Laminat poliester

Tworzywa sztuczne typu poliwęglan, plexi czy PCV są materiałami jednorodnymi pod względem chemicznym, jednocześnie jednorodność ta jest czynnikiem będącym zarówno wadą jak i zaletą tworzywa. Wśród zalet polimerów można wymienić min. elastyczność, przezroczystość, wśród wad pojawiała się nieodporność na wysoką temperaturę, oraz w większości przypadków- brak chemicznej odporności na węglowodory aromatyczne takie jak benzen, toluen a w szczególności na chlorowane węglowodory.

W tym artykule przedstawiamy laminaty; materiały kompozytowe, co najmniej dwu składnikowe/dwu elementowe, w których elementy „nie mieszają się” inaczej mówiąc- nie tworzą jednorodnej warstwy. Laminat najprościej rzecz ujmując jest tworzywem, w którym substancja (tworzywo, włókno szklane, a nawet metal) jest ułożony warstwami i sklejony lepiszczem. Tym samym laminaty ze względu na warstwicowość są materiałami, które można złamać pod wpływem przyłożonej siły, ale pod warunkiem że siła ta jest przyłożona w kierunku prostopadłym do warstw. Dodajmy, że głównym materiałem nadającym laminatowi odporności i decydującym o jego właściwościach są...właśnie te warstwy- czyli możemy mówić że np. kadłub samolotu jest wykonany z włókna szklanego sklejonego tu: żywicą.

Najprościej laminat przedstawić jako pewien szkielet- budulec, pomiędzy którego elementami znajduje się inna substancja (lepiszcze). Laminaty są szeroko stosowane zarówno w przemyśle jak i codziennych zastosowaniach- od łódek poprzez kadłuby samolotów do laminatów budowlanych. Powyższa definicji nie wyczerpuje jednak definicji laminatów, które kojarzymy właśnie z „czymś co ma w sobie plastik i np. włókno szklane”. Laminatem jest np. żelbet- warstwy prętów żelaznych połączone betonem, tak samo drewno jest rodzajem laminatu, oraz materiały wykonane z azbestu.

Laminaty to materiały przyszłościowe, łączą tradycję z nowoczesnością, szczególnie doniosłym przykładem takich warstwowych tworzyw jest kevlar, lub nomex, mające zastosowanie w technologii wojskowej ze względu na silne właściwości hamowania kul. Warto dodać, że materiały kompozytowe same w sobie wykazują dużą zdolność „przechwytywania” pocisków. W technologii kosmicznej stosuje się z kolei kompozyty wykonane z włókien boru i węgla, które są niezwykle wytrzymałe- jako ciekawostkę dodajmy, że teoretyczna lina wykonana z nanorurek węglowych i połączona odpowiednią substancją była by setki a nawet tysiące razy wytrzymalsza od najlepszych lin stalowych. W pewnym sensie szkło zbrojone drutem możemy też w dużym uproszczeniu brać za rodzaj laminatu. Laminaty to materiały należące według klasyfikacji do duroplastów- są to tworzywa termo i chemoutwardzalne. Są to tworzywa produkowane w zależności od potrzeby w postaci rur, płyt, prętów, lub odgórnie zdefiniowanych kształtów.

W zastosowaniach budowlanych najczęściej stosuje się laminaty poliestrowo- szklane, lub szklano epoksydowe gdzie stosuje się jako lepiszcze odpowiednie rodzaje żywicy, a gdzie poliester jest lepiszczem. Dodajmy jeszcze, że inne stosowane w zależności potrzeby nośniki to najzwyklejszy papier (poszarpany papier namoczony wodą z klejem i poddany wyschnięciu używany w celach dekoracyjnych to również rodzaj laminatu), są też tkaniny bawełniane nasycone lepiszczem- wszystko to liczy się jako laminaty.

Produkcja laminatu, jej schemat jest bardzo prosta- gotową matrycę z ułożonymi kanapkowo (jak w kanapce warstwami ser-szynka-ogórek) warstwami włókna szklanego powoli „zatapia„ się w odpowiedniej kąpieli (w żywicy, lub poliestrze), gdzie włókna szklane i ich puste przestrzenie nasycają się cieczą, następnie całość wyjmuje się i poddaje prasowaniu, w celu wygładzenia struktury, oraz uzyskania w zależności od potrzeby tafli odpowiedniej długości, oraz grubości, podczas kąpieli można do tak powstającego laminatu (do lepiszcza) dodać odpowiednie platyfikatory zwiększające elastyczność, oraz do samej macierzy włókien np. miedź. Miedź dodawana jest gdy laminat ma służyć jako obwód drukowany w zastosowaniach elektronicznych, jako dodatek dodaje się też obowiązkowo substancje antystatyczne- ogromna ilość włókien szklanych na jednostkę powierzchni, oraz całkowita powierzchnia włókien może sprzyjać elektryzowaniu podczas uszkodzenia warstwy, lub łamaniu jej. Jak wiemy ładunki statyczne są niekorzystne- mogą stwarzać zagrożenie pożarowe- substancją antystatyczną jest grafit, lub jeszcze prościej- zwykła (ale oczyszczona) sadza.

