Použití různých přírodních materiálů pro výrobu nástrojů je jedním z nejdůležitějších aspektů, které odlišují člověka od ostatních zvířat. Když tradiční přírodní materiály nemohly uspokojit lidské potřeby, poskytly příležitost k vývoji kompozitních materiálů. Kompozity jsou revoluční v tom, že jsou kombinací dvou nebo více různých typů materiálů. Případ kompozitních materiálů má obvykle výhody více surovin. To je hlavní rozdíl mezi kompozity a tradičními materiály.
Kompozitem je každý materiál, který se skládá z minimálně dvou hlavních komponent s výrazně se lišícími fyzikálními vlastnostmi. Kompozitní materiály byly používány již v pravěku. Konstrukce z proutí (košatina) pokrytá hlínou (mazanicí) tvořila stěny pravěkých obydlí. Ve středověku tento materiál sloužil jako levná alternativa pro hospodářské stavby a obydlí chudiny. Použitá hlína byla vylepšována vláknitou výztuží ze slámy, plev nebo chlupů.
Za kompozitní materiály považujeme takové, které jsou složené ze dvou nebo z více složek nejen zcela odlišného chemického složení, ale zároveň i úplně jiných fyzikálních vlastností. Jejich základním součástí je tzv. matrice, tj. spojitá fáze, v níž jsou uloženy tzv. fáze vyztužující, tvořené obvykle vlákny nebo částicemi různého druhu a použití. Od slitin kovů se kompozity liší tím, že jednotlivé složky vložené do systému si ponechávají své přednostní materiálové charakteristiky, které nemohou být dosaženy jiným běžným složením. Vlastnosti kompozitu jsou pak dány jednak vlastnostmi těchto jednotlivých složek, jednak vzájemnou akcí jejich povrchů, protože výztuž působí jako armatura.
Co jsou kompozity a proč je používat?
Když stávající materiály nevyhovují praktickým potřebám, lidé se snaží kombinovat materiály s různými chemickými nebo fyzikálními vlastnostmi. Tento materiál s jedinečnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi je kompozitní materiál. Například kompozity jsou často pevnější, lehčí nebo odolnější vůči vysokým teplotám než základní materiály nebo mají větší pevnost a tuhost než jiné materiály. V důsledku toho se kompozity vyvíjejí a používají stále více.
Na základě vědeckých testů je největší výhodou kompozitů kombinace pevnosti a lehkosti. Kompozity mohou kombinovat výhody základních materiálů. Přednosti kompozitních materiálů tkví zpravidla především v jejich hmotnosti. Oproti tradičním ocelovým součástem mají i při větším objemu stále podstatně nižší hmotnost, což usnadňuje jejich přepravu a rychlou a snadnou montáž a demontáž. Kompozitní materiály se výrazněji nedeformují (jejich mez elasticity odpovídá mezi pevnosti). Mají velmi vysokou mez únavy a jsou stabilní a spolehlivé.
Kompozity mají výbornou ohnivzdornost v porovnání s lehkými slitinami, nicméně výpary mohou být toxické. Nevýhodou kompozitních materiálů s epoxidovou matricí může být citlivost na ředidla. Jiné běžné chemikálie užívané ve strojích jako oleje, plastická maziva, rozpouštědla, barvy či ropa kompozity nepoškozují. Nežádoucí může být nasákavost kompozitů. Kromě vynikajících mechanických a pevnostních charakteristik mají kompozitní materiály absolutní odolnost proti korozi i v agresivním prostředí, včetně UV záření, a výborné tepelně izolační vlastnosti. Kompozitní materiály jsou stálobarevné a laminátové konstrukce jsou prověřeny dlouhodobým provozem.
Typy kompozitních materiálů a výrobní technologie
Kompozity můžeme dělit podle několika kritérií. Ty ovlivňují jejich mechanické vlastnosti, cenu a případně i to, co se s takovým materiálem dá dělat na konci jeho užitečného života. Prvním kritériem rozdělení kompozitů je druh matrice, která drží vyztužující materiál pohromadě. Matrice je materiál, obalující výztuž, chránící ji před vnějšími vlivy. Další funkcí matrice je také přenášení napětí v materiálu na výztuž. U kompozitů vyráběných člověkem se jako matrice především používají polymerní materiály, kovy, nebo keramika. Mezi nejčastěji využívané polymerní matrice, patří epoxidové, nebo polyesterové pryskyřice.
