SZAKDOLGOZAT FEHÉR ÁGNES TÉMAVEZETŐ MOLNÁR KOLOS

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK NANOSZÁLAS SZÖVEDÉKEK GYANTAFELVÉTELI FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA ÉS ELEMZÉSE SZAKDOLGOZAT FEHÉR ÁGNES TÉMAVEZETŐ MOLNÁR KOLOS 2014

2 Ennek az oldalnak a helyére kell majd beilleszteni a feladatkiírás! 2

3 NYILATKOZAT AZ ÖNÁLLÓ MUNKÁRÓL Alulírott, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója kijelentem, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a szakdolgozatban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, a forrás megjelölésével egyértelműen megjelöltem.. 3

4 A tudomány, a technológia [ ] nem old meg minden problémát. De a tudomány és technológia nélkül semmiféle problémát nem lehet megoldani. Teller Ede 4

5 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Elsősorban szeretném megköszönni konzulensemnek, Molnár Kolosnak a munkám során nyújtott hasznos tanácsait és észrevételeit, melyek nagy segítségül szolgáltak szakdolgozatom elkészítéséhez. Köszönettel tartozom a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszékének a vizsgálataimhoz szükséges berendezések és anyagok rendelkezésemre bocsátásáért, valamint további köszönet jár azon tanszéki dolgozóknak, akik segítették munkámat. Szeretnék köszönetet mondani azon diploma, illetve szakdolgozatíró társaimnak, akik segítséget nyújtottak vizsgálataim során. Külön köszönettel tartozom labortársamnak, Skardelli Marcellnek, aki a számos szakmai kérdés megválaszolásában segítséget nyújtott. Köszönet bátyámnak, aki tudásával hozzásegített az összetettebb fizikai problémák megértéséhez is. Végül, de nem utolsó sorban szeretném hálámat kifejezni édesanyámnak, aki szeretetével és támogatásával mindvégig mellettem állt. 5

6 TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS Nanorészecskék, nanoszálak, nano- és hibridkompozitok Nanoszálak előállítási módszere Nanoszálak felhasználási területei Erősítőanyagok gyantafelvétei folyamata Szálerősítésű kompozitok előállítása Az irodalom összefoglaló-kritikai elemzése, célkitűzések VIZSGÁLAT ANYAGOK, VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Felhasznált anyagok Felhasznált berendezések és anyagvizsgálati módszerek Mintakészítés KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK Gyantafelszívási kísérletek Laminált kompozit lapok vizsgálata Görgőzés hatása a laminátokra Mechanikai vizsgálatok ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY IRODALOMJEGYZÉK MELLÉKLETEK I. Melléklet: Hárompontos hajlítóvizsgálat II. Melléklet: Charpy-féle ütvehajlító vizsgálat III. Melléklet: Gyantafelszívási kísérletek

7 JELÖLÉS- ÉS RÖVIDÍTÉSJEGYZÉK A DOLGOZATBAN SZEREPLŐ JELÖLÉSEK: a [m/s] felszívott folyadékmagasság Lucas-Washburn-féle konstansa a m [kg/s] felszívott folyadéktömeg Lucas-Washburn-féle konstansa A p [mm 2 ] póruskeresztmetszet b [m 2 /s] felszívott folyadékmagasság Lucas-Washburn-féle konstansa b [mm] próbatest szélessége b m [kg 2 /s] felszívott folyadéktömeg Lucas-Washburn-féle konstansa E max [J] teljes törési energia E h [GPa] hajlító rugalmassági modulusz F [N] erő F max [N] hajlítóvizsgálat során mért maximális erő g [m/s 2 ] nehézségi gyorsulás G [N] súly h [mm] próbatest vastagsága h [mm] meniszkusz magasság h [mm] felszívott folyadékmagasság maximuma hτ [mm] adott t időhöz tartozó folyadékmagasság l [mm] próbatest hosszúsága L [mm] alátámasztási távolság m [g] minta tömege m [g] felvett gyantatömeg maximuma m τ [g] adott t időhöz tartozó gyantatömeg m m [g] minta és a folyadék között kialakuló meniszkusz tömege P [mm] folyadékkal érintkező minta peremvonalának hossza r p [mm] kapilláris vagy pórus sugara t τ [s] adott idő T alsó [s] minták gyantában tartási ideje T felső [s] minták mérési ciklus felső holtpontjában való tartózkodási ideje v be [m/s] minták gyantába merítés sebessége v ki [m/s] minták gyantából történő kihúzásának sebessége 7

8 σ fm [MPa] hajlítófeszültség γ [N/m] határfelületi energia/felületi feszültség ρ [g/cm 3 ] sűrűség η [mpas] gyanta viszkozitása Θ [ ] peremszög F/ f [-] erő-lehajlás görbe meredeksége A DOLGOZATBAN SZEREPLŐ RÖVIDÍTÉSEK: DMF dimetil-formamid EP élén megütve, szálakkal párhozamos (edge, parallel direction FN felületen megütve, szálakkal merőlegesen (face, normal direction) G; g görgőzött minta gy gyanta L-W Lucas-Washburn lg folyadék/gőz m% tömeggatszázalék N nanoszálas szövedéket tartalmazó minta NP; np nanoszálpaplan PAN poliakrilnitril PA-6 poliamid-6 PEG poli-etilénglikol PET poli-etiléntereftalát PLA politejsav PVA poli-vinilalkohol RTM nyomás alatti gyantainjektálás SEM pásztázó elektronmikroszkópia (scanning electron microscopy) sg szilárd/gőz sl szilárd/folyadék UV ultraviola Ü üvegszövet erősítés ÜP; üp üvegszálpaplan ÜSZ; üsz üvegszövet VARTM vákuummal segített nyomás alatti gyantainjektálás 8

9 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉS Napjainkban a műanyagok az élet minden területén fellelhetőek, felhasználási lehetőségük rendkívül szerteágazó. Dinamikus fejlődésüknek köszönhetően, mindinkább elterjedtek a műszaki életben is, sok esetben kiszorítva a fémeket és egyéb hagyományos anyagokat. Kompozitok alkalmazása során olyan szerkezeti anyagot kaphatunk, amelynek mechanikai és kémiai tulajdonságai (szilárdság, képlékenység, korrózióállóság) kitűnően szabályozható az igényeknek megfelelően. A kompozitok olyan többfázisú összetett szerkezeti anyagok, amelyek erősítőanyagból és befoglaló mátrixból állnak [1]. Ezek társításakor az erősítőanyag nagymértékben megnöveli a polimer viszonylag alacsony szakítószilárdságát, míg a mátrix jól ellensúlyozza az erősítőanyag általában túlzott mértékű ridegségét [2]. A való életben használt alkatrészekre a legritkább esetben hat olyan igénybevétel, amely a tér minden irányában azonos lenne. Legtöbbször a többi irányhoz képest a tér egy kitűntetett irányában nagyságrendekkel nagyobb terhelés hat, amely szükségessé teszi az anyag ebben az irányban történő megerősítését, ezért a kompozitok erősítőanyaga leggyakrabban szál jellegű. Az erősítés mértékét nagyban befolyásolja az erősítőanyag impregnálhatósága, így fontos az erősítőstruktúrák gyantafelvételi folyamatainak ismerete. A tervezhetőség érdekében ezen felül elengedhetetlen a kompozitok szerkezetének, illetve szilárdsági tulajdonságainak ismerete. A polimer kompozitok fejlődéséhez nagyban hozzájárult a XX. század végén felfedezett nanorészecskék felfedezése. A nanotechnológia korunk egyik legnépszerűbb kutatási és fejlesztési területe. A nanotechnológia a nanométeres nagyságrendbe eső dolgok felhasználásával, előállításával és leírásával foglalkozik. Lényegében azt kutatja, hogyan tudjuk ebből a kis méretből adódó pozitív tulajdonságokat kihasználni, hogyan tudunk ilyen mesterséges rendszereket létrehozni, ezek a rendszerek milyen tulajdonságokkal rendelkeznek és ezeket a tulajdonságokat miképp tudjuk hasznosítani a gyakorlati életben. A nanotechnológia jelen van hétköznapjainkban is. Nanorészecskéket használnak például napolajakban is, amelyek titán-dioxidból készülnek és ezek fejtik ki hatásukat az UV sugárzás ellen. Nanotechnológiai magyarázata van a tengerpartok vagy só barlangok légúti megbetegedésekre gyakorolt pozitív hatására is. Az anyag kiterjedését nanométeres mérettartományra csökkentve, fizikai-kémiai tulajdonságai jelentős mértékben megváltoznak a tömbfázisbeli állapothoz képest. Nanoszálak előállításánál ugyanis elméletileg a húzószilárdság és a modulusz is többszörösére növekszik azonos szálszerkezet esetén. A kutatások során elért eredmények az élet számos területén 9

10 hasznosíthatóak, mint például a repülőgépiparban, autóiparban, építőiparban, textiliparban vagy gyógyászatban. Nanoszálak előállítására ma már különféle szálképzési módszerek léteznek. A vizsgálataimhoz szükséges polimer alapanyagú nanoszálas szövedéket elektrosztatikus szálképzéssel állítottam elő. Munkám során az így előállított szövedékekkel gyantafelszívási kísérleteket folytattam. A dolgozat célja a gyantafelvétel vizsgálata az idő függvényében, valamint a hagyományos erősítőanyagokhoz képesti hasonlóságok és eltérések feltárása a felszívási mechanizmus jellegében. Munkám célja továbbá vizsgálni a nanoszálpaplan jelenlétének hatását a kompozit lapok szerkezetére, illetve azok mechanikai tulajdonságaira. 10

11 2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS A fejezet célja egy átfogó háttérismeret megszerzése nanoszálak területén a témában fellelhető hazai és külföldi szakirodalmak megismerésén keresztül, amely megfelelő alapul szolgál vizsgálataimhoz Nanorészecskék, nanoszálak, nano- és hibridkompozitok Nanorészecskéknek nevezzük azokat a mikroszkopikus részecskéket, amelyeknek legalább egyik térbeli mérete nem haladja meg a 100 nm-t. A nanométer 10-9 m, ami egy átlagos atomi átmérő négyszeresének felel meg. A kis méretből adódóan nanoszerkezetek viselkedését nem írhatjuk le a klasszikus mechanikai törvényekkel, itt már kvantummechanikai törvények érvényesek. A nanorészecséket előszeretettel alkalmazzák napjainkban kompozitok erősítőanyagaként. A nanorészecskék anyagukat tekintve lehetnek szénvegyületek (pl. szén nanocsövek, grafén), agyagásványok (pl. montmorillonit), vagy egyéb, fém alapú vegyületek (pl. titán-dioxid nanocsövek) [3]. Polimer nanorészecskék alakja az előállításuk módjától függően változik (pl. gömb, kapszula), méretüket tekintve általában nm közötti átmérővel rendelkeznek. Előállításuk legtöbbször in-situ polimerizációval, önszerveződő folyamatok révén vagy előzetesen előállított polimerből történik, amelyből diszpergálás segítségével hoznak létre nanorészecskéket [4]. Előnyük abban rejlik, hogy nanométer méretű szerkezetek létrehozásával szabályozhatóvá válnak egyes alapvető anyagi tulajdonságok, amelyet kihasználva nagyteljesítményű termékek és technológiák hozhatók létre [5]. A nanorészecskék hatására nő a nyomó- és hajlítószilárdság, ezen felül csökkentik a kúszási engedékenységet. Hőre lágyuló polimereknél a nanorészecskék a kristályosság mértékére vannak befolyással, valamint bizonyos mértékben növelik a húzómechanikai tulajdonságokat is. Elméleti számítások alapján nanoméretű csövek, vagy szálak, illetve a 2D nanoméretű lamellák alkalmazása biztosítja a legkedvezőbb mechanikai tulajdonságokat. Az olyan polimer rendszereket nevezzük nanokompozitoknak, ahol legalább egy dimenzióban nanoméretű (1-100 nm) heterogenitás található a folytonos polimer mátrixban [6]. A polimer nanokompozitok fejlesztése az elmúlt évtizedekben az egyik legkeresettebb kutatási területté nőtte ki magát. Ilyen kutatási terület a polimer alapú bioanyagok, mini 11

