Tworzywa sztuczne takie jak plexi, poliwęglan lub PC są to materiały jednorodne pod
względem chemicznym, jednorodność ta jest czynnikiem, który jest zarówno zaletą jak i
wadą tworzywa. Wśród zalet polimerów można wziąć pod uwagę min. przezroczystość,
elastyczność. Jednak wśród wad pojawia się nieodporność na wysoką temperaturę oraz
brak chemicznej odporności na węglowodory aromatyczne takie jak toluen, benzen a w
szczególności na chlorowane węglowodory.
W tym artykule przedstawiamy laminaty; materiały kompozytowe, co najmniej dwu
składnikowe/dwuelementowe, w których elementy „nie mieszają się” inaczej mówiąc-
nie tworzą jednorodnej warstwy. Laminat jest tworzywem, w którym substancja (włókno
szklane, tworzywo, a nawet metal) sklejony lepiszczem i ułożony warstwami . Tym
samym laminaty ze względu na warstwicowość są materiałami łamiącymi się pod
wpływem przyłożonej siły, ale pod warunkiem że siła ta jest przyłożona w kierunku
prostopadłym do warstw. Dodajmy, że głównym materiałem nadającym laminatowi
odporności i decydującym o jego właściwościach są...właśnie te warstwy- czyli możemy
mówić że np. kadłub samolotu jest wykonany z włókna szklanego sklejonego tu: żywicą.
Najlepiej laminat przedstawić jako pewien szkielet- budulec, pomiędzy którego
elementami znajduje się inna substancja (lepiszcze). Laminaty mają niesamowicie
szerokie zastosowania zarówno w przemyśle jak i codziennych zastosowaniach- od
łódek przez kadłuby samolotów do laminatów budowlanych. Powyższa definicja nie
wykorzystuje jednak definicji laminatów, które kojarzymy właśnie z „czymś co ma w
sobie plastik i np. włókno szklane”. Laminatem jest np. żelbet- warstwy prętów
żelaznych połączone betonem, również drewno jest rodzajem laminatu, oraz materiały
wykonane z azbestu.
Laminaty to materiały ogromnie przyszłościowe, łączą tradycję z nowoczesnością,
szczególnie doniosłym przykładem takich warstwowych tworzyw jest nomex, lub kevlar
mające zastosowanie w technologii wojskowej ze względu na silne właściwości
hamowania kul. Materiały kompozytowe same w sobie wykazują dużą zdolność
„przechwytywania” pocisków. W technologii kosmicznej stosuje się z kolei kompozyty
zrobione z węgla i włókien boru, które dzięki swoim właściwością są niezwykle
wytrzymałe- jako ciekawostkę warto dodać, że teoretyczna lina wykonana z nanorurek
węglowych i połączona odpowiednią substancją była by setki a nawet tysiące razy
wytrzymalsza od najlepszych lin stalowych. W pewnym sensie szkło zbrojone drutem
możemy też w dużym uproszczeniu brać za rodzaj laminatu. Laminaty to materiały
należące według klasyfikacji do duroplastów- są to tworzywa termo i
chemoutwardzalne. Są to tworzywa produkowane w zależności od potrzeby w postaci
prętów, rur, płyt, lub odgórnie zdefiniowanych kształtów.
W zastosowaniach budowlanych najczęściej stosowane są laminaty poliestrowo-
szklane, lub szklano epoksydowe gdzie stosuje się je jako lepiszcze odpowiednie rodzaje
żywicy, a gdzie poliester jest lepiszczem. Warto dodać, że inne stosowane w zależności
potrzeby nośniki to najzwyklejszy papier (poszarpany papier namoczony wodą z klejem i
poddany wyschnięciu używany w celach dekoracyjnych to również rodzaj laminatu), są
też tkaniny bawełniane nasycone lepiszczem- wszystko to jest zaliczane jako laminaty
Produkcja laminatu, jej schemat jest bardzo prosty- gotową matrycę z ułożonymi
kanapkowo (jak w kanapce warstwami ser-szynka-ogórek) warstwami włókna szklanego
powoli „zatapia„ się w odpowiedniej kąpieli (w poliestrze, lub żywicy), gdzie włókna
szklane i ich puste przestrzenie nasycają się cieczą, następnie całość wyjmuje się i
poddaje prasowaniu, w celu wygładzenia struktury, oraz uzyskania w zależności od
potrzeby tafli odpowiedniej długości, oraz grubości, podczas kąpieli można do tak
powstającego laminatu (do lepiszcza) dodać odpowiednie plastyfikatory nadające
większą elastyczność, oraz do samej macierzy włókien np. miedź. Miedź dodawana jest
gdy laminat ma służyć jako obwód drukowany w zastosowaniach elektronicznych, jako
dodatek dodaje się też obowiązkowo substancje antystatyczne- ogromna ilość włókien
szklanych na jednostkę powierzchni, oraz całkowita powierzchnia włókien może sprzyjać
elektryzowaniu podczas łamaniu warstwy, lub uszkodzenia jej. Jak wiemy ładunki
statyczne są niekorzystne- mogą stwarzać zagrożenie pożarowe- substancją
antystatyczną jest grafit, lub jeszcze prościej- zwykła (ale oczyszczona) sadza.