Kompozity můžeme dále rozlišovat podle typu výztuže, jíž využívají. Nejčastěji využívanou výztuží u vláknových kompozitů jsou skleněná vlákna, ale v posledních letech se začíná čím dál častěji využívat i vláken uhlíkových. Mezi další méně využívané výztuže patří: čedičová vlákna, Kevlarová vlákna, konopí, nebo len. Každý z těchto materiálů má svoje přednosti i limitace a tak se většinou hodí na rozdílné aplikace. Příkladem může být využití uhlíkových a skleněných vláken v letounech. Zatímco uhlíkové vlákno je neuvěřitelně pevné a lehké, což ho činí skvělým materiálem pro drak letadla - jde totiž o vodivý materiál - nesmí se používat pro kryty radarů. Použitím uhlíkových vláken by se okolo radaru vytvořila Faradayova klec, přes kterou by radiové vlny nedokázaly proniknout, nebo by mohly být výrazně utlumené. Z tohoto důvodu na špičce nosu letounu najdeme velmi pravděpodobně skleněné vlákno, které vodivé není.
Dalším rozlišujícím znakem kompozitů je také podoba a délka vyztužujícího materiálu v matrici. Obecně platí, že kompozity vyztužené celými nepřerušenými vlákny mají lepší mechanické vlastnosti než kompozity, kde se místo celých vláken použily jenom malé částice vyztužujícího materiálu. Proto jsou také kompozity z celých vláken většinou cennější. Výjimkou může být kompozit z krátkých uhlíkových vláken, který může být stále dražší než kompozit z nepřerušených konopných vláken.
Vláknové vyztužující fáze jsou tvořeny tenkými vlákny kruhového průřezu o průměru obvykle 10µm až 1 mm nejčastěji z různých druhů ocelí, ale i z polymerních vláken (Kevlar, Twaron, Nomex, Zylon apod), popř. z keramických nebo skleněných vláken. Z hlediska užitných vlastností jsou důležité např. nejnovější tzv.whiskery, tvořené monokrystaly o průměru okolo 1 µm a délky 3 až 4 mm z oxidů hliníku, karbidu křemíku, grafitu a z jiných látek.
Jedním z nejznámějších kompozitních materiálů je železobeton, kompozit z ocelových drátů a betonu (samotný beton je přitom kompozit z kameniva a cementu a byl znám již ve starověkém Římě), dalším známým zástupcem je skelný laminát, kompozit ze skleněných vláken a pryskyřice, obvykle polyesterové.
PREFA KOMPOZITY, a.s. vyrábí kompozitní prvky z materiálu o složení pojivo / vláknová výztuha. Nejčastěji se jedná o kompozit z organické polymerní pryskyřice a skleněných vláken. Do pryskyřice se při výrobě přidávají i různé přísady na zlepšení materiálových vlastností.
Slovo „pultruze“ vzniklo z anglického názvu „pultrusion“ a v této české podobě se již mezi odbornou veřejností zažilo. Pultruze je proces kontinuální výroby vyztužených pryskyřic různých tvarů a délky tažením. Vstupní materiál je směs tekuté pryskyřice a vláknové výztuže. Vyztužující materiál, převážně skelné vlákno, je ve formě rovingu a plošných rohoží. Všechny profily PREFEN kromě plných tyčí mají na povrchu tenkou netkanou povrchovou polyesterovou roušku. Tato rouška obaluje skleněnou výztuž a navíc, nasycena pryskyřicí, tvoří obal, který zvyšuje jednak odolnost proti vniknutí chemikálií, UV záření a vylepšuje i estetický vzhled kompozitu. V dalším zařízení se vlákna, rohože a rouška smáčí ve směsi pryskyřice, plniva, barviva, katalyzátoru, popř. Po výstupu z lázně má polotovar už podobný tvar jako výsledný profil. V předtvarovací formě se vytlačuje přebytečné pojivo, profil se postupně tvaruje a vstupuje do vytvrzovací formy. Materiál prochází výrobní linkou rychlostí 30 až 150 cm za minutu. Rozměr polotovaru je omezen při určité tloušťce stěny, délka není omezena. Linka je navíc schopna ovíjení.