Warto tutaj zaznaczyć pewną ciekawą właściwość tak powstałego laminatu- jest on przezroczysty, szczególnie gdy patrzymy na laminat w kierunku prostopadłym do jego powierzchni, natomiast pod kątem mamy wrażenie, że zaczyna on lekko opalizować.

Dzieje się tak dlatego, że każde z tysięcy włókienek szklanych załamuje, odbija światło. Nierzadko zmienia się też polaryzacja, małe rozmiary włókien także wpływają na wielokrotną interferencję i dyfrakcję takiego światła, które przeszło przez warstwę laminatu, nie możemy jednoznacznie przypisać opalizacji tylko jednemu zjawisku optycznemu- formalnie rzecz biorąc światło musi przejść bardzo dużą niekiedy drogę przez warstwę laminatu nim dotrze do naszego oka. Na szczęście laminarne położenie warstw sprawia, że jest to materiał raczej przezroczysty- bardzo dobrym przykładem, choć na mniejszą skalę działania laminarnych warstw odbijających jest układ kilkudziesięciu szkiełek mikroskopowych, jedno nad drugim przesuniętych względem siebie o parę milimetrów, oświetlając taką warstwę np. laserem zauważymy, że bieg promienia jest wielokrotnie załamany, oraz odbity częściowo, bądź całkowicie gdy światło pada pod odpowiednim kątem.

Najważniejszym składnikiem budulcowym dla laminatów poliestrowo- szkalnych i szklano-epoksydowych jest oczywiście włókno szklane. Jest to włókno oparte na krzemionce, czyli SiO2 zwykłym piasku z dodatkiem materiałów stopowych i topników, w zależności od wymogów włókno może być produkowane ze szkła poddawanego recyclingowi, czyli butelek itd., oraz bardziej wytrzymałych szkieł boro- krzemianowych. Po stopieniu składników w wysokiej temperaturze ciecz jest przetłaczana przez platynowe tuleje, które zawierają po kilka tysięcy otworków przez które przechodzi masa szklana i jest od razu nawijana na nawijarkach (jak nici), oraz bardzo szybko chłodzona, aby masa nie uległa krystalizacji tylko zeszkleniu.

Analiza fizykochemiczna laminatów jest utrudniona przez fakt, że mamy do czynienia z dwoma materiałami- postać matematyczna równań stosowanych przy laminatach również nie wygląda zachęcająco- ze względu na olbrzymią anizotropię właściwości fizycznych (czyli różne właściwości w rożnych kierunkach) stosuje się równania wymagające analizy tensorowej.

W poprzednich artykułach gdy omawialiśmy właściwości tworzyw sztucznych często pojawiały się informacje, że dane tworzywo powyżej pewnej, niezbyt wysokiej temperatury mięknie, deformuje się itd.

Laminaty są odporne na bardzo wysokie temperatury i są niepalne- co najwyżej zawarta w nich żywica epoksydowa może ulec zapłonowi, ale na skutek budowy są to materiały absolutnie nie kapiące i zachowujące strukturę i kształt w wysokiej temperaturze- jedyną wadą tutaj jest fakt, że im wyższa temperatura tym bardziej laminat staje się nieprzezroczysty ( patrz zdj.2) i ujawnia się warstwowa struktura tego tworzywa, oraz żywica epoksydowa mocno się kopci wydzielając charakterystyczną woń- w wysokiej temperaturze zniszczeniu ulega lepiszcze, natomiast szkielet szklany pozostaje nienaruszony aż do ekstremalnie wysokich temperatur powyżej 800-1000 stopni Celsjusza.