Warto zaznaczyć tutaj pewną ciekawą właściwość tak powstałego laminatu- jest on
przezroczysty, szczególnie gdy patrzymy na laminat w kierunku prostopadłym do jego
powierzchni, natomiast pod kątem mamy wrażenie, że zaczyna on lekko opalizować.
Dzieje się tak przez to, że każde z tysięcy włókienek szklanych załamuje się oraz odbija
światło. Nierzadko zmienia się też polaryzacja, małe rozmiary włókien także mają wpływ
na wielokrotną interferencję i dyfrakcję takiego światła, które przeszło przez warstwę
laminatu, nie można jednoznacznie przypisać opalizacji tylko jednemu zjawisku
optycznemu- formalnie rzecz biorąc światło musi przejść bardzo dużą drogę przez
warstwę laminatu nim dotrze do naszego oka. Na szczęście laminarne położenie warstw
sprawia, że jest to materiał raczej przezroczysty- bardzo dobrym przykładem, choć na
mniejszą skalę działania laminarnych warstw odbijających jest układ kilkudziesięciu
szkiełek mikroskopowych, jedno nad drugim przesuniętych względem siebie o parę
milimetrów, oświetlając taką warstwę np. laserem zauważymy, że bieg promienia jest
wielokrotnie załamany, oraz odbity częściowo, bądź całkowicie gdy światło pada pod
odpowiednim kątem.
Najważniejszym składnikiem budulcowym dla laminatów poliestrowo- szklanych i
szklano-epoksydowych jest oczywiście włókno szklane. Jest to włókno oparte na
krzemionce, czyli SiO2 zwykłym piasku z dodatkiem materiałów stopowych i topników, w
zależności od wymogów włókno może być produkowane ze szkła poddawanego
recyclingowi, czyli butelek itd., oraz bardziej wytrzymałych szkieł boro- krzemianowych.
Po stopieniu składników w wysokiej temperaturze ciecz jest przetłaczana przez
platynowe tuleje, które zawierają po kilka tysięcy otworków przez które przechodzi
masa szklana i jest od razu nawijana na nawijarkach (jak nici), oraz bardzo szybko
chłodzona, aby masa nie uległa krystalizacji tylko zeszkleniu.
Analiza fizykochemiczna laminatów jest dosyć trudna przez fakt, że mamy do czynienia
z dwoma materiałami- postać matematyczna równań stosowanych przy laminatach
również nie wygląda zachęcająco- ze względu na olbrzymią anizotropię właściwości
fizycznych (czyli inne właściwości inne rożnych kierunkach) stosuje się równania
wymagające analizy tensorowej.
W poprzednich artykułach wspominaliśmy o właściwościach tworzyw sztucznych, często
pojawiały się informacje, że dane tworzywo powyżej pewnej, niezbyt wysokiej
temperatury mięknie, deformuje się itd.
Laminaty posiadają właściwości dzięki którym są odporne wysokie temperatury i są
niepalne- co najwyżej zawarta w nich żywica epoksydowa może ulec zapłonowi, ale na
skutek budowy są to materiały absolutnie nie kapiące i zachowujące strukturę i kształt w
wysokiej temperaturze- jedyną wadą jaka tutaj występuję jest fakt, że im wyższa
temperatura tym bardziej laminat staje się nieprzezroczysty i ujawnia się warstwowa
struktura tego tworzywa, oraz żywica epoksydowa mocno się kopci wydzielając
charakterystyczną woń- w wysokiej temperaturze zniszczeniu ulega lepiszcze, natomiast
szkielet szklany pozostaje nienaruszony aż do ekstremalnie wysokich temperatur
powyżej 800-1000 stopni Celsjusza.
Laminaty ze względu na swoją ognioodporność (laminat NRO do świetlików NRO z
materiałem poliwęglan NRO inaczej zwany poliwęglan klasy Broof T1) stanowią
dodatkową barierę i ochronę przed pożarem- na przykład płyta z tworzywa sztucznego
ulegając zapłonowi może kapać, lub niszczyć na skutek deformacji struktury, warstwa
laminatu pod taką płytą skutecznie przeciwdziała zarówno rozprzestrzenianiu się ognia,
jak i szkielet szklany skutecznie zatrzymuje powstające w wysokich temperaturach
bardzo groźne ,stopione krople palącego się tworzywa. Laminaty szklano- epoksydowe
mają oznaczenie kodowe FR-4 jest to skrót od flame retandant, czyli odporność na
ogień.