Tvary a rozměry kompozitních profilů vyrobených pultruzní technologií jsou závislé na stroji a jeho příslušenství. Souvisí to s jeho mohutností, tj. velikosti tažné síly a na možnostech jeho ovládání, tj. měnění rychlosti tažení, regulace teploty, atd. Tzv. laboratorní stroje umožní vyrobit profil do šířky asi 300 mm, na standardních strojích se dosáhne šířky od 500 do 1000 mm. Výška profilu bývá obyčejně kolem maximálně 500 mm. Rozhodně to však neznamená, že by maximální průřez výrobku odpovídal těmto rozměrům. Nelze jednoduše vyrobit profil o rozměrech 1000×500 mm.
Kompozitní rošty PREFAGRID se vyrábí litím do forem. Rošty jsou vyztužené pouze vlákny, které se křížovitě protahují stojinami roštu a postupně impregnují příslušnou pryskyřicí. Lité rošty se vyrábí ve velkých deskách, které se pak dělí podle požadavků zákazníka. Desky mají různé maximální rozměry. Největší rozměr je 1220 x 4660 mm.
Kompozitní prvky vyrobené technologií ručního laminování. Typy laminovací technologie je lisování, ruční kladení, stříkání (popř. Ruční laminací vyrábíme např. všechny plochy a hrany poklopů, mohou to však být i tvarově složité prvky.
SMC (z anglického Sheet Moulding Compound) je kompozitní materiál složený převážně z termosetické pryskyřice (obvykle polyesterové) a sekaných skelných vláken, který je vyráběn ve formě plátů. Z těchto plátů lze vyřezat díly potřebných velikostí, které se na sebe navrství a za tepla a tlaku se v lisu zformují do požadovaného tvaru a vytvrdí. SMC materiály se široce využívají ve stavebnictví, elektroinstalacích a automobilovém průmyslu. Výroba SMC je kontinuální proces, při kterém se pryskyřice v tenké vrstvě roztírá zařízením označovaným „Doctor box“ na plastovou fólii. Ta prochází pod zařízením sekající skelná vlákna, která jsou rovnoměrně nanášena na vrstvu pryskyřice. Následně je vrstva vláken překryta z horní strany druhou vrstvou pryskyřice, která je také nanesena na plastové fólii. Tento plát pak prochází systémem válců a tlakem dochází ke zhutnění a prosycení vláken. Po zhutnění lze materiál navíjet na cívky nebo skládat do bloku. Technologie SMC dovoluje používat materiály s obsahem vláken od 15% do 65%. Délka vláken je zpravidla 25 nebo 50 mm, ale je možné vyrábět SMC i s tkaninami nebo kontinuálními vlákny.
V technologii lisování jsou používany materiály SMC (z anglického Sheet Moulding Compound) a BMC (z anglického Bulk Moulding Compound). Manipulace s tímto materiálem je mnohem snazší a bezpečnější. Kompozity se dobře opracovávají. Jejich řezný odpor je podobný jako při zpracování tvrdého dřeva.
Využití kompozitních materiálů
Kompozitní materiály jsou šetrné k životnímu prostředí, nenáročné na údržbu a mají dlouhou životnost, díky čemuž jsou ideální pro lidi, kteří jsou nároční na estetiku a vlastnosti materiálu. Například WPC materiály jsou kompozitní materiály vyrobené z dřevěných vláken a recyklovatelných plastů. Tyto materiály jsou široce používány v mnoha průmyslových odvětvích, jako jsou architektonické dekorace, interiéry automobilů a výroba nábytku.
Když stavíte venkovní obytný prostor s tradiční dřevěnou terasou, musíte na něm provádět pravidelnou údržbu a údržbářské práce. V opačném případě bude vaše venkovní terasa náchylná k vlhkosti, plísním a dokonce hnilobě. Pokud si pořídíte venkovní terasu se spřaženou terasou, nebude vlhnout, plesnivět ani hnít a nebudete muset utrácet čas a peníze za její údržbu.
Ať už si to uvědomujeme či nikoli, kompozity se staly neoddělitelnou součástí moderní doby. Jejich specifické vlastnosti jako jsou vysoká pevnost, odolnost proti korozi, chemická odolnost a dlouhá životnost daly vzniknout efektivnějším strojům, než bylo za použití hliníku a oceli možné. Kompozitní materiály vynikají právě vlastností, jako je relativní pevnost a s ní spojená tržná délka. Relativní pevnost je pevnost materiálu dělená hustotou materiálu. Jde tedy o poměr mezi pevností a váhou materiálu. Tržná délka je tak délka materiálu, kterou je materiál schopný udržet, než pod vlastní vahou praskne pokud ho zavěsíme svisle dolů.
