Vlasvezel versterkte kunststof draagconstructies

Transcriptie

1 Wi ndeshei m zetkenni si n wer ki ng ek zo er nd O Wi ndeshei m zetkenni si n wer ki ng BIOCOMPOSIET BRUGDEK Onder zoeksar t i kelnaarl angeduurgedr ag Lect or aatkuns t s t of t echnol ogi e BI OVEZELS De c e mbe r201 5 LKTCOMH Lect or aat Kunst st of t echnol ogi e

2 Vlasvezel versterkte kunststof draagconstructies Toepasbaar in vochtige omstandigheden? Ir. P.G.F. Bosman Drs. R. Verleg Ing. P. Schreuder docent civiele techniek, onderzoeker LKT Windesheim manager Research and Development DSM Composite Resins junior onderzoeker Lectoraat Kunststoftechnologie (LKT) Windesheim Glasvezelcomposiet: bekend terrein De sterkte en stijfheid (E modulus) van composieten worden doorgaans bepaald bij 20 C in binnenomstandigheden waarbij proefstukken éénmalig en relatief snel worden belast tot breuk. Omdat omgevings en belastinginvloeden nadelige invloed kunnen hebben op sterkte en stijfheid van composieten worden hiervoor zogeheten conversiefactoren c, gebruikt. Bij glasvezel versterkte kunststoffen (GVVK) worden conversiefactoren onderscheiden voor 1 : 1) temperatuur T Temperature 2) vochtigheid H Humidity 3) permanente belasting C Creep 4) dynamische belasting F Fatigue of E modulus ad 1) ad 2) ad 3) ad 4) de buitentemperatuur kan fluctueren van 25 C tot +50 à 75 C. Hiervoor wordt bij GVVK een factor van 0,9 voor zowel stijfheid als sterkte voorgeschreven. afhankelijk van de toepassing droog / wisselend droog & nat / nat wordt bij GVVK een factor van 1,0 / 0,9 / 0,8 voor zowel stijfheid als sterkte voorgeschreven. afhankelijk van het type vezelversterking UD legsel / weefsel / CSM mat wordt bij GVVK een factor t 0,01 / t 0,04 / t 0,10 voorgeschreven (t in uren) voor verdiscontering van kruipvervorming. Voor UD legsel geldt na 100 jaar een factor van ca. 0,9. Kruipbreuk dient nu apart beschouwd te worden; hiervoor geldt een spanningslimiet. de E modulus wijzigt na meerdere belastingcycli. Daarom wordt voor stijfheid én stabiliteit (E zit ook in F EULER ) bij GVVK een factor van 0,9 voorgeschreven, maar niet voor sterkte. De vermoeiingssterkte wordt afgeleid uit n curven. Mits een juiste hars is geselecteerd en een compatibele filmvormer en koppelingsadditief (sizing) op de vezels is verwerkt, kan bij zorgvuldige uitvoering een GVVK brugdek worden gerealiseerd waarbij vezels en matrix goed samenwerken zonder dat het brugdek overmatig zal degraderen binnen een gewenste levensduur van bijv. 100 jaar. Om tot goede benutting van materialen te komen wordt als draagconstructie vaak een sandwich toegepast met GVVK aan de buitenzijden en een kern van (PVC/PUR) schuim. Het is gebruikelijk om een GVVK brugdek uit te voeren met een kunststof slijtlaag aan de bovenzijde en kunststof coating aan overige zijden, zowel om functionele als esthetische redenen. Deze coatings zorgen tevens voor betere verweringseigenschappen. 1 Vezel versterkte kunststoffen (VVK) in civiele en bouwkundige draagconstructies CUR Aanbeveling

