TERMÉSZETESSZÁL-ERŐSÍTÉSŰ POLIMER KOMPOZITOK FEJLESZTÉSE

Átírás

1 Gépémérnöki Kar Polimertechnika Tanék PhD értekezés TERMÉSZETESSZÁL-ERŐSÍTÉSŰ POLIMER KOMPOZITOK FEJLESZTÉSE Kéítette: Témavezető: Mezey Zoltán okleveles ipari termék- és formatervező mérnök Dr. Czigány Tibor egyetemi tanár Budapest, 2009

2 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Szerző neve: Mezey Zoltán Értekezés címe: Terméetesál-erősítésű polimer kompozitok fejletése Témavezető neve: Dr. Czigány Tibor Értekezés benyújtásának helye: Polimertechnika Tanék Dátum: február 13. Bírálók: 1. bíráló neve: 2. bíráló neve: 3. bíráló neve (ha van): Javaslat: Nyilvános vitára igen/nem Nyilvános vitára igen/nem Nyilvános vitára igen/nem A bíráló bizottság javaslata: Dátum: a bíráló bizottság elnöke (név,aláírás)

3 A doktori disertáció bírálata és a védésről kéült jegyzőkönyv a Budapesti Műaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépémérnöki Karának Dékáni Hivatalában megtekinthetőek

4 NYILATKOZAT Alulírott Mezey Zoltán kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam kéítettem, és abban csak a megadott forrásokat hanáltam fel. Minden olyan rét, amelyet ó erint, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Budapest, február 13. Mezey Zoltán

5 2 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton eretnék köönetet mondani mindazoknak, akik segítő munkájukkal és értékes tanácsaikkal hozzájárultak a dolgozat elkéítéséhez. Köönöm témavezetőmnek, Czigány Tibornak mindazt a segítséget és támogatást, amit harmad éves egyetemista korom óta tőle kaptam. Köönöm továbbá a Polimertechnika Tanék minden dolgozójának a támogatást, különösen Vas Láló Mihálynak a terméetes álakkal és a modellezéssel kapcsolatos rengeteg információt és segítséget, valamint Kovács József Gábornak a kompozitok zsugorodásának mérésével kapcsolatos segítségét. Köönöm Dr. Borbás Lajosnak és Dr. Goda Tibornak a dolgozatom alapos átnézését, építő jellegű kritikáit. Köönöm a Hungarolen Kft.-nek és a Hunagrohemp Kenderipari és Logitikai Rt.-nek, valamint a dél-afrikai University of Free State egyetemnek, hogy rendelkezésemre bocsátották a terméetes álakat. Köönettel tartozom a diplomatervezőimnek és a TDK-zó hallgatóimnak, akik a munkájukkal hozzájárultak a disertációmhoz, név erint Szalóki Andreának, Dubiczky Zoltánnak, Kovács Gábornak, Gábor Illésnek, Murcsik Péternek és Hegedűs Nagy Zsoltnak. Végül, de nem utolsó sorban eretném megköönni üleimnek és testvéreimnek, hogy mind anyagilag, mind erkölcsileg lehetővé tették ámomra a tanulmányaim elvégzését.

6 Tartalom 3 TARTALOM JELÖLÉSEK... 5 RÖVIDÍTÉSEK BEVEZETÉS, AZ ÉRTEKEZÉS CÉLJA IRODALOMKUTATÁS A terméetes álak csoportosítása A álak erkezete, kémiai és fizikai jellemzőik Cellulózalapú álak mikromechanikai modelljei Terméetesál-erősítésű kompozitok Általános jellemzők A álak előkéítése, kezelése Kompozit mechanikai modellek Hosúál-erősítésű kompozitok Rövidál-erősítésű kompozitok Kompozit modellek hanálata terméetesál-erősítésű kompozitoknál Az irodalom kritikai elemzése, célkitűzések ALKALMAZOTT ANYAGOK, VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Felhanált anyagok Kompozitok gyártása Vizsgálati eközök és móderek Szálvizsgálatok Kompozitok vizsgálata EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK Előkísérletek Szálvizsgálatok A kompozitok húzó vizsgálatai Azonos irányú kenderál/up tulajdonságai húzás során Kártolt álpaplanból préselt kender/pp kompozitok tulajdonságai húzás során Fröccsöntéssel kéült kender/pp kompozitok tulajdonságai húzás során Modellek illetése a kompozitok viselkedésére húzás során Azonos irányú kenderál/up Kártolt álpaplanból préselt kender/pp... 87

7 Tartalom Fröccsöntéssel kéült kender/pp A kompozitok hajlító vizsgálatai Azonos irányú kenderál/up tulajdonságai hajlítás során Kártolt álpaplanból préselt kender/pp tulajdonságai hajlítás során Fröccsöntéssel kéült kender/pp tulajdonságai hajlítás során A kompozitok ütvehajlító vizsgálatai Azonos irányú kenderál/up tulajdonságai ütvehajlításkor Kártolt álpaplanból préselt kender/pp tulajdonságai ütvehajlításkor Fröccsöntéssel kéült kender/pp tulajdonságai ütvehajlításkor Ejtődárdás vizsgálatok Folyóképesség vizsgálata Szálhoselolás a kompozitokban Az átlagos álhos és álátmérő meghatározása A statitikus álpaplan modell A modell alkalmazása az extruderben áramló többrétegű álfolyamra A álaprózódási modell A modell és a mérési eredmények ösehasonlítása Zsugorodás vizsgálata Pátázó elektronmikrokópos vizsgálatok ÖSSZEGZÉS, ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK IRODALOMJEGYZÉK MELLÉKLETEK

8 Jelölések, rövidítések 5 JELÖLÉSEK a [mm] bemetés hosa (bemetett próbatestnél) a cn [kj/m 2 ] fajlagos ütőmunka bemetett próbatesteknél A [-] egy véges, zárt tartomány A P1 [-] Peirce-féle ösefüggés konstansa A P2 [-] Peirce-féle ösefüggés konstansa A P [-] Peirce-féle egyerűsített ösefüggés konstansa A [µm 2 ] ál keretmetetének területe A e [µm 2 ] elemi ál keretmetetének területe A ám [µm 2 ] ál keretmetetének ámított területe A ám [µm 2 ] átlagos ámított terület b [mm] próbatest élessége B P [-] Peirce-féle ösefüggés konstansa c [-] korrekciós tényező (keretmetetek korrekciójánál) C P [-] Peirce-féle ösefüggés konstansa d max [-] Kolmogorov-Szmirnoff próba erinti maximális eltérés D [-] négyzetes órás D [µm] álkontúrélesség/álátmérő D 0 [µm] áltöredezés előtti átlagos kontúrélesség D 2 [µm] v 2 -höz tartozó átlagos álkontúrélesség D max [µm] körülrajzolt síkidom legnagyobb átmérője D min [µm] körülrajzolt síkidom legkisebb átmérője D s [GPa/mm] Nairn modelljében a ál/mátrix adhéziót jellemző tényező D [µm] átlagos álátmérő/kontúrélesség D,max [µm] egy álon mért átmérők átlagai közül a legmagasabb érték (több ál mérése esetén) D,min [µm] egy álon mért átmérők átlagai közül a legalacsonyabb érték (több ál mérése esetén) e [-] rugalmassági modulu korrekciós tényezője E [GPa] húzó rugalmassági modulu E c [GPa] cellulóz fibrilla rugalmassági modulua ECD [µm] egyenértékű kör átmérője

