Is het met glas gevuld of met glas versterkt?

Een paar maanden geleden schreef ik een artikel waarin ik de eigenschappen van acetaalhomopolymeer en copolymeer vergeleek. In dat artikel vermeldde ik dat glasvezel kan worden "gekoppeld" (gebonden) aan acetaalcopolymeer maar niet aan homopolymeer; en dat als resultaat de voordelen van het aanbrengen van glasvezel in het copolymeer groter waren. Welnu, het bleek dat, terwijl ik niet oplette, een van de belangrijkste leveranciers van acetaalhomopolymeer een paar echte glasversterkte acetaalhomopolymeren introduceerde.

GEVULD VERSUS. VERSTERKT ACETAL

Tabel 1 toont het eigenschappenprofiel van ongevuld acetaalhomopolymeer samen met de typische 20% glasgevulde kwaliteit en nieuwe kwaliteiten die 10% en 25% glas bevatten waar de vezel is gekoppeld aan de polymeermatrix. De verschillen in sterkte zijn vrij duidelijk en dit dient als een uitstekend voorbeeld van het verschil tussen een met glas gevuld materiaal en een met glas versterkt materiaal. Dit is de moeite waard om in enig detail te bespreken, omdat dit onderscheid ook bestaat voor sommige andere polymeren.

Het begint bij de vezels. Deze bieden grotere prestatieverbeteringen dan typische vulstoffen omdat ze een beeldverhouding hebben. In vezels is dit de verhouding tussen lengte en diameter. Hoe groter de beeldverhouding, hoe beter de verbetering van de eigenschap. De introductie van langvezelige versterkingen in de jaren tachtig was bedoeld om op dit principe in te spelen door de startvezellengte in pellets te vergroten van 2-3 mm naar 11-12 mm.

Langvezelige materialen met een vezellengte van wel 6 mm (1/4 in.) werden daadwerkelijk aangeboden vóór de introductie van de moderne lange-glasverbindingen, maar de nieuwe verbindingen werden gemaakt op een manier die de "bevochtiging" of het oppervlak maximaliseerde contact tussen het polymeer en individuele glasvezels. De andere manier om de aspectverhouding te verbeteren is het gebruik van vezels met typische lengtes maar kleinere diameters, die snorharen worden genoemd.

De oppervlakken van de glasvezels die worden gebruikt bij het samenstellen van polymeren worden typisch behandeld of op maat gemaakt om de hechting van het polymeer aan het glas te verbeteren. Verschillende maten zijn optimaal voor verschillende polymeren. Maar in sommige gevallen is zelfs een goede sizing niet voldoende om een ​​optimale binding tussen het polymeer en de vezel tot stand te brengen. Deze binding is belangrijk omdat glasvezels sterkte toevoegen door de spanning op het materiaal te beheersen wanneer het polymeer mechanische overbelasting begint te ondergaan. De vezels zijn sterker dan de polymeermatrix en verhogen daardoor de sterkte van de gehele verbinding. Als de binding tussen het polymeer en de glasvezel zwak is, is de overdracht van de belasting echter niet efficiënt en worden de voordelen van het glas niet gerealiseerd.

Als de glasvezel eenvoudig aan het polymeer wordt toegevoegd zonder goede hechting, is het materiaal glasgevuld. Als de hechting tussen de fasen optimaal is, wordt het materiaal met glas versterkt. Het verschil, zoals weergegeven in tabel 1, is significant.

Merk op dat hoewel de sterkte van het met glas gevulde acetaal lager is dan die van het ongevulde materiaal, de versterkte materialen altijd sterker zijn. In feite is een 10% glasversterkte kwaliteit meer dan 35% sterker en bijna net zo stijf als de 20% glasgevulde kwaliteit, terwijl het gewicht tegelijkertijd met 5% wordt verminderd. Dit is een uitstekend voorbeeld van een efficiënter gebruik van dezelfde ingrediënten voor een beter eindresultaat.

VOORTGANG IN CHEMISCHE KOPPELING

Polypropyleen is een ander polymeer waar het proces van het toevoegen van glasvezel een evolutie heeft ondergaan. De originele materialen waren gewoon met glas gevuld. PP is een niet-polair polymeer en er kleeft niet veel aan, inclusief glasvezels. Maar eind jaren zeventig en begin jaren tachtig begonnen sommige leveranciers te werken met een proces dat bekend staat als chemische koppeling. Dit omvatte het maken van kleine aanpassingen aan de chemie van de polypropyleenruggengraat om polariteit te introduceren. Deze polariteit verbeterde de binding tussen het polymeer en de glasvezels, wat het type verbetering van de eigenschappen opleverde dat in Tabel 2 wordt getoond.

