Techniek

Wat zijn kunststof composieten en hoe worden producten gemaakt

Composiet betekend samengesteld. Een composiet kunststof is dus een materiaal dat uit een of meerdere verschillende materialen bestaat. Vaak tref je “composiet’ aan met “modern”, maar composiet materialen zijn al heel oud. Een bekend voorbeeld is Adobe: een mengsel van klei, zand, stro en wat koeienmest. Mits niet in een te vochtige omgeving gebruikt gaan Adobe muren jaren mee.

De kunststof composieten waar het hier om gaat bestaan uit de volgende twee materialen:

• hars om alles bij elkaar te houden;
• vezels om de kunststof sterk te maken.

Kunststof composieten zijn materialen die opgebouwd zijn met het doel de mechanische eigenschappen van één van de componenten te verbeteren c.q. versterken. Kunststof composieten hebben dus als kenmerken dat:

• ze uit tenminste twee verschillende stoffen zijn samengesteld;
• de mechanische eigenschappen van de samenstelling beter zijn dan die van de afzonderlijke componenten.

De belangrijkste reden van bestaan van kunststof composieten is dat ze lichter en vaak sterker zijn dan de bekende materialen (hout, aluminium, beton, staal) met dezelfde afmetingen. Andere redenen waarom kunststof composieten steeds meer worden toegepast zijn:

• lichtdoorlaatbaarheid;
• vrijheid van vormgeving;
• corrosiebestendigheid;
• geen/nauwelijks onderhoud.

Naast de vezels en hars zijn er nog andere mogelijke bestanddelen in kunststof composieten:

• soms wordt tussen 2 buitenlagen met vezels en hars een kernmateriaal gedaan dat vaak zeer licht is. Dit wordt een “sandwichlaminaat” genoemd.
• voor een gladde afwerking en als kleur wordt aan de buitenkant van het laminaat vaak een coating aangebracht. Als deze vooraf in de mal worden aangebracht spreekt men van een gelcoat, wordt deze achteraf op het product aangebracht dan spreken we van een topcoat.

Harsen

Veel gebruikte kunstharsen zijn de onverzadigde polyester harsen (UP-harsen), epoxy harsen en vinylester harsen.

De hars bepaald in hoofdzaak de volgende eigenschappen van het product:

• chemische bestendigheid
• bestandheid tegen veroudering
• vormvastheid bij warmte
• brandbestendigheid
• slijt- en krasvastheid
• elektrische eigenschappen
• krimp
• kleur en transparantheid

Vezels

Vele vezelachtige stoffen bezitten een grote treksterkte, veel groter dan die van harsen. Door vezels met de voor dit doel noodzakelijke eigenschappen in de kunsthars aan te brengen kan men eindproducten verkrijgen welke vele malen sterker zijn dan die van de uitgeharde kunsthars alleen. Dit maakt het mogelijk om constructies te vervaardigen die wat sterkte betreft kunnen wedijveren met conventionele constructiematerialen zoals staal, aluminium, hout, beton enz.
Vezels maken het mogelijk om betrekkelijk dunwandige producten te vervaardigen, waardoor aanzienlijke gewichtsbesparingen mogelijk zijn. Bovendien kunnen vezels meestal in iedere gewenste richting worden aangebracht, waardoor het mogelijk is om op noodzakelijke plaatsen de daar vereiste sterkte te concentreren.

De vezels die samen met een kunsthars tot een goed bruikbaar kunststof composiet leiden moeten aan bepaalde eisen voldoen:

• de vezel moet een hogere treksterkte hebben dan de kunsthars;
• de vezel moet zo mogelijk een hogere elasticiteitsmodulus hebben dan de kunsthars;
• de vezel moet door de vloeibare hars goed bevochtigd kunnen worden;
• de kunsthars moet na uitharding een goede hechting aan de vezel bezitten;
• de vezel moet voldoende bestand zijn tegen de nog vloeibare kunsthars en moet eveneens de tijdens de verwerking optredende omstandigheden (temperatuur, druk ed.) kunnen weerstaan.
• de vezels moeten weer-, water- en chemicaliën bestendig zijn.

Er zijn in principe vele vezelachtige stoffen die aan deze eisen voldoen, maar in de praktijk worden slechts een beperkt aantal gebruikt in harsen.

De meest gebruikte versterkingsvezels met hun eigenschappen zijn:

De meest gebruikte vezels zijn glasvezels. Daarnaast worden ook koolstofvezels, aramidevezels, of nog exotischer vezeltypes als M5 of Dyneema toegepast. Ook in opkomst zijn natuurvezels als vlas, sisal, jute en hennep. De vezels worden geïmpregneerd met een vloeibare kunststofhars, vandaar de naam vezelversterkte kunststof (vaak afgekort tot vvk) of kunststof composieten. De vezels geven het product haar sterkte terwijl de hars zorgt voor de krachtoverdracht van de vezels onderling. De vezels kunnen in verschillende vormen aangeleverd worden:

• als losse vezelbundels of rovings. In deze vorm kunnen de vezels worden toegepast bij het wikkelproces of het spray-up-proces.
• als mat met een willekeurige vezelrichting. Hierbij kunnen de vezels in korte stukjes gehakt zijn (engels: chopped, CSM) of continu zijn (‘continu-mat’). De vezels worden bijeen gehouden door een zogenaamde ‘binder’
• als breisel waarbij de vezelbundels met een soort brei-proces tot een drie-dimensionele structur worden gemaakt.
• als weefsel waarbij de vezelbundels afwisselend onder en boven elkaar geweven zijn als legsel of stiksel waarbij vezelbundels door een stikdraad met elkaar zijn verbonden.