9 Jelölések, rövidítések 6 ECD [µm] átlagos egyenértékű kör átmérő E k [GPa] kompozit húzó rugalmassági modulua E m [GPa] mátrix húzó rugalmassági modulua E max [mj] erőmaximumhoz tartozó energia E nc [GPa] ál nemkristályos réének rugalmassági modulua E p [J/mm] perforációs energia E [GPa] ál rugalmassági modulua E t [GPa] töltőanyag rugalmassági modulua E teljes [J] törési energia E(L) [-] a álhosak várható értéke E(ξ A ) [-] ξ A várható értéke E( ν ) [db] a roston belüli elemi álak várható értéke F α (x) [-] α irányög elolásfüggvénye F β (y) [-] β irányög elolásfüggvénye FER [µm] álkeretmetet befoglaló méretei F [N] mért erő F [N] átlagos akítóerő F max [N] maximális mért erő G [mg] elemi álak tömege lineáris sűrűség mérésénél G C [kj/m 2 ] fajlagos repedésterjetési energia G m [GPa] mátrix nyírómodulua G [GPa] ál nyírómodulua h [mm] vastagság h o [mm] álátmérő vastagságú elemi réteg H [mm] elemi álak hosa a álak lineáris sűrűségének mérésénél i [-] sorám J [-] álgeometria, álelolás és áltérfogat-arány által meghatározott tényező k [-] álhatékonysági tényező k e [-] Einstein-Smallwood paraméter K [1/mm 2 ] álközéppont sűrűség K o [1/mm 2 ] elemi réteg álközéppont sűrűsége K h [GPa] konstans Hearle álmodelljében

10 Jelölések, rövidítések 7 K IC [MPa m 0,5 ] kritikus feültségintenzitási tényező K nc [GPa] ál nemkristályos réének nyomómodulua K [µm] ál keretmetetének kerülete K [µm] álak keretmetetének átlagos kerülete K ám [µm] síkidom (ál) keretmetetének ámított kerülete K ám [µm] síkidom (ál) keretmetetének ámított átlagos kerülete KT A [-] Poisson elolású valóínűségi változó paramétere L [mm] álhos L [mm] átlagos álhos L c [mm] kritikus álhos L cs [mm] csepp hosa L i [mm] kritikus álhosnál rövidebb álak L j [mm] kritikus álhosnál hosabb álak L M [mm] erám mérete L p (1h) [mm] a próbatest fröccsöntés után 1 óra múlva mért mérete L 0 [mm] beágyazott álhos (csepplehúzásnál) L T [mm] áltöredékek átlagos hosa L T0 [mm] áltöredékek kezdeti átlagos hosa L T1 [mm] átlagos töredezés utáni álhos m [-] görbe meredeksége m [-] álak tömegaránya m% [%] tömegázalék M e [g] etanolban mért tömeg M l [g] levegőn mért tömeg M [g] álak östömege n [db] elemám (pl. álak áma a lineáris sűrűség mérésénél) N [db] az ép roving vagy rost elemiál áma P(σ ) [-] a ál tönkremenetelének valóínűsége σ terhelés mellett P t (σ Bfi ) [-] tapatalati elolásfüggvény ProjX [µm] a álkeretmetet x irányú vetületének hosa ProjY [µm] a álkeretmetetek x irányú vetületének átlagos hosa ProjY [µm] a álkeretmetet y irányú vetületének hosa

11 Jelölések, rövidítések 8 ProjY [µm] a álkeretmetetek y irányú vetületének átlagos hosa ProjX,Y [µm] a álkeretmetet x és y irányú vetületének átlaga ProjX, Y [µm] a álkeretmetetek x és y irányú vetületeinek átlaga P w [-] Weibull-féle elolásfüggvény q [tex] egy ál lineáris sűrűsége q e [tex] egy elemi ál lineáris sűrűsége q [tex] átlagos lineáris sűrűség (álra) Q [-] a álpaplan átlagos területi sűrűsége Q [-] álak területi sűrűsége Q m [-] mátrix területi sűrűsége R [-] álak teherviselésének aránya a Bowyer-Bader modellben, 1. ösefüggés R [-] álak teherviselésének aránya a Bowyer-Bader modellben, 2. ösefüggés R [µm] a ál sugara s [-] alaktényező (keretmetetek korrekciójánál) S [-] zsugorodás S t [-] technológiai zsugorodás t [s] idő t [mm] a álak középpontjainak távolsága tf% [%] térfogatázalék T [mm 2 ] terület T A [mm 2 ] az A tartomány területe u [-] A tartományba eső álközéppontok áma v i [-] L i hosúságú álak térfogataránya (Bowyer-Bader modell) v m [-] mátrix térfogataránya v min [-] álak kritikus térfogataránya v j [-] L j hosúságú álak térfogataránya (Bowyer-Bader modell) v r [-] réecskék térfogataránya (Einstein-Smallwood) v [-] álak térfogataránya v 1 [-] átlagos álkontúrélességekre illetett egyenes által meghatározott elméleti maximális áltartalom (az egyenes x értéke az y=0 pontban)

12 Jelölések, rövidítések 9 v 2 [-] legmagasabb hanált áltérfogatarány (0,3982) v T [-] töredezett álak térfogataránya V [cm 3 ] álak östérfogata x [-] ál/mátrix feültségátadás X [MPa] Bowyer-Bader modell tényezője, kritikus álhosnál rövidebb álak terhelése X 1c [-] ál cellulóztartalma X nc [-] ál nem cellulóz réei Y [MPa] Bowyer-Bader modell tényezője, kritikus álhosnál hosabb álak terhelése Y f [-] korrekciós faktor K IC ámításánál z [-] alaktényező (keretmetetek korrekciójánál) Z [MPa] Bowyer-Bader modell tényezője, a mátrix terhelése α [ ] a tekintett ál orientációs öge α a [-] bemetés/élesség (a/b) arány α G [-] rúderű réecskék alaktényezője (hos/élesség, Guth modell) α w [-] méret paraméter (Weibull illetés) β [ ] egy tetőleges mető ál orientációs öge β C [-] Cox modell tényezője, nyíró réteg paraméter β w [-] alak paraméter (Weibull illetés) χ A [-] A tartományba eső álközepek áma l [mm] álkihúzódás l [mm] mért elmozdulások átlaga l áll [mm] állandó álkihúzódás l korr [mm] korrigált álkihúzódás ε k [-] kompozit akadási nyúlása ε m [-] mátrix akadási nyúlása ε [-] ál akadási nyúlása φ [-] energia-kalibrációs faktor η [-] ál és mátrix relatív modulua Θ S2 [º] háncsrost S2 sejtfalának fibrillaöge ν [db] elemi álak átlagos áma a rostban

13 Jelölések, rövidítések 10 ν k [-] kompozit Poisson tényezője ν m [-] mátrix Poisson tényezője ν [-] ál Poisson tényezője ξ [-] álorientációs együttható ξ A [-] L hosúságú álat mető álak áma ρ e [g/cm 3 ] etanol sűrűsége ρ k [g/cm 3 ] kompozit sűrűsége ρ [g/cm 3 ] ál sűrűsége ς [-] alak illetési paraméter σ [MPa] húzó ilárdság σ c [MPa] cellulóz fibrilla ilárdsága σ d [MPa] dinamikus ilárdság σ k [MPa] kompozit ilárdsága σ m [MPa] mátrix ilárdsága σ max [MPa] maximális feültség σ [MPa] ál ilárdsága σ Lc [MPa] ál ilárdsága a kritikus álhosnál τ [MPa] ál/mátrix határfelületi nyíróilárdság τ korr [MPa] ál/mátrix határfelületi nyíróilárdság, korrigált álkerületből φ max [-] kompozit ideális maximális áltartalma χ [-] paraméter a nyíró réteg modell Nairn-féle továbbfejletésében Ω [-] álak kereteződési tényezője ψ [-] Halpin-Tsai modell tényezője

