Materiały wzmacniające

Włókno tekstylne to zbiorczy termin określający cienkie włókna przędzone ze stopionego szkła o w przybliżeniu okrągłym przekroju. Szkło tekstylne jest wykonane z wysokiej jakości szkła typu E, a do zastosowań specjalnych również ze szkła typu R i C. Stosunkowo wysokie wartości wytrzymałości i modułu sprężystości są konsekwencją silnych wiązań między krzemem a tlenem w sieci przestrzennej. Ze względu na bezpostaciową strukturę włókna szklane są izotropowe w przeciwieństwie do włókien węglowych lub aramidowych.

Po zakończeniu produkcji na świeżo uformowane włókno szklane nakłada się klej o odpowiednim rozmiarze. Klei włókna, chroni powierzchnię i działa jako środek wiążący dla osnowy.

Włókna węglowe lub włókna karbonowe składają się w ponad 90% z czystego węgla i mają średnicę 5-10 mikrometrów.
Jako surowce zazwyczaj stosuje się PAN (włókna poliakrylonitrylowe), pak lub celulozę.

Cechy specjalne

• wysoka wytrzymałość do ok. 2500°C
• bardzo anizotropowy
• ujemna rozszerzalność cieplna w kierunku włókien
• przewodność cieplna i elektryczna
• dobra kompatybilność z ciałem
• czułość na zginanie i nacisk
• wysoka odporność na korozję
• bardzo drogie

Po wyprodukowaniu włókna węglowe są poddawane obróbce powierzchniowej. Powierzchnia jest utleniana w celu wytworzenia jak największej liczby tlenków powierzchniowych, które mogą tworzyć wiązania chemiczne z układem osnowy. Powierzchnia włókien jest wykończona bezpośrednio po obróbce wstępnej. Jest to substancja, która początkowo ma na celu zapobieganie przywieraniu wody do powierzchni czynnej i zawiera grupy funkcyjne do wiązania z układem osnowowym.

Włókna aramidowe (kevlar) to liniowe, organiczne polimery o wysokiej wytrzymałości i sztywności. Podobnie jak włókna węglowe, włókna aramidowe mają ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej ze względu na wysoką orientację molekularną (efekt entropii).

Cechy specjalne

• najlżejsze włókno wzmacniające
• bardzo wrażliwe na nacisk
• silnie anizotropowy
• silna absorpcja wilgoci
• Wrażliwość na promieniowanie UV
• słaba przyczepność do osnowy
• niska podatność na obróbkę
• bardzo drogie

Powierzchnia włókna aramidowego jest chemicznie obojętna i bardzo gładka. Tak więc, chemiczna lub mechaniczna przyczepność do osnowy jest w dużej mierze wykluczona. Zastosowany rozmiar pełni tylko funkcję ochronną.

Włókna celulozowe

Włókno celulozowe należy do grupy organicznych włókien wzmacniających. Zwykle jest wykonany z siarczynowej masy celulozowej z drewna bukowego lub czystej celulozy bawełnianej.

We wczesnych czasach technologii kompozytów włóknistych włókno to było wykorzystywane do wzmacniania żywic fenolowych. Do dziś można je znaleźć w produktach z twardego papieru fenolowego.

Włókna PAN

Włókno poliakrylonitrylowe należy do grupy syntetycznych organicznych włókien wzmacniających.
Włókno PAN jest włóknem o wysokiej wytrzymałości i nerkowatym przekroju poprzecznym. Stosowane jest głównie jako materiał zastępczy dla produktów azbestowo-cementowych oraz w okładzinach hamulcowych.

Włókna polietylenowe

Włókno polietylenowe należy do grupy syntetycznych organicznych włókien wzmacniających.

Włókno PE składa się z silnie rozciągniętego PE UHMW. Ich temperatura topnienia wynosi około 150°C i mają tendencję do pełzania. Jednak ma wysoką zdolność absorpcji energii uderzenia i jest stosowane jako materiał hybrydowy (w połączeniu z innymi włóknami wzmacniającymi).

Włókna ceramiczne

Włókno ceramiczne należy do grupy syntetycznych nieorganicznych włókien wzmacniających.
Włókno ceramiczne służy do wzmacniania materiałów metalowych

Włókna drzewne

Włókno drzewne należy do grupy naturalnych organicznych włókien wzmacniających.

Mączki drzewne stosowane do wzmacniania związków fenolowo-formaldehydowych i melaminowo-formaldehydowych są zwykle drobno zmielonymi włóknami drzewnymi z drewna świerkowego lub bukowego.

Włókna poliestrowe (PET)

Włókna poliestrowe należą do grupy organiczno-syntetycznych włókien wzmacniających.
Są one stosowane głównie w przemyśle tekstylnym. Wytrzymałość na rozciąganie odpowiada w przybliżeniu wytrzymałości włókien poliamidowych, ale przekracza udarność większości włókien syntetycznych. W przypadku przetwarzania w połączeniu z włóknami szklanymi, materiały kompozytowe prowadzą do poprawy odporności na uderzenia.

Włókna azbestowe

Włókno azbestowe należy do grupy nieorganicznych naturalnych włókien wzmacniających.

Azbest jest najstarszym włóknem nieorganicznym i wydobywany był z naturalnych złóż mineralnych (uwodnionych krzemianów Mg i Na). Z wiadomych względów nie są one już obecnie używane i są zastępowane.

Włókna metalowe

Włókna metalowe należą do grupy syntetycznych nieorganicznych włókien wzmacniających.
Włókna metalowe mogą być wykonane ze stali, mosiądzu, brązu, miedzi, aluminium, srebra, złota i platyny.
Włókna metalowe służą do wzmacniania materiałów metalowych.

Włókna sizalowe

Włókno sizalowe należy do grupy naturalnych organicznych włókien wzmacniających.

Jednak pomimo niższej ceny w porównaniu do włókien szklanych, nie zdołało ono zaistnieć na rynku.

Sizal zaczęto ponownie rozważać dopiero wtedy, gdy poszukiwano materiału zastępującego azbest w produkcji okładzin hamulcowych.

Włókna poliamidowe

Włókno poliamidowe należy do grupy syntetycznych organicznych włókien wzmacniających.

Technicznie najważniejsze włókna poliamidowe oparte są na PA 66 i PA 6. W połączeniu poprawiają one w szczególności elastyczność i odporność na prądy pełzające.

Włókna borowe

Włókno borowe należy do grupy syntetycznych nieorganicznych włókien wzmacniających.

Włókno borowe jest produkowane w procesie narastania. Podłoże stanowi wolfram. Cienki drut wolframowy jest ogrzewany elektrycznie, a bor jest oddzielany od fazy gazowej.

Włókna borowe są wykorzystywane do wzmacniania materiałów metalicznych.

Whisker

Whisker należy do grupy syntetycznych nieorganicznych materiałów wzmacniających.
Wiskery to syntetycznie wytwarzane monokrystaliczne włókna nieorganiczne. Jeśli możliwe jest ukierunkowanie tego włókna za pomocą stopionego materiału, uzyskuje się materiał kompozytowy o ogromnej wytrzymałości.