Κατασκευή σύνθετων θερμοανθεκτικών υλικών από μήτρα ρητίνη φαινόλης – φορμαλδεΰδης με μέσον ενίσχυσης ίνες άνθρακα και περλίτη – προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων και συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας των υλικών

Abstract

Τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα με φαινολικές ρητίνες χρησιμοποιούνται για περισσότερο από 20 χρόνια με εξαιρετικά αποτελέσματα για να παράξουν προϊόντα από καλούπια, τα οποία χρησιμοποιούνται στα μεταφορικά μέσα, όπως λεωφορεία και τρένα, καθώς και σε κατασκευές, όπου απαιτούνται υλικά που να αντέχουν στη φωτιά και σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτά τα υλικά δεν καίγονται με την τυπική έννοια, ενώ σε περιπτώσεις πυρκαγιάς παράγουν χαμηλά επίπεδα καπνού και τοξικών αερίων. H ικανότητά τους να παράγουν κομμάτια υλικών με περίπλοκο σχήμα, με υψηλό λόγο μηχανικής αντοχής προς πυκνότητα, χαμηλή συντήρηση και κόστος, μαζί με την ευκολία στην εγκατάσταση έχει αναγνωρισθεί ως η κατάλληλη λύση για την παραγωγή υλικών τα οποία αντέχουν στην φωτιά. Στόχος της παρούσης εργασίας είναι η κατασκευή συνθέτων υλικών ινών άνθρακα με μήτρα ρητίνη φαινόλης - φορμαλδεΰδης (νεολάκης) και η αντικατάσταση της ρητίνης με περλίτη με σκοπό την αύξηση των αντοχών του σύνθετου υλικού χωρίς να αυξηθεί το βάρος του σύνθετου υλικού, καθώς και ο προσδιορισμός θερμικών ιδιοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν την θερμομονωτική ικανότητα του υλικού. Σημειώνεται ότι ο περλίτης έχει χαμηλή πυκνότητα, οπότε δεν επιβαρύνει το σύνθετο υλικό από απόψεως πρόσθετου βάρους. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε περλίτης για να αντικαταστήσει την νεολάκη σε ποσοστό 10%, 15% και 20% και μελετήθηκαν οι μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των συνθέτων υλικών. Η αντικατάσταση νεολάκης με περλίτη, με δεδομένο ότι ο περλίτης είναι ανόργανο υλικό, συντελεί, ώστε αφενός να περιορίζεται ακόμη περισσότερο η έκλυση αερίων και αφετέρου να εμποδίζεται η διάδοση της φλόγας και η εξάπλωση πυρκαγιάς. Όσον αφορά το πειραματικό μέρος, πραγματοποιήθηκε στο Eργαστήριο παραγωγή ρητίνης φαινόλης - φορμαλδεΰδης και πιο συγκεκριμένα ρητίνης νεολάκης. Κατόπιν κατασκευάστηκαν δοκίμια συνθέτων υλικών ινών άνθρακα με μήτρα νεολάκη και περλίτη ως πρόσθετο. Η σκλήρυνση της νεολάκης πραγματοποιήθηκε με εξαμεθυλοτετραμίνη (HEXA), η οποία επιτελεί το ρόλο του σκληρυντή, ώστε σε μοριακό επίπεδο να δημιουργηθούν διασταυρώσεις πλέγματος στη μήτρα. Τα σύνθετα υλικά κατασκευάσθηκαν ακολουθώντας τα εξής βήματα:  Προδιαπότιση των ινών άνθρακα με την ρητίνη, από κατάλληλο διάλυμά της που περιέχει και τον σκληρυντή.  Προσκλήρυνση σε πυριαντήριο με αρχική μορφοποίηση ινών άνθρακα – νεολάκης (μήτρα) ως φύλλα ή ταινίες.  Τελική σκλήρυνση στρώσεων ταινιών ή φύλλων μέσα σε κατάλληλο καλούπι, ως θερμομόρφωση με πίεση σε θερμοπρέσσα. Μεταξύ των στρώσεων, πέραν του στερεού μείγματος νεολάκης – σκληρυντή, προστέθηκε και κατάλληλη ποσότητα περλίτη. Εν συνεχεία, δοκίμια των σύνθετων υλικών που κατασκευάστηκαν, μετρήθηκαν ως προς την αντοχή τους σε κάμψη και διάτμηση. Σχετικά με τις ιδιότητες, οι οποίες επηρεάζουν τις θερμομονωτικές ικανότητες του υλικού, προσδιορίσθηκε ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας. Συγκεκριμένα, αυτός προσδιορίσθηκε για δίσκο νεολάκης με 10% περλίτη, καθώς και για ορισμένα θερμομονωτικά υλικά για λόγους συγκρίσεως. Προκειμένου για την θερμική σταθερότητα των συνθέτων υλικών προσδιορίσθηκε επίσης η απώλεια βάρους των επί μέρους συστατικών τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Πραγματοποιήθηκαν, επίσης, χαρακτηρισμοί της μήτρας και του προσθέτου. Συγκεκριμένα, έγινε ανάλυση με SEM και ανάλυση με EDAX για τον περλίτη, καθώς και FTIR για την νεολάκη. 3 Διαπιστώθηκε ότι τα σύνθετα υλικά που κατασκευάσθηκαν έχουν καλές μηχανικές ιδιότητες, καθώς και καλές θερμομονωτικές ιδιότητες λόγω της νεολάκης και του περλίτη που χαρακτηρίζονται ως θερμομονωτικά υλικά.