12 emulziós részecskék, polimer filmek, nanoszálak, polimer keverékek és nanokompozitok, vagy akár a mikroelektronika, amit a modern műszerek 100 nm alatti mérete miatt akár már nanoelektronikának is nevezhetünk. A vizsgálatok eredményességét bizonyítja, hogy napjainkra képesek lettünk olyan nanokompozitok előállítására is, amelyek tulajdonságaikban megközelítik a természetben megtalálható legszívósabb bioanyagokat is, mint például a csontot vagy a pókhálót. A polimer kompozitokhoz hasonlóan, nanokompozitok esetén is fontos az alkotók együttműködése a fázishatáron. A szál és a mátrix közötti kapcsolat rendelkezik egy olyan optimummal, amely függ a fellépő adhézió mértékétől, valamint a szál és a mátrix közti határfelület nagyságától. Ez az optimum szál-mátrix kapcsolat erősségét mutatja meg. A határfelület úgy növelhető, ha maximalizáljuk az erősítőanyag felület-térfogat arányát, ugyanis minél nagyobb ez az arányszám, az erősítőanyag mátrixhoz való kötődése annál erősebb lesz. A nanoméretekből adódó rendkívül nagy felület-térfogat arányból következik, hogy a nanokompozitokban a mátrix és az erősítőanyag között igen nagy határolófelületek alakulnak ki. Erős adhéziós kapcsolatot megfelelő anyagpárosítással, az erősítőanyagok felületkezelésével, valamint kapcsolóanyagok alkalmazásával érhetünk el. Ideálisnak tekinthető az adhézió, ha az magas szintű deformáció és igénybevétel esetén is tartósan fennáll. Az adhézió felelős az erősítőszálak és a mátrixanyag közt kialakuló határréteg tulajdonságaiért, amely döntő szerepet játszik a polimer kompozitok tulajdonságaiban és alkalmazhatóságukban, valamint az adhéziós kapcsolat révén valósul meg a teherátadás a mátrix és az erősítőanyag között. Ha nincs biztosítva a jó adhéziós kapcsolat, az erősítőanyag épp ellenkező hatást válhat ki a kompozitban, erősítés helyett gyengítheti azt. Vizsgálati eredmények igazolják, hogy ha polimer kompozitokba a rétegek közé egyegy vékony réteg nanoszálpaplant laminálunk, az jelentősen nem növeli a kompozit tömegét, azonban a delaminációs hajlamot nagymértékben csökkenti. A nanoszálak és nanopórusok repedésterjedést gátló hatása is kiemelkedő. Azt, hogy mechanikai terhelés hatására hogyan fog viselkedni a nanokompozit, a benne található mátrix és erősítőanyag közt kialakuló kölcsönhatás típusa és erőssége nagymértékben befolyásolja. A felsoroltak következményeként a polimer nanokompozitok fajlagosan jóval nagyobb modulusszal, jobb hőállósági tulajdonságokkal és kedvezőbb égési tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a hagyományos szálerősítésű kompozitok. A nanokompozitokkal folytatott vizsgálatokhoz szükségszerű a következő rendszerjellemzők ismerete: töltőanyag hossz/átmérő aránya, szálorientáció, határfelületi feszültség átadódás és a diszpergáltság. 12

13 Polimer mátrixú hibridkompozitokról akkor beszélhetünk, mikor az erősített rendszert többféle erősítő-, és/vagy mátrixanyag alkotja. Hibridkompozitok megalkotásával a hagyományos szálerősítésű és a nanokompozitok előnyös tulajdonságait egyesíthetjük. Ilyen rendszerekre adnak kiváló példát a polimer mátrixú hibrid-nanokompozitok, amelyek nanorészecskékkel és makroszkopikus szálakkal erősített kompozitok. A kompozit rendszerekhez nano-töltőanyagokat kis koncentrációban (2-3 m%) adagolva, nagymértékű javulást érhetünk el annak egyes tulajdonságaiban, vagy újfajta tulajdonságkombinációk keletkeznek. Javulhatnak például a mechanikus-, termikus-, elektromos-, mágneses-, vegyi-, és biológiai tulajdonságok is. Ennek alapját képzi a nanorészecskék nagyságrendekkel (csaknem 1000-szer) kisebb mérete a hagyományos erősítő szálakhoz képest, amelynek eredményeként egymástól független módon tudják kifejteni hatásukat a kompozitok tulajdonságaira. Polimer mátrixú hibrid kompozitokban a hagyományos szálerősítés a felelős a nagy rugalmassági moduluszért, szakítószilárdságért és a tervezhető anizotrópiáért Nanoszálak előállítási módszere Nanostruktúrák előállítására alapvetően két eljárás létezik, a top-down (felülről lefelé) és a bottom-up (alulról felfelé). Előbbinél a kiinduló anyagot bontják le mind kisebb és kisebb részekre, mindaddig, míg elérnek a nano nagyságrendig (például nanométer létrehozása tömb anyagból). Ezzel szemben a bottom-up módszernél az anyag molekuláris vagy atomi méretű egységeiből kiindulva építik fel a kívánt nanoszerkezetet (például makromolekula képződése monomerből növekedés révén). Top-down módszer például az elektro-szálképzés, a Langmuir-Blodgett filmképzés, az ozmózis és a lézer mikro/nano lenyomat képzés. Bottom-up módszer például az önrendeződő folyamat, a kémiai oxidálás és az emulziós polimerizáció. Polimer nanoszálak előállítására napjainkra már több eljárást fejlesztettek ki, mint például elektro-szálképzés; lézeres szuperszonikus szálképzés; ömledékfúvás; a módosított ömledékfúvás vagy a szigetek-a-tengerben típusú konjugált ömledékes szálképzési eljárás [7]. A nanoszálak legtermelékenyebb eljárásának a szálak kétkomponensű szálból történő előállítása tekinthető. Leggyakrabban szigetek-a-tengerben típusú kétkomponensű szálakat használnak ebben a technikában. Az elnevezés onnan ered, hogy a kétkomponensű szálak keresztmetszetében az egyik komponens úgy mutatkozik meg, mint apró szigetek 13

14 halmaza, ezeket öleli körbe a másik komponens (mátrix), a tenger (1. ábra). A két komponens eltérő anyagú, valamint inkompatibilisek, ahol a tenger anyaga könnyebben oldható. A mátrix kioldása után az eredetileg egybefüggő szál elemeire bomlik és a megmaradt komponens ( szigetek ) vékony szálak formájában elkülönülve jelennek meg [8]. 1. ábra: Szigetek-a-tengerben típusú szálak keresztmetszeti képe [9] A legelterjedtebb szálképzési eljárás az elektrosztatikus szálképzés, mellyel általánosan 10 nm-től néhány száz nm-ig terjedő átmérő tartományban készíthetünk szálakat. A módszer már régóta ismert, amelyre az első szabadalmat 1902-ben Cooley és Morton nyújtotta be. Az 1930-as években az eljárást Forhals tökélesítette, azonban a tudomány akkori állása miatt csak az elmúlt két évtizedben terjedtek el szélesebb körben az elektroszálképzett nanoszálak. Segítségével nagy mennyiségben és költséghatékony módon állíthatunk elő nanoszálakat. Míg a hagyományos szálgyártási technológiák során a szálak nyújtása mechanikai erővel történik, ennél az eljárásnál a szálak nyújtását kiváltó erő az elektrosztatikus térből ered [10]. Elektro-szálképzett nanoszálak számos különféle polimer alapanyagból előállíthatóak, mint például PVA (poli-vinilalkohol), PA-6 (poliamid-6), PEG (poli-etilénglikol), PLA (politejsav), PAN (poliakrilnitril), PVP (polivinil-pirrolidon) stb. Az elektro-szálképzés folyamatának kulcsfontosságú elemei: a nagyfeszültségre feltöltött elektróda és a földelt szálgyűjtő, más néven kollektor (2. ábra). A szálképzés alapját az képzi, hogy elektrosztatikus erők segítségével egy lépésben alakítjuk ki a kívánt nanoszálakat a polimer oldatból. Az előállított nanoszál tulajdonságai függenek az elektromos térerősségtől, a mező egyenletességétől, a polimer viszkozitásától, a szálképző fej és a szálgyűjtő távolságától, a szálgyűjtő geometriájától és dielektromos jellemzőitől, valamint hogy a szálképző oldat milyen módon került elhelyezésre [7]. 14

15 2. ábra: Általános elektro-szálképző készülék. [11] A tipikus polimer oldatos elektro-szálképző készülékeknél a nagyfeszültségű tápegység biztosítja a szükséges feszültséget a kívánt polimer oldattal feltöltött tárolóhoz. Ez az oldat rendszerint elektromosan jól vezető, amelyet egy szálképző tű nyílásán préselnek át, ahonnan csepp formájában lép ki. Az elektrosztatikus erőtérnek köszönhetően a fellépő elektrosztatikus erők igen könnyen kölcsönhatásba kerülnek a polimer oldattal. A töltések ilyenkor a csepp felszínére vándorolnak, ahol taszítják egymást. Egy adott töltéssűrűségi határon túl az elektrosztatikus erők meghaladják a cseppet stabilizáló felületi feszültséget, a polimer oldat felszíne egy ún. Taylor-kúp alakot vesz fel. A kúp csúcsából egy, vagy több vékony folyadéksugár lökődik ki, amely során elektromos töltéseket szállít magával, másodpercenként több méteres sebességgel a földelt elektróda felé. Miközben a folyadékszál a szálképző fejtől a földelt kollektor felé halad, a felületén található töltések szintén taszítják egymást, amely hatására a folyadékoszlop tovább vékonyodik. A szálképző és a szálgyűjtő jellemző távolsága mm. A párhuzamosan képződött szálak a szálgyűjtő felé haladva egymás útját keresztezik, amely hatására szabálytalan szerkezetet létrehozva egymásba fonódnak. Ennek végeredményeként megkapjuk a szubmikronos (<1 µm) vagy nanométeres átmérőjű nanoszálakból álló szövedéket, amelyek a földelt elektróda felületén összegyűjthetők (3. ábra). Ebben a technikában a berendezés és az eljárási körülmények összetevőinek manipulálása, valamint a különféle polimerek és az oldószerek lehetővé teszik, hogy a nanoszálas termékeket igényeink szerint igazítsuk az egyes alkalmazásokhoz. A polimer oldat paraméterei nagymértékben befolyásolják a keletkezett szálak tulajdonságait, ezért fontos nagy hangsúlyt fektetni a megfelelő paraméterek kiválasztására. A szálátmérő az oldat viszkozitásának változtatásával szabályozható, ugyanis sűrűbb oldat vastagabb 15

16 szálakat eredményez, azonban túl híg oldat esetén nem képes folyadéksugár kialakulni. Az oldat tömegáramának beállítása is nagy befolyással bír a szálképzésre, amelyet érdemes olyan mértékben maximalizálni, hogy a ténylegesen szükséges anyagmennyiség jusson a szálképző fejbe. Törekedni kell, hogy ezt a mennyiséget ne lépjük túl, a csepegés és a szakállasodás elkerülése érdekében. A térfogatáram szintén szerepet játszik a szálátmérő szabályozásában, ugyanis a térfogatáram az átmérők növekedését eredményezi, ez azonban a morfológia romlásához vezethet. Oldat előállításakor az oldószer kiválasztásának a megszilárdulásban van jelentős szerepe. [7] Különböző adalékanyagokat keverve a polimer oldatba elektro-szálképzés előtt, azok beépülnek a kapott polimer termékbe újszerű nanoszálas anyagokat eredményeznek a tulajdonságok változatos skáláján [11]. Adalékanyagok hozzáadása történhet a szálképződés javítása érdekében is, pl. felületaktív adalékokkal könnyen befolyásolható a felületi feszültség, amely a folyadéksugár stabilitásához vezet bizonyos kereteken belül. 3. ábra: Nanoszálas szövedék pásztázó elektronmikroszkópi képe. [13] A tudomány jelenlegi állása szerint már lehetőség van arra is, hogy nanoszálas anyagokat nagyobb méretekben, ipari méretű termeléshez állítsunk elő. Ezek egyike a Nanospider TM technológia, amely egy szabadalmaztatott, tű nélküli, nagyfeszültségű, szabad folyadékfelszínes elektro-szálképző eljárás. A technológia azon a felismerésen alapul, hogy Taylor-kúpok és az anyagáramlás nemcsak a kapilláris hegyéből, hanem a polimer oldat egy vékony filmjéből is létrehozható. A Nanospider TM technológia lehetővé teszi a nanoszálak termelését vízben, savban vagy bipoláris oldószerekben oldott polimerekből, valamint polimer ömledékből is, továbbá szerves-, illetve szervetlen szálak előállítására is alkalmas [14]. 16

