Materiály pro rekonstrukce staveb – CI57

Materiály pro rekonstrukce Materiály pro rekonstrukce staveb – CI57staveb – CI57

Polymery a kompozityPolymery a kompozity

Ing. Michal Stehlík, Ph.D.Ing. Michal Stehlík, Ph.D.

Ústav stavebního zkušebnictvíÚstav stavebního zkušebnictvíFAST VUT v BrněFAST VUT v Brně

Rozvoj stavební výroby – Rozvoj stavební výroby – materiálová základna 1materiálová základna 1

kámenkámendřevo přírodní materiálydřevo přírodní materiálycihlacihlavápno umělé materiályvápno umělé materiálysádrasádraPrůmyslová revolucePrůmyslová revoluce …………………………..1850 …………………………..1850betonbetonkovykovykeramika keramika prvý kvalitativní skokprvý kvalitativní skoksklosklovyztužený beton vyztužený beton izolace asfaltové ………………………………….1900izolace asfaltové ………………………………….1900

hliníkhliník

konstrukční sklokonstrukční sklo

syntetické materiály – duroplasty …….. …….1945syntetické materiály – duroplasty …….. …….1945

syntetické materiály ….…syntetické materiály ….…druhý kvalitativní skokdruhý kvalitativní skok

kontinuální výroba sklakontinuální výroba skla

hutnictví železa + kovů ……………………… 2000hutnictví železa + kovů ……………………… 2000

(elektronová mikroskopie, UZ defektoskopie)(elektronová mikroskopie, UZ defektoskopie)

RozvojRozvoj stavební výroby – materiálová stavební výroby – materiálová základna 2základna 2

Polymery jsouPolymery jsou převážně organické materiály odvozeny z převážně organické materiály odvozeny z

ropy a uhlí ropy a uhlí ═►═►řetězce -C-C-C nebo řetězce -C-C-C nebo

– –C-C-O-C nebo –C-C-N-C-C, event. SiC-C-O-C nebo –C-C-N-C-C, event. Simakromolekulární látky sestávající z makromolekulární látky sestávající z

velkých řetězových molekulvelkých řetězových molekulumělé hmoty, plastické látky, polymery, umělé hmoty, plastické látky, polymery,

pryskyřice a pod.pryskyřice a pod.náhrady kovů, skla, porcelánu, kůže, náhrady kovů, skla, porcelánu, kůže,

gumy…..gumy…..

Způsob tvorby Způsob tvorby makromolekulmakromolekul

Polymery vznikají z jednoduchých molekul Polymery vznikají z jednoduchých molekul (monomerů) systémem řetězení(monomerů) systémem řetězení

Makromolekuly jsou rozdílných délek a tvarůMakromolekuly jsou rozdílných délek a tvarů Vytvořený polymer má Vytvořený polymer má stejné procentuelní stejné procentuelní

složení jako monomer, liší se ale vysokou složení jako monomer, liší se ale vysokou molekulovou hmotností a nízkým bodem molekulovou hmotností a nízkým bodem měknutí měknutí

Polymer = makromolekulární látka = Polymer = makromolekulární látka = vysokomolekulární látkavysokomolekulární látka

Polymerace identických molekul monomeru Polymerace identických molekul monomeru vytváří vytváří homopolymeryhomopolymery

Dva nebo více rozdílných monomerů vytváří Dva nebo více rozdílných monomerů vytváří kopolymerykopolymery

Makromolekuly - rel. mol. hmotnost Makromolekuly - rel. mol. hmotnost ►10000►10000 Počet atomů v makromolekule ► 1000Počet atomů v makromolekule ► 1000 Tři formy zesíťování monomerů: a) lineární (termoplast)Tři formy zesíťování monomerů: a) lineární (termoplast)

b) plošné (elastomer) , c) prostorové (duroplast)b) plošné (elastomer) , c) prostorové (duroplast)

Technologie výroby Technologie výroby polymerůpolymerů

PolymerizacePolymerizace – sloučení monomeru bez – sloučení monomeru bez vedlejších zplodin ..A-A-A-A..vedlejších zplodin ..A-A-A-A..