14 Jelölések, rövidítések 11 RÖVIDÍTÉSEK AE ESEM IPN HDPE LDPE MA MAPP MFI NaOH PAN PMPPIC PP PPG PVA ROM RTM SI TDI UD UP UV VTMO X p akutikus emisió (Acoustic Emission) környezeti pátázó elektronmikrokóp (Environmental Scanning Electron Microscope) egymásba hatoló térhálóerkezet (Interpenetrating Network) nagy sűrűségű polietilén (High Density PolyEthylene) alacsony sűrűségű polietilén (Low Density PolyEthylene) maleinsav-anhidrid maleinsav-anhidriddel ojtott polipropilén folyási mutatóám (Melt Flow Index) nátrium-hidroxid poli-akril-nitril polimetilén-polifenil-izocianát polipropilén polipropilén-glikol polivinil-acetát keverékabály (Rule of Mixture) gyantainfúzió (Resin Transfer Molding) nemzetközi mértékegységrender (System International) toluilén-diizocianát azonos irányba rendezett (unidirekcionális, unidirectional) telítetlen poliétergyanta (Unsaturated Polyester) ultraibolya fény vinil-trimetoxi-ilán kétdimenziós, homogén Poisson folyamat

15 Bevezetés, az értekezés célja BEVEZETÉS, AZ ÉRTEKEZÉS CÉLJA A polimerek erkezeti anyagként való felhanálásához elengedhetetlen a mechanikai tulajdonságaik javítása, amelyhez a legkézenfekvőbb móder a álerősítés [1, 2]. A polimer kompozitok erősítőanyaga napjainkban jellemzően üvegál, de rohamosan nő a énál és az aramidál felhanálása is [3]. Az üvegálak közül a leggyakrabban hanált típus az E- üvegál, amely kedvező ára mellett rendkívül jó mechanikai, kémiai és termikus tulajdonságokkal rendelkezik. Sűrűsége 2,5 g/cm 3 körül ingadozik. A énálakat nagy terhelésű, merev erkezetek építésénél hanálják. Előnyei a magas húzóilárdság és modulu, az alacsony sűrűség (1,78 g/cm 3 ), hátránya a törékenység (hajlítás), az alacsony ütésállóság és akadási nyúlás, illetve a nyírással embeni ellenállása alacsony. Az aramid kis sűrűsége (1,44 g/cm 3 ) mellett nagy ilárdságú és igen ütésálló, azonban kicsi a stabilitása (pl. ultraibolya sugárzásnál) [4]. Az említett álakat ívós polimer mátrixal társítva olyan erkezeti anyagokat kapunk, amelyek egyre több felhanálási területen alkalmasak a fémek kiváltására. A kompozitokból épített erkezetek nemcsak ilárdabbak, merevebbek, de könnyebbek is a fémeknél. A álerősített műanyagok azonban jelentős megterhelést jelenthetnek környezetünkre, ha nem gondoskodunk a kompozit termékek életciklusuk végén való újrafelhanálásáról. A intetikus erősítőálak előállítása energiaigényes, újrahanosításuk gyakran nehézségekbe ütközik. A álerősített kompozitok nagy réét ma még nem lehet hatékonyan megsemmisíteni vagy újrahanosítani, legfeljebb őrlőgépeken felaprítva töltőanyagként primer nyersanyaghoz keverve tudják reciklálni. Felmerült tehát az igény olyan anyagok kifejletésére, amelyek egyerűen újrahanosíthatóak, illetve az életciklusuk végén önmagukban elbomlanak [5]. Ehhez a ma általánosan hanált mesterséges erősítőálakat ki kell váltani olyan terméetes álakkal, amelyek ugyanúgy el tudják látni az erősítő erepet [6]. Terméetes álaknak nevezzük azokat a álas anyagokat, amelyek a terméetben ál formában fordulnak elő. Megkülönböztetünk növényi, állati, és ásványi eredetű terméetes álakat. Ezek közül az ipar inte kizárólag a növényi álakat hanálja polimerek erősítőanyagaként [7]. Ilyen álakat, rostokat tartalmazó növényeket évről évre folyamatosan, olcsón lehet termelni, tehát megújuló és gazdaságos alapanyagforrást jelentenek, a belőlük kinyert rostok pedig a talajba visakerülve lebomlanak [8, 9]. Ha a terméetes álakat biodegradábilis mátrixal társítjuk, akkor teljesen lebomló anyagot

16 Bevezetés, az értekezés célja 13 kapunk. A biodegradábilis mátrixok mechanikai jellemzői azonban ma még elmaradnak a kőolaj alapon, mesterségesesen előállított polimerekétől, ezért inkább intetikus mátrixokat hanálnak. Az ilyen anyagokat biológiailag rében lebomlónak hívjuk. A terméetes álak alkalmazásának ökológiai jelentőségük mellett egyéb előnyei is vannak. Az üvegálakkal ösehasonlítva lényegesen kevésbé koptatják a erámokat, nem jelentenek veélyt az egéségre, és nincs bőrirritáló tulajdonságuk [10-12]. Számtalan előnyös tulajdonságuk miatt a terméetes álak felhanálása az elmúlt években dinamikus növekedést mutatott. A legnagyobb felvevőpiac az autóipar, pl.: Németorágban és Autriában az 1996-os 4 ezer tonnával emben 2005-ben 19 ezer tonnát hanáltak fel [13]. A mátrix anyagok között a duroplatok aránya fokozatosan csökken, míg a termoplatoké nő. A melegpréselés a leggyakrabban hanált technológia, de növekedési üteme megállt. Ugyanakkor a fröccsöntött alkatréek aránya több mint tízeresére emelkedett az előző években. A terméetes álak feldolgozás-technológiájának javulása eredményeként újabb és újabb termékcsoportok gyártásánál állnak át a lebomló erősítőanyagok hanálatára. Európában a legnagyobb mennyiségben termelt és a legélesebb körben felhanált terméetes ál a len (kb. 75%-os arányban). A felhanálást tekintve ezt a kenaf, a kender, a izál és a juta [9, 13] követi. A kendert Magyarorágon a ükségleteknek megfelelő mennyiségben elő lehet állítani. Termelése az elmúlt évtizedekben a kereslet visaesése miatt ugyan csökkent, de várható, hogy ez a kenderál felhanálási területeinek bővülésével (kompozitipar, építőipar) újra fellendül, hien Magyarorág világerte ismert jó minőségű kenderterméséről. Várható, hogy a távol-keleti és a trópusi orágokban a helyi terméetes álaknak le fokozott erepe az alkatréek előállításánál [14], mert az öseerelő üzemek, így a beállítói ipar is egyre inkább ezekre a földrajzi területekre tolódik el az olcsóbb munkaerő és közművek miatt. A trópusi erősítő álak közül kiemelkedik a izál, mert mechanikai tulajdonságai kitűnőek, egyerűen, olcsón, nagy mennyiségben termelhető, és más trópusi álakkal ösehasonlítva elég finom ahhoz, hogy polimerek erősítőanyagaként hanáljuk. Doktori munkámban célul tűztem ki a terméetesál-erősítésű kompozitoknak áttekintését, értékelését, valamint a kenderál-erősítésű kompozitok fejletését és mechanikai jellemzőiknek vizsgálatát. Dolgozatom felépítését az 1.1 ábra emlélteti.

