon.

Biokeramer, implantater Et sosialt aspekt oppfyller keramene i medisinteknikken, bioteknologien. Kunstige tenner av keramikk har vi hatt lenge. Relativt nytt er tannimplantater som tannrotkomponenter. Mange områder i menneskeknoklene er utsatt for slitasje. Derfor er det utviklet keramiske materialer som knokkelsubstitutt. De keramiske materialene har vist seg særlig godt egnet fordi de ved siden av å ha høy mekanisk styrke og hardhet, er absolutt formstabil, har høy kjemikalieresistens, og i stor grad godtas av kroppsvevet. Høyrent

Hofteleddproteser. Over 100 000 mennesker har fått implantert proteser for hofteleddet. Bildet viser proteser i finkornet; rent aluminiumoksid. Skaftet er i en titanlegering

aluminiumoksid har i lang tid vært brukt blant annet i hofteleddsproteser. Hånd-, fot- og kneleddsproteser er under utvikling. En ny­ utvikling er keramiske hjerteklaffer.

116

Keramikk

Tabell 5.4 Oversikt over applikasjonsområder for tekniske keramer Fagområde

Applikasjon

Hvorfor keramikk

Prosessteknikk

Kjemiapparatur Glideringer Armaturdeler Trådforinger Trådtrekk-koner

Korrosjonsresistent Slitasjestyrke

Materialbearbeiding

Skjæreverktøy Slipeskiver Sandblåsingsdyser

Slitasjestyrke Hardhet

Høytemperaturteknikk

Brennere Sveisemunnstykkedyser Varmeveksler Digler Heteledere

Temperaturresistent Korrosjonsresistens Varmeledningsevne

Motorproduksjon

Varmeisolasjon Ventilseter Turboladerotor Gassturbiner Katalysator for biler Tennplugger

T emperaturresistent Korrosjonsresistent Varmeledningsevne Lav tetthet Spesifikke elektriske egenskaper

Elektroteknikk

Substrater for integrerte kretser

Spesielle elektriske og magnetiske egenskaper

Elektronikk Optikk

Isolasjonsdeler Kondensatorer Sensorer Natriumdamplampe Lasermaterialer Magneter

Energiteknikk

Kjernebrennstoff Faststoffelektrolytt

Stråleresistent loneledmngsevne

Medisinsk teknikk

Hofteledd Benerstatnmg Vevaksept

Mekanisk styrke Overflatefinhet

KAPITTEL 6

Betong Betong er per definisjon et materiale som blir fremstilt ved å blande vann i sement og tilsette varierende mengder av sand, singel eller knust stein. Sement er et pulveraktig stoff som er fremstilt ved blanding og brenning av kalk­ stein og leire med etterfølgende finmaling. (Portlandsement ble første gang tilvirket av engelskmannen J. Aspdin i 1824.) Den ferdigbrente sementklinkeren består av 60-65 % kalsiumoksid, 18-24 % silisiumoksid, 3,57 % aluminiumsoksid, 2-5 % jernoksid og små mengder andre oksider og alkalier. Sementkvaliteten avhenger ikke bare av den kjemiske sammensetningen eller brenningsbetingelsene, men også av nedmalingsgraden. Komstørrelsen skal være svært fin og ligge mellom 0,003-0,030 mm. Norsk Standard fastsetter krav til sementen. Tilsetter man vann til sementen, får man en plastisk masse som brukes som bindemiddel mellom sandkornene. Består blandingen bare av se­ ment og sand, kalles den mørtel. Gjennom en kjemisk reaksjon herder blan­ dingen. og betongen kan oppnå en høy styrke (trykkfasthet). Man skiller mellom fersk og herdet betong. Spesielle sementtyper gir hurtigherdet sement. Ved tørking (herding) i luft krymper betongen, ved herding under vann sveller den. Formendringene er imidler­ tid små, i størrelsesorden 0,5 promille. Krympingen i luft kan kompenseres ved til­ setting av gips (CaSO4). En annen fysisk egen­ skap er lengdeutvidelseskoefflsienten (termisk utvidelseskoeffisient). Den er i det vesentlige bestemt av tilslagsstoffene og ligger mellom 8-14 • 106 • K ’. Det svarer i middel til en lengde-forandring på 0,010 mm per °C og meter. Betong har ikke særlig stor strekkfasthet,

og i rene betongkonstruksjoner bør det bare forekomme trykkrefter. Betongens trykkfast­ het er avhengig av blandingsforholdet vann/ sement (v/c-tallet). Jo lavere dette forholdet er i fersk betong, desto større trykkfasthet har betongen i herdet tilstand. Trykkfastheten bestemmes etter en fastlagt tid og uttrykkes i N/mm2. C35 betyr at betongen kan tåle en trykkfasthet på 35 N/mm2. Fordi betong ikke kan ta opp strekkrefter, bruker man armert betong i betongkonstruk­ sjoner som er utsatt for strekkbelastninger. Strekkbelastningen tas da opp av korrugerte stålstenger som er støpt inn i betongen. For å oppnå en sikker stålbetongkompositt må føl­ gende betingelser være oppfylt:

• Lengdeutvidelseskoefflsienten bør være noenlunde lik for de to komponentene, el­ lers kan armeringen løsne. • Sementen må ha god adhesjon og hefte godt til ståloverflaten. • Stålet må være godt beskyttet mot den omsluttende betongen slik at det ikke rea­ gerer med sementfasen eller at inntrengende luft eller vann gir korrosjonsangrep. For å kunne lage betongkonstruksjoner let­ tere og likevel sterke kan vi bruke forspent betong. I slike konstruksjoner er stålarmeringen pålagt en strekkspenning før den fer­ ske betongen fylles rundt. Når betongen er herdet og den pålagte strekkspenningen er fjernet, oppstår det trykkspenninger i beton­ gen av samme størrelse som den pålagte strekkspenningen i stålarmeringen. Så lenge de strekkspenningene som konstruksjonen antas å bli utsatt for, ikke overstiger trykk­ spenningene, er konstruksjonen sikker.

Betong

118

Reaksjonspolymerbetong I stedet for å bruke sement som bindemiddel i betong kan man bruke ulike typer polymerer. Uviklingen av polymerbetongkompositter har særlig i de senere årene skutt fart. Alt etter sammensetningen og behandlingen skiller man mellom ren polymer-sandlstein-kompositt (PC), polymerportlandsement-betong (PPCC) og en polymerimpregnert betong (PIC). I polymerbetong (PC) er det mine­ ralske bindemidlet sement erstattet med en reaksjonspolymer. En reaksjonspolymer er resultatet av at plastmonomerer sammen med et reaksjonsmiddel (herder og akselerator osv.) gjennom en kjemisk reaksjon (polyad­ disjon eller polymerisasjon) gir polymerer av ulike typer. Plastmonomeren kan være herdeplast eller termoplast. Plastmonomeren og det mineralske tilslaget (sand, singel eller pukk) pluss herder blandes på vanlig måte til en plastisk masse som herder på få timer. Tilslag for polymerbetong er fortrinnsvis kvartssand og kisel (grov sand). Art, mengde og kornfordeling påvirker i vesentlig grad bearbeidbarheten og egenskapene til polymerbetong. Komstørrelsen er i størrelses­ orden 16/32 og ned til 0,063 mm. Tilslaget må være tørt. Det er en fordel med grove korn, men ikke større i største utstrekning enn en tredel av minste veggtykkelse på de produk­ tene som skal tilvirkes av polymerbetong. En relativt høy andel små kom er nødvendig for å oppnå en god bearbeidbarhet. Som bindemidler bruker man i maskinin­ dustrien polymetylmetakrylat (PMMA), epoksy (EP) og umettet polyester (UP). PMMA-polymerene har så stor reaktivitet at de herder ved -5 til -10 °C. Sammenlignet med PMMA herder EP langsommere. Først etter 24 timer er herdingen avsluttet. Herding ved høyere temperatur (ca. 60 °C) gir bedre egenskaper. UP er en seigtflytende løsning av lineære, umettede og dermed polymeriserbare monomerer (for eksempel styren). Herdingen skjer som polymerisasjon ved at man setter til herder og akselerator. Under herdingen krym­ per, svinner, polymerbetongen. Størst lineær krymping har UP-polymerbetong med ca. 4

mm/m, PMMA har ca. 2 mm/m, og EP har minst med ca. 0,1 mm/m. Det finnes imidler­ tid nyere typer av UP og PMMA som er dy­ rere, men med mindre krympetendens. Polymerbetong har en utmattingsbøyefasthet på 100-150 MPa, som er 30 ganger bedre enn for vanlig sementbetong. Trykkfastheten er på mer enn 300 MPa, som er be­ tydelig bedre (5-10 ganger) enn for sement­ betong.