The composite materials of carbon fibers with phenolic resins are used for more than 20 years with excellent results to produce products by molding that are used in vehicles, such as buses and trains, and in constructures needed materials to withstand in fire and high temperature These materials are not burned by the typical meaning, while in cases of fires they produce low levels of smoke and toxic gases. Their ability to produce pieces of materials with a complicated shape, with high ratio of mechanical strength to density, low maintenance and cost, with ease of installation have been recognized as the proper solution for the production of materials which are resistant to fire. The aim of the present work is the manufacture of composite materials of carbon fibers with matrix of phenol - formaldeyde resin (novolac) and the replacement of the resin with perlite to increase the strength of the composite material without increasing the weight of the composite material and the determination of thermal properties which influences the thermo-isolation ability of the material. It is noticed that the perlite has low density without adding an additional weight to the composite material. In the present work, the perlite was used to replace the novolac in the percentage of 10%, 15% and 20% and the mechanical and thermal properties of the composite materials were studied. The replacement of novolac with perlite, taking into consideration that perlite is an inorganic material, contributes both to limit the evolve of gases and to prevent the spreading of flames and the propagation of fire. Concerning the experimental part, phenol - formaldehyde resin and specifically novolac was produced in the Laboratory. Then, specimens of composite materials of carbon fibers with matrix novolac and perlite as additive were manufactured. The curing of novolac took place with hexamethylenetetramine (HEXA), which is the curing agent in order to create crosslinks in molecular level into the matrix. The composite materials were manufactured according to the following steps:  Preimpragnation of carbon fibers with the resin by a proper solution containing also the curing agent.  Precuring in an oven, leading to an initial forming of the carbon fibers – novolac (matrix) as sheets or tapes.  Final curing of laminates as tapes or sheets in a proper molding by thermoforming under pressure in a thermopress. Besides the solid mixture of novolac – curing agent, an appropriate amount of perlite was added between the laminates. Subsequently, specimens of composite materials manufactured were measured for their strength to bending and shear. In relation to the properties which influence the thermo-isolation ability of the material, the coefficient of the thermal conductivity was determined. Concretely, this coefficient was determined for a disc of novolac with 10 % perlite, and for certain thermo-isolated materials for comparison reasons. Concerning the thermal stability of the composite materials, the weight losses of their separate constituents in high temperatures were determined. The matrix and the additive were characterized. Indeed, SEM-analysis and EDAX-analysis for the perlite, and FTIR for the novolac. It was found out that the composite materials manufactured have good mechanical properties and good thermo-isolating properties due to the novolac and perlite which are characterized as thermo-isolating materials.