Το πολυεστερικό σκάφος στο μικροσκόπιο

GRP το DNA των πολυεστερικών σκαφών

Του Ιάσονα Θαλασσινού

Είναι το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον. Όπου και να στρέψουμε το βλέμμα μας γύρω, σίγουρα θα δούμε κάποιο αντικείμενο κατασκευασμένο από το… θαυματουργό σύγχρονο συνθετικό υλικό. Τα αρχικά GRP είναι γνωστά σε όλους τους φίλους της θάλασσας και αντιπροσωπεύουν το υλικό κατασκευής των πλαστικών σκαφών. Τι είναι όμως στο βάθος του αυτό το υλικό, πότε ξεκίνησε η χρησιμοποίησή του και ποια είναι η εξέλιξή του;

description

Το GRP (Glass Reinforced Plastics) ή γενικότερα FRP (Fibre Reinforced Plastics) είναι η τεχνική της δημιουργίας ενός υλικού, που όπως όλοι ξέρουμε χρησιμοποιείται και στην παραγωγή σκαφών αναψυχής. Πρωτοεμφανίστηκε και εξαπλώθηκε μέσα στα δεκαετία του ?60. Τότε ανακηρύχτηκε το θαυματουργό υλικό του μέλλοντος, που θα επέτρεπε την κατασκευή σκαφών, απαλλαγμένων από τα προβλήματα συντήρησης. Δυστυχώς σήμερα είναι πλέον γνωστό πως κάτι τέτοιο δεν ισχύει και οι φιλοδοξίες των πρωτεργατών της τεχνικής αυτής δεν επαληθεύτηκαν. Όλοι γνωρίζουμε πως το GRP είναι μεν πιο εύκολο στη συντήρησή του από τα αντίστοιχα μέταλλα και ξύλα, που κατά παράδοση χρησιμοποιήθηκαν στη ναυπήγηση, αλλά συγχρόνως είναι προβληματικό, αν δεν συντηρηθεί σωστά. Το σίγουρο είναι πως δεν πρόκειται για το υλικό θαύμα, που δεν χρειάζεται συντήρηση. Επίσης, όπως άλλωστε είναι φυσικό, η τεχνολογία έχει να παρουσιάσει εξελίξεις σε σύνθετα υλικά, που στην ουσία έχουν «καθαιρέσει» το GRP από τη θέση του κορυφαίου υλικού κατασκευής. Ας δούμε λοιπόν από την αρχή την εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα.

description

Συνθετικά υλικά (composites) χαρακτηρίζονται εκείνα, που συνδυάζουν τις φυσικές ιδιότητες των συστατικών τους για τη δημιουργία ενός δομικού υλικού με καλύτερες φυσικές ιδιότητες. Συνήθως περιέχουν ένα μεγάλο αριθμό εκ φύσεως ανθεκτικών ινών (ενίσχυση), εμποτισμένων μέσα σε ένα υλικό (φορέας). Ο ορισμός αυτός είναι γενικός και μας επιτρέπει να θεωρήσουμε την ενίσχυση ως ίνες από φυσικά μέταλλα, οργανικά ή ανόργανα υλικά και το φορέα ως κάποιο μέταλλο, κράμα μετάλλων, τσιμέντο, γυαλί ή ακόμα κάποιο οργανικό πολυμερές υλικό. Για παράδειγμα, η κατασκευή από τσιμέντο θεωρείται ως μία συνθετική κατασκευή. Στον τομέα της θάλασσας και της ναυπήγησης, η κατασκευή πλαστικών σκαφών από GRP είναι μια κατασκευή από συνθετικό υλικό, που αποτελείται από γυαλί (ενίσχυση) εμποτισμένο σε πολυεστέρα (φορέα).

Οι εξελίξεις στους τομείς της μηχανικής και της χημείας δημιούργησαν ένα μεγάλο αριθμό συνθετικών υλικών για τη ναυπήγηση σκαφών και όχι μόνο. Ο όρος GRP, δηλαδή Glass Reinforced Plastics (πλαστικά από ενισχυμένες ίνες
γυαλιού) έχει παραλλαχθεί σε FRP, δηλαδή Fibre Reinforced Plastics (πλαστικά από ενισχυμένες ίνες), αφού εκτός από τις ίνες γυαλιού χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά, όπως ίνες άνθρακα (carbon fibres) και αραμίδια (Kevlar), που αποτελούν την ενίσχυση, εμποτισμένα σε φορείς όπως η εποξειδική ρητίνη, ο πλαστικός πολυεστέρας κ.λπ. Είναι προφανές πως ο συνδυασμός ενισχύσεων και φορέων μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση πολλών συνθετικών υλικών. Αν ακόμα λάβουμε υπόψη μας ότι η προέλευση και η ποσότητα των ινών, η αναλογία μεταξύ της ενίσχυσης και του φορέα, αλλά και του φορέα και καταλύτη παίζουν σημαντικό ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες του τελικού υλικού, είναι προφανές πως ο αριθμός των πιθανών συνδυασμών αυξάνεται.