Relativní pevnost je mimořádně důležitá u velkých struktur, takže není divu, že se kompozity hojně využívají pro letouny nebo listy větrných elektráren. Polovina váhy Boeingu 787 je tvořena vláknovými kompozity, protože jsou kompozity lehčí, tak objem letounu tvoří zhruba 80% vláknových kompozitů. V případě Boeingu 787 se jedná především o kompozit uhlíkových vláken. Díky snížení váhy letounu dochází také ke snížení spotřeby paliva. Použitím kompozitních materiálů se lze docílit prodloužení intervalů mezi údržbou draku letadla kvůli celkově větší odolnosti materiálu proti mechanickému namáhání i korozi. Další velikou výhodou použití kompozitních materiálů pro Boeing 787 je také to, že se velká část trupu letounu mohla začít vyrábět během jediné operace. Takto je při správném designu možné snížit výrobní náklady, ačkoliv materiál samotný může být dražší. Pevnější materiál, který je méně náchylný k únavě, také umožnil natlakovat kabinu letounu více, než bylo v době uvedení Boeingu 787 běžné, čímž se zvýšilo pohodlí pasažérů, kteří negativně reagovali na pobyt v kabině s nižším tlakem.
Větrné elektrárny zase využívají kompozitních materiálů k vytvoření delších a lehčích listů vrtulí. Spolu s optimalizací geometrie listů elektrárny pro snížení aerodynamického odporu a zvýšení vztlaku, patří snížení váhy a prodloužení listů mezi hlavní snahy návrhářů. Tím se zvyšuje celková efektivita a výkon elektrárny a je možné zvětšit rozmezí rychlosti větru, ve kterém mohou elektrárny fungovat, bez poškození listů rotoru. Nejefektivnější horizontální větrné elektrárny dosahují zhruba 50% efektivnosti v dokonalých podmínkách při převádění kinetické energie na elektrickou. Přesto se s použitím kompozitních materiálů se můžeme dostat o kousek blíže k dokonalosti.
Vývoj nejnovějších gigantických větrných elektráren jako jsou typy GE Haliade-X (14 MW) nebo Vestas V236 (15 MW), které mají průměr rotoru až 236 m nás utvrzuje v tom, že kompozitní materiály nebudeme v dohledné době schopni ničím nahradit, aniž bychom obětovali efektivitu.
V zubní medicíně se kompozitem myslí výplňový materiál složený ze skla a pryskyřičného pojiva. Plnivo - sklo (Sr, Ba), SiO2, Al2O3, B2O3, fosfáty, pigmenty. Pojivo - pryskyřice - monomery i kopolymery (BisGMA - bisfenolglycidylmetakrylát, UDMA - uretandimetakrylát, TEGMA - trietylenglykolmetakrylát), inhibitory samovolného tuhnutí, iniciační systém a stabilizátory. Kompozit patří mezi estetické výplňové materiály. V kavitě drží mikroretencí. To znamená, že povrch kavity se musí nejprve naleptat, aby měla kompozitní výplň dostatečnou retenci. málo naplněné - tzv. výplně I., II., III., IV. a V. Fotokompozit se aplikuje po malých vrstvách (dávkách), která se každá polymeruje.
Udržitelnost a recyklace kompozitních materiálů
Kompozity jsou bezpochyby jednou z nejužitečnějších rodin materiálů. Jsou však zároveň velmi problematické, co se týče jejich zpracování na konci jejich užitečného života. Proto by se v první řadě měly využívat s rozmyslem. Zatímco využití uhlíkových vláken pro Boeing 787 a větrné giganty jako Haliade X samozřejmě dává smysl, psí miska na vodu, nebo klobouk z uhlíkových vláken už tolik ne. Ačkoliv je jako jedna z nejvíce vychvalovaných vlastností kompozitů jejich dlouhá životnost, nesmíme zapomínat na to, že i tak odolné materiály, jako kompozity skleněných nebo uhlíkových vláken jednou doslouží.
Již dnes je vnímatelný nárůst odpadu vláknových kompozitů. Kolem roku 2020 začala dosluhovat první velká vlna větrných elektráren využívajících kompozitní materiály. Kvůli stále rostoucímu počtu větrných elektráren můžeme předpokládat, že se množství kompozitů, se kterými si budeme muset poradit, bude jenom zvětšovat. Stejný osud může potkat i některé z letounů, které se už nevyplatí provozovat kvůli ekonomickým dopadům pandemie COVID-19.