Laminaty ze względu na ognioodporność (laminat NRO do świetlików NRO z materiałem poliwęglan NRO inaczej zwany poliwęglan klasy Broof T1) stanowią dodatkową barierę i ochronę przed pożarem- na przykład płyta z tworzywa sztucznego ulegając zapłonowi może kapać, lub niszczyć na skutek deformacji struktury, warstwa laminatu pod taką płytą skutecznie przeciwdziała zarówno rozprzestrzenianiu się ognia, jak i szkielet szklany skutecznie zatrzymuje powstające w wysokich temperaturach bardzo groźne ,stopione krople palącego się tworzywa. Laminaty szklano- epoksydowe mają oznaczenie kodowe FR-4 jest to skrót od flame retandant, czyli odporny na ogień.

Dodatkowo laminat taki praktycznie nie chłonie wilgoci w przeliczeniu na masę laminatu- w przeciwieństwie do reszty tworzyw syntetycznych. Laminat też jest bardzo odporny chemicznie, jako całość jest „ruszany” jedynie przez bardzo aktywne chemicznie chlorowce i to przy dłuższej ekspozycji, jedynie powierzchnia z żywicy epoksydowej może czasami ulec naruszeniu i to pod warunkiem, że dodano jej w nadmiarze w stosunku do szkła. Laminat jest nieodporny na działanie fluorowodoru i mokrego fluoru- głównie za sprawą faktu, że fluor i jego związki oddziaływują bardzo korodująco na szkło. Teoretycznie- po bardzo długiej ekspozycji warstwy laminatu w stężonym roztworze wodorotlenku sodu i potasu (tym bardziej) NaOH i KOH powinna ulec naruszeniu struktura szkła (bowiem szkło wchodzi w reakację z NaOH i KOH), ciekawostką i zaskoczeniem na pewno będzie fakt, że wrogiem laminatu jest... woda utleniona 10 %, co dziwniejsze- stężone roztwory wody utlenionej działają mniej korodująco niż właśnie ta 10 % stężenie. Jednak nawet w zastosowaniach technicznych ekspozycja taka jest bardzo wątpliwa- w poniższej tabeli zestawiono kilkanaście różnych związków chemicznych i ich działanie całościowe na laminat. Warto dodać, że w tabeli zamieściliśmy specjalnie ekstremalne warunki i związki chemiczne takie aby pokazać, że jednak są substancje mogące zniszczyć laminat- w tabeli zaznaczono je czerwono- różowym tłem, jednak stosowanie niżej wymienionych substancji jest raczej ciekawostką i bardzo rzadko się je spotyka, w innej tabeli przedstawiono natomiast własności samej żywicy epoksydowej:

Porównanie odporności laminatu szklano- epoksydowego poddanemu działaniu różnych substancji chemicznych.
Substancja	Wytrzymałość
Ketony	Zła/Dobra
Kwasy organiczne	Bardzo dobra
Siarczan VI glinu	Bardzo dobra
Amoniak i jego sole	Bardzo dobra
Woda Królewska (80 % HCl i 20 % HNO3)	Bardzo zła
Węglowodory aromatyczne	Bardzo dobra
Sole baru	Dobra
Benzen	Bardzo dobra
Mokry brom	Zła
Tetra chloro metan	Zła
Kwas chlorowy	Bardzo zła
Mokry chlor	Bardzo zła
Stężony kwas chromowy	Bardzo zła
Ogólnie związki miedzi	Bardzo dobra
Cyjanek miedzi	Zła
Etery	Bardzo dobra
Paliwo dieselowskie	Bardzo dobra
Związki żelaza	Bardzo dobra
Fluor	Bardzo zła
Woda utleniona 10 %	Bardzo zła
Gazowy siarkowodór (mokry)	Bardzo dobra
Związki ołowiu	Bardzo dobra
Gorący i stężony kwas azotowy Kwas azotowy do 50 %	Bardzo zła Bardzo dobra/ dobra
Oleum (stężony kwas siarkowy nasycony tlenkami siarki VI o formalnym stężeniu 104.5 % kropla oleum na np. papierze powoduje jego natychmiastowy zapłon)	Bardzo zła
Kąpiel chromowo- siarkowa w temp. 100 stopni	Bardzo zła
Kąpiel w stopionej soli siarczanie VI żelaza	Bardzo zła
Cyjanek potasu	Bardzo dobra
Gazowy dwutlenek siarki (mokry)	Bardzo zła

Na podstawie powyższej tabeli możemy wyciągnąć jeden ważny wniosek- laminat w zastosowaniach powszednich jest materiałem „pancernym”, dopiero użycie ekstremalnych warunków i substancji chemicznych jest w stanie naruszyć jego strukturę- dodajmy, że wymieniona w tabeli kąpiel chromowo -siarkowa, czyli inaczej „chromianka” będąca mieszaniną dichromianu potasu i kwasu siarkowego VI (stężonego) to mieszanina bardzo silnych utleniaczy i do tego na gorąco- niszczy i zwęgla wszystkie materiały organiczne.

