Skúška 3-bodovým ohybom plastov vystužených celulózovými nanovláknami
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.
 |
|
| 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.
 |
|
| 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.
 |
|
| 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.
 |
|
| 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.
-
SHIMADZU Handels GmbH - organizační složka
Prístroje pre inštrumentálnu analytiku, testovanie materiálov, meracie systémy, laboratórne prístroje, periférne zariadenia, periférie,...
Výroba foriem a studených kanálov spoločnosti DESMA Elastomertechnik dosiahla v roku 2024 rekordný predaj
27.1.2025 Spoločnosť Klöckner DESMA Elastomertechnik GmbH so sídlom vo Fridingene an der Donau už takmer šesť desaťročí vyvíja procesy lisovania pre sofistikované gumené a silikónové predmety rôznych veľkostí. Jednou z kľúčových...
PlasticPortal® – lepší, rýchlejší a intuitívnejší!