PolykondenzacePolykondenzace – sloučení min. dvou – sloučení min. dvou monomerů, odštěpují se vedl. zplodiny monomerů, odštěpují se vedl. zplodiny

A + B A + B ►makromolekula + voda►makromolekula + voda ..A-B-A-B-A-B-A....A-B-A-B-A-B-A.. PolyadicePolyadice – sloučení min. dvou monomerů bez – sloučení min. dvou monomerů bez

zplodinzplodin A + B ►makromolekula + vodaA + B ►makromolekula + voda ..A-B-A-B-A-B-A..A-B-A-B-A-B-A

Rozdělení polymerůRozdělení polymerů

Dle původuDle původu: a) polosyntetické (z celulozy): a) polosyntetické (z celulozy) b) syntetické (z monomerů)b) syntetické (z monomerů) Dle základní makromolekulární hmotyDle základní makromolekulární hmoty::

a) termoplasty, b) termosety (duroplasty, a) termoplasty, b) termosety (duroplasty, reaktoplasty), c) elastomery (pryže), d) ostatní reaktoplasty), c) elastomery (pryže), d) ostatní

Dle dalšího použitíDle dalšího použití: a) recyklovatelné: a) recyklovatelné

b) nerecyklovatelné b) nerecyklovatelné

Složení technických Složení technických polymerůpolymerů

Tech. polymery jsou kompozitní materiály,Tech. polymery jsou kompozitní materiály,skládající se z: skládající se z: 30% polymeru + 69% výplně + 1% barviva.30% polymeru + 69% výplně + 1% barviva. Technické polymery se vyrábí obyčejně ve třech Technické polymery se vyrábí obyčejně ve třech

modifikacích:modifikacích:a)a) tvrdý polymertvrdý polymer (PVC - novodur) (PVC - novodur)b)b) měkčený polymerměkčený polymer (PVC – novoplast) a (PVC – novoplast) ac)c) pěnový polymerpěnový polymer (PS – polystyrenové izolační (PS – polystyrenové izolační

desky)desky)

Rozdíly mezi polymery a silikáty Rozdíly mezi polymery a silikáty

polymerypolymery X X silikátysilikáty bez pórů pórovitébez pórů pórovitéřádově řádově >> deformace deformace << deformace deformacezávislost vlast. na teplotě xzávislost vlast. na teplotě xnejsou konstrukční hmoty jsou nejsou konstrukční hmoty jsou jsou modifikační hmoty nejsou jsou modifikační hmoty nejsou nízká odolnost proti ohni vysoká odolnostnízká odolnost proti ohni vysoká odolnostadhese, nepropustnost propustnostadhese, nepropustnost propustnostpružná deformace, nižší creeppružná deformace, nižší creepvyšší cena nižší cena vyšší cena nižší cena

Nejznámější aplikace Nejznámější aplikace polymerů ve stavební polymerů ve stavební

výroběvýrobě

Vztah mezi strukturou a Vztah mezi strukturou a vlastnostmivlastnostmi

PE – pravidelně se opakující strukturní jednotky C-HPE – pravidelně se opakující strukturní jednotky C-H22

O vlastnostech polymerů rozhodujeO vlastnostech polymerů rozhoduje: : chem. složení, chem. složení, tvar molekulárních jednotek, délka tvar molekulárních jednotek, délka makromolekuly a pohyblivost makromolekulárních řetězcůmakromolekuly a pohyblivost makromolekulárních řetězců

Typický deformační diagram makromolekulárních látekTypický deformační diagram makromolekulárních látek

Rozdílnost polymerů od Rozdílnost polymerů od ostatních materiálůostatních materiálů

Rozdíly chování při zatěžováníRozdíly chování při zatěžování

Pevnost a tuhost Pevnost a tuhost polymerůpolymerů

Modul pružnosti v závislosti na teplotěModul pružnosti v závislosti na teplotě Pevnost a tuhost prvku z modifikovaného Pevnost a tuhost prvku z modifikovaného

polystyrenupolystyrenu

Základní informace Základní informace konstruktéra o polymerukonstruktéra o polymeru

Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na čase a teplotěčase a teplotě

Poissonův poměrPoissonův poměr Modul ve smyku event. objemový modulModul ve smyku event. objemový modul Křivky dotvarování (creep)Křivky dotvarování (creep) Mezní odolnost vůči nárazové teplotěMezní odolnost vůči nárazové teplotě Geometrie stavebních prvků Geometrie stavebních prvků Odolnost vůči danému prostředíOdolnost vůči danému prostředí Vlivy dané způsobem zpracováníVlivy dané způsobem zpracování

Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na Závislost modulu pružnosti a mezní pevnosti na čase a teplotěčase a teplotě

Poissonův poměrPoissonův poměr Modul ve smyku event. objemový modulModul ve smyku event. objemový modul Křivky dotvarování (creep)Křivky dotvarování (creep) Mezní odolnost vůči nárazové teplotěMezní odolnost vůči nárazové teplotě Geometrie stavebních prvků Geometrie stavebních prvků Odolnost vůči danému prostředíOdolnost vůči danému prostředí Vlivy dané způsobem zpracováníVlivy dané způsobem zpracování

Rozdělení polymerů do tří Rozdělení polymerů do tří aplikačních sfér pro aplikačních sfér pro

konstrukcekonstrukce Polymery pro aplikace konstrukčního Polymery pro aplikace konstrukčního

charakteru (vláknové kompozity, charakteru (vláknové kompozity, polymerbetony)polymerbetony)

Kompozity polymerů a tradičních Kompozity polymerů a tradičních stavebních hmot (částicové kompozity)stavebních hmot (částicové kompozity)

Polymery zlepšující bývalé postupy nebo Polymery zlepšující bývalé postupy nebo umožňující nová řešení rekonstrukcí umožňující nová řešení rekonstrukcí (tmely, fólie, emulze, nátěry)(tmely, fólie, emulze, nátěry)

Polymery pro aplikace konstrukčního Polymery pro aplikace konstrukčního charakteru (vláknové kompozity, charakteru (vláknové kompozity, polymerbetony)polymerbetony)

Kompozity polymerů a tradičních Kompozity polymerů a tradičních stavebních hmot (částicové kompozity)stavebních hmot (částicové kompozity)

Polymery zlepšující bývalé postupy nebo Polymery zlepšující bývalé postupy nebo umožňující nová řešení rekonstrukcí umožňující nová řešení rekonstrukcí (tmely, fólie, emulze, nátěry)(tmely, fólie, emulze, nátěry)

KompozityKompozity

„„KompozitKompozit je každý materiálový systém, je každý materiálový systém, který je složen z více (nejméně dvou) který je složen z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna je pevná, s fází, z nichž alespoň jedna je pevná, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoli které nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samostatně ani prostou složkou (fází) samostatně ani prostou sumací.“sumací.“

Složení kompozitů 1Složení kompozitů 1

Kompozitní materiály =Kompozitní materiály =

MATRICE + PLNIVO + TEKUTÁ FÁZEMATRICE + PLNIVO + TEKUTÁ FÁZE (pojivo) (vlákna) (plynné póry)(pojivo) (vlákna) (plynné póry)

Rozdělení kompozitů: Rozdělení kompozitů: dle materiálu matrice dle materiálu matrice nana kovové (+disperze, částice, vlákna)kovové (+disperze, částice, vlákna) polymernípolymerní keramickékeramické anorganickéanorganické

Složení kompozitů 2Složení kompozitů 2 Rozdělení kompozitů: Rozdělení kompozitů: dle geometrické dle geometrické

charakteristiky plniva charakteristiky plniva nana granulární (částicové)granulární (částicové) fibrilární (vláknové)fibrilární (vláknové) lamelární (plošné) lamelární (plošné)

Tři základní strukturní typy kompozitních materiálůTři základní strukturní typy kompozitních materiálů:: Kompozit I. typu (VKompozit I. typu (Vkk = V = Vff + V + Vmm)) Kompozit II. typu (VKompozit II. typu (Vkk = V = Vff + V + Vmm + V + Vvv) – uzavřené póry) – uzavřené póry Kompozit III. typu (VKompozit III. typu (Vkk = V = Vff + V + Vmm + V + Vvv) – otevřené póry) – otevřené póry