17 2.3. Nanoszálak felhasználási területei A hagyományos (mikro-méretű) szálak főként a műszaki szálak, mint például a karbon, üveg, és Kevlar szálak egyik legfontosabb felhasználása kompozit szerkezetek erősítéseként történik. Ezekkel a megerősítésekkel a kompozitok kiemelkedő szerkezeti tulajdonságokkal ruházhatóak fel, mint például a magas modulusz és szilárdság-tömeg arány, ami egyébként önmagukban nem érhető el más mesterséges anyagokkal. Habár a nanoszálak szilárdsági tulajdonságaikban nem közelítik meg a hagyományos szálakét, azonban számos egyéb olyan mechanikai tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek kedvezőbbek, mint az azonos anyagból készült mikroszálak. Ez a magyarázata annak, hogy a kutatások szüntelenül folynak a kompozitok különféle mechanikai tulajdonságainak javítására nanoszálak segítségével. Nanoszálak jelen lehetnek kompozitokban mint elsődleges, vagy másodlagos erősítőanyagok. Utóbbiról beszélhetünk olyan hibridkompozitoknál, mikor hagyományos szintetikus polimer-polimer kompozitokat társítunk nanoszálakkal [7]. A nanoszálas struktúrák nagyon hajlékonyak, így jól alkalmazkodnak az erősítőanyag alakjához. Porózus szerkezetének és nedvesítési tulajdonságainak köszönhetően a nanoszálas rétegek úgy képesek beépülni a hagyományos erősítőanyagok gyantadús rétegeibe, hogy ott megvezetik a gyanta terjedését. Ennek köszönhetően méret- és tömegbeli növekedés nélkül képesek a mechanikai tulajdonságok javítására. Ezen felül pozitív befolyással hatnak a rétegek közti kapcsolat minőségére is, azonban szilárdsági tulajdonságai miatt inkább repedésterjedést gátló hatása miatt alkalmazzák, minthogy erősítést szolgáljanak. Elsődleges erősítőanyagként olyan esetekben kerülnek felhasználásra, mikor a szálak vagy anyagukat tekintve, vagy utólagos eljárásoknak köszönhetően megfelelően szilárdnak tekinthetők. A nanoszálak nagyon magas felület-térfogat arányából adódóan alkalmasak lehetnek a kompozit laminátumok rétegközi szívósságának növelésére is. Egy a közmúltban kiadott amerikai szabadalomban Dzenis és Reneker [14] nanoszálakat javasolt helyezni a laminált rétegei közé javítani azok delaminációs ellenállását. Poli-benzimidazol (PBI) nanoszálakat helyeztek el a szénszál erősítésű és epoxi mátrixú laminátum rétegeinek csatlakozási felületéhez a síkbeli tulajdonságok jelentős csökkentése, valamint a rétegek tömegének és vastagságának növelése nélkül. Arról számoltak be, hogy grafit-epoxi pregpregekből készült nm átmérőjű PBI nanoszálak beépítésével, I. módbeli törési munkájában 17

18 15%, míg II. módbeli törési munkájában 130% növekedést észleltek. Tehát hagyományos erősítőrétegek közé nanoszálakat helyezve, a rétegek közötti kapcsolat javítható. Kompozitokban történő felhasználásuk során kiváló szerkezeti tulajdonságra lehet számítani, egyes esetekben olyan tulajdonságok is megfigyelhetőek,a melyek hagyományos (mikroszálas) kompozitokkal nem érhetőek el. Például ha különbség van a szál és a mátrix refrakciós indexe között, az így kapott kompozit átlátszatlanná válhat a fényszórás miatt. Ez a korlátozás azonban megkerülhető, ha a szál átmérője lényegesen kisebb lesz, mint a látható fény hullámhossza [16]. A nanoszálakkal erősített kompozitokkal folytatott fejlesztések célja elsősorban néhány kiemelkedő fizikai (pl. optikai és elektromos) és kémiai tulajdonság elérése, miközben a kompozitok megtartják mechanikai tulajdonságaikat. Például ahogy az Bergshoef és Vancso tanulmányából [17] látszik, az epoxi kompozit nm átmérőjű poliamid-4,6 nanoszálakkal egy jellegzetes átláthatóságot mutat a szálak látható hullámhossznál kisebb méretéből fakadóan. A korlátozott számú nyílt irodalom miatt számos fontos kérdés még megválaszolatlan a polimer nanoszálakkal erősített kompozitokkal kapcsolatban. Például jól ismert, hogy a polimer erősítőszálak és a mátrix közti adhéziós kapcsolat általában gyenge. Azt hogy hogyan lehet módosítani ezt a kötést a polimer nanoszálak és a mátrix között a kompozitokban még nem teljesen tisztázott, azonban nagyszámú publikáció létezik ebben a témában a hagyományos szálakkal erősített kompozitok terén. Sok mikromechanikai modellt dolgoztak ki a merevség és a szilárdság előrejelzéséhez is szálas kompozitoknál, azonban hogy ezek vajon továbbra is alkalmazhatóak-e nanoszálas kompozitoknál, ellenőrizni kell [18]. A legnagyobb akadályt az képezi a hagyományos szálas és nanoszálas kompozitok összehasonlítása terén, hogy a mechanikai viselkedését egy egyedülálló polimer nanoszálnak nem ismerjük. Kompozitok megerősítése mellett, potenciális alkalmazási lehetőségeiknek köszönhetően, más területeken is egyre inkább elterjedtek a polimer nanoszálak az utóbbi években. Kulcsfontosságú szerepet töltenek be az illetékes amerikai szabadalmak, amelyekben a legtöbb alkalmazás szűrőrendszerek és orvosi protézisek (főleg erek és beültetett szövetek) területén van. További alkalmazások jelentek meg az elektro-mágneses árnyékolás, folyadékkristályos berendezések és szövet vázanyagok területén is. A sematikus ábra ezeknek a szabadalmi bejelentéseknek az arányát mutatja be (4. ábra). 18

19 4. ábra: A nanoszálak alkalmazási területei az Egyesült Államok-beli szabadalmak alapján [16] Ahogy ez 4. ábrából is látható, a nanotechnológia igen fontos szerepet tudhat magáénak az orvostudományban. Csak néhány példát említve a továbbiakban: nanoszálas maszkokat és légszűrőket alkalmazhatnak többek között műtőkben, ugyanis a nano-méretekből fakadóan kiválóan alkalmas kórokozók szűrésére, amely hatás fokozható antivirális hatású adalékokkal is. Egyedi szűrőképességükből adódóan ideális vér- és egyéb testnedvek szűrésére is. Nano-kelmék vékony szövetek pótlására is alkalmasak, mint például a katéterek és a különféle implantátumok. Ezen felül ideális vegyületek optimális elhelyezésére, például olyan készítményekhez, amelyek segítik a sebgyógyulást vagy a hámosodást. A szűrés szerepe számos műszaki területen is igen jelentős. A nanoszálas anyagok felhasználása szűrőközegként előszeretettel alkalmazott, nagy szűrési hatékonyságuk és alacsony légellenállásuk miatt. A szűrés eredményessége a nanoszálak rendkívül nagy felület-térfogat arányának és az ebből adódó felületi kohéziónak tudható be, amelynek köszönhetően az apró, 0,5 mm-nél kisebb tartományba eső részecskék könnyen fennakadnak a nanoszálas struktúrájú szűrőkön. A szűrőképesség hatékonysága szorosan kapcsolódik a szálak finomságához, amely az egyik legfontosabb szempont a szűrő hatékonyságát illetőleg. Az iparban már sikeresen készítenek olyan nanoszálas szűrőanyagot tiszta sűrített levegő előállításához, amelyek segítségével képesek az akár a 0,3 mikronos olajcseppek felfogására is. Napjainkra tehát lehetővé vált a barátságtalan részecskék kiszűrése ilyen szubmikronos tartományban is. A polimer nanoszálak pár kiterjesztettebb alkalmazási területét tartalmazza a következő táblázat (1. táblázat): 19

20 Kozmetikai maszkok: - bőrtisztítás - bőrgyógyítás - bőrterápia orvosságokkal Szövetsebészet: - porózus membrán bőrnek - csőidomok vérereknek és idegek regeneráláshoz - 3D-s vázak csontnak és porcregeneráláshoz Nano-szenzorok: - termikus szenzor - piezoelektromos szenzor - biokémiai szenzor - fluoreszcens optikai-kémiai szenzor Élettudományi alkalmazások: - gyógyszeradagoló hordozó - vérzéscsillapító készülék - sebtisztítás Egyéb ipari alkalmazások: - mikro/nano méretű elektronikus készülékek - elektromágneses interferenciaárnyékolás - fényelektromos berendezések (nano-napelem) - LCD készülékek - ultrakönnyű űrhajó anyagok - magasabb hatékonyságú és funkcionális katalizátorok Katonai védőöltözetek: - minimális impedancia a levegővel - biológiai gázok - aerosol részecskék hatékony felfogása Szűrő közeg: - folyadékszűrés - gázszűrés - molekulaszűrés 1. táblázat: Nanoszálak alkalmazási területei [16] Meg kell hagyni, több alkalmazás ezek közül nem éri el az ágazati szintet, csak a laboratóriumi kutatási és fejlesztési szakaszban van, azonban ígéretes lehetőségnek bizonyulnak annyira, hogy felkeltsék beruházások, a tudományos élet, a kormányok, és az ipar figyelmét szerte a világon Erősítőanyagok gyantafelvétei folyamata A kompozitok jellemzően szívós mátrixból és nagy szilárdságú erősítőanyagból épülnek fel. A gyanta szerepe az erősítőstruktúrák összekapcsolása, valamint biztosítani azok együttdolgozását terhelésfelvétel közben. A delamináció hátterében a rétegek közti mátrix tönkremenetele áll, amelyért a szál-mátrix rossz együttdolgozása felelős. Ennek hatására a tehereloszlás egyenlőtlenné válik, amely végül a kompozit teljes tönkremeneteléhez vezethet [19]. Az erősítőszálak a megfelelő mechanikai szilárdságot biztosítják a kompozitban, amelyet nagyban befolyásolj az erősítőanyag mennyisége, valamint tömeg-, vagy térfogatszázalékos aránya. Ezért fontos, hogy kompozit szerkezeteinkhez ideális arányban alkalmazzunk erősítőanyagot és mátrixot, tehát hogy az erősítőanyagot megfelelőképpen át tudjuk itatni gyantával. Az erősítés minősége jelentős 20

21 mértékben függ az impregnálhatóságtól és a nedvesíthetőségtől, így feltétlenül szükséges a felhasznált erősítőanyag nedvességfelvételi folyamatainak ismerete Nedvesítés, határfelületi energia, peremszög Egy rendszerben a határfelületi energiával (ill. felületi feszültséggel) jellemezhetjük a határfelületek jelenléte miatt fellépő energiatöbbletet. A rendszerre nézve ezt az energiatöbblet α és β fázis határán négyzetméterenként a [ ] mennyiség jelöli [20]. A Wilhelmy-lemezes módszert gyakorta alkalmazzák a felületi feszültség meghatározásához, mely során állandó sebességgel egy elektromérlegen függő platinalemezt a mérendő oldatba merítünk, körülbelül a lemez kétharmadáig. Ezután a bemerítéssel megegyező sebességgel kihúzzuk a folyadékfázisból, a lemez folyadékfelszínből való kiszakadásáig [22]. A módszer segítségével a mért erő (F) ismeretében a (1) egyenlet alapján határozható meg egy platina lemez felületi feszültsége [23]. ( ) (1) ahol: (2x+2y): lemez kerülete [m]; G: lemez súlya [N] A szilárd és folyadékfázisok kölcsönhatása leginkább azzal a jelenséggel jellemezhető, mikor szilárd anyagra folyadékot cseppentünk, amely teljesen vagy részlegesen szétterül a szilárd felületen. A folyadék- és a szilárd fázisok kölcsönhatása teljes szétterülésnél a bemerítési hővel, míg részleges szétterülésnél a peremszöggel jellemezhető. A peremszög (Θ) azt az illeszkedési szöget jelöli, amely a szilárd és a folyadékfázis érintkezése mentén kialakul. (5. ábra). A folyadék és a szilárd test molekuláinak határfelületein fellépő kölcsönhatások függvénye a szétterülés mértéke. Nedvesítésről akkor beszélhetünk, mikor két különböző közeg molekulái közötti adhéziós erők nagyobban, mint a folyadék molekulái közötti kohéziós erők. Ezek az erők azonban ismeretlenek, így az illeszkedési szög meghatározása a felületi feszültségek segítségével történik, amely a kapilláris emelkedéséből/süllyedéséből kiszámítható. Szilárd felületre helyezett folyadékcsepp olyan egyensúlyi alakra és peremszögre törekszik, amelynél a rendszer minimális szabad entalpiával rendelkezhet. A Young egyenlet (2) segítségével írható le az az összefüggés, amely segítségével a különböző 21