Powyżej omówiliśmy właściwości chemiczne laminatu, teraz zajmiemy się właściwościami fizycznymi- pierwsze co rzuca się w oczy to różna odporność laminatu na złamanie w zależności od osi względem której będziemy go łamać (x, y, z) będzie łatwiej bądź gorzej znosić naprężenia. Przewodnictwo cieplne w zależności od kierunku zmienia się od 0.29 W/ m K do 0.81 W/(m²×°K) czyli ma bardzo dobre właściwości izolacyjne, nieco gorze niż drewno, ale porównywalne dla największej wartości ze szkłem i asfaltem. Siła potrzebna do złamania testowej próbki laminatu wynosi nieco powyżej 440 MPa, jednak warto wiedzieć, że nim warstwa laminatu zostanie złamana pojawiają się na niej „pajęcze sieci” zmniejszające drastyczne zdolność przepuszczania światła przez laminat.

Tworzywa sztuczne po wygięciu i nawet złamaniu zachowują przezroczystość, w przypadku laminatu naprężenia ujawniają warstwową strukturę, te „pajęcze sieci” to właśnie warstwy włókna szklanego. Laminat nie posiada także specjalnej odporności na rozciąganie- wartość ta wynosi 310 MPa dla warstwy laminatu grubości 3 milimetrów, wytrzymałość udarnościowa wg metody Izoda wynosi w zależności od płaszczyzny uderzenia 54 J/ m – 44 J/m- oprócz tego każde mocniejsze uderzenie powoduje w laminacie nie tyle zniszczenie jego struktury i właściwości konstrukcyjnych co raczej znowu ujawnia się warstwowa struktura laminatu- miejsca uderzone np. młotkiem również pokrywają się poplątaną strukturą pajęczyny, z kolei inną własnością mechaniczną badaną dla laminatów jest też wytrzymałość na ściskanie pręta wykonanego z laminatu i wynosi ta wielkość 415 MPa. Temperatura przejścia w stan szklisty dla laminatu nie ma sensu, chyba że rozpatrujemy każdy z materiałów budulcowych osobno- jednak dodajmy, że temperatura w której następuje wyraźne zmętnienie warstwy laminatu i ujawnienie jej warstwowej struktury (laminat staje się matowy i nieprzezroczysty) leży trochę powyżej 120 stopni Celsjusza.

Współczynniki rozszerzalności cieplnej, czyli wielkość mówiąca o ile dany materiał zwiększy swoją wielkość przy podniesieniu temperatury o 1 stopień wynosi (w jednostkach alfa) w przypadku laminatu dla osi x: 0.0000145 1/ K, osi y: 0.0000120 1/K i osi z: 0.0000700 1/ K. Z wielkości materiałowych współczynnik Poissona wynosi 0.136 i jest najbliższy dla wartości współczynnika Poissona dla szkła. Prędkość dźwięku w laminacie wynosi około 3602 m/s podobnie jak srebro i cegła, natomiast oporność falowa- wielkość będąca miarą oporu jaki laminat stawia fali dźwiękowej wynosi 6.64 MRa i jest większa niż wartość dla miedzi. Moduł Younga dla laminatu, czyli wartość naprężenia hipotetycznego jaka wystąpiła by dla dwukrotnego wydłużenia warstwy laminatu wynosi w zależności od kierunku przyłożonej siły 24 Gpa- 21 Gpa i jest to wartość porównywalna z modułami Younga dla ołowiu i betonu ściskanego. Wspomnieliśmy już, że laminaty to bardzo dobre izolatory- Wartość napięcia przy którym następuje wyładowanie elektryczne wynosi 50000 Voltów- po przekroczeniu tej granicznej wartości pomiędzy np. warstwą przewodnika- laminatem- warstwą przewodnika następuje wyładowanie iskrowe. Jeszcze lepiej laminat sprawdza się w przypadku odporności na przebicie wynosi ona aż 20 MV/ m, z kolei przenikalność elektryczna laminatu względem próżni wynosi 4.8 , czyli jest porównywalna z wartościami dla betonu i soli kuchennej. W związku z właściwościami mechanicznymi laminat ma jedną istotną wadę.