17 Bevezetés, az értekezés célja 14 A DISSZERTÁCIÓ SZERKEZETI FELÉPÍTÉSE TEVÉKENYSÉG FEJEZET EREDMÉNY Anyagtudományi háttér bemutatása. 1. BEVEZETÉS Általános célkitűzések megfogalmazása. Szakirodalom elemzése IRODALOMKUTATÁS Műaki-tudományos célkitűzések pontosítása. Alkalmazott berendezések, eljárások bemutatása. Len, kender és izál ál ösehasonlítása ALKALMAZOTT ANYAGOK, VIZSGÁLATI MÓDSZEREK 4.1. ELŐKÍSÉRLETEK Kísérletek előkéítése. Kenderálak kiválatása a további munkákhoz. Két különböző kenderál tulajdonságainak elemzése. Befogási hos hatása, keretmetet vizsgálata. Háromféle kompozit előállítása, akítóvizsgálata. Különböző kompozit mechanikai modellek illetése SZÁLVIZSGÁLATOK 4.3. SZAKÍTÓVIZSGÁLATOK 4.4. MODELLEK ILLESZTÉSE Erősítőálak geometriai és mechanikai tulajdonságainak meghatározása, korrekciós móder kidolgozása. Anyagjellemzők meghatározása. Rövidál erősítés esetén akutikus emisiós vizsgálatok. Kompozitok húzó tulajdonságainak leírása. Hajlító- és ütvehajlító vizsgálatok. Ejtődárdás vizsgálatok a fröccsöntött anyagoknál EGYÉB MECHANIKAI JELLEMZŐK VIZSGÁLATA Dinamikus igénybevétellel embeni ellenállás meghatározása. Sűrűség, zsugorodás mérése, folyóképesség vizsgálata, áltartalom ellenőrzése, álhoselolás vizsgálata. A dolgozat ösegzése. Alkalmazási példák. Kapcsolódó cikkek, könyvek, értekezések ösegyűjtése, megjelenítése EGYÉB VIZSGÁLATOK 5. ÖSSZEFOGLALÁS, ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 6. IRODALOMJEGYZÉK Egyéb jellemzők vizsgálata, amelyek ükségesek a korábbi mérések eredményeinek megértéséhez. Tézisek megfogalmazása. Eredmények ipari hanosulása. További célkitűzések. Idegen és saját publikációk jegyzéke. Vizsgálati és modellezési eredmények kiámítása. MELLÉKLETEK 1.1. ábra A dolgozat felépítése Mérési és ámítási eredmények megjelenítése.

18 Irodalomkutatás IRODALOMKUTATÁS A terméetesál-erősítésű kompozitok kifejletéséhez elengedhetetlenül ükséges megismerni a terméetes álak sajátos erkezetét, és az ebből adódó jellegzetességeket. A terméetes álak közül kiemelt figyelmet fordítok a műanyagiparban legnagyobb mennyiségben hanált lenálra, a Magyarorágon legkedvezőbben termelhető kenderálra, valamint az egyik legnéperűbb trópusi rostra, a izálra. Ismertetem a terméetesál-erősítésű kompozitok sajátosságait, és külön kitérek néhány alapvető kompozit mechanikai modellre, hien ezek alapul olgálhatnak a terméetesál-erősítésű kompozitok mechanikai jellemzőinek leírását olgáló ösefüggésekhez A terméetes álak csoportosítása A terméetes álak három alapvető csoportra othatóak: növényi, állati és ásványi eredetű álak (2.1. ábra). Az állati eredetű álak ipari felhanálására ugyan tettek kísérleteket [15], de ezek nem jártak látványos eredményekkel. Az ásványi álak közül az azbetet már régóta hanálják kopásnak és/vagy magas hőmérsékletnek kitett helyeken, pl. gépkocsik kuplungtárcsájában. Az azbet ilikátos kőzet, amely különösen tűz- és saválló, valamint kopásálló. Egéségkárosító hatása miatt felhanálása visaorulóban van, és a világ legtöbb orágában már betiltották [16, 17]. Műanyagok erősítőanyagaként a terméetes álak közül inte kizárólag növényi rostokat hanálnak, amelyek négy fő csoportba sorolhatóak: a magálak, a háncsrostok, a levélrostok és a gyümölcsrostok ábra A terméetes álak csoportosítása [87]

19 Irodalomkutatás 16 A növényi magálakat elsősorban a textilipar hanosítja, kompozitok erősítőanyagaként nem terjedtek el. A háncsrostokat kétikű növények árából nyerik. A rostok a kéreg és az élőövet rétegek között helyezkednek el csoportosan, esetleg több rétegben, a ár hostengelyével párhuzamosan. A álakat általában biológiai úton tárják fel (áztatás vagy harmatázás). Esetenként azonban kizárólag mechanikai feltárást alkalmaznak, ilyenkor a kapott álat zöldlennek, zöldkendernek stb. nevezzük. A kémiai (vegyeres) rostkinyerés nem terjedt el, mert a kapott rostok durvák, merevek, törékenyek lettek, és sokat veítettek a ilárdságukból. Finomabb háncsrost a len, a kender és a rami, durvábbak a juta, a kenaf és a un. A növényi álak harmadik típusa a keményrost, amelyet egyikű, trópusi és ubtrópusi növények leveleiből (levélrost) esetleg gyümölcséből (gyümölcsrost) nyernek. A álak eredeti erepe intén a növény merevítése, ám a háncsrostokhoz képest itt más az elhelyezkedésük. Gyümölcsrostnak hívjuk a kókurostot, mert a gyümölcs kérgéből nyerik ki. Levélrostnak nevezzük például az agavék levelében előforduló izált vagy hennekent, ezek a növény erkezeti anyagai, biztosítják a levelek merevségét, és csőedényként rét venek a növény táplálásában. A háncsrostokkal és a kóku gyümölcsrostjával ellentétben a levélrostokat nem kell áztatni, hanem a frissen levágott levelekről a levélhúst töréssel, zúzással, dörzsöléssel távolítják el. Len A len a legrégibb eredetű rostnövény, Egyiptomban már i.e évvel termetették. A 19. évázadig a len volt Európában a legjelentősebb textilgyártásra felhanált nyersanyag, amíg a pamut ki nem orította. A rostlen mérsékelt égövi területeken terem, a többi rostnövényhez képest sokkal éakabbra fordul elő. A műaki empontból fontos hosú álakat a árból nyerik. A technikai árhos a teljes növénymagasságnak 75-85%-a. A lenál más terméetes álakkal ösehasonlítva kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik [18]. A háncsrostok közül a len pektintartalma a legnagyobb, és a fás rée, a lignin a legkisebb. Ez utóbbi tulajdonsága azt is jelenti, hogy a len a létező legfinomabb, leghajlékonyabb háncsrost. Nagyon jó a fonhatósága, ehhez hozzájárul magas zsír- és viatartalma, magas akítóilárdsága és nyúlása. A feültség-nyúlás diagramja közel lineáris, és a vizsgálati hőmérsékletnek 80ºC-ig nincs említésre méltó befolyása erre. Kitűnő nedvívó, és a felívott nedvesség hatására ilárdsági tulajdonságai egy ideig javulnak [19].