Polymerbetong i maskinkonstruksjoner De krav som i dag stilles til verktøymaskiner, er mange, blant annet:

• • • •

Stigende ytelse Høyere spindelturtall Gode termiske og akustiske forhold Høy statisk og dynamisk maskinstivhet og høy geometrisk nøyaktighet

Disse kravene er det mulig å oppnå ved å nytte «nye» konstruksjonsmaterialer, en gun­ stig utforming av maskindelene og mer kraft­ fulle styringssystemer. På mange områder er «nye» materialer tatt i bruk, men på området verktøymaskiner dominerer fremdeles grått støpejern, stålstøpegods og stål. Et nytt ma­ teriale, polymerbetong, synes imidlertid å være på vei inn som erstatningsmateriale for de klassiske materialene i maskinkonstruk­ sjoner. Sammenlignet med disse har polymer­ betong egenskaper som byr på en rekke for­ deler:

• • • •

Bedre larm- og svingningsforhold Større formgivningsfrihet Lavere materialkostnader Lavere energikostnader ved fremstilling av maskinelementer • Raskere fremstilling og straks klar til bruk. (Støpejemsfundamenter må ha lagringstid for å bygge ned indre spenninger.) • Økonomisk tilvirkning også i små serier

Kapittel 6

119

Energibehov for fremstilling av et produkt i ulike materialer

Når det gjelder punktet energikostnader, så er det foretatt en sammenligning av samlet energi per kilo materiale som er nødvendig for å tilvirke et produkt (for eventuell etter­ behandling). Her ligger aluminium på topp, polymerbetong har et energibehov som bare er en brøkdel av dette. Når polymerbetongen har vunnet innpass

Maskinfundament i polymerbetong

som materiale i maskinkonstruksjoner, kom­ mer det vesentlig av den gode dempingsevnen og dessuten står polymerbetong bedre mot korrosive angrep enn konstruksjoner i stål og støpejern. I noen tilfeller, enkle konstruksjo­ ner, kan de også bli billigere. I dag er polymerbetong brukt i maskinkon­ struksjoner til for eksempel maskinfundament

Betong

120

for rundslipemaskiner, dreiebenker og revolverautomater, stendere for båndsager, maskinfundament for dieselmotorer osv. Støpte konstruksjoner i polymerbetong har stykkvekter fra 30 kg og opp til 5-8 tonn. Sammen­ ligner vi egenskapene til gråjem, seigjern (kulegrafittjern), ulegert stål og polymer­ betong, så er verdiene for de mekaniske egen­ skapene betydelig lavere for polymerbetong enn for de andre metalliske materialene. Deri­ mot er dempingsevnen betydelig bedre, og vekten (tettheten) mye lavere. Varmeledningsevnen, termisk konduktivitet, er svært lav. Det betyr at varme som utvikles i for ek­ sempel en verktøymaskin under bearbeiding, kan gi varmestuking i deler av konstruksjo­ nen. Industridesignere og konstruktører må der­ for, om de velger polymerbetong, gi konstruk­ sjonen en riktig utforming eller med andre midler sørge for å lede varmen bort fra slike delpartier.

Design En optimal utforming av konstruksjoner i polymerbetong krever betydelig omtanke fra industridesignerens side. Man kan ikke uten videre bruke den samme konstruksjonsutformingen som ved støpejern og stål til ut­ førelser i polymerbetong. Fordi E-modulen er mye lavere for polymerbetong enn for støpejem/stål, må man gjøre tverrsnittene i en polymerbetongkonstruksjon tykkere for å oppnå den samme stivheten. Dette behøver

ikke være noe minus, fordi for eksempel et maskinfundament støpes kompakt i polymer­ betong, mens et tilsvarende i støpejern eller sveiste stålkonstruksjoner blir utført med en rekke forstivningsribber. En etterfølgende sponende bearbeiding av polymerbetong kan stort sett bare skje ved sliping (eventuelt bo­ ring), derfor må for eksempel føringsskinner, gjengefester, lagerflenser osv., støpes inn dersom slike er ønsket.

Utvikling og fremtid Reaksjonspolymerbetong står på terskelen til sin utvikling. I fremtiden vil sikkert mange av problemene i dag med polymerbetong i maskinkonstruksjoner være løst. Særlig på basis av epoksypolymerer vil de termiske egenskapene kunne forbedres. Det samme gjelder en økning av de mekaniske fasthetsverdiene, inklusive E-modulen. Selv om enkelte trinn i tilvirkningen av en konstruksjonsdel i polymerbetong kan være dyrere enn en tilsvarende del i stål eller stø­ pejern, så er i dag kostnadene for monteringsferdige deler i polymerbetong de samme el­ ler mindre. Polymerbetongens fordeler, som den svært gode dempingsevnen og korrosjonsmotstanden, de betydelig mindre energi­ kostnadene ved tilvirkning og de mindre sponende bearbeidingskostnadene, og billi­ gere transportkostnader (polymerbetong er lett), vil sikkert føre til økt bruk på mange områder.