22 fázisok közötti határfelületi energiák és az egyensúlyi peremszög kapcsolata meghatározható [23]: (2) ahol: Θ: peremszög [ ]; : szilárd/gőz határfelületi energiája [N/m]; : szilárd/folyadék határfelületi energiája [N/m]; : folyadék/gőz határfelületi energiája [N/m] 5. ábra: Folyadékcsepp szilárd felületen történő szétterülése, peremszög értelmezése [21] Mivel a folyadék a szilárd felületen különféle metastabil szögeket alkothat, melyeknek nem ismert az egyensúlyi peremszöggel való triviális kapcsolata, így a Young-egyenlet alkalmazása nehézkes. Tapasztalati eredményeknek köszönhetően elmondható, hogy a szilárd/folyadék határfelület létrejöttekor kialakuló peremszögek (Θ A ) nagyobbak, mint a határfelület megszűnésekor megvalósuló peremszögek (Θ B ). Ez az irányfüggés a peremszög hiszterézis. A határfelület kialakulásakor létrejövő maximális és a megszűnésekor kialakuló minimális peremszög azonban már egyszerűbben meghatározható, például mikrotenzióméter segítségével a (3) összefüggés alapján [23]. (3) ahol: : a minta és a folyadék között kialakuló meniszkusz tömege [g]; g: a nehézségi gyorsulás (9,81 ); γ: folyadék felületi feszültsége [N/m]; P: a minta folyadékkal érintkező peremvonalának hossza [mm] 22

23 A tapasztat azt bizonyítja, hogy a peremszög befolyásolható folyadékban feloldott anyagokkal. Ennek oka, hogy a rendszer határfelületein az oldott anyag molekulái vagy ionjai abszorbeálnak, így a (3)-es egyenletben feltüntetett határfelületi feszültségek megváltoznak, tehát a peremszög is. Ha megfelelő anyag kerül feloldásra, a szilárd felület nedvesedőképessége csökkenthető vagy növelhető, amelynek gyakorlati jelentősége rendkívül nagy számos technológiában. A nedvesedés kémiai felületkezeléssel javítható. A felületeket vízzel szembeni viselkedésüket tekintve alapvetően két csoportba sorolhatók. Eszerint hidrofil ( vízkedvelő ) és hidrofób ( víztaszító ) felületekről beszélhetünk. Kémiai felületkezelés esetén hidrofilizálni és hidrofobizálni is tudunk az igények szerint. Kémiai felületmódosítás eredményeként teljesen megváltozhat a felületkezelt anyag felületi viselkedése, az előnyös tömbfázis tulajdonságok megmaradása mellett [24] Folyadékfelvételi folyamat Ahhoz, hogy a kompozitok folyadékfelvételi vizsgálatait megérthessük, elengedhetetlen a folyamat fizikai hátterének megismerése. Szálerősített kompozitok a nedvességfelvétele nem írható le egyetlen folyamat segítségével, ugyanis a szál-mátrix határfelületek, valamint a kompozitokban található gyantadús és gyantával nem megfelelően átitatott szálkötegek leírása két eltérő jellegű folyamatot eredményez. A mátrixra jellemző diffúziót Fick II. törvénye írja le. A porózus anyagokra jellemző kapilláris vízfelvétel pedig legegyszerűbben Lucas-Washburn egyenlet alapján értelmezhető. Utóbbit eredetileg az egykapilláris (monokapilláris) modell leírására dolgozták ki, azonban az összefüggések a fizikai folyamatok hasonlóságának köszönhetően mikroporózus szerkezetek folyadékfelvételi folyamatának közelítésére is alkalmasnak bizonyultak, így széles körben alkalmazhatóak [25]. A folyadékfelszívási folyamatok jellegét a 6. ábrán látható telítődési görbe mutatja. A görbe alapján meghatározható egy olyan a telítődési értékhez tartozó felvett folyadék tömeg ( ), vagy felszívott folyadékmagasság ( ) amelyet az adott szálas anyag végtelen idő alatt maximálisan képes felvenni. A mérések jellemzően véges intervallumban történnek, ezért célszerű egy olyan t τ időt megadni, amihez h τ, ill. m τ már elég közeli a telítődési értékhez [23]. 23

24 6. ábra: Folyadékfelvételi diagram [23] A (4) összefüggés áll fenn a felvett folyadék tömegére [23]. (4) ahol: h: meniszkusz magasság [mm]; A p : kapilláris keresztmetszet [mm 2 ]; ρ: folyadék sűrűség [g/cm 3 ] A Lucas-Washburn egyenlet (5) a következő alakban írható fel folyadékmagasságra, illetve a felvett folyadék tömegére [23]: ; (5) ahol: h: meniszkusz magasság [mm]; t: idő [s] ; b[m 2 /s] és a [m/s]: felszívott folyadékmagasságra vonatkoztatott konstansok közelítés során (b= ; a= ); b m [kg 2 /s] és a m [kg/s]: tömegre vonatkoztatott konstansok közelítés során (b m =( ) ; a m =( ) ); r p : kapilláris vagy pórus sugara [µm]; γ: gyanta felületi feszültsége [N/m]; Θ: minta és a folyadék közti peremszög [ ]; g: nehézségi gyorsulás (g=9,81 ); ρ: gyanta sűrűsége [g/cm 3 ]; η: gyanta viszkozitása [mpas]. A kapillárismagasságot (6) megkaphatjuk az (5) egyenlet egyensúlyi alakjának átrendezésével [23]. (6) A folyadékfelvétel kezdeti szakaszában a felszívott folyadék magasságát, illetve tömegét, a Lucas-Washburn egyenlet egyszerűsítésével kaphatjuk meg, melynek megoldását a (7) összefüggés írja le [23]. ( ) ; ( ) (7) 24

25 ahol: t: idő [s]; b: felszívott folyadék magasság Lucas-Washburn-féle konstansa [m 2 /s]; b m : felszívott folyadék tömeg Lucas-Washburn-féle konstansa [kg 2 /s]. Az egyenlet átalakításával a (8) illetve (9) összefüggések írhatóak fel, amelyek a tömegre, ill. kapillárismagasságra vonatkoztatva a pontos megoldással megegyező, közelítő explicit megoldást adnak, ha aszimptotikusan t 0 és t [23]: ( ) [ ( ) ] ; ( ) [ ( ) ] (8) (9) ahol: h(t): egy adott pillanatban a felszívott folyadék magassága [mm]; : telítődéshez tartozó egyensúlyi folyadékmagasság [mm]; a: felszívott folyadék magasság Lucas- Washburn-féle konstansa [m/s]; m(t): egy adott pillanatban a felszívott folyadék tömege [g]; : telítődéshez tartozó egyensúlyi folyadék tömege [g]; a m : felszívott folyadék tömeg Lucas-Washburn-féle konstansa [kg/s] Szálerősítésű kompozitok előállítása Az, hogy milyen mennyiségben képes az erősítőanyag a gyantafelvételre, nagyban függ az alkalmazott gyártástechnológiától. Kézi laminálás során a szerszámon amely készülhet fából, fémből vagy akár gipszből is egymás után helyezzük el az erősítőanyag rétegeket, valamint a megfelelő viszkozitással rendelkező gyantarétegeket, amely a folyamat kezdetén még viszkózusan folyó oligomer állapotban van jelen. A gyantafelvitel általában ecset segítségével történik, ügyelve a légzárványok elkerülésére. A gyanta erőstruktúrába való behatolásának eredményességét hengerekkel, vagy egyéb átitatódást gyorsító eszközökkel növelhetjük [26]. A réteges felépítésnek köszönhetően úgy optimálhatjuk a termékünket, hogy minimális önsúly mellett a legnagyobb szilárdságot kapjuk az igénybevétel erővonalai mentén. A konstrukció kialakításával történik tehát a rétegek méretezése, a rétegrend kialakítása és az irányok meghatározása. A gyártástechnológia másik lényegi pontja a térhálósítás, ugyanis a termék fizikai és mechanikai tulajdonságait az határozza meg, hogy a mátrix alapanyag milyen mértékben tudja megközelíteni a teljes átalakulást. Gyantába kevert inhibitor használatával a gélesedés (fazékidő) késleltethető, amely hosszabb feldolgozási időt tesz 25

26 lehetővé. A kézi laminálás előnye, hogy gyakorlatilag korlátlan az előállítható termékek nagysága, illetve bonyolultsága. A kézi laminálás alapjában véve tehát egy nyomás nélküli eljárás. A térhálósítás során azonban meghatározó szerepet játszik a nyomás az erősítőanyag és a mátrix közötti kapcsolat kialakításában. A kézi rétegeléssel szemben az injektálásos eljárások előnye a környezetterhelés csökkentésében rejlik. Légbuborékoktól mentes szerkezet kialakításához vákuumpréselés vagy valamely túlnyomásos technika ajánlott. A nyomás alatti gyantainjektálás (RTM) és a vákuummal segített nyomás alatti gyantainjektálás (VARTM) széles körben elterjedt eljárások szálerősítésű kompozitok gyártásánál. RTM során az erősítőszálakat az alsó merev szerszámfélbe helyezik még száraz állapotban. Ezt követően mechanikusan vagy nyomás segítségével a felső szerszámfelet rögzítik az alsóhoz. A szerszámon található nyílásokon keresztül folyékony, reaktív gyantát fecskendeznek be addig, míg a gyanta teljes mértékben kitölti a szálak közötti szabad térfogatot. Feltételezve, hogy a szerszám kellőképp merev, hogy ellenálljon a gyanta és az előforma nyomásának, a merev szerszám megakadályozza az előminta expanzióját vagy kompresszióját, amelynek köszönhetően a méretváltozása elhanyagolható lesz. VARTM során az erősítőrétegeket a merev szerszámlapra helyezzük, és a formát lezárjuk egy rugalmas vákuumzsák segítségével [27]. A létrehozott vákuum miatt fellépő nyomás hatására a szerszámon található nyílásokon keresztül a gyantafelesleg és a szerszámüregben lévő levegő távozik. Injektálást követően általában szobahőmérsékleten történik a térhálósítás, azonban szükség szerint temperálást is alkalmazhatunk. Mátrixanyagként leggyakrabban telítetlen poliészter-, vinilészter-, fenol- vagy epoxigyantát használnak. Számos előnnyel rendelkezik az eljárás, mint például a kézi lamináláshoz képesti nagyobb száltartalom (40V%), a jó mechanikai és felületi minőség, valamint az egyenletes falvastagság Az irodalom összefoglaló-kritikai elemzése, célkitűzések Az irodalomkutatás alapján megállapítható, hogy napjainkban számos kutatási eredmény fellelhető nanoszálas struktúrák területén, mely a nanoszálak megannyi potenciális alkalmazási lehetőségének tulajdonítható. A nanoszálas szerkezeteknek kiemelkedő szerepe van az élet számos területén, többek között felhasználásra kerülnek kompozitok erősítőanyagaként, szűrőberendezéseknél vagy orvosi protéziseknél is. 26