Deze ontwikkeling creëerde een nieuwe markt voor PP als materiaal dat kon concurreren met sommige technische thermoplasten. Terwijl eindgebruikers dit potentieel tot het uiterste dreven, leidden verbeteringen in chemische koppeling tot extra verbeteringen. Deze verbeteringen waren niet noodzakelijk zichtbaar op het gegevensblad, maar ze zorgden voor betere prestaties in langetermijntoepassingen met mechanismen zoals vermoeidheid en kruip. Een toename van 10% in sterkte en stijfheid trekt misschien niet ieders aandacht, maar een verbetering van deze omvang in kortetermijneigenschappen kan de vermoeiingslevensduur van een product verdubbelen.

PVC heeft een vergelijkbare reeks verbeteringen ondergaan, waarbij de koppelingstechnologie de prestaties van met glas versterkte materialen ten opzichte van met glas gevulde materialen heeft verbeterd.

Prestaties op lange termijn in bepaalde omgevingen kunnen ook worden verbeterd door de manier waarop het polymeer en de glasvezel zijn gekoppeld te veranderen. PPS-verbindingen worden bijna altijd verkocht met aanzienlijke hoeveelheden glasvezel. Een van de voordelen van PPS is dat het een uitstekende chemische bestendigheid heeft en een van de chemicaliën waar het heel goed tegen bestand is, is heet water, zelfs als het water gechloreerd is. Veel andere technische materialen zoals acetaal, nylon en thermoplastische polyesters zullen hydrolyseren in warme, natte omgevingen, terwijl PPS zeer goed standhoudt.

In de beginjaren van het gebruik van met glas versterkt PPS in hete, waterige omgevingen vertoonden de materialen echter vroege fouten die raadselachtig waren. Evaluaties van de defecte onderdelen toonden aan dat hoewel het polymeer niet werd beschadigd door het hete water, de binding tussen het polymeer en het glas kapot ging. Met de verzwakte interface verloren de onderdelen hun structurele integriteit en faalden. Nieuwe koppelingstechnologieën hebben dit probleem opgelost.

Er zijn andere variabelen die kunnen worden gemanipuleerd om de prestaties van polymeren met glasvezels te verbeteren. De samenstelling van de glasvezels is een van deze variabelen. De overgrote meerderheid van de glasvezel die in polymeerverbindingen wordt gebruikt, staat bekend als E-glas. Dit duidt op een bepaalde chemie in het glas en gaat gepaard met een bepaalde reeks eigenschappen. Er zijn echter andere glaschemicaliën beschikbaar die andere eigenschappen aan de polymeermatrix kunnen geven, maar tegen een prijs die doorgaans niet als de extra kosten wordt beschouwd.

Een andere interessante variabele is de geometrie van de glasvezel. De vorm van de dwarsdoorsnede van de meeste glasvezels is cirkelvormig. In de jaren negentig werd er interessant werk gedaan met glasvezels met tweelobbige of drielobbige dwarsdoorsneden. Dit verhoogde het contactoppervlak tussen de glasvezels en de polymeermatrix en leverde enkele interessante verbeteringen in mechanische prestaties op. Dit was echter ook een weg naar verbetering van de eigendom waar de kosten/prestatie-balans niet aantrekkelijk werd geacht, ook al worden deze configuraties in de tapijtindustrie gebruikt om de veerkracht te vergroten en zelfs bepaalde optische effecten te creëren.

Maar zelfs binnen het domein van typische materiaalsamenstellingen, is het belangrijk om te begrijpen dat hoewel bulksamenstelling belangrijk is, de manier waarop de materialen worden geassembleerd en met elkaar verbonden, een significant effect heeft op de prestaties, met name de prestaties op de lange termijn. Met alle recente aandacht die recentelijk in de auto-industrie is besteed aan het verminderen van het gewicht met behoud van de prestaties, is dit een belangrijk principe om te onthouden.

Over de auteur

Michael Sepe is een onafhankelijke materiaal- en verwerkingsadviseur gevestigd in Sedona, Ariz. met klanten in Noord-Amerika, Europa en Azië. Hij heeft meer dan 35 jaar ervaring in de kunststofindustrie en staat klanten bij met materiaalkeuze, ontwerpen voor maakbaarheid, procesoptimalisatie, troubleshooting en storingsanalyse. Contactpersoon:(928) 203-0408 • [email protected].