description

Παρά το γεγονός ότι οι μηχανικές ιδιότητες των ινών είναι σημαντικά υψηλές και σε πολλές περιπτώσεις ξεπερνούν το καθαρό μέγεθος τιμών άλλων υλικών, όπως για παράδειγμα το ατσάλι, αν το δούμε από την κατασκευαστική πλευρά, μια δέσμη από ίνες είναι άχρηστη, αφού δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο σχήμα ή επιφάνεια, που να μπορεί να φορμαριστεί στο επιθυμητό σχήμα, όπως ένα κομμάτι από σίδηρο. Ένα κομμάτι σπάγκου, για παράδειγμα, μπορεί να αντισταθεί στον εφελκυσμό, αλλά είναι τελείως άχρηστο σε δυνάμεις θλίψης ή στρεπτικές κάμψεις όπως μία ράβδος. Αν αυτή η δέσμη ινών του σπάγκου εμβαπτιστεί μέσα σε ένα φορέα, για παράδειγμα ρητίνη, και αφεθεί μέχρι αυτή να δέσει, τότε θα αποκτήσει ιδιότητες συνθετικού υλικού, που μπορούν κάλλιστα να συγκριθούν με αυτές της ράβδου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό στην κατασκευή ενός σκάφους, αφού το υλικό είναι αντάξιο του ατσαλιού, αλλά σημαντικά χαμηλότερο σε κόστος. Τα συνθετικά υλικά, που δημιουργούνται με τη μέθοδο αυτή αποκτούν σημαντικές ιδιότητες από πλευράς αντοχής σε δυνάμεις εφελκυσμού, θλίψης και κάμψης. Μπορούν επίσης να δημιουργηθούν έτσι ώστε να μπορούν να πάρουν οποιοδήποτε σχήμα, να δουλευτούν στον τόρνο, να γυαλιστούν και να αποδώσουν μία λεία επιφάνεια, ιδιότητες απαραίτητες, τουλάχιστον για την εφαρμογή τους σε ναυπηγικές κατασκευές.

Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, που χρησιμοποιούνται ως φορείς είναι πολύ λίγες σε σχέση με αυτές των υλικών, που χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση. Σπάνια ένας φορέας χρησιμοποιείται μόνος του σε εφαρμογές που προϋποθέτουν μεγάλα φορτία. Οι φορείς διαθέτουν πολύ καλές ιδιότητες προσκόλλησης, έτσι μπορούν να μεταφέρουν τα φορτία των δυνάμεων σε οποιοδήποτε μέσο ενίσχυσης. Οι περισσότερες ίνες στο εμπόριο έχουν διάμετρο μικρότερο από 20 μm (0,00002 μέτρα), δηλαδή το ένα δέκατο περίπου της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας. Ένα εκατομμύριο ίνες έχουν όγκο μόλις 10 κυβικών χιλιοστών(!) που όμως μπορεί να δώσει πραγματική επιφάνεια μεγαλύτερη από ένα τετραγωνικό μέτρο με το υλικό του φορέα. Μια γενική εικόνα για την κατανομή των δυνάμεων μεταξύ ενίσχυσης και φορέα μπορούμε να δούμε στον πίνακα 1.

description

Η γραφική παράσταση μας δίνει τη σχέση μεταξύ του φορτίου, που δέχεται η ενίσχυση και την αναλογία μεταξύ ενίσχυσης και φορέα. Είναι προφανές πως ο ρόλος του φορέα είναι να μεταφέρει και να κατανέμει τα φορτία πάνω στις ίνες που αποτελούν την ενίσχυση. Και τα δύο υλικά, δηλαδή ο φορέας και η ενίσχυση είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει αποτελεσματικά το σύστημα.

Ο μηχανισμός πρόσδεσης μεταξύ φορέα και ενίσχυσης είναι πολύ σημαντικός. Ας παρακολουθήσουμε το παράδειγμα στο σχήμα 2. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια ίνα κυλινδρικής διατομής εμποτισμένη σε κάποιο φορέα. Αν η ίνα εμποτιστεί σε μικρό βάθος, δηλαδή μία ή δύο φορές τη διάμετρό της (σχήμα 2, περίπτωση α), η προσκόλληση μεταξύ φορέα και ίνας είναι ανεπαρκής και βέβαια κάτω από ένα συνεχές φορτίο θα αποκολληθεί, αφήνοντας ένα κενό (σχήμα 2, περίπτωση β). Αν η ίνα εμποτιστεί σε μεγάλο βάθος (σχήμα 2, περίπτωση γ), η προσκόλληση είναι ικανοποιητική. Σ? αυτή την περίπτωση, καθώς το φορτίο αυξάνεται, η ίνα θα κοπεί εκτός του φορέα, αφήνοντας το υπόλοιπο τμήμα της μέσα του, χωρίς να επηρεάσει την αξιοπιστία και τις ιδιότητες του συνθετικού υλικού.