27 Nanoszálképzési eljárások közül az elektrosztatikus szálképzésnek kiemelkedő szerepe van, ugyanis segítségével az igények széles skáláját kielégítő nanoszálas szövedékek állíthatóak elő költséghatékony módon. Nanoszálak kompozitokban történő alkalmazásukhoz a tervezhetőség érdekében elengedhetetlen mechanikai tulajdonságaik és gyantafelvételi folyamatainak ismerete. Hagyományos szálas erősítőanyagok területén több neves kutató foglalkozott ezeknek a tulajdonságoknak a vizsgálatával (Lucas-Washburn, Fick, stb.) és segített egy olyan összetett rendszer megalkotásában, melynek köszönhetően a szálas szerkezetek viselkedése helytállóan magyarázhatóvá vált. A nanoszálak kis méretből adódóan azonban a hagyományos erőstruktúráknál megismert törvényszerűségek nem használhatóak, ugyanis ebben a mérettartományban már kvantummechanikai törvények érvényesek, nem a klasszikus mechanikai törvények. Ezért elengedhetetlenül szükséges a viselkedésbeli különbségek feltárása, mely érdekében dolgozatomban az alábbi feladatokat tűztem ki: - Üvegszálas erősítőanyagok és nanoszálas szövedékek gyantafelvételi folyamatainak összehasonlítása - Nanoszálaspaplan viselkedésének vizsgálata laminált kompozit mintákban - Nanoszálas szövedékek kompozitokban történő felhasználása során a nanoszálak hatásának vizsgálata a kompozit mechanikai tulajdonságaira 27

28 3. VIZSGÁLAT ANYAGOK, VIZSGÁLATI MÓDSZEREK Ebben a fejezetben a vizsgálataimhoz felhasznált alapanyagok és berendezések, valamint az általam felhasznált kísérleti és mérési módszerek kerülnek bemutatásra Felhasznált anyagok Nanoszálak előállítására alapanyagként a tanszéken rendelkezése álló poliakrinitrilt (PAN), oldószerként pedig 95% tisztaságú dimetil-formamidet (DMF) alkalmaztam. A tanszéki által végzett előzetes kísérletek alapján 12 m% volt az optimális oldatkoncentráció, ugyanis ebben az esetben kaphatunk szálhibáktól mentes és minimális szálátmérővel rendelkező szálakat. Kompozit lemezek készítéséhez üvegszövetet, általam előállított nanoszálas PAN szövedéket, valamint tanszék által készített 2 m% nanocső töltésű PAN nanoszálpaplant alkalmaztam erősítőanyagként. Az iparban készített laminált kompozit lapok gyártásánál gyakran poliészter gyantát alkalmaznak, ezért és aránylag könnyű feldolgozhatósága miatt mátrixanyagként a Novia Kft. (Aropol M 105 TB) telítetlen lamináló poliészter gyantáját választottam, a hozzá tartozó peroxidos térhálósítóval (iniciátor) együtt. Keverési tömegarányuk 100:1,5 volt. A gyanta szobahőmérsékleten történő alkalmazása során folyékony és feldolgozásához nem szükséges nagy nyomás. A kiválasztás másik szempontja a poliészter gyanta könnyű kezelhetősége, valamint kiváló üvegszál nedvesítő tulajdonsága volt. A gyanta közepes gélesedési idővel rendelkezik. Térhálósodási jellemzői alapján a gyártó 2-10 mm vastagságú kompozit lemezek gyártásához javasolja. További előnye a gyanta felhasználása során történő alacsony (2-5%) sztirol kibocsátás, amely más gyanták esetében 5-10% [28]. Gyantafelszívási kísérleteimhez vágott szálú üvegszálpaplant, üvegszövetet és saját készítésű PAN nanoszálpaplant használtam fel, amelyeket a fentivel azonos poliészter gyantába merítettem. A vizsgálataimhoz használt üvegszálas erősítőanyagokra jó mechanikai tulajdonságaiknak, és kedvező ár-érték arányuknak köszönhetően esett a választásom. 28

29 3.2. Felhasznált berendezések és anyagvizsgálati módszerek Elektro-szálképző berendezés Elektro-szálképzett nanoszálas szövedékeimet a tanszéken található, Molnár Kolos által fejlesztett, szabadalomként bejelentett berendezésen [29] állítottam elő. Meghatározó különbség az irodalomkutatásomban bemutatott elektro-szálképző berendezéssel szemben a hengeres szálképző fej, amelynek felső körlapján kialakításra került egy körbefutó rés. A nanoszálak alapanyagát (polimer oldat) ezen keresztül egyirányban áramoltatva, nagyfeszültség alatt állítható elő a kívánt nanoszálpaplan. A berendezés szálképzési paraméterei megegyeznek a Nanospider technológiánál alkalmazottakkal. A szálképzés során 40 ml/óra oldatáramot alkalmaztam, ugyanis kísérleteink szerint emellett a sebesség mellett került megfelelő mennyiségű oldat a szálképző fejre a szálképzéshez, az oldat túlcsordulása nélkül. A szálképző fej és a szálgyűjtő távolsága 200 mm volt. A tápfeszültséget szálgyártás során kv-on működtettem. A berendezés működése folyamán ventilátor segítségével, keresztirányú légárammal szellőztettem a szálképzési teret. A készített minták vastagsága az elhúzó sebességének állításával volt szabályozható. A berendezés és a szálképző fej a 7. ábrán látható. a) b) 7. ábra: Tanszéki elektro-szálképző berendezés a) főbb szerkezeti egységek: 1: szálgyűjtő elektróda; 2: elhúzó; 3: szálképző fej;4: elhúzó sebességének és szálképző fej fordulatszámának szabályozása; 5: oldatadagoló; 6: nagyfeszültségű tápegység b) szálképző fej 29

30 Hárompontos hajlítóvizsgálat A statikus mechanikai viselkedés megismerése érdekében a hárompontos hajlítóvizsgálatokat ZWICK Z005 (Németország) típusú univerzális, számítógép-vezérlésű terhelőgépen 10 mm/perc sebességgel végeztem az MSZ EN ISO 14125:1999 szabvány szerint. A lemezekből a laminátok szálirányának megfelelően vágtam ki a próbatesteket. A szabvány a minta vastagságának függvényében adja meg az alátámasztási távolságot, amely a próbatestek ~1 mm-es vastagságából így 40 mm-re adódott. A szabványnak megfelelően a próbatesteket ennek 10%-áig, tehát 4 mm határlehajlásig terheltem. A méréseket anyagokként 5-5 próbatesten hajtottam végre. Az egyes próbatestek pontos befoglaló szélesség, vastagság és hossz méreteit tolómérővel, míg tömegét tömege 0,0001 g mérési pontosságú mérleggel mértem. Ezek az adatok az I. mellékletben találhatóak. Az általam használt elrendezés a 8. ábrán látható. Hajlítófeszültséget ( [MPa]) (10) és hajlító rugalmassági moduluszt ( [GPa]) (11) számoltam az erő-lehajlás görbékből: (10) ahol: F max : mért maximális erő [N]; L: alátámasztási távolság [mm]; b: próbatest szélessége [mm]; h: próbatest vastagsága [mm]. Ha a próbatest a határlehajlásig nem törik el, akkor a maximális hajlító feszültség a maximum határlehajláshoz tartozó feszültség, ha eltörik, akkor a töréshez tartozó maximális feszültség. A hajlító rugalmassági modulusz (E h ) megadható a (11) szabványban is leírt összefüggéssel [30]: (11) ahol: L: alátámasztási távolság [mm]; b: próbatest szélessége [mm]; h: próbatest vastagsága [mm]; F/ : erő-lehajlás görbe meredeksége [-]. Az erő-lehajlás görbe valójában nem egyenes, azonban a gyakorlatban az érintőmodulusz használatos, amely egyszerűen meghatározható. Ehhez érintő húzandó az erő-lehajlás diagram kezdeti lineáris szakaszához, amely érintő meredeksége a kezdeti hajlító rugalmassági modulusszal arányos. Az érintő tetszőleges két pontjának ismeretében tehát a kívánt meredekség számolható. 30

31 Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) 8. ábra: Zwick univerzális terhelőgép hajlítóvizsgálathoz használt elrendezése Laminált mintáim töretfelületeinek vizsgálatához JEOL JSM 6380 LA (Japán) típusú pásztázó elektronmikroszkópot használtam, amely segítségével tanulmányozhattam a minták morfológiai felépítését és szerkezetét a felszín mentén. A minták felületére vizsgálat előtt minden esetben vékony, elektromosan vezető aranyréteget gőzöltem fel argon atmoszférában JEOL JFC-1200 Fine Coater (japán) típusú katódporlasztásos aranyozó berendezés segítségével, majd egy elektromosan vezető kétoldali ragasztócsíkot alkalmazva rögzítettem őket egy fém mintatartóra az elektrosztatikus feltöltődésé elkerülése végett. Utótérhálósítás A laminált kompozit lemezek utótérhálósítását 80 C-on, 15 percen keresztül végeztem Heraeus UT-20 típusú levegőcirkulációs szárítószekrényben. Ütvehajlító vizsgálat A dinamikus igénybevételek hatását DAS 8000 típusú adatgyűjtővel felszerelt, CEAST Resil Impactor Junior (Olaszország) típusú hárompontos ütvehajlító (Charpy vizsgálat) berendezéssel vizsgáltam. Az inga alkalmazott ütőenergiája 2 J, az alátámasztási távolság 32 mm volt. Szálerősített kompozit anyagok vizsgálatához a szabvány kétféle elrendezést ajánl. EP elrendezésnél az inga párhuzamosan az erősítőrétegekkel a kompozit próbatest 31

32 élét üti meg. FN elrendezésnél az inga merőlegesen az erősítőrétegekkel a kompozit próbatest lapját üti meg. Méréseimet EP elrendezésben végeztem. A vizsgálat során a próbatest által elnyelt energiát mértem, amelyből a Charpy-féle ütőszilárdság [J/mm 2 ] bemetszés nélküli próbatestek révén a (12) alapján számolható [31]: (12) ahol: E max : teljes törési energia [J]; h: próbatest vastagsága [mm]; b: próbatest szélessége [mm]. A méréseket mintatípusokként 5-5 próbatesten végeztem el. Hornyolatlan próbatesteim szélesség és vastagság méreteit, valamint az egyes próbatestek vizsgálata során regisztrált teljes törési energiát a II. melléklet tartalmazza. Tömegmérés A poliészter gyantának és iniciátorának kimérése CAS MWP-1500 típusú mérlegen történt, amelynek mérési pontossága 0,1 g, mérési tartománya g. Vizsgálataimhoz szükséges egyéb tömegméréseket Ohaus Explorer típúsú, 0,0001 g mérési pontosságú és g mérési tartományú gépen végeztem Mintakészítés A görgőzés hatásának vizsgálatához Első esetben erősítőanyagként csak PAN nanoszálpaplant tartalmazó laminátumokat készítettem. Ezek mindegyikében 35 x 35 mm keresztmetszetű nanoszálas szövedékek kerültek. A kompozit lemezeket 1, illetve 3 réteg felhasználásával készítettem, amelyekből átgörgőzött és átgörgőzés nélküli minta is készült. Az átláthatóság érdekében a következő rövidítéseket alkalmaztam az egyes mintáknál: 1, 1G, 3, 3G, ahol a számok: a rétegek számát; G: a átgörgőzött mintát jelzi. Második esetben 50 x 50 mm keresztmetszetű hibridkompozitokat hoztam létre, amelyekben 3 réteg hagyományos üvegszövet közé 2 réteg PAN nanoszálpaplan réteg került váltakozó rétegrendben. A minták elnevezése: 3Ü2N; 3Ü2NG, ahol: Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta, a többi jelölése a fentebb leírtakkal egyenértelmű. 32