20 Irodalomkutatás 17 Mint minden terméetes álnál, a len esetében is nagymértékben függnek a álak tulajdonságai az érlelési idő alatti időjárási vionyoktól, valamint a feltárás módjától [10, 20, 21]. Van de Velde és Kiekens [22] alapján a zöldlennek durvábbak a álai, magasabb a polaritásuk, jobbak a mechanikai tulajdonságaik, de hajlamosabbak a degradálódásra. Ezzel ellentétes Van de Weyenberg és Ivens [23] tapatalata, ők ugyanis a leggyengébb mechanikai tulajdonságokat a zöldlennél mérték, és az áztatás időtartamának növekedésével a mechanikai tulajdonságok javulását tapatalták. Kender A kender termetéséről óló első feljegyzések Kínából ármaznak, kb. i.e ből. A mongolok és japánok is ismerték, kötélgyártásra hanálták, majd Indiában is elterjedt, bár eleinte csak a belőle kinyerhető gyógyer és kábítóer miatt. Két fajtája van: az éaki kender alacsony, rövid termésidejű, ürke ínű és durva rostú növény, a déli pedig magas, termésideje hosú, íne sárgás és rostja finom. Hazánkban déli típusút termeltek, főleg az orág déli területein. Az utóbbi időben újra kezd az érdeklődés középpontjába kerülni, mivel a rostnövények termetésében rejlő potenciálokat felismerve az EU a 2001/2002-es gazdasági évtől felvette az ipari rostkendert a támogatott ántóföldi növények közé [24], ezáltal támogatott növénynek minősül. Magyarorág ámára a kender többet jelent, mint a világ legtöbb orágában, mert a termelése az elmúlt néhány évtizedben a volt ocialista orágokban, köztük is elsősorban Romániában és Magyarorágon öspontosult. A kender kétlaki növény, azaz megkülönböztetünk hím- és női növényeket. A hímek magasabbra nőnek, de vékonyabb árúak, mint a női kenderek. Hamarabb beérnek, és nagyobb a rosthozamuk, de gyengébb a rostjuk. A kender árhosa általában 2-3 m, vastagsága pedig 4 mm-től 30 mm-ig terjed. Szizál A izál, vagy izálkender a trópusi álak közül az egyik legelterjedtebb, az Agave sisalana levélrostja. Az archeológusok erint a mai Mexikó területén már időámításunk előtt évvel hanálták kötelek és őnyegek kéítésére. A növények művelést alig igényelnek, és nagyon ros minőségű talajjal is beérik. Rövidek a megújulási idők, ezért gyakran és nagy mennyiségben betakarítható. Különféle kötéláruk kéítésére hanálják, főleg függőágyakat gyártanak belőle, de a papíripar is nagy mennyiségben hanálja fel [25]. A műanyagokba való beépítésével csak az utóbbi években kezdtek el foglalkozni.

21 Irodalomkutatás 18 Az agavé növények életük folyamán levelet hajtanak. Egy levél átlagos tömege betakarításkor 600 g, és ekkor rostnyalábot tartalmaz. Ez a levél östömegének kb. 4%-a, ami jelentősen kevesebb a háncsrostos növényeknél megokott 15-25, esetenként 30%-os áltartalomnál. A tömeg többi rée a kb. 0,75%-ot kitevő kutikulából, 8% árazanyagból és 87,25% vízből áll [26] A álak erkezete, kémiai és fizikai jellemzőik A háncs- és levélrostokat botanikai emögből ún. klerenhima-álaknak tekinthetjük. Ezeknek hasonlóan az állatok csontrenderéhez a növény merevítése a feladatuk. Kikéített állapotban a klerenhima-álak elhalt, orsó formájú sejtekből állnak. A megvastagodott sejtfalak rében megfásodtak, így a lumen (bélüreg) gyakran csak egy pontként jelenik meg. Ezekben a álakban a sejtek a növényeknél okatlan hosúságot is elérhetnek: 1-2 mm a jutánál (0,7-6,0 mm [25] erint), 2,5-4 mm az agavéálaknál, mm a lennél, de a raminál a sejthos akár a mm-t is elérheti. A 2.2. ábra a len növény keretmetetét emlélteti. A kéregréteget lezáró külső védőréteg az epidermi (felhám) a kutikulával. A kutikula viaerű anyagot tartalmaz, ami megakadályozza a növény káros kiáradását. Vízben nem oldható, ezért áztatás után is a rostok felületén marad, azok fényesebbek, könnyebben fonhatók lenek. A háncsréteget a 2-7 rétegben elhelyezkedő kéregsejtek alkotják, amik klorofillt tartalmazó övetek, a növény táplálékfelvételében játanak fontos erepet. A kéregsejtek közé ágyazódnak be a rostkötegek, amelyek a növény ilárdságát, rugalmasságát adják. A kambium vékony falú, lágy sejtekből áll, a növény átmérő irányú növekedéséért felelős. A fás ré a ilárdító övet, a megvastagodott cellulóz itt ligninbe ágyazódik. A velőövet vagy bélré laza réteg, amelynek közepén a bélüreg található [25]. A bélré B fás ré C élőövet, kambium D rostnyalábok E háncsré, alapövet F epidermi (felhám) G - kutikula 2.2. ábra A háncsrost-növények árának főbb réei [18]

22 Irodalomkutatás 19 A 2.3. ábrán egy tipikus növényi ál egy sejtjének a erkezete látható. A sejteket a sejtfal határolja. A sejt falában több különböző réteg határolható el: létezik elsődleges és másodlagos sejtfal ez utóbbi három további rétegre különíthető el: a másodlagos fal átmeneti rétegére (S1), magára a másodlagos sejtfalra (S2) és a másodlagos sejtfal belső (S3) tercier réére. Az S2-vel jelölt ekunder sejtfal adja a teljes vastagság kb. 80%-át, így ez a fő teherviselő elem [27] ábra Növényi eredetű terméetes elemi ál (egy sejt) erkezete [27] A különböző rétegek fibrillákból, azok pedig mikrofibrillákból állnak. A fibrillák és mikrofibrillák élessége a növény fajtájától függ. A sejteket a középlamella köti öse (2.4. ábra). A sejtfal rétegei a kémiai ösetételükben is különböznek egymástól ábra Az elemi sejtek felépítése [25]

23 Irodalomkutatás 20 A terméetes álak kémiai értelemben ösetett anyagok. Legfontosabb ösetevői a cellulóz, a hemicellulózok és a lignin, de tartalmaznak pektint és különböző növényi zsírokat is (2.1. táblázat). Cellulóz Hemicellulóz Ösetétel [m%] Vízben Pektin Lignin oldható anyagok Zsírok, viaok Ázott len 64,1 16,7 1,8 2,0 3,9 1,5 10,0 Zöld len 56,5 15,4 3,8 2,5 10,5 1,3 10,0 Kender 66,5 16,1 0,8 3,8 2,1 0,7 10,0 Szizál 65,8 12,0 0,8 9,9 1,2 0,3 10, táblázat Növényi rostok vegyi ösetétele [25] Víz A növények vázát a sejtfalba beépült cellulóz képezi. A cellulóz 1,4-ß-D-glükopiranóz egységekből álló lineáris óriásmolekula (polimer), (2.5. ábra). A tapatalati képlete (C 6 H 10 O 5 ) n. A növényi cellulóz különböző polimerizációs fokú egységeket tartalmaz, jellemzésére az átlagos polimerizációs fokot okás megadni. A cellulóz monomeregységben 3 OH csoport van. A hidroxil csoportokon keretül hidrogén kötések jönnek létre és ezek révén kapcsolódnak egymáshoz az egyes láncok [28] ábra A cellulózlánc erkezete [25] A növények sejtfalának másik fontos alkotóréét hemicellulózok néven foglaljuk öse. Ezek hasonlóan a cellulózhoz intén poliaharid csoportokból állnak, de 4 fő empontból mégis különböznek:

24 Irodalomkutatás 21 1) A hemicellulózban különféle, a glükóztól eltérő hexóz és pentóz alapú énhidrátok, valamint ezek egymás között és uronsavakkal alkotott vegyületei alkotnak láncot (nem csak 1,4-ß-D-glükopiranóz csoportok, mint a cellulóznál). 2) A láncok a cellulózzal ellentétben elágazásokat is tartalmazhatnak. 3) A hemicellulóz polimerizációs foka 200-nál alacsonyabb, tehát a cellulóznál or kisebb. 4) A hemicellulóz molekulák növényenként változnak, míg a cellulóz minden növényben egységes felépítést mutat. A terméetes álak harmadik legfontosabb alkotóeleme a fás ré, a lignin, amely térhálós polimer. A lignin nagy rée a sejteket ösekötő középlamellában helyezkedik el. A lignin kedvezőtlenül befolyásolja a rostok mechanikai és fizikai tulajdonságait, merevvé tei azokat [17]. Az egyes rostokat pektin köti öse. A pektin olyan poliacharidok gyűjtőneve, amik főként poligalakturon-savakat tartalmaznak. Lúgokkal vagy ammónium hidroxiddal történő akár réleges semlegesítés után már vízben oldhatóak. A növények viaos réét erves oldóerekkel lehet kioldani. Ezek a viaos réek különféle alkoholokból épülnek fel, amiket sem a víz, sem pedig bizonyos savak (pl. palmitin- vagy tearinsav) nem oldanak [28]. A terméetes álak mechanikai jellemzőinek pontos meghatározása lényegesen bonyolultabb, ösetettebb feladat, mint a intetikus álaké. Mivel a álak keretmetete nem kör alakú, nehéz akítóilárdságot ámolni a húzóvizsgálat során mért adatokból. További problémát jelent, hogy a álak jellemzői a hos mentén véletlenerűen változnak, ezért a mérési eredmények nagyban függnek a befogási hostól (2.6. ábra) [29]. Nechwatal és erzőtársai [30] akítóvizsgálatokat végeztek lenálon különböző befogási hosaknál. A álak akítóilárdságát a álfinomsághoz vionyítva adták meg, elkerülve ezzel a nem kör keretmetetből ármazó pontatlanságokat. A álfinomságból a álak sűrűsége alapján, illetve mikrokópos vizsgálatok alapján ámították ki a keretmetetet. A rugalmassági modulu mérése során azt tapatalták, hogy a két közelítésmód meglepően magas korrelációt mutat. Megállapították, hogy a terméetes álaknál a rostirányú réleges elemiál-csúás befolyásolja a mért nyúlást, és ezáltal a rugalmassági modulut. A feültség-elmozdulás diagramok nemlinearitása újabb problémát jelent a rugalmassági modulu (érintő meredeksége) ámításánál. Javasolják a modulu ámításához a teljes görbe hanálatát, nem pedig csak a kezdeti felfutó akat (a görbék lineáris jellegűnek tekinthetők).

25 Irodalomkutatás ábra A befogási hos és a álilárdság közötti ösefüggés [30] Booth és társai [31] különböző típusú lenálak átmérőjét vizsgálták pátázó lézer móderrel, ami a álak átmérőjét méri, és elkéíti az elolás-diagramjukat. Ebből ámították az átlagos álátmérőt. A álátmérő-gyakoriság diagram minden esetben a nagyobb álátmérő értékek felé ellaposodó, mese elnyúló görbe volt (2.7. ábra). Ennek az elnyúlásnak az az oka, hogy a feltárás során nem minden elemi sejt vált külön. Mivel a álak elemi álak sokaságából állnak, és a feldolgozás mértékétől változik az átmérőjük, javasolják az átlagos álátmérő (elemi álra vonatkozó) helyett a leggyakrabban előforduló átmérő (elemi ál vagy nyaláb) hanálatát, mert ez pontosabb mutatója a álátmérőnek ábra Két különböző típusú lenál átmérő gyakoriság diagramja [31] A álátmérő mellett a álfinomságot is mérték Micronaire móderrel. Ennek a módernek a lényege, hogy abványos térfogatban véletlenerűen elhelyezett abványos tömegű álakon keretüláramló levegő jellemzőit és a pneumatikus ellenállást vizsgálják. A

26 Irodalomkutatás 23 móder értékét csökkenti, hogy az eredményeket több tényező is befolyásolja (pl. a álak teljes felülete, aerodinamikai jellemzők, keretmetet stb.). Ezért azonos átlagos álátmérőjű, de különböző gyakorisági elolású álak nagyon különböző Micronaire értékeket adhatnak. A terméetes álak mechanikai jellemzőinek meghatározásában további nehézséget jelent, hogy ugyanazon ál az előkéítéstől függően egéen más tulajdonságokkal rendelkezhet. Van de Weyenberg és társai [23] egy típusú, de különböző feldolgozottságú lenálakat vizsgáltak. A feldolgozási folyamat három lépcsőfokáról (tilolt hosú len, gerebenezett alag és kártolt alag) ármazó minták a feltárás empontjából is három csoportba sorolhatóak: zöld len (nem áztatott), rében áztatott (barna len) és áztatott len. Epoxi mátrixba ágyazva a legjobb mechanikai tulajdonságokat az áztatott lennél érték el, a zöld len erepelt a leggyengébben. Ezt két dologgal magyarázták: egyrét a zöld lenben több volt a ennyeződés, másrét ezeket a álakat erősebb mechanikai hatások érték, ami a álak fokozott károsodását eredményezte (az áztatott lennél ugyanis az áztatás eltávolítja a kötőanyagot, a pektint, ezért lényegesen finomabb, álkímélőbb mechanikai hatások elegendőek a rostok feltárásához). A tilolt és a gerebenezett álak hasonló eredményeket mutattak. Itt tehát a mechanikai kezelések roncsoló hatását kiegyenlítik a finomabb álból, így a kevesebb hibahelyből ármazó előnyök. A kártolt len a sokkal rövidebb egyedi álhosa miatt hosirányú erősítésnél az előzőeknél rosabb eredményeket adott, de keretirányban a finomabb álak miatt előnyösebb a másik kettőnél. A feltárás során a terméetes álakat ért mechanikai hatások leginkább a álak és kompozitjaik nyomótulajdonságaira vannak negatív hatással. Eichhorn és társai [29] felhívják a figyelmet a terméetes álak mikrokopikus méretű, nyomásból és/vagy kihajlásból ármazó hibahelyeire (gyűrődési helyek), amelyek feültséggyűjtő helyként működnek a kompozitban (2.8. ábra). Ezek jelenléte a feltárástól függ, ám általában igen gyakori. Ennek tudható be az a jelenség, hogy a terméetesál-erősítésű kompozitok húzóilárdsága megközelíti az üvegálas kompozitok húzóilárdságát, de a nyomóilárdságuk mese elmarad azokétól.

27 Irodalomkutatás ábra Terméetes ál mikroméretű nyomási hibahelye [32] Bos és Donald [33] környezeti pátázó elektronmikrokóppal (ESEM) vizsgáltak lenálakat hurokakító tettel a nyomóilárdságuk meghatározása érdekében. Az elemi álakat hurokba hajtották, majd a álak végeit húzták a mikrokópban. Ezzel a közel abályos kör alakú hurok mérete csökkent, egyenletes húzó feültséget okozva a álak egyik oldalán, nyomó feültséget a másik oldalán. A hurok belső ívén a ál felületén a gyűrődések megjelenésekor mért hurokátmérőkből ámították a nyomóilárdságot, ami meglepően közel állt az egyéb módon mért nyomóilárdságokhoz. A nyomott oldalon az elsődleges sejtfal sohasem tört el, hanem inkább irreverzibilisen deformálódott, míg a húzott oldalon a ál hostengelyére merőleges repedések jelentek meg. A másodlagos sejtfalban ehhez hasonló repedés jelent meg, de ezt vionylag vastag fibrillák hidalták át. Ez a ré könnyen végigreped a hos mentén, ami azt mutatja, hogy a laterális irányban a ál ilárdsága kisebb, tehát a nyomóilárdsága alacsonyabb, mint a akítóilárdsága. A két sejtfal közötti viselkedésbeli különbség a kémiai ösetétellel magyarázható. A vizsgálat alapján valóínűsíthető, hogy a kompozit gyártási eljárásától függően ezek az apró töredezések, hibák már a gyártáskor (mátrixba való beágyazáskor) megjelenhetnek a álakban. A terméetes álak mechanikai jellemzőinek meghatározása nem csak mérés útján történhet, hanem ámos elméleti modell létezik, amelyek általában a cellulóztartalomból és a cellulóz orientációjából indulnak ki. Ezeknél a modelleknél a bemenő adatok meghatározásához terméetesen ükség van mérésekre, és itt ismételten embesülünk a terméetes álak egyenetlenségéből, inhomogenitásából ármazó problémákkal.