description

Οι ίνες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενίσχυση σε συνθετικά υλικά είναι αρκετές και βρίσκονται στη φύση ή παρασκευάζονται. Όλες ξεχωρίζουν για τις μεγάλες τιμές φορτίων, στις οποίες μπορούν να αντέξουν και τη μικρή επέκταση, που υφίστανται πριν κοπούν. Η πιο σημαντική όμως ιδιότητα είναι η χαμηλή πυκνότητά τους, άρα το χαμηλό βάρος κατασκευής. Δεν μπορούμε να προβλέψουμε την περαιτέρω ανάπτυξη των συνθετικών υλικών στο μέλλον. Σήμερα, το 98% των συνθετικών υλικών έχει ως ενίσχυση ίνες από γυαλί (glass fibre), ίνες άνθρακα (carbon fibre) και αραμίδια (Kevlar). Ας δούμε λοιπόν τις τρεις αυτές βασικές ίνες αναλύοντας τους τρόπους αξιοποίησής τους, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους.

Γυαλί (glass fibre)

Είναι δύσκολο να πιστέψει κανείς πως το γυαλί, το τζάμι ενός παραθύρου, έχει την ίδια βασική σύσταση με το γυαλί που χρησιμοποιείται στην κατασκευή ενός σκάφους. Είναι γεγονός όμως πως και τα δύο προέρχονται από την κρυσταλλοποίηση του διοξειδίου του πυριτίου (Si02), που δεν είναι άλλο από την άμμο της θάλασσας. Η διαφορά είναι μόνο ο τρόπος παρασκευής όπως για παράδειγμα η προσθήκη κάποιων άλλων οξειδίων. Οι βασικότερες ποιότητες γυαλιού είναι οι Ε-Glass (το φυσικό γυαλί), S-Glass (μία ανθεκτικότερη ποιότητα που αρχικά αναπτύχθηκε από τη διαστημική τεχνολογία) και R-Glass (μια παραλλαγή του S-Glass για δομικές εφαρμογές). Τραβώντας το γυαλί με μεγάλη ταχύτητα, όταν αυτό βρίσκεται σε υγρή μορφή, μπορούμε να το μετατρέψουμε σε ίνες με διάμετρο 3μm – 24μm. Η διαδικασία μετατροπής φαίνεται στο σχήμα 3. Οι απαραίτητες ποσότητες των οξειδίων και της άμμου πυριτίου μεταφέρονται σε ένα φούρνο, που μετατρέπει το μείγμα σε υγρή μορφή. Η βάση του φούρνου είναι εφοδιασμένη με ακροφύσια από κράμα πλατίνας. Καθώς το λιωμένο γυαλί βγαίνει από τα ακροφύσια, τραβιέται με μεγάλη ταχύτητα, σχηματίζοντας ένα νήμα, που τυλίγεται πάνω σε ένα κύλινδρο. Η ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται ο κύλινδρος είναι αυτή, που καθορίζει και τη διάμετρο του νήματος. Το νήμα μπορεί να πλεχτεί για να δημιουργηθούν τα υφάσματα, που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του σκάφους.

description

Τα κύρια χαρακτηριστικά των υαλοϋφασμάτων αυτών είναι τα παρακάτω. Τα νήματα γυαλιού ξεπερνούν κατά πολύ τη δύναμη του απλού γυαλιού, που όλοι ξέρουμε. Αν κατά τη διάρκεια της παρασκευής των υφασμάτων κρατηθούν μακριά τα σωματίδια σκόνης και υγρασίας, οι δυνάμεις των νημάτων διατηρούνται. Ένα απλό άγγιγμα του δακτύλου μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες. Αντίθετα με το αναμενόμενο, υφάσματα που παρασκευάζονται από χοντρές ίνες έχουν την ίδια αντοχή και δύναμη με άλλα υφάσματα από λεπτές ίνες φυσικά μέσα στα όρια διαμέτρου ινών 5μm – 50μm. Το γυαλί είναι αρκετά δυνατό σε χαμηλές θερμοκρασίες κάτω των -80° C. Σε θερμοκρασίες υψηλότερες υπάρχει μια μικρή απώλεια δύναμης που γίνεται σημαντικότερη όταν υπάρχει υγρασία. Οι ιδιότητες του γυαλιού γενικότερα παραμένουν σταθερές μεταξύ -80°C και 200° C. Η καταγραφόμενη δύναμη του γυαλιού είναι συνάρτηση του μήκους του δείγματος, πάνω στο οποίο γίνεται η δοκιμή. Καθώς το μήκος αυξάνεται, η μέγιστη αντοχή του υλικού μειώνεται. Η δύναμη διαφορετικών δειγμάτων γυαλιού θα πρέπει να δοκιμάζεται έχοντας το ίδιο σταθερό μήκος. Όταν οι ίνες γυαλιού υποβάλλονται σε μια σημαντική δύναμη, ένα συνεχές φορτίο, χαμηλότερο από αυτό της μεγίστης δύναμης εφελκυσμού, αργά ή γρήγορα θα υποκύψει και θα σπάσει. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως στατική κόπωση (static fatigue) και έχει άμεση σχέση με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες του περιβάλλοντος του υλικού.


Πολυεστερικό σκάφος στο μικροσκόπιο
– Μέρος Β’

0/5