33 A fentebb bemutatott minták mindegyikéből töretfelület-vizsgálathoz alkalmas próbatesteket készítettem. Mechanikai vizsgálatokhoz Elsőként 2 db (200 x 200 mm keresztmetszetű) 3 réteg üvegszövettel erősített hagyományos kompozit mintát készítettem el referenciaként, amelyek laminálása során az egyik mintát átgörgőztem (ÜG), míg a másikat nem (Ü). Ezután olyan 100 x 100 mm keresztmetszetű hibridkompozitokat gyártottam, amelyeken a vákuumpréselés hatásait tanulmányozhattam a kompozit szerkezetek mechanikai tulajdonságaira. Ezeknek a mintáknak erősítőanyaga minden esetben 3 réteg üvegszövet (Ü) és 2 réteg 2 m% nanocső töltésű PAN nanoszálpaplan (N) volt. A jobb összehasonlíthatóság érdekében referenciaként egy vákuumpréselés nélküli mintát készítettem (ÜN) és a görgőzés során alkalmazott nyomás hatásának szemléltetésére egy ugyanilyen mintát görgőzéssel (G) is legyártottam (ÜNG). Vákuumozás során a különböző mintákat 1 (1), 0,75 (0,75); 0,5 (0,5); és 0,25 (0,25) bar vákuum alá helyeztem, majd a gyártás utolsó lépéseként szárítószekrényben 15 percig 80 C-on utótérhálósítást végeztem. A vákuumzsákos gyártástechnológia segítséget jelent a légzárványoktól és felesleges gyantától mentes kompozit lemezek eléréséhez, a folyamatos összepréselésnek és elszívásnak köszönhetően (9. ábra). Így magasabb száltartalommal rendelkező és jobb kompozit minták előállítását tette lehetővé, mint az előző pontban gyártott laminátum. 9. ábra: Vákuumzsákos technológia elvi elrendezése: 1: letépőszövet; 2: kompozit lemez; 3: gyantaterítő flísz; 4: levegőszívás; 5: PET fólia; 6: tömítőanyag [3] A felhasznált PET fóliákat a vákuumzsák elkészítése előtt formaleválasztóval kezeltem, amely a letépőszövet szerepével megegyezően még egyszerűbbé tette az elkészült kompozitjaim eltávolítását a szerszámból. A gyantaterítő flísz a gyantafelesleg felszívását szolgálta, amely vákuumozás során a felesleges gyantával átitatódott. A 10. ábrán vákuumozás közben látható egyik hibrid kompozit lemezem. 33

34 a) b) 10. ábra: Kompozit lapok gyártás a) vizsgálat során alkalmazott mérési elrendezés b) általam készített vákuumcsomag 34

35 4. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK 4.1. Gyantafelszívási kísérletek Kompozit szerkezetek előállítása során fontos szempont, hogy az erősítőanyag és a beágyazó mátrix között olyan erős adhéziós kapcsolat alakuljon ki, mely fennáll még nagyfokú igénybevétel esetén is. Ennek a kapcsolatnak a kialakításának egyik igen fontos pillére az erősítőanyag megfelelő mértékű gyantával történő átitatódása. Ha következtetni szeretnénk a kész kompozit termékünk tulajdonságaira, fontos ismernünk az alkalmazott erősítőstruktúra gyantafelvételi tulajdonságait, ugyanis az erősítés minősége nagyban függ az impregnálhatóságtól és a nedvesíthetőségtől [32]. Az impregnálhatóság mértékét leginkább az erősítőanyag szerkezete határozza meg, különösképp a kapilláris és pórusméret-eloszlás. A mérés elve, paraméterei Gyantafelszívási kísérleteimhez a hajlítóvizsgálat során is alkalmazott számítógép vezérlésű Zwick Z005 típusú berendezést használtam mintáim poliészter gyantába való merítéséhez, amely segítségével a mérés programozható lett és ciklusonként gépesíthető. A mérés elrendezése a 11. ábrán látható. 11. ábra: Gyantafelvételi folyamathoz használt berendezés (1: poliészter gyantafürdő; 2: mérőcella; 3 keresztfej; 4: keresztfejhez rögzített mintatartó keret) A merítési ciklusokban a folyadékfelvétel közbeni erőt tehát a tömegből származó súlyt mértem az idő függvényében. A számítógépes vezérlésnek köszönhetően a gyantafelvételi folyamat diagramban rögzíthető lett, amely jól kiértékelhető méréseket 35

36 eredményezett a mért idő és mért erő függvényében. A minták szakítógéphez való rögzítése 30 mm-es szárral rendelkező 40 x 25 mm keresztmetszetű sárgaréz keretek segítségével történt. A tényleges méréseimhez PAN nanoszálas szövedékből, vágott szálú üvegszálpaplanból és üvegszövetből vágtam ki mintákat, amelyeket a kerethez rögzítettem. A kivágott minták tömegét minden esetben megmértem a mérés megkezdése előtt, később ez az érték szolgált vonatkoztatási pontként a felszívott gyanta tömegéhez. Mintatípusokként mérést végeztem, amelyek mindegyikénél számítógép segítségével rögzítettem a felvett gyanta súlyát [mn] az idő függvényében. A gyantába merítési folyamatát a 12. ábrán szemléltettem. a) b) c) 12. ábra: Nanoszálas szövedék gyantába merítési folyamata a) minta bemerítés előtt; b) minta a gyantafürdőben c) minta bemerítés után Az üres keretek tömegét megmértem (III. melléklet). Mintáim gyantában tartási ideje (T alsó ) minden esetben 30 s volt, a folyamat végén pedig 120 s-ot (T felső ) állítottam be a minta keresztfej felső holtpontján való tartózkodására, hogy az esetleges gyantafelesleg visszacsepeghessen. A ciklus létrehozása során beállításra került, továbbá a keresztfej függőleges irányú elmozdulása [s], a gyantába merítés sebessége [v be ], illetve a kihúzás sebessége [v ki ]. Ezt a vezérlési ciklust a 13. ábra szemlélteti. A méréseim a keresztfej felső holtpontjából indulnak. A pozitív értékek a keret nyomását, míg a negatív értékek a keret húzását jelölik. A gyantafelvételi vizsgálatok pontossága érdekében először az üres kereteket merítettem a gyantafürdőbe, azt vizsgálva, mekkora gyantamennyiség tapad meg azok felületén (III. melléklet). A keretek gyantafelvétele mindhárom vizsgált mintatípusom gyantafelvételéhez képest 36

37 Elmozdulás [mm] elhanyagolhatóan kicsinek bizonyult (0,019 g), ezért a keret gyantafelvételétől számításaim során eltekintettem. Idő [s] 13. ábra: Minták gyantába merítési folyamatához használt vezérlés ciklusa Ciklusonként egy diagramon belül ábrázoltam az idő függvényében a folyadékfelvételi folyamat során a minta súlyából származó erőt és a keresztfej függőleges irányú mozgását, melyeket mintatípusokként egy-egy jellemző diagrammal a 14. ábra szemléltet. a) b) c) 14. ábra: a) Nanoszálpaplan (NP), b) üvegszálpaplan (ÜP) és c) üvegszövet (ÜSZ) gyantafelvételi folyamata a kiemelt vizsgálati tartományokkal (V) (KM: keresztfej függőleges irányú mozgása) 37

38 A kiértékelés módszere Ahhoz, hogy a mért eredményeim kiértékelhetőek legyenek, olyan mérési pontokat kellett meghatároznom, amelyek minden minta esetén egymástól jól elkülönülnek és könnyen felismerhetőek. Az összehasonlíthatóság érdekében a gyantafelszívási folyamat azon szakaszát emeltem ki, mikor a keresztfej alsó véghelyzetben áll és a minta egésze a gyantában található. Az álló helyzetből fakadóan ezen a szakaszon ugyanis nem lép fel folyadéksúrlódás, amely befolyásolná mérési eredményeimet, másrészt ebben a pozícióban biztosított a vizsgált anyagminták egészének gyantába merülése, a különböző minták méretétől függetlenül. A 14. ábrán feltüntetésre kerültek ezek a kiemelt vizsgálati szakaszok is. A vizsgálat során az azonos anyagtípusok és szerkezetek esetén is különböző anyagmennyiségekkel történtek a mérések, ezért az összehasonlíthatóság további megkönnyítésére a kijelölt szakaszon minden esetben az adott vizsgálati anyag 1 grammjára fajlagosítva ábrázoltam a gyantafelvétel mennyiségét. Az összesen felvett gyantasúly meghatározásához a ciklus végezte után a mintáim tömegét kerettel együtt 0,0001g mérési pontosságú mérleggel lemértem és rögzítettem (III. melléklet). Ezeknek az adatoknak, valamint a kezdetben rögzített erősítőanyag és keret tömegeinek ismeretében a felvett gyantasúly számolhatóvá vált. A különböző mintatípusoknál a gyantafelszívás időbeni lefutásának vizsgálata érdekében az általam már kijelölt vizsgálati szakaszokon 3-3 mérési pontot (10, 20, illetve 30 s-nál) emeltem ki, melyeknél az adott időhöz tartozó gyantafelvétel és az átlagos összgyantafelvétel arányát vizsgáltam. Eredmények értékelése A teljes gyantafelszívási vizsgálat során mért adatokból számolt, az adott anyagok üvegszövet, az üvegszálpaplan és a nanoszálpaplan 1 grammra fajlagosított összgyantafelvételének eredményeit a táblázatban foglaltam össze. A 2. táblázatban a fajlagos gyantafelvételi átlagértékek mellett minden esetben feltűntetésre kerültek a statisztikai módszerrel számolt szórások is. 38

39 fajlagos gyantafelvétel [g/g] ÜSZ 3,045±0,199 [g gy /1g üsz ] ÜP 6,943±0,753 [ g gy /1g üp ] NP 17,425±3,973 [ g gy /1g nsz ] 2. táblázat: Üvegszövet (ÜSZ/üsz), üvegszálpaplan (ÜP/üp), és nanoszálpaplan (NP/np) fajlagos össz-gyantafelvétele (gy: gyanta) A nanoszálas szövedék láthatóan jóval nagyobb mennyiségű gyantát volt képes felvenni az üvegszálas mintákhoz képest, mely üvegpaplanhoz viszonyítva 2,5-szer, míg üvegszövethez viszonyítva 5,7-szer nagyobb felvett gyantamennyiséget jelent azonos kiindulási mintatömegek mellett. Irodalomkutatásom során szerzett ismereteim alapján ezt a jelenséget a nanoszálpaplan minták porózusabb szerkezetével és a nanoszálak jobb nedvesíthetőségével tudnám magyarázni. Az üvegszövet kisebb mértékű gyantafelvételének hátterében a szövet tömörebb szerkezete áll, melyből adódóan kevesebb a gyantafelvételre alkalmas szabad térfogat, mint egy rendezetlen szerkezetben. Az is megfigyelhető, hogy bár az üvegszövet minták rendelkeztek a legkisebb mértékű gyantafelvétellel, azonban a minták különböző tömegétől függetlenül azok grammra fajlagosított gyantafelvétele minimális szórás (0,199 g gy /1g üsz ) mellett hozta a kapott eredményeket, mely a vizsgált szakasz során bekövetkezett gyantafelvétel 6,5%-ának felel meg. Üvegszálpaplan esetében az utóbbi érték 11, míg nanoszálpaplan esetében 23%-ra adódott. Az üvegszövet egyenletes gyantafelvételére a szövetszerkezetből adódó mintán belüli egyenletes száleloszlás adhat magyarázatot, ugyanis míg paplanszerkezetű mintáimnál random, addig üvegszövet esetében szabályos a szálak elhelyezkedése. Az azonos alapanyagúnak tekinthető, üvegszálas erősítőanyagtól függetlenül igen eltérő eredményeket tapasztaltam a gyantafelszívási folyamat során. Üvegszálpaplan mintáim átlagosan 1,75-szer annyi gyanta felvételére voltak képesek, mint az üvegszövet mintáim. Ennek hátterében az elemi szálak eltérő geometriai méretei állhatnak, illetve ezekből a méretekből adódó eltérések a szálak elrendeződésében. Ez ugyanis pórusméret különbséget von maga után, amely mint az irodalomkutatásból az már ismeretes jelentős befolyással bír az erősítőstruktúrák gyantafelvételére. Üvegszálpaplanok esetében ugyanis az üvegszálrovingok több rétegben helyezkednek el egymáson, melynek következtében az egyes rétegek között is kialakulhatnak üregek, pórusok. Ennek következtében az 39

40 üvegszálpaplanok nagyobb gyantamennyiséget képesek felvenni, mint az azonos üvegszálköteg alapú, de más geometriájú üvegszövetek. A 15. / 16. / 17. ábrán a gyantafelvételi folyamat kiemelt vizsgálati szakaszai láthatóak 1 gramm üvegszálpaplanra / üvegszövetre / nanoszálpaplanra fajlagosítva. A diagramokon a görbék mellett minden esetben feltüntettem a minták kiindulási (keret nélküli) tömegét grammban is. 15. ábra: Üvegszálpaplanok 1 grammra fajlagosított gyantafelszívási görbéi a vizsgálati tartományomon (üp: üvegszálpaplan; gy: gyanta; jelmagyarázatbeli számértékek: próbatestek kiindulási tömege [g]) 16. ábra: Üvegszövetek 1 grammra fajlagosított gyantafelszívási görbéi a vizsgálati tartományomon (üsz: üvegszálpaplan; gy: gyanta; jelmagyarázatbeli számértékek: próbatestek kiindulási tömege [g]) 40