Vezelgehalte en harsgehalte

Het gewicht van een product uit vezelversterkte kunststof is eenvoudigweg het gewicht van vezels en hars samen. Hoeveel hars en vezels er gebruikt worden hangt onder andere af van het proces waarmee gewerkt wordt. Bij handlamineren wordt bijvoorbeeld vaak meer hars gebruikt dan bij vacuüminjectie. Bij vacuüminjectie is door het samenpersen van de vezelversterking onder vacuüm het eindproduct dunner, zal minder hars bevatten en is daardoor lichter.

We drukken dit uit in het vezelgehalte of in het harsgehalte van de vvk. Het zal duidelijk zijn dat wanneer het vezelgehalte 40% is, dat dan het harsgehalte 60% zal zijn, omdat ze bij elkaar opgeteld op 100% moeten uitkomen. We kunnen het hier overigens hebben over gewichtsprocenten en over volumeprocenten. Deze zijn niet gelijk aan elkaar aangezien de vezels en de hars niet dezelfde dichtheid hebben. 25 Gewichtsprocenten glasvezel in een glas-polyester product komt bijvoorbeeld overeen met zo’n 10 volumeprocenten.

Kwaliteit

In het eindproduct kan soms een klein beetje lucht achterblijven. Dit ontstaat als tijdens de impregnatie de hars niet overal tussen de vezels doordringt. “Droge” vezels kunnen onder drukbelasting gemakkelijk breken. Ook kan op plaatsen met lucht makkelijk vocht in het product komen die het laminaat langzaam aantast (osmose). Het is dus belangrijk om luchtinsluitsels zoveel mogelijk te voorkomen.

Productietechnieken voor kunststof composieten

Voor het vervaardigen van vezelversterkte producten zijn er verschillende methodes. Iedere methode heeft zijn voordelen en prijs. Welke methode gebruikt zal worden, hangt af van een aantal zaken, namelijk: seriegrootte, complexiteit, kwaliteit en in steeds grotere mate de arbo- en milieubelasting door het gebruikte productieproces.

Er zijn vele methoden om producten van kunststof composieten te maken:

• persen, warm en koud;
• glasspuiten;
• prepreg persen;
• druk injectie;
• wikkelen;
• pultrusie;
• gesloten en open preformmethode.

Alpomat beheerst het handlamineren, glassspuiten en vacuuminjectie.

Korte beschrijving van handlamineren

Handlamineren is een van de oudste technieken voor het maken van kunststof composieten. Handlamineren wordt het meest toegepast en wordt gebruikt voor het vervaardigen van zowel grote als kleine producten.
In of over een mal worden vezelmatten of weefsels gelegd. De mal moet van te voren altijd worden ingesmeerd met een lossingsmiddel, zodat het product gemakkelijk uit de mal gelost kan worden. Met behulp van kwasten of rollers worden deze vezels met hars geïmpregneerd. Na het opbrengen van één laag, wordt met een ontluchtroller de lucht uit het reeds bevochtigde gedeelte verwijderd. Deze stappen kunnen worden herhaald tot de gewenste dikte is bereikt of tot een bepaald aantal lagen glasmat is verwerkt. De hoeveelheden en richting van de vezels zijn afhankelijk van de gewenste sterkte over het product.
Voor het verkrijgen van een mooi oppervlak wordt de mal vaak eerst voorzien van een gelcoat. Een gelcoat is een niet vezelversterkte polyesterhars, die gebruikt wordt als bescherming van het onderliggende product. De techniek heeft zich tot nu toe kunnen handhaven, omdat het een eenvoudige en relatief goedkope techniek is. Nadelen van handlamineren zijn de hoge arbeidsintensiviteit, slechte reproduceerbaarheid en hoge styreenemissie (milieubelasting).

Korte beschrijving van spuiten

Spuiten wordt veelal toegepast bij het vervaardigen van grote producten. Ook hier wordt de open mal eerst ingesmeerd met een lossingsmiddel en wordt er eventueel een gelcoat aangebracht. Bij het spuiten worden de hars en de harder in een spuitkop gemengd en samen met gehakte vezels op de mal gespoten.
Na het aanbrengen van een 1 mm dikke laag, wordt de hars ontlucht. Vervolgens worden de volgende lagen, steeds 2 mm dik, aangebracht. Na het aanbrengen van een nieuwe laag, dient er steeds ontlucht te worden. Een voordeel van spuiten is de hoge productiesnelheid. Nadelen zijn echter de hoge arbeidsintensiviteit en hoge styreenemissie. Een ander nadeel van de techniek is de random verdeling van de glasvezels in het product, er kunnen geen richtingsafhankelijke eigenschappen worden ingebouwd.

Korte beschrijving van vacuüminjectie

Vacuüminjectie is een techniek die vergeleken met het handlamineren de productie van grote constructies sterk verbetert.
Na het in de mal leggen van het complete pakket vezelmatten, -legsels of -weefsels (droog, dus zonder hars) wordt alles afgedekt met bijvoorbeeld een folie die aan de randen luchtdicht wordt vastgeplakt. De ruimte onder de folie wordt vacuüm gezogen. Op één of meerdere plaatsen wordt de vloeibare hars door slangen het product ingeleid. Door het drukverschil zal de hars door het hele vezelpakket heenstromen. Als het product volledig met hars is gevuld kan de injectie beëindigd worden. Nadat de hars voldoende is uitgehard wordt het product uit de mal gehaald.

Vacuüminjectie is dus een methode om hars te injecteren in het vezelmateriaal. Er zijn vele namen voor “harsinjectietechnieken” die allemaal net iets anders kunnen zijn:

• RTM (Resin Transfer Moulding);
• VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding);
• VARI (Vacuum Assisted Resin Injection);
• SCRIMP (Seeman’s Composite Resin Infusion Moulding Process);
• Infusie;
• Folietechniek;