Protože oba typy strojů hojně využívají kompozitů - a to především kompozitů uhlíkových a skleněných vláken -, můžeme v příštích letech očekávat velký přísun velmi kvalitních materiálů, které už nesplňují podmínky pro použití v leteckém, nebo energetickém průmyslu. Ačkoliv jsou kompozitní materiály většinou velmi problematické co se týče separace jejich jednotlivých složek, prozatím neexistuje mnoho technologií, které by si s nimi dokázaly poradit a byly stále ekonomicky výhodné. Možná i proto je jednou z oblíbených metod, jak problém „vyřešit“, skládkování.
Skládkování kompozitních materiálů je zakázáno v Německu, Rakousku, Finsku a Nizozemsku. Očekává se, že ostatní členské země EU v dohledné době učiní stejné rozhodnutí. Než se tak ovšem stane, můžeme očekávat, že velká část kompozitních materiálů poputuje právě na skládku. V případě kompozitů je skládkování převážně důsledkem nevyspělých technologických řešení pro zpracování kompozitních materiálů na konci jejich života a nedostatkem legislativních podnětů.
Společnosti, které kompozity využívají, často vnímají skládkování jako ztrátu cenných surovin. Ale s minimem technologií, které by si s kompozity uměly spolehlivě poradit na konci jejich života, není vždy jednoduché se jich zodpovědně zbavit. Dobrou zprávou je, že velcí hráči jako třeba dánská společnost Vestas aktivně pracují na řešení, která by jim umožnila zpracovávat listy vrtulí a jiných kompozitních dílů z větrných elektráren. Nyní jsou jejich elektrárny z 85 % recyklovatelné, rotor a zbytek kompozitních dílů mají zhruba 42% recyklovatelnost. Do roku 2040 chtějí vyrábět zero-waste větrné elektrárny.
WindEurope, spolek největších hráčů na poli větrné energie, který se mimo jiné specializuje a zaštiťuje výzkumy a pomáhá vytvářet nové iniciativy pro udržitelnější větrné elektrárny, vyzval Evropskou komisi k navržení zákona o zákazu skládkování listů větrných elektráren do roku 2025. Podle nich by tato akce urychlila vývoj nových recyklačních technologií, kterých je zatím pro kompozity minimum. Podle WindEurope také není přijatelné posílat kompozity na skládkování mimo země EU. To se může zdát samozřejmé, ale je to bohužel běžná praxe, podobně jako s elektronickým odpadem.
Možnosti zpracování druhotných kompozitů
Jak ale můžeme druhořadé kompozitní materiály zpracovat a obejít tak skládkování? První možností, jak kompozitní materiály dále využívat i potom, co byly vyřazeny z letounu nebo větrné elektrárny, je jejich jednoduché znovu-užití. Ačkoliv tyto materiály již nesplňují nároky leteckého či energetického průmyslu, stále se jedná o nesmírně kvalitní materiály, které byť jednu již použité, často předčí některé tradičně využívané materiály. Mezi příklady znovu-užití kompozitních materiálů můžeme zahrnout takové projekty, jako přístřešek na kola v dánském městě Aalborg. Projekty společnosti GP Renewables group, která využila části listů větrných elektráren pro výrobu laviček, nebo lávek.
Za zmínku také stojí studentský projekt Stijn Speksnijder. Jednalo se o návrh lávky pro pěší a cyklisty podpořenou dvěma listy z větrných elektráren. Jedním z ambicióznějších projektů, kde by se mohlo využívat vyřazených listů větrných elektráren, je nová vysokorychlostní železnice ve Velké Británii. Kompozitů skleněných vláken z větrných elektráren by se dalo využít ke zpevnění betonu místo betonářské oceli. Využitím kompozitů tímto způsobem by se mohlo u železnice High speed 2 (HS2) dosáhnout ještě lepších vlastností betonu než s použitím oceli a snížit tak uhlíkovou stopu oproti betonu vyztuženému ocelí. V současné době je připravený návrh viaduktu, který by mohl využívat právě nového typu zpevnění. Tím by bylo zároveň dosaženo snížení uhlíkové stopy až o 50 % oproti viaduktu, který by využíval nově vyrobené oceli.
tags: #kompozitni #materialy #vscht