41 17. ábra: Nanoszálpaplanok 1 grammra fajlagosított gyantafelszívási görbéi a kiemelt vizsgálati tartományban (np: nanoszálpaplan; gy: gyanta; jelmagyarázatbeli számértékek: próbatestek kiindulási tömege [g]) A jobb összehasonlíthatóság érdekében mindhárom mintatípusból (üvegszövet, üvegszálpaplan, nanoszálpaplan) kiemeltem 1-1 jellemző mérési görbét, melyeket egy diagramban ábrázoltam (18. ábra) 18. ábra: Nanoszálpaplan (NP), üvegszálpaplan (ÜP) és üvegszövet (ÜSZ) 1 grammra fajlagosított gyantafelszívási görbéje a kiemelt vizsgálati tartományban (gy: gyanta) A görbék jellegét megfigyelve az első szembetűnő különbség az üvegszálas és nanoszálas minták között, hogy míg előbbinél a gyantafelszívás egyenletes, addig nanoszálak esetében lépcsőzetes. Ennek hátterében az erőmérő cella 0,01 mn-os érzékenysége és a nanoszálak csekély tömege állhat. A fenti diagramokat vizsgálva azt is észrevehetjük, hogy míg az üvegszálas mintáimnál a gyantafelvétel mennyisége függetlennek bizonyult a minta kiindulási tömegétől, addig nanoszálaknál megfigyelhető, hogy a nagyobb kezdeti tömegek kisebb mértékű gyantafelvételt eredményeztek. A nano-szálpaplanoknál tapasztalható nagy szórás a tömegek tekintetében abból következik, hogy bár mintáimat állandó, 20 mm szélességgel 41

42 készítettem, azonban a minták hosszúsága és a szálak random elhelyezkedéséből következően vastagsága eltérő volt. A nagyobb hosszúsági érték nagyobb rétegszámot, míg a vastagabb, több nanoszálból álló minták kisebb pórusméreteket eredményeztek. Nagyobb rétegszám esetén a gyantának több rétegen kellett átitatódnia melynek időbeli vonzata van míg a belső rétegek gyantafelszívása is megkezdődhet, azonban a kötött gyantában tartási idő mellett esetlegesen a közbülső rétegek teljes átnedvesedése nem tudott bekövetkezni. Kisebb pórusméretek esetén a minta kisebb mennyiségű gyanta felvételére képes. Az előbb említett két folyamat és ezek kombinációja eredményezhette nanoszálaknál a gyantafelvétel tömegektől való függését. A különböző mintatípusoknál a gyantafelszívás időbeni lefutásának vizsgálata érdekében az általam már kijelölt vizsgálati szakaszokon 6-6 mérési pontot (0,1; 0,2; 0,5; 1; 2 illetve 4 s-nál) emeltem ki. Ezekben a pontokban az adott időhöz tartozó gyantafelvétel és a kijelölt szakasz végén (30 s-nál) mért gyantafelvétel arányát vizsgáltam az egyes mintáknál. A kijelölt mérési pontokban számolt gyantafelvételi átlagokat a 3. táblázatban összesítettem. Az átlagértékek mellett minden esetben feltüntettem az eredmények statisztikai szórását. Az átlagértékek alatt a mérési pontokhoz tartozó gyantafelvételeknek a kijelölt szakasz végénél (30 s-nál) detektálható gyantafelvétel átlagértékekhez viszonyított százalékos értékei láthatóak. 0,1 0,2 s 0,5 s 1 s 2 s 4s NP [g gy /g np ] 1,57±0,55 2,42±0,69 4,13±1,11 5,38±0,69 6,96±1,75 8,46±2,4 relatív gyantafelvétel 12% 19% 33% 42% 55% 67% ÜP [g gy /g üp ] 0,42±0,1 0,76±0,21 1,37±0,38 1,84±0,48 2,5±0,63 3,1±0,77 relatív gyantafelvétel 9% 17% 31% 41% 56% 70% ÜSZ [g gy /g üp ] 0,36±0,18 0,76±0,19 1,46±0,3 1,96±0,37 2,58±0,44 3,09±0,52 relatív gyantafelvétel 9% 19% 37% 50% 66% 79% 3. táblázat: Gyantefelszívási folyamat kiemelt szakaszában bekövetkezett gyantafelvétel időbeli lefutása (NP,np: nanopaplan; ÜSZ,üsz: üvegszövet; ÜP,üp: üvegszálpaplan; gy: gyanta) A 3. táblázatban foglaltak alapján a kiemelt vizsgálati szakasz összességét tekintve a nanoszálpaplan és üvegszálpaplan minták gyantafelszívása közel azonos mértékűnek tekinthető. A vizsgált szakaszon bekövetkezett gyantafelvétel kezdetén a nanoszálas 42

43 szövedék gyantafelvétele indult meg legnagyobb mértékben. A feltüntetett értékek 1 gramm mintára fajlagosított értékek, azonban a nanoszálpaplan minták kis tömegéből fakadóan 1 grammnyi nanoszálas szövedék a másik két mintához képest kiemelkedően nagy felülettel rendelkezik, ahol a minta gyantával történő átitatása megkezdődhet. Ez (valamint a fentebb már említett porózusabb szerkezet és a szálak jobb nedvesíthetősége) magyarázhatja a kezdeti nagyobb mennyiségű gyantafelvételt Laminált kompozit lapok vizsgálata Vizsgálataim során különféle kompozit mintákat gyártottam a legegyszerűbb, iparban leggyakrabban alkalmazott technológiával kézi laminálással. A kompozitokba kerülő erősítőanyag-rétegeket minden esetben poliészter gyantával impregnáltam. Az eltérő vizsgálatokhoz különböző méretű mintákat és eljárásokat alkalmaztam Görgőzés hatása a laminátokra Ebben az alfejezetben azt vizsgáltam, milyen mértékben játszik szerepet a laminátok impregnálás utáni átgörgőzése a PAN nanoszálas szövedéket tartalmazó kompozit szerkezetére. A vizsgálatokhoz minden esetben pásztázó elektronmikroszkópot alkalmaztam, amely segítségével az adott minták töretfelületét vizsgálhattam akár szeres nagyításban is. Eredmények kiértékelése SEM vizsgálatok során, a laminátok töretfelületét vizsgálva, a görgőzés első szembetűnő hatása a kompozitok szerkezetére a minták vastagságán mutatkozott meg (19. ábra). Kivétel nélkül jelentős mértékű keresztmetszet csökkenést mértem a kigörgőzött mintáimon, amelyre magyarázatot jelent az átgörgőzés során eltávolított gyantafelesleg. Az egy réteg nanoszálpaplant tartalmazó mintáim vastagsága görgőzés után a görgőzés nélküli minták vastagságának felére, míg a három réteget tartalmazó mintáimé a görgőzés nélküli minták 0,7-szeresére csökkent. 43

44 a) b) 19. ábra: Egy réteg PAN nanoszálas szövedéket tartalmazó laminát vastagságkülönbségét szemléltető SEM képe a) görgőzetlen minta; b) kigörgőzött minta A görgőzés nélkül készített laminátokról készült felvételeken kivétel nélkül megfigyelhető volt a nem egyenletes gyantaeloszlás, amely a nagymértékű gyantafelesleg miatt alakult ki. A 19.a és 20.a SEM képen megjelölve olyan számos esetben a töretfelület keresztmetszetéhez képest jelentős méretű felületek láthatóak, amelyeken a kompozit mátrixanyaga elenyésző számú nanoszál jelenlétében fordul elő. Az átgörgőzött mintáim jelentős javulást mutattak ilyen téren, jóformán eltűntek, vagy csekély méreteket öltöttek ezek a problémás területek (19. b ábra). a) b) 20. ábra: Egy réteg PAN nanoszálas szövedéket tartalmazó laminát gyantaeloszlásbeli különbségét szemléltető SEM képe a) görgőzetlen minta; b) kigörgőzött minta A következő és egyben legjelentősebb rendellenesség, amit a SEM vizsgálatok során a kompozitok töretfelületein észleltem, a légzárványok jelenléte, amelyek közül néhányat a 21. ábrán megjelöltem. Habár az átgörgőzött mintákon itt is javulás volt észlelhető, azonban a légzárványok méretét és mennyiségét tekintve nem elhanyagolható mértékben jelen voltak görgőzés után is. További vizsgálataim során igyekeztem kiküszöbölni ezt a problémát is, amelynek kulcsa a következő alfejezetben kerül bemutatásra. 44

45 a) b) 21. ábra: Három réteg PAN nanoszálas szövedéket tartalmazó laminát légzárványosságát szemléltető SEM képe a) görgőzetlen minta; b) kigörgőzött minta Összességében elmondható megerősítve a hagyományos erősítőanyagokat tartalmazó laminátoknál tanultakat, hogy a nanoszálas szövedékkel készült laminátokon alkalmazott görgőzés minden esetben jelentős javulást okozott a nanokompozit minták szerkezetében Mechanikai vizsgálatok Az irodalomkutatás során megismerkedhettem a nanoszálak kiemelkedő mechanikai tulajdonságaival, azonban ezen sajátosságok megfelelő mértékű kihasználása még egy megoldásra váró feladat, mely további kutatásokat tesz szükségessé a témában. Statikus és dinamikus mechanikai vizsgálatokat végeztem hagyományos kompozitokon és nanoszálas hibridkompozitokon, azt vizsgálva, hogy milyen hatással van a görgőzés, a nanoszálas szövedék jelenléte, valamint a vákuumpréselés használata a kompozitok hajlítószilárdságára/határhajlító feszültségére, hajlítómoduluszára, és ütőszilárdságára. A görgőzésnek és a vákuumpréselés alkalmazásának a gyantafelesleg és a légzárványok csökkentésében van szerepe a lavinátoknál, amely a mechanikai tulajdonságok javulását eredményezheti. A nanoszálaknak beépülve a kompozit gyantadús helyeire pedig szerepe lehet a rétegek közötti fizikai kapcsolat javításában. Hajlítóvizsgálat kiértékelése A kompozitok hajlítóvizsgálata során kapott mérési eredményeim mintánként egy-egy jellegzetes hajlító görbével a 22. és 23. ábrán mutatom be. A diagramok alapján látható, hogy a szabványban megadott 4 mm-es határlehajlásig egyik próbatestem sem tört el, így a határhajlító feszültségeket, azaz a határlehajláshoz tartozó feszültségértékeket számoltam ki minden esetben. Megfigyelhető, hogy további hajlítás során egyedül a görgőzés nélküli 45

46 üvegszövet-erősítésű mintámon következett be a laminát azonnali tönkremenetele. Görgőzött üvegszövet-erősítésű mintámon a tönkremenetel nem kezdődött meg a vizsgált lehajlási intervallumban, míg nanoszálpaplant tartalmazó mintáim esetén a tönkremeneteli folyamat minden esetben lépcsőzetessé vált. Ennek hátterében a nanoszálak irodalomkutatásban bemutatott repedésterjedést gátló hatása áll, valamint hogy az erősítő réteg megsérülése után a további rétegek még képesek a terhelés bizonyos mértékű felvételére. A hárompontos hajlítóvizsgálat során mért adatokból számított határhajlító feszültségeket és hajlító rugalmassági moduluszokat a 4. és 5. táblázatban foglaltam össze. A táblázatokban a határhajlító feszültség és hajlítómodulusz átlagértékek mellett minden esetben a statisztikai módszerrel becsült szórásokat is feltüntettem. 22. ábra: Kompozit laminátok egy-egy jellegzetes hajlító görbéje (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta) 23. ábra: Kompozit laminátok egy-egy jellegzetes hajlító görbéje (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; (0,25; 0,5; 0,75; 1): vákuum mértéke [bar]) 46