28 Irodalomkutatás Cellulózalapú álak mikromechanikai modelljei A terméetes álak elemi sejtjei cellulózalapú kristályos mikrofibrillákból állnak, amelyeket amorf lignin és hemicellulóz köt öse egy-egy réteggé. Ilyen rétegek alkotják az egyetlen elsődleges és a három másodlagos sejtfalat, egy réteges kompozit erkezetet magát az elemi álat létrehozva. Az egyes ösetevők arányától és a cellulóz orientációjától függ az elemi ál ilárdsága (2.9. ábra), amely minden terméetes álnál különböző, sőt a kémiai és fizikai álkezelések is változtatnak rajtuk [28]. a) b) 2.9. ábra Elemi álak húzó ilárdsága a cellulóz tartalom (a) és a spirálög (b) függvényében [28] A legelső ilyen modellt Hearle dolgozta ki [34]. Ez a modell azt feltételezi, hogy az elemi ál kétféleképpen nyúlhat. A nyúlás állandó térfogat mellett esetben a (2.1) ösefüggés írható fel a ál E rugalmassági moduluára, ez általában alacsony spirálögek esetén érvényes (<45º): 2 2 ( ) E = X1cEc + 1 X1c Enc cos Θ S2 = E cos ΘS2 (2. 1) ahol E c a cellulóz fibrilla rugalmassági modulua, E nc a nem cellulóz réek rugalmassági modulua, E a keverékabállyal ámított rugalmassági modulu, X 1c a cellulóz réaránya a álban, Θ S2 pedig a spirálög. Magasabb spirálögek esetén (>45º) a nyúlás állandó fibrillahosnál ösefüggés írható fel (2.2): K E = 1-2c tgθ ; K 1-2c tgθ (2.2) ( ) ( ) nc S2 h S2 1- X1c ahol K nc a nemkristályos ré nyomó modulua.

29 Irodalomkutatás 26 Általános esetben a két modell soros kapcsolása írja le legjobban a terméetes álak húzó rugalmassági moduluát (2.3) [28]: 2 ( 1-2ctgΘ ) ( ) 2 2 E cos ΘS2K h S2 E = (2.3) E cos Θ + K 1-2c tgθ 2 2 S2 h S2 Jelentős probléma a Hearle-modellnél, hogy figyelmen kívül hagyja a cellulóz molekula és az amorf réek közötti nyíró igénybevételt. A McLaughlin modell azonos bemenő adatokkal, ám más ösefüggés alapján írja fel a ál rugalmassági moduluát (2.4) [34]: E = X E cos θ + X E (2.4) 2 1c c S2 nc nc ahol nc a nem cellulóz réekre vonatkozik. Az említett modelleken kívül egyéb móderek is fellelhetőek az irodalomban a áljellemzők meghatározására [35]. A terméetes álak rétegekből épülnek fel, ezért egyes kutatók erint hanálhatóak a laminátelméleti alapösefüggések. Ezek a modellek a terméetes álakat kompozit anyagként tekintik, ahol a cellulóz álak egy lignin/hemicellulóz mátrixba vannak beágyazva. Az aimmetrikus laminátelmélet (Timoshenko-Reisner lemezelmélet) alapján lehetséges a hos- és keretirányú rugalmassági modulu, valamint a csútató- és hajlító modulu becslése. Ez az elmélet általában jelentősen alacsonyabb értékeket ad, mint a Hearle-modell [34]. Egy másik megközelítés alapja, hogy a álakban található bélüreg miatt a álak akár vastag falú csövekként is felfoghatóak [34, 35]. Ennek a módernek az az előnye, hogy figyelembe vei a terméetes álak ellipoid keretmetetét, nem kör keretmetettel ámol (2.10. ábra). Az ilyen módon modellezett áltulajdonságok renderint még a laminátelmélet alapján kapott értékeknél is alacsonyabbak ábra A rugalmassági modulu változása a fibrillaög függvényében: modell ösehasonlítása a mért adatokkal [34]

30 Irodalomkutatás 27 A modellek hanálhatóságát ámtalan egyerűsítés, feltételezés korlátozza, például az említett modellek többnyire kör keretmetetű, tömör rúdnak veik a álat, pedig az a valóságban egy ellipoid keretmetetű porózus erkezet, bélüreggel a közepén. A modellek általában csak az S2 sejtfal rétegeit veik figyelembe, a ál többi rétegével nem foglalkoznak. A spirálöget mindegyik modell tartalmazza, de ez nem állandó érték, függ a termetés körülményeitől, de még egy növényen belül is jelentős eltérések tapatalhatóak a árhos mentén. A modellek továbbá nem veik figyelembe a különböző feltárási módokat, az ebből ármazó sérüléseket, valamint a álelőkéítés, álkezelés módosító hatásait Terméetesál-erősítésű kompozitok A terméetesál-erősítésű kompozitok már nagyon régóta ismertek (pl. vályogtégla), ám a tudatos mérnöki tervezéssel megalkotott polimer mátrixú, növényi álakkal erősített kompozitok az elmúlt két évtizedben jelentek meg Általános jellemzők Igen intenzív kutatómunka folyik a terméetesál-erősítésű polimer kompozitok kifejletésével kapcsolatban, és az elmúlt években az anyagfejletés mellett egyre inkább megfigyelhető a gyártástechnológia fejletése is. Meglévő berendezéseket módosítanak, és új gépeket fejletenek kifejezetten a terméetesál-erősítésű kompozitok gyártására. Ennek eredményeként ma már ámos terméket gyártanak ezekből az anyagokból, amelynek fő piaca az autóipar. A terméetesál-erősítésű kompozitok ámos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek, ezek közül az elsődleges jellemző a környezet kímélése, hien legalább az egyik komponens megújuló anyag, aminek az előállítása is igen környezetbarát. Fontos kiemelni, hogy a gyártás során lényegesen kevésbé egéségkárosítóak, mint pl. az üvegál, és életciklusuk végén könnyen megsemmisíthetőek [36-39]. Különösen igaz ez, ha a mátrix anyag is valamilyen terméetes alapú polimer, amelyek önmagukban még általában nem rendelkeznek megfelelő mechanikai jellemzőkkel, ám terméetes álakkal társítva kiélesedik a felhanálási területük [40]. Számos hátrányos jellemzői miatt (nem egyerű hozzáférés, nehézkes feldolgozás, magas nedvességfelvétel és ár, alacsony ívósság) a biológiailag lebomló mátrixok még nem terjedtek el éles körben [41], ezért még ma is igen nagy arányban mesterséges polimer mátrixba ágyazzák a terméetes álakat.

