Skúška 3-bodovým ohybom plastov vystužených celulózovými nanovláknami

Skúška 3-bodovým ohybom plastov vystužených celulózovými nanovláknami

Plastová pena je ľahká a má vynikajúce tepelné izolačné a tlmiace vlastnosti, pretože vnútro materiálu obsahuje veľa dutín. Na druhej strane je pevnosť plastovej peny nižšia ako nepenových materiálov, pretože objem plastu na jednotku objemu je menšia.

Přidání vlákna nebo jiného vyztužení materiálů je jednou z technik, jak dosáhnout uspokojivých výsledků pevnosti materiálů, ve kterých se upřednostňuje také jejich nízká hmotnost a tepelně izolační vlastnosti. Ačkoli se jako výztuž materiálů často používají skleněná vlákna a uhlíková vlákna, velmi rychle postupuje i výzkum a vývoj nanovláken celulózy (dále jen CNF – cellulose nanofibers) jako rostlinného derivátu.

Celulóza, získaná převážně z rostlin a jejich buněčných stěn či bavlny, je nejčastější uhlohydrát na Zemi a již dlouho se používá jako surovina, materiál pro výrobu papíru a bavlněného vlákna. Nedávno vzbudila zájem CNF v nano rozměrech s vyšší funkčností získaná defibrací celulózy. Jako materiál získávaný z rostlin má CNF nízký dopad na životní prostředí a také má řadu žádaných vlastností, včetně nízké lineární expanze, vlastnost tvoření plynové bariéry nebo průhlednost. Ve srovnání se železnými materiály váží CNF pouze 1/5 hmotnosti, ale má vysokou specifickou pevnost, která je 5krát vyšší než pevnost oceli. Shodnou pevnost nebo lepší než u konvenčních materiálů lze realizovat smícháním CNF s plasty a gumou. CNF proto na sebe přitahuje zájem jako nový materiál nahrazující uhlíková vlákna.

SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka 
 Obr. 1 Trhací a zkušební stroj Shimadzu AGS-X

 

Tento článek představuje tříbodovou zkoušku ohybem materiálů CNF. Trhací a zkušební stroj Shimadzu AGS-X byl vybaven ohybovým přípravkem se snímačem průhybu a zkušební rychlost byla v souladu s normou ISO 178 (JIS K 7171), která se obecně používá v hodnocení pevnosti plastů a porovnává rozdíly v pevnosti v ohybu s/bez CNF a s/bez pěnění.

Vzorky pro zkoušku ohybem

Plast vyztužený CNF použitý pro tuto studii byl polyetylen s vysokou hustotou (dále HDPE). Zkušební vzorky byly připraveny přidáním 5 % CNF do HDPE. Před zkouškami bylo provedeno zkoumání rozdílů vnitřní struktury, pomocí rentgenového CT mikroskopu Shimadzu - inspeXio SMX 100CT.

Obr. 1 zachycuje na CT obrázcích vzorky, ve kterých dutiny se jeví jako černé oblasti. Není velký rozdíl mezi nepěnovým plastem bez CNF (①) a nepěnovým plastem vyztuženým CNF (②). V pěnových plastech, bylo zjištěno, že ve CNF vyztuženém plastu (④) existují jemnější rovnoměrně rozptýlené dutiny než v plastu bez CNF. Tím se vysvětluje, že CNF brání růstu a sloučení dutin.

 SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka 
 Obr. 2 snímky z rentgenového CT přístroje Shimadzu inspeXio SMX-100CT

 

Zkušební trhací stroj

Na obr. 3 je zachycen vzorek před testem a tab. 1 dokládá zkušební podmínky. Po změření momentu pružnosti v ohybu se změnila zkušební rychlost, aby se efektivně změřila pevnost v ohybu. Pro přesné měření průhybu vzorku se použil snímač průhybu.

 SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka 
 Obr. 3 zkušební vzorek

 

Tab. 1 zkušební podmínky

Zkušební stroj

Shimadzu AGS-X

Siloměr

1 kN

Zkušební přípravek

tříbodový přípravek pro ohybové zkoušky, R5

Vzdálenost mezi podpěrami

40 mm

Měření průhybu

snímač pro měření průhybu

Software

Trapezium X Single

Zkušební rychlost

1 mm/min => 20 mm/min

Počet testů

3 vzorky od každého druhu

Rozměry vzorků

50 mm x 10 mm x 4 mm

Zkušební výsledky

Obr. 4 zachycuje výsledky testů. U plastů vyztužených CNF (②, ④) došlo, jak je vidět, ke křehkému lomu, což dokládá prudký pokles zkušební síly po dosažení maximální síly. Plasty jiné než CNF (①, ③) vykazují tvárné chování, při kterém testovací síla klesá postupně.

 SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka 
 Obr. 4 graf ohybové zkoušky

 

Tabulka 2 shrnuje výsledky testů pro všechny vzorky. Modul pružnosti v ohybu byl vypočítán ze sklonu deformace při ohybu 0,05 % až 0,25 %.

Porovnáním hodnot HDPE bez CNF (①, ③) a hodnot plastů vyztužených CNF (②, ④), je vidět, že v obou případech vykazuje plast vyztužený CNF vyšší hodnoty pevnosti a modulu pružnosti v ohybu. Navíc porovnání variačních koeficientů pevnosti v ohybu plastové pěny HDPE (③) a plastové pěny vyztužené CNF (④), bylo zjištěno, že variace plastu vyztuženého CNF byla menší.

Tab. 2 souhrn zkušebních výsledků (průměr ze tří vzorků) 

 

Modul pružnosti v ohybu (GPa)

Pevnost v ohybu (MPa)

Variační koeficient pevnosti (%)

① HDPE

1,29

55,2

0,7

② HDPE + CNF5%

1,56

61,8

0,2

③ HDPE (pěna)

0,87

32,7

4,0

④ HDPE + CNF5% (pěna)

1,29

42,5

0,2

Závěr

Přidáním CNF bylo možné zvýšit modul v ohybu a pevnost v ohybu plastu. Kromě vylepšení těchto vlastností bylo v případě z plastové pěny také zjištěno, že přidáním CNF je možné vytvořit stabilní plast s rovnoměrnou velikostí dutin.

Ačkoli jsou pro aplikace kompozitních materiálů s CNF vyžadovány různé zkoušky a testy, vyhodnocení pevnosti materiálu je jedním z klíčových parametrů. V uvedené studii bylo možné vyhodnotit průhyb vzorku velmi přesně, protože zkušební stroj AGS-X byl vybaven i snímačem průhybu. Studie tedy potvrzuje kromě jiného, že zkušební stroje Shimadzu jsou vhodné pro vyhodnocování mechanických vlastností materiálů vyztužených celulózovými nanovlákny.

  • autor:
  • SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka


Mohlo by vás tiež zaujímať



 

Najbližšie výstavy