47 A hárompontos hajlítóvizsgálat során mért adatokból számított határhajlító feszültségeket és hajlító rugalmassági moduluszokat a 4. és 5. táblázatban foglaltam össze. A táblázatokban a határhajlító feszültség és hajlítómodulusz átlagértékek mellett minden esetben a statisztikai módszerrel becsült szórásokat is feltüntettem. A 5. táblázatban megadott hajlítómodulusz- és határhajlító feszültség-változás minden esetben az nanoszálas szövedéket tartalmazó, üvegszövet-erősítésű, görgőzetlen referencia mintához viszonyított növekményeket mutatja. Szignifikancia szint esetén az 5. táblázatban szintén a nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet-erősítésű, görgőzetlen minta képzi az összehasonlítás alapját. Ü ÜG ÜN ÜNG Határhajlító feszültség [MPa] Határhajlító feszültség változása [%] Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) 93,43±4,62 127,48±7,66 101,31±3,17 148,66±10,54 +36% +47% 6 %* 0,046%** Hajlítómodulusz [GPa] 7,4±0,41 11,47±0,72 7,8±0,23 12,07±0,5 Hajlítómodulusz változása [%] Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) +54% +55% 0,001%* 2,7 %* 4. táblázat: Nanoszálpaplant tartalmazó és azokat nem tartalmazó üvegszövet-erősítésű kompozitok hajlító tulajdonságai (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta; *kétmintás f-próba alapján azonos variancia **kétmintás f-próba alapján különböző variancia) A 4. táblázatban összesített eredmények alapján elmondható, hogy a görgőzés a hagyományos üvegszövet-erősítésű mintáknál és a nanoszálas szövedéket tartalmazó hibridkompozitoknál is nagymértékű javulást okozott a laminátok határhajlító feszültségében (36 illetve 47%-os növekedés). Ezeknél a mintáknál hajlítómodulusz tekintetében is hasonló tendenciát tapasztaltam, mint a határhajlító feszültségnél (54 illetve 55%-os növekedés). Ez a javulás a görgőzés előző alfejezetben bemutatott hatásával magyarázható, tehát az egyenletes erősítőanyag-mátrix eloszlással, valamint a légbuborékok méretének jelentős csökkenésével. 47

48 0,25 bar 0,5 bar 0,75 bar 1 bar Határhajlító feszültség [MPa] Határhajlító feszültség változása [%] (referencia minta: ÜN) Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) 102,46±4,54 125,05±4,7 128,27±8,18 88,37±6,32 +3% +23% +27% -13% 68,17%** 0,003%* 0,028%* 0,641%* Hajlítómodulusz [GPa] 9,61±0,95 11,72±0,72 13,06±0,74 9,16±0,66 Hajlítómodulusz változása [%] (referencia minta: ÜN) Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) +23% +50% +67% +17% 1,74%** 2,9 %* 0,005%** 0,449%* 5. táblázat: Különböző mértékű vákuum mellett (0,25 bar; 0,5 bar; 0,75 bar; 1 bar) vákuumozott nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet-erősítésű hibridkompozitok hajlító tulajdonságai (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta, *kétmintás f-próba alapján azonos variancia **kétmintás f-próba alapján különböző variancia) A 24. ábrán látható oszlopdiagramok szemléletesen mutatják be a görgőzés, illetve a nanoszálas szövedék hajlító tulajdonságaira gyakorolt pozitív hatását. A diagramok alapján szembetűnő a görgőzés kimagasló hatása a laminátok hajlító tulajdonságaira. 24. ábra: Nanoszálpaplant tartalmazó és azokat nem tartalmazó üvegszövet-erősítésű kompozitok hajlító tulajdonságai (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta) A 24. ábra és a 4. táblázatban feltüntetett adatok alapján szintén a nanoszálak jelenléte mellett a hajlító tulajdonságok növekedése figyelhető meg. Görgőzés nélküli mintáimnál a nanoszálakat tartalmazó minták határhajlító feszültsége 8%-kal, hajlítómodulusza 5%-kal növekedett meg. A görgőzött, nanoszálakat tartalmazó minták határhajlító feszültségében 48

49 17%-os, hajlítómoduluszában 5%-os növekedés volt észlelhető a hagyományos üvegszövet-erősítésű mintákhoz képest. A javulás magyarázataként szolgál, hogy a nanoszálak hatékonyan továbbítják a terhelést az üvegszálak irányában ezért kedvezőbb az üvegszálak kihasználása. A nanoszálas szövevedékek tehát megnövelték a kompozit vizsgálati anyagok ellenálló képességét a vizsgált statikus-mechanikai behatásokkal szemben. A 25. ábrán látható oszlopdiagramok szemléletesen mutatják be a különböző mértékű vákuumozás hatását a kompozit lemezek hajlító tulajdonságaira. 25. ábra: Különböző mértékű vákuum mellett (0,25 bar; 0,5 bar; 0,75 bar; 1 bar) vákuumozott nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet-erősítésű hibridkompozitok hajlító tulajdonságai A 5. táblázatban feltüntetett adatok és a 25. ábrán bemutatott oszlopdiagramok alapján látható hogy a vákuum alkalmazása már eltérő eredményeket hozott a határhajlító feszültségi értékekben. Míg 0,25 bar mellett a határhajlító feszültség minimális (3%-os) növekedése, addig 1 bar mellett a határhajlító feszültség (-13%-os) csökkenése volt tapasztalható az üvegszövet erősítésű nanoszálpaplant tartalmazó vákuumozás nélkül készített referenciaként tekintett mintámhoz képest. Az eredmények hátterében, előbbi esetben a túlzottan kismértékű vákuum érték állhat, amely közel azonos minőségű laminátot eredményezett, mint a vákuum használata nélkül készített mintám. A határhajlító feszültség-csökkenésre a túl erős vákuum adhat magyarázatot. Ennek következményeként az impregnálás már nem bizonyult megfelelő mértékűnek. Az így bekövetkezett nem megfelelő szál-mátrix arány vezethetett a határhajlító feszültség értékének csökkenéséhez a referencia mintámhoz képest. A 0,5 és 0,75 bar vákuum azonban már egyértelmű (23, illetve 27%-os) növekedést eredményezett mintáim határhajlító feszültségében. Hajlítómodulusz esetében szignifikáns növekedés volt észlelhető 0,25; 0,5; 0,75; és 1 bar vákuum mellett is (rendre 23, 50, 67 illetve 17%-os növekedés). 49

50 A határhajlító feszültség eredményeket egybevetve és rendezve (26. ábra) az is megfigyelhető, hogy a nanoszálakat tartalmazó görgőzött mintáik kimagasló határhajlító feszültségi értékekkel rendelkeznek a vákuumozott mintákhoz képest. Ennek egyik lehetséges magyarázata, hogy míg görgő segítségével megfelelő irányban terelgethetjük laminálás során a mátrixanyagot, addig vákuumozásnál fennáll a veszélye a túlzott mértékű gyantaelszívásnak. Görgőzés során ugyanis a gyantafelesleget a mintán kívülre, valamint a laminát kevesebb gyantát tartalmazó területeihez mozgathatjuk, mindeközben jóval nagyobb felületi nyomást kifejtve, mint a vákkumozás során vizsgált tartományokban. Szintén a görgőzés hatékonyságát bizonyítja, hogy nanoszálakat nem tartalmazó üvegszövet-erősítésű mintáim közel azonos határhajlító feszültségi eredményeket produkáltak, mint a vákuumozással készített mintáim közül a legeredményesebb 0,5 illetve 0,75 bar vákuum mellett készült mintacsoportok. 26. ábra: Kompozit laminátok határhajlító feszültsége (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta; (0,25; 0,5; 0,75; 1): vákuum mértéke [bar]) Ütvehajlító vizsgálat kiértékelése A hárompontos Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatok eredményeit a 6. és 7. táblázat foglalja össze. A táblázatokban az ütőszilárdság átlagértékek mellett minden esetben feltűntetésre kerültek a statisztikai módszerrel számolt szórások is. Az 7. táblázatban az 5. táblázatokhoz hasonlóan a feltűntetett Charpy-féle ütvehajlító szilárdság változás, valamint szignifikancia szint esetén a nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet-erősítésű, görgőzetlen minta képzi az összehasonlítás alapját. 50

51 Ü ÜG ÜN ÜNG Charpy-féle ütőszilárdság [kj/m 2 ] 142,41±19,56 169,94±37,13 148,28±32,95 191,57±23,16 Ütőszilárdság változása [%] +19% +29% Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) 22,59%* 6,38%* 6. táblázat: Nanoszálpaplant tartalmazó és azokat nem tartalmazó üvegszövet-erősítésű kompozitok hajlító tulajdonságai (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta; *kétmintás f-próba alapján azonos variancia **kétmintás f-próba alapján különböző variancia) 0,25 bar 0,5 bar 0,75 bar 1 bar Charpy-féle ütőszilárdság [kj/m 2 ] Ütőszilárdság változása [%](referencia minta: ÜN) Szignifikancia szint (p érték kétmintás t-próba alapján) 157,14±23,04 164,97±53,84 185,31±38,57 111,77±41,11 +6% +11% +25% -25% 60,62%* 61,13%* 18,25%* 20,33%* 7. táblázat: Különböző vákuum mellett (0,25 bar; 0,5 bar; 0,75 bar; 1 bar) vákuumozott nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet-erősítésű hibridkompozitok hajlító tulajdonságai (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta, *kétmintás f-próba alapján azonos variancia **kétmintás f-próba alapján különböző variancia) Ütvehajlító vizsgálat során EP típusú elrendezés esetén a feszültségállapot a próbatesten belül pillanatszerűen alakul ki mikor az inga a próbatest élét megüti. A nanoszálas rétegek a nyírási sík mentén fejtik ki hatásukat. Szálas szerkezetük és lapszerű kiterjedésük révén a terhelést a szomszédos üvegszálas rétegek irányába továbbítják. A jó szál-mátrix adhéziónak és nagy szakadási nyúlásuknak köszönhetően a nanoszálak maradó deformáció kialakulására hajlamosak. A molekulaláncok elmozdulásuk és deformálódásuk során súrlódnak a környező molekulákkal, ez vezet az energia elnyeléséhez. A Charpy-féle vizsgálat során mérhető elnyelt energia tehát a nanoszálas rétegek maradó deformációja révén keletkezik [8]. A hárompontos ütvehajlító vizsgálat során mért adatokból számított ütőszilárdságokat 27. ábrán látható oszlopdiagramban ábrázoltam. 51

52 27. ábra: Nanoszálpaplant tartalmazó és azokat nem tartalmazó üvegszövet-erősítésű kompozitok Charpy-féle ütőszilárdsága (Ü: üvegszövet erősítés; N: nanoszálas szövedéket tartalmazó minta; G: görgőzött minta; (0,25; 0,5; 0,75; 1): vákuum mértéke [bar]) A diagram alapján elmondható, hogy Charpy-féle ütőszilárdság minden esetben növekedést mutatott görgőzés hatására: nanoszálak nélküli, üvegszövet erősítésű mintáknál 19, míg nanoszálas szövedéket is tartalmazó mintáknál 29%-os növekedés volt tapasztalható. A nanoszálpaplant tartalmazó görgőzetlen mintáknál 4, míg görgőzött minták esetében 13%-os ütőszilárdság-növekedést észleltem a csak üvegszövet erősítésű görgőzetlen, illetve görgőzött referencia mintáimhoz képest. A nanoszálpaplant tartalmazó üvegszövet erősítésű mintáimnál vákuumozás során a vákuum növelése a Charpy-féle ütőszilárdság növekedését eredményezte. Az előbbi alól kivételt képeztek az 1 bar vákuum mellett vákuumozott mintáim, ahol jelentősebb (25%- os) csökkenés volt tapasztalható. Ütvehajlító vizsgálatomnál a hárompontos hajlítóvizsgálat eredményéhez hasonlóan itt is a görgőzött, nanoszálas szövedéket tartalmazó mintáim bizonyultak a legeredményesebbnek. Mechanikai vizsgálatok eredményeinek összegzése A mechanikai vizsgálatok eredményei igazolták, hogy a nanoszálak a görgőzés, illetve a vákuum bizonyos mértékű alkalmazása is előnyös kompozitokban, ugyanis a vizsgált statikus és dinamikus mechanikai tulajdonságok javulását eredményezték. Görgőzés és vákuum alkalmazásával a laminát szerkezete javítható a hatékonyabban átimpregnált erősítőrétegek, illetve homogénebb és légbuborékoktól mentesebb szerkezet révén. A nanoszálak mechanikai tulajdonságjavító hatása egyrészt a nanoszálak repedésterjedést gátló hatásának köszönhető, másrészt a nanoszálas rétegek az előző fejezetben bemutatott kimagasló gyantafeszívási képességüknek köszönhetően beépülnek a kompozit erősítőrétegei között található gyantadús rétegekbe és továbbítják a terhelést az 52