31 Irodalomkutatás 28 Az így kapott anyagoknak magas ilárdsága és merevsége, alacsony sűrűsége és kedvező ára van. Terméetes álak hozzáadása a legtöbb polimer mátrix esetén alig változtat a render sűrűségén. A növényi álak kb C-os hőállósága lehetővé tei a termelékeny tömeggyártási eljárásokkal (extrúzió, fröccsöntés) történő termékgyártást [42]. Számtalan előnyös tulajdonsága mellett a terméetesál-erősítésű kompozitoknak azonban hátrányai is vannak, amik korlátozzák a hanálhatóságát. Gassan és Bledzki [43] vizsgálatai alapján a fő problémák a magas nedvességfelvétel, a ros beágyazhatóság (impregnálhatóság), az üvegálnál alacsonyabb akítóilárdság és a gyakran nem megfelelő ál/mátrix adhézió. Mivel a hidrofil, poláris álak nem tapadnak a hidrofób, apoláris mátrixokhoz, ámos kutatásban inkább poláris mátrixot, nagyon gyakran hőre keményedő mátrixot hanálnak. Eichhorn és Young [44] hőre lágyuló mátrix helyett epoxigyantát hanáltak, és azt tapatalták, hogy a kenderál és az epoxigyanta között ugyanolyan jó adhézió lehet mindenféle kezelés nélkül, mint üvegál/epoxi renderekben. Ennek az a magyarázata, hogy poláris duroplat mátrix hanálata esetén kovalens és másodlagos kötések alakulhatnak ki, amik biztosítják a megfelelő adhéziót [45]. A duroplat gyantáknak további előnye a termoplatikus mátrixokkal emben a relatív egyerű impregnálás, a jobb mechanikai tulajdonságok és a nagyméretű alkatréek egyerű, olcsó gyártása. Egyetlen hátrányként a nehézkes újrahanosítást okták emlegetni. Ha a mátrix nem biodegradábilis, akkor hiába lebomló a terméetes ál, az életciklus végén csak a termikus hanosítás (elégetés) jöhet óba, ekkor azonban már ezek a gyanták nem károsabbak a környezetre nézve, mint a hőre lágyuló mátrixok [46]. A terméetes álakat polimerek hosú álas erősítésére ma még inte kizárólag rendezetlen álakból álló paplan formájában hanálják (mind hőre lágyuló préselésnél, mind hőre keményedő technológiáknál) [13]. A műanyagiparban általánosan megfigyelhető trend, a hőre lágyuló műanyagok dinamikus térnyerése a terméetes állal erősített műanyagoknál is megjelenik, a préselés mellett a fröccsöntött kompozitok gyártása is egyre néperűbb. Ez az a terület, ahol a álak rövidsége miatt a leginkább ükség van a megfelelő tapadásra a álak és a mátrix között. A határfelületi adhézió különféle kezelésekkel javítható, ám ez általában költséges folyamat, és gyakran nem feltétlenül egyeztethető öse a terméetes álak környezetbarát jellegével.

32 Irodalomkutatás A álak előkéítése, kezelése A jobb adhézió érdekében a álakat általában célerű előkéíteni a polimerbe történő beágyazás előtt. Ez az előkéítés lehet titítás (ennyezőanyagok és pozdorjamaradékok eltávolítása), zsírtalanítás (álban lévő és a feltárás vagy előkéítés során rákerült viaok, zsírok eltávolítása), árítás (a nedvességtartalom a hőre lágyuló technológiáknál a gőzfejlődés miatt igen káros), hőkezelés vagy egyéb álkezelés. Van Voorn és társai [47] alapján a lenál obahőmérsékleten 12-14% vizet tartalmaz, ebből 2% az ún. erkezet víz vagy kötött víz, amit nem lehet reverzibilisen eltávolítani. A erzők 6 órán keretül árították a álakat, amíg teljesen ki nem áradt (kb. 2% nedvességtartalom). Vizsgálták a len- és izál álak ilárdságát 22-98% relatív páratartalomnál, és ºC hőmérsékleten (2.11. ábra). A legmagasabb ilárdságot 70%-os relatív páratartalomnál, 20ºC körüli hőmérséklet tartományban mérték. Rámutattak, hogy a hőmérséklet további emelkedése valóínűleg azért csökkenti a ilárdságot, mert csökken a álak nedvességtartalma. a) b) ábra Len-és izál álak ilárdsága különböző páratartalomnál (a) és hőmérsékleten (b) [47] A terméetes álak hátrányainak a kiküöbölésére különféle kezeléseknek okták alávetni a álakat. A álkezelések célja: 1. Szál-mátrix adhézió javítása: a kompozitban a mátrix ösetartja és védi a álakat, és átadja a terhelést. 2. Szálak mechanikai tulajdonságainak javítása. 3. Szálak nedvességfelvételének abályozása. A különböző célok azonban nem válathatóak el élesen egymástól, hien például a álak felületi feültségével orosan ösefügg a ál-mátrix adhézió, és a álak nedvességfelvétele is. A álkezelések lehetnek fizikai (pl. plazma kezelés, korona kezelés, hőkezelés) vagy kémiai elven működő (pl. maleinsav-anhidriddel, ilánvegyületekkel,

33 Irodalomkutatás 30 izocianáttal, nátrium-hidroxiddal, permanganáttal, peroxidokkal és egyéb vegyerekkel történő kezelés) módosítások [1, 48]. A fizikai eljárások általában nem módosítják a ál kémiai ösetételét, csak a erkezetét, felületi jellemzőit, hosát, finomságát változtatják meg. Ilyen eljárások például a nyújtás, a kalanderezés és a hőkezelés. A hőkezelés hatásosságát bizonyították Li és társai [26], akik erint a felületi adhéziót legnagyobb mértékben a rostok hőkezelése növelte. Néhány kémiai kezelés és hőkezelés együttes alkalmazása csökkentette a kompozit ilárdságát. A kémiai kezelések mindegyike csökkentette a modulut, a kompozitok sűrűségét és nedvívó képességét. Az elektromos kisüléseken alapuló eljárások (korona- és plazma kezelés) esetén a cellulóz álak felületi energiáját növeljük, illetve hideg plazma kezelésnél a hanált gáztól függően egyéb felületmódosító hatásokat is elérhetünk: felületi térhálósítást, felületi energia növelést vagy csökkentést, reaktív abad gyökök létrehozását [28, 49]. Gassan és Gutowski [50] a korona-kezelés bonyolultsága miatt más fizikai eljárásokat kezdett hanálni, pl. ózon és/vagy ultraibolya (UV) besugárzás. Az UV fény hatására a terméetes álakban a lignin oxidálódik és degradálódik előör. A mercerezés a pamutálak esetében egy régóta hanált eljárás. A lúgos (általában nátronlúg) kezelés hatására a álak megduzzadnak, majd az elemi álak jellegzetes csavarulatai eltűnnek a feítés hatására [51]. A lúgos közeg ellenére nem minősül kémiai álkezelésnek, mert nem eredményez kémiai változást. Az utóbbi időkben egyéb cellulóz alapú terméetes álaknál is hanálják, a akítóilárdság növekedését és a nedvességfelvétel csökkenését lehet elérni általa [52]. Mwaikambo és társai [53] alapján a mercerezés során a kapok/pamutálak hőállósága romlik. Ennek az az oka, hogy a kristályos cellulóz egy rée amorf cellulózzá alakul, ami alacsony hőállóságú hemicellulózt tartalmaz. A álkezelések egy speciális fajtája, amikor a álakat belülről impregnálják gyantával. Gindl és társai [54] puhafa-sejteket impregnáltak melamin-formaldehid (MF) gyantával, a fa felületi keménységének, időjárás-állóságának javítása, és egyéb előnyös tulajdonságok elérése céljából. Bos és társai [55] nem farostok, hanem lenál esetében vizsgálta a gyantával való telítést. Melamin-formaldehid gyanta vizes oldatát, valamint epoxi gyantát metanolban feloldva hanáltak. Van de Weyenberg és társai [23] nem metanolban, hanem acetonban oldottak fel ehhez epoxi gyantát. Az elektron-besugárzásos kezelés sok egyéb felhanálási területe mellett előnyösen alkalmazható a kompozitgyártásban is. Czvikovky [56] jelentős javulást ért el besugárzással különféle ásványi anyagokkal (talkum és kalcium-karbonát), valamint falit és