Po złamaniu jego krawędzie są pokryte igiełkami włókna szklanego co może stanowić zagrożenie gdy nie używa się rękawic ochronnych- w przypadku wyjątkowego pecha taka igiełka może dostać się do krwionośnych naczyń włoskowatych, dlatego zalecamy podczas obróbki laminatu używanie rękawic ochronnych, oraz maski na twarz (podczas wiercenia laminat może zacząć „pylić” igiełkami z włókna szklanego- dłuższa ekspozycji na takie włókno jest bardzo niebezpieczna dla układu oddechowego)

Pod względem optycznym laminaty są materiałami przezroczystymi (oczywiście mowa o laminatach epoksydowo- szklanych, lub laminatach poliestrowo- szklanych), jednak jak wspomnieliśmy wyżej- właściwości optyczne laminatów zależą zarówno od kierunku padania promieni świetlnych (pod kątem widoczna jest wyraźna opalescencja różowo- żółta), od zawartości włókna szklanego i jego ułożenia, co jak wyżej wspomnieliśmy- wszelkie uszkodzenia np. na skutek gradu powodują przesunięcie włókien szklanych względem siebie i drastyczne pogorszenie właściwości optycznych laminatu. W zależności od użytego szkła do produkcji włókna szklanego laminat raczej przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe- zakres UV-A do 85 %, oraz UV-B do 35 %, a więc nie jest to specjalna ochrona przed w/w promieniowaniem, jednak podkreślmy, że promieniowanie UV odbijając się wielokrotnie od warstw włókna szklanego ulega drastycznemu osłabieniu- przytoczone wyżej liczby transmitancji odnoszą się do czystego szkła okiennego. Laminat jest materiałem odpornym na działanie promieniowania UV- nie ulega przemianie strukturalnej podczas ekspozycji na promieniowanie UV. Warstwowość laminatu i jednoczesna agregacja aglomeratów włókien szklanych nie sprzyja także przepuszczalności światła ze względu na grubość warstwy- im grubszy laminat tym zdolność przepuszczania światła widzialnego drastycznie maleje, w przeciwieństwie np. do plexi, gdzie nieraz bardzo grube warstwy przepuszczają aż 85 % padającego promieniowania widzialnego. Dlatego też laminat przezroczysty jest stosowany jako rodzaj cienkiej (maksymalnie do paru milimetrów grubości ) ale wytrzymałej i relatywnie przezroczystej warstwy ochronnej stosowanej razem ze znacznie bardziej przezroczystymi tworzywami np. poliwęglanem.

Na zakończenie tego artykułu podamy garść informacji o samej żywicy epoksydowej stosowanej jako lepiszcze do laminatu- są to wielkocząsteczkowe i usieciowane (czyli tworzące podczas polimeryzacji przestrzenną, trójwymiarową strukturę sieci ) związki chemiczne, będące najczęściej polifenolami. Żywica taka w zależności od produkcji jest materiałem lepkim, lub topliwym ciałem stałym- żywica poddana procesom utwardzania staje się bardzo odporna i nietopliwa a przede wszystkim wykazująca bardzo dobrom przyczepność co pozwala na produkcję min. jednolitych tafli i warstw laminatu.

Pod względem chemicznym żywica taka jest znowu typowym przedstawicielem rodziny związków organicznych, czyli jest relatywnie odporna na działanie związków nieorganicznych w tym na kwasy nieorganiczne (za wyjątkiem kwasu azotowego V), oraz na zasady, czy większość soli, natomiast (co już nie powinno nas dziwić, szczególnie po zapoznaniu się z innymi naszymi artykułami) jest już nieodporna na działanie niektórych substancji organicznych takich jak aceton- w szczególności jest to substancja nieodporna na ketony, natomiast żywica jest stosunkowo odporna na kwasy organiczne, oraz co może zdziwić- jest odporna na działanie toluenu, benzyny i większości rozpuszczalników organicznych (powtórzmy: za wyjątkiem ketonów), co więcej- żywica jest relatywnie odporna nawet na działanie halogenowanych węglowodorów aromatycznych jak i alifatycznych- co w połączeniu ze szkłem i utworzeniu laminatu faktycznie rzecz biorąc stwarza tworzywo iście pancerne.

Na podstawie informacji przedstawionych w tym artykule widzimy, że laminaty to materiały o wyjątkowej wręcz odporności chemicznej, oraz dobrych właściwościach fizycznych mających ogromne zastosowanie, ale też nie pozbawione bardzo istotnych wad- nie ma materiału idealnego, dlatego w zastosowaniach np. w budownictwie nieraz musimy stosować obok siebie bardzo dużo różnorakich tworzyw lub materiałów.