Dodatkowo taki laminat praktycznie nie chłonie wilgoci w przeliczeniu na masę
laminatu- w przeciwieństwie do reszty tworzyw syntetycznych. Laminat jest też bardzo
odporny chemicznie, jako całość jest „ruszany” jedynie przez dosyć bardzo aktywne
chemicznie chlorowce i to przy dłuższej ekspozycji, jedynie powierzchnia z żywicy
epoksydowej może czasami ulec naruszeniu i to pod warunkiem, że dodano jej w
nadmiarze w stosunku do szkła. Laminat jest nieodporny na działanie mokrego fluoru
oraz fluorowodoru - głównie przez to, że fluor i jego związki oddziaływują bardzo
korodująco na szkło. Teoretycznie- po bardzo długiej ekspozycji warstwy laminatu w
stężonym roztworze wodorotlenku sodu i potasu (tym bardziej) NaOH i KOH powinna
ulec naruszeniu struktura szkła (bowiem szkło wchodzi w reakcję z NaOH i KOH),
ciekawostką i zaskoczeniem na pewno będzie fakt, że wrogiem laminatu jest woda
utleniona 10 %, co dziwniejsze- stężone roztwory wody utlenionej działają mniej
korodująco niż właśnie ta 10 % stężenie. Nawet w zastosowaniach technicznych
ekspozycja taka jest bardzo wątpliwa.
Powyżej zostały omówione właściwości chemiczne laminatu, teraz zajmiemy się
właściwościami fizycznymi- pierwsze co rzuca się w oczy to różna odporność laminatu
na złamanie w zależności od osi względem której będzie on łamany (x, y, z) będzie
łatwiej bądź gorzej znosić naprężenia. Przewodnictwo cieplne w zależności od kierunku
zmienia się od 0.29 W/ m K do 0.81 W/m K czyli ma bardzo dobre właściwości izolacyjne,
nieco gorze niż drewno, ale porównywalne dla największej wartości ze szkłem i
asfaltem. Siła potrzebna do złamania testowej próbki laminatu wynosi nieco powyżej
440 MPa, jednak warto wiedzieć, że nim warstwa laminatu zostanie złamana pojawiają
się na niej „pajęcze sieci” zmniejszające drastyczne zdolność przepuszczania światła
przez laminat.
Warto dodać, że tworzywa sztuczne po wygięciu i nawet złamaniu zachowują swoją
przezroczystość, w przypadku laminatu naprężenia ujawniają warstwową strukturę, te
„pajęcze sieci” to właśnie warstwy włókna szklanego. Laminat nie posiada także
specjalnej odporności na rozciąganie- wartość ta wynosi 310 MPa dla warstwy laminatu
grubości 3 milimetrów, wytrzymałość wg metody Izoda wynosi w
zależności od płaszczyzny uderzenia 54 J/ m – 44 J/m- oprócz tego, przez każde
mocniejsze uderzenie powoduje w laminacie nie tyle zniszczenie jego struktury i
właściwości konstrukcyjnych co raczej znowu ujawnia się warstwowa struktura laminatu-
miejsca uderzone np. młotkiem również pokrywają się poplątaną strukturą pajęczyny, z
kolei inną własnością mechaniczną badaną dla laminatów jest też wytrzymałość na
ściskanie pręta wykonanego z laminatu i wynosi ta wielkość 415 MPa. Temperatura
przejścia w stan szklisty dla laminatu nie ma sensu, chyba że rozpatrujemy każdy z
materiałów budulcowych osobno- jednak dodajmy, że temperatura w której następuje
wyraźne zmętnienie warstwy laminatu i ujawnienie jej warstwowej struktury (laminat
staje się nieprzezroczysty i matowy) leży trochę powyżej 120 stopni Celsjusza.