3 Vlasvezelcomposiet: ontginnen Eerder genoemde conversiefactoren worden bij het ontwerpen met GVVK draagconstructies alom gebruikt. Voor vlasvezel versterkte kunststof (VVVK) zijn deze factoren onderzocht om ook hiermee een VVVK brugdek te kunnen ontwerpen. Om een duurzame constructie conform Eurocode NEN EN 1990 te ontwerpen zijn tevens de degradatiemechanismen slijtage, UV, chemicaliën en verrotting onderzocht. Aanleiding is de eerste toepassing van VVVK brugdek in de nieuwe dierentuin van Emmen voor een beweegbare voetgangersbrug. Vlasvezels lijken op voorhand ideaal voor deze toepassing, dit omdat vlasvezels: een veel lagere dichtheid hebben dan glasvezels en het brugdek geen contragewicht heeft; bijna net zo stijf zijn als glasvezels en doorbuiging bij brugdekken veelal maatgevend is; veel lagere milieu impact heeft dan glasvezels, ze binden immers CO 2 bij groei i.p.v. uitstoten bij productie; voorts is VVVK geheel thermisch recyclebaar. Eigenschap vezels vlas E glas eenheid bron Dichtheid 1,40 2,55 kg/dm 3 2 Stijfheid 50 à GPa " Sterkte 0,5 à 1,1 2,0 à 3,5 GPa " Rek bij breuk 1,3 à 3,3 2,5 % " CO 2 1,95 +6,75 kg CO 2 /dm 3 3 Materiaaldemping in VVK 3,0±1,0 1,0±0,5 % 4 Tabel 1 Eigenschappen vlasvezels en ter referentie van E glasvezels In tabel 1 zijn enkele eigenschappen van vlas en glasvezels samengevat. Een gunstiger materiaaldemping van vlasvezels leidt, des temeer zonder gebruik van sizing, tot minder omgevingsgeluid 5. Bij GVVK bruggen worden veelal meerdere lagen aan elkaar gestikte uni directionele (UD) legsels toegepast die tezamen een laminaat vormen, omdat legsels geen ingebouwde krimp hebben. Het VVVK onderzoek heeft zich daarom tot UD beperkt. Het onderzoek beperkt zich voorts tot niet geconditioneerde, niet chemisch behandelde vlasvezels. Dit vanwege de gekozen uitgangspunten dat de brug zo productievriendelijk resp. milieuvriendelijk moest zijn. Voor bepaling van de mechanische en fysische korte duur eigenschappen van VVVK voor binnenomstandigheden wordt verwezen naar het lectoraat Duurzame Kunststoffen van de Hogeschool Stenden. Gezamenlijk met hen wordt momenteel de milieu impact van een VVVK brugdek onderzocht middels een LCA. Vanwege de milieu impact wordt de kern van gerecycled PET (flessen) gemaakt. 2 Biocomposieten 2012, Natuurlijke vezels en bioharsen in technische toepassingen, M. van den Oever en K. Molenveld, Wageningen UR 3 Flax & Hemp fibres: a natural solution for the composite industry Add on release 2014, Technical book CELC 4 FLAX PREPREG Prepreg made of flax fibers / epoxy resin LINEO 5 Invloed van de vezel matrix interface op de materiaaldemping van vlas en koolstofvezelversterkte composieten S. Huysmans, 2012, Universiteit Gent

4 Onderzoeksmethoden De gehanteerde onderzoeksmethode voor de omgevingsomstandigheden vocht en temperatuur is, vanwege het belang en het gebrek aan toepasbare literatuur, experimenteel. Omdat bij lichte VVVK voetgangersbruggen dynamische stijfheid en sterkte (vermoeiing), kruip en lange duur sterkte minder relevant zijn, is volstaan met literatuuronderzoek. Omdat verwacht mag worden dat bij degradatiemechanismen (behoudens verrotting) voor VVVK met vergelijkbare maatregelen ingeperkt kunnen worden als bij GVVK is volstaan met literatuuronderzoek en interviews met experts. Resultaten literatuurstudie Conventionele degradatie Degradatie door UV straling, slijtage en chemicaliën zijn bij VVVK niet wezenlijk anders dan bij GVVK. Het type vezels doet er niet toe omdat ze beschermd worden door de matrix, en extra beschermd kunnen worden door een coating. Degradatie door micro organismen Degradatie door micro organismen (bacteriën, schimmels e.d.) in vochtige omstandigheden is het onderscheidende degradatiemechanisme voor VVVK. Door verrotting wordt het oppervlakte om kracht op te nemen kleiner. Bij verrotting is de beschikbaarheid van micro organismen, zuurstof, vocht en o.a. stikstof van belang. Een effectieve oplossing voor dit probleem vormt om alle microorganismen in de kiem te smoren, bijvoorbeeld door een Duralin stoom/hittebehandeling van vlasvezels 6. Conversiefactor voor tijdseffecten ( cc ) Kwantitatieve informatie is voor VVVK niet aangetroffen. Volgens de leverancier van de vlasvezels kan het verwachte tijdseffect voor vlasvezels worden geschat door te kijken naar houtconstructies, want in beide gevallen betreft het cellulosevezels. Daarom zijn in tabel 2 de lange duur factoren opgenomen voor gebruikelijke types houtconstructies. Klimaatklasse voor hout Relatieve Vochtigheid (RV) 1/(1 + k def ) E reductie (vanwege kruip) k mod reductie (onder blijvende belasting) RV < 65% (<12% vochtopname) 1/(1 + 0,6) = 0,63 0,60 RV < 85% (<20% vochtopname) 1/(1 + 0,8) = 0,56 0,60 RV > 85% (>20% vochtopname) 1/(1 + 2,0) = 0,33 0,50 Tabel 2 Lange duur factoren hout (gezaagd hout, gelijmd gelamineerd hout & gelamineerd fineerhout) 7 Voor de lange duur sterkte zijn in de Eurocode hout reductiefactoren k mod onderscheiden voor zeer kort, kort (<1 week), middellang (1week 6maanden), lang (6maanden 10 jaar) en blijvend (>10jaar). De factor k mod varieert van 0,5 resp. 0,6 bij blijvende belasting tot 1,1 bij zeer kort durende belasting zoals wind of explosie. Een factor 1,0 hoort bij de voorgeschreven test duur van 5±2 minuten. Deze reductiefactoren voor RV<65% en RV<85% zijn beide te vangen in de formule t 0,04 met t in uren. 6 Green composites: A review of material attributes and complementary Applications Dicker M.P.M. (2013). 7 Ontleend aan: EN Eurocode 5: Ontwerp en berekening Houtconstructies (2005).