Tři strukturní typy Tři strukturní typy kompozitních materiálůkompozitních materiálů

Změny vlastností polymerů po vyztužení skelnými vlákny Změny vlastností polymerů po vyztužení skelnými vlákny (polyester, epoxid, akrylát)(polyester, epoxid, akrylát)

Výztuž: Výztuž: rohož rohož (sekaná, nahodile rozložená vlákna)(sekaná, nahodile rozložená vlákna) tkaninatkanina rovingroving (pramence vláken s orientací ve (pramence vláken s orientací ve směru namáhání)směru namáhání) vinuté vláknovinuté vlákno (impregnace předpolymerem) (impregnace předpolymerem)VláknaVlákna – přírodní, chemická, hutnická. – přírodní, chemická, hutnická. Vláknové kompozityVláknové kompozity::>> tuhost, modul pružnosti, tuhost, modul pružnosti, << mech. parametry klesají s teplotou mech. parametry klesají s teplotou

a časem (creep) a časem (creep)

Uhlíkové lamelyUhlíkové lamelyKompozitKompozit: : uhlík – polymer X uhlík – uhlíkuhlík – polymer X uhlík – uhlík (C-P) (C-C)(C-P) (C-C)Matrice v C-C kompozitech je uhlík, který Matrice v C-C kompozitech je uhlík, který

vzniká karbonizací či grafitizací prekurzoru.vzniká karbonizací či grafitizací prekurzoru.C – vláknaC – vlákna → anorganická, výroba pyrolýzou → anorganická, výroba pyrolýzou

organických materiálů:organických materiálů:• částečně karbonizovanáčástečně karbonizovaná, 400°C, 90%C, 400°C, 90%C• karbonizovanákarbonizovaná, 900-1000°C, 90-95%C , 900-1000°C, 90-95%C • grafitovágrafitová, 2800-3000°C, 98%C , 2800-3000°C, 98%C Uhlíková vlákna = grafitové krystality 2-10nmUhlíková vlákna = grafitové krystality 2-10nm

a)a) Grafitové krystality b) Grafitové vrstvy a jejich vazbyGrafitové krystality b) Grafitové vrstvy a jejich vazby←→ ←→ kovalentní vazba, E = 910 GPakovalentní vazba, E = 910 GPa ↕ ↕ Wan der Waalsovy vazby, E = 30 GPa Wan der Waalsovy vazby, E = 30 GPa Geometrický charakter C – vlákenGeometrický charakter C – vláken::1D – vláknové1D – vláknové2D – vyztužené plošnými textiliemi2D – vyztužené plošnými textiliemi3D – objemové textilie tkané nebo splétané 3D – objemové textilie tkané nebo splétané

Charakteristické vlastnosti Charakteristické vlastnosti vlákenvláken

Porovnání uhlíkových a Porovnání uhlíkových a ocelových lamelocelových lamel

Nevýhoda C – lamel = cena!Nevýhoda C – lamel = cena!

Konec přednáškyKonec přednášky

V přednášce byly použity obrázky z knih:V přednášce byly použity obrázky z knih: „„Materials“ autor Alan Everett, Longman Materials“ autor Alan Everett, Longman

Scientific and Technical, England 1995Scientific and Technical, England 1995 „„Plasty v stavebníctve“ autor A. Letenay a M. Plasty v stavebníctve“ autor A. Letenay a M.

Aroch, Alfa Bratislava, 1985Aroch, Alfa Bratislava, 1985 „ „Plastické látky ve stavebnictví“ autor R. Plastické látky ve stavebnictví“ autor R.

Drochytka, skripta VUT 1998Drochytka, skripta VUT 1998 „„Kompozitní materiály ve stavebnictví“ autor L. Kompozitní materiály ve stavebnictví“ autor L.

Bodnárová, skripta VUT 2002Bodnárová, skripta VUT 2002