Współczynniki rozszerzalności cieplnej, czyli wielkość mówiąca o ile dany materiał
zwiększył swoją wielkość przy podniesieniu temperatury o 1 stopień wynosi (w
jednostkach alfa) w przypadku laminatu dla osi x: 0.0000145 1/ K, osi y: 0.0000120 1/K i
osi z: 0.0000700 1/ K. Z wielkości materiałowych współczynnik Poissona wynosi 0.136 i
jest najbliższy dla wartości współczynnika Poissona dla szkła. Moduł Younga dla
laminatu, czyli wartość naprężenia hipotetycznego jaka wystąpiła by dla dwukrotnego
wydłużenia warstwy laminatu wynosi w zależności od kierunku przyłożonej siły 24 Gpa-
21 Gpa i jest to wartość porównywalna z modułami Younga dla ołowiu i betonu
ściskanego.Prędkość dźwięku w laminacie wynosi około 3602 m/s podobnie jak cegła i
srebro natomiast oporność falowa- wielkość będąca miarą oporu jaki laminat stawia fali
dźwiękowej wynosi 6.64 MRa i jest większa niż wartość dla miedzi. Wspomnieliśmy już,
że laminaty to bardzo dobre izolatory- Wartość napięcia przy którym następuje
wyładowanie elektryczne wynosi 50000 Voltów- po przekroczeniu tej granicznej wartości
pomiędzy np. warstwą przewodnika- laminatem- warstwą przewodnika następuje
wyładowanie iskrowe. Jeszcze lepiej laminat sprawdza się w przypadku odporności na
przebicie wynosi ona aż 20 MV/ m, z kolei przenikalność elektryczna laminatu względem
próżni wynosi 4.8 , czyli jest porównywalna z wartościami dla betonu i soli kuchennej. W
związku z właściwościami mechanicznymi laminat ma jedną istotną wadę.
Po złamaniu jego krawędzie są pokryte igiełkami włókna szklanego co może stanowić
zagrożenie, więc należy używać rękawic ochronnych- w przypadku wyjątkowego pecha
taka igiełka może dostać się do krwionośnych naczyń włoskowatych, dlatego zalecamy
podczas obróbki laminatu używanie rękawic ochronnych, oraz maski na twarz (podczas
wiercenia laminat może zacząć „pylić” igiełkami z włókna szklanego- dłuższa ekspozycji
na takie włókno jest bardzo niebezpieczna dla układu oddechowego)
Pod względem optycznym laminaty są materiałami przezroczystymi (oczywiście mowa o
laminatach poliestrowo- szklanych, lub epoksydowo- szklanych), jednak jak
wspomnieliśmy wyżej- właściwości optyczne laminatów zależą zarówno od kierunku
padania promieni świetlnych (pod kątem widoczna jest wyraźna opalescencja różowo-
żółta), od zawartości włókna szklanego i jego ułożenia, co jak wyżej wspomnieliśmy-
wszelkie uszkodzenia np. na skutek gradu powodują przesunięcie włókien szklanych
względem siebie i drastyczne pogorszenie właściwości optycznych laminatu. W
zależności od użytego szkła do produkcji włókna szklanego laminat raczej przepuszcza
promieniowanie ultrafioletowe- zakres UV-A do 85 %, oraz UV-B do 35 %, a więc nie jest
to specjalna ochrona przed w/w promieniowaniem, jednak dodajmy, że promieniowanie
UV odbijając się wielokrotnie od warstw włókna szklanego ulega drastycznemu
osłabieniu- przytoczone wyżej liczby transmitancji odnoszą się do czystego szkła
okiennego. Laminat jest materiałem odpornym na działanie promieniowania UV- nie
ulega przemianie strukturalnej podczas ekspozycji na promieniowanie UV. Warstwowość
laminatu i jednoczesna agregacja aglomeratów włókien szklanych nie sprzyja także
przepuszczalności światła ze względu na grubość warstwy- im grubszy laminat tym
zdolność przepuszczania światła widzialnego drastycznie maleje, w przeciwieństwie np.
do plexi, gdzie nieraz bardzo grube warstwy przepuszczają aż 85 % padającego
promieniowania widzialnego. Dlatego też laminat przezroczysty jest stosowany jako
rodzaj cienkiej (maksymalnie do paru milimetrów grubości ) ale wytrzymałej i relatywnie
przezroczystej warstwy ochronnej stosowanej razem ze znacznie bardziej
przezroczystymi tworzywami np. poliwęglanem.
Na koniec tego artykułu warto dodać garść informacji o samej żywicy epoksydowej
stosowanej jako lepiszcze do laminatu- są to wielkocząsteczkowe i usieciowane (czyli
tworzące podczas polimeryzacji przestrzenną, trójwymiarową strukturę sieci ) związki
chemiczne, które są najczęściej polifenolami. Żywica taka w zależności od produkcji jest
topliwym ciałem stałym lub materiałem lepkim - żywica poddana procesom utwardzania
staje się odporna i nietopliwa a przede wszystkim wykazująca się bardzo dobrą
przyczepnością co pozwala na produkcję min. warstw laminatu.i jednolitych tafli.
Na podstawie powyższych informacji przedstawionych w tym artykule widzimy, że
laminaty to materiały o niesamowitej wręcz odporności chemicznej, oraz bardzo
dobrych właściwościach fizycznych mających ogromne zastosowania, ale też nie
pozbawione bardzo istotnych wad- nie ma materiału idealnego, dlatego też np. w
budownictwie nieraz musimy stosować obok siebie dużo różnorakich materiałów lub
tworzyw.