5 Conversiefactor voor dynamische belasting ( cf ) In figuur 1 zijn onder b) E n curves voor diverse types vlasvezel versterkte epoxy s te zien (UDlegsels, weefsels, CSM matten). Voor UD VVVK lamellen blijkt dat de E modulus na n= 1 cyclus ca. 22GPa is. Deze neemt na cycli toe tot ca. 23GPa, en na cycli de E modulus weer op ca. 22GPa. Dit verschijnsel kan worden verklaard doordat de vezel in de eerste cyclus worden gestrekt, waarmee de stijfheid voor nieuwe belasting toeneemt. Vervolgens treedt pas 'vermoeiing' op, of onderscheidend geformuleerd dynamische modulus. Voor UD VVVK laminaten blijken de vezels in dwarsrichting er voor te zorgen dat er niet eerst een toename plaatsvindt van E modulus. De afname van de E modulus bedraagt ca. een factor 0,9. η = 1,0 UD lamel η = 0,9 UD laminaat Figuur 1 a) n en b) E n curves van diverse vlas epoxy composieten 8 Vermoeiing In figuur 1 zijn onder a) de resultaten van vermoeiingsproeven voor diverse types vlasvezel versterkte epoxy s in n curves weergegeven. Deze grafieken zijn onderling moeilijk van vorm te vergelijken omdat de statische sterkte voor n=1 cyclus verschilt. 8 Overgenomen uit Technical book JEC/CELC Flex and Hemp fibers: a natural solution for the composite industry Add on release 2014 p36. Bijdrage van Bensadoun F, KU Leuven.

6 In figuur 2b zijn de genormaliseerde n waarden weergegeven voor UD polyester composieten met plantaardige vezels en zijn deze vergeleken met bekende n curves voor glas en koolstofvezels. F20 en F50 betreffen VVK s met vlas (flax), H180 met hennep (hemp) en J190 met jute. Genormaliseerd betekent dat de vermoeiingssterkte is gedeeld door de statische sterkte (Ultimate Tensile Strength). Figuur 2 a) n curves van UD, bio vezel polyester composieten b) Genormaliseerd 9 De genormaliseerde n curves van natuurvezels blijken allen een bi lineaire vorm te hebben, die overal boven de lineaire vorm van glasvezels blijven. Bij vlasvezels kan ook de statische sterkte als vertrekpunt voor vermoeiing worden gebruikt en is het een veilige benadering om eenvoudigheidshalve met dezelfde helling als bij glasvezels te werken. Conversiefactoren voor temperatuur en vochtigheid ( ct & ch ) De conversiefactor voor vocht en temperatuur van VVVK is bepaald aan de hand van experimenten met VVVK op het moment dat het volledige evenwichtsvochtgehalte was bereikt. Experimenten 10 Met VVVK s zijn buigproeven uitgevoerd conform ISO op UD vlas laminaten waarbij is gevarieerd met temperatuur en vochtigheid. De laminaten zijn opgebouwd uit 6 lagen UD vlasvezels AmpliTex 5009 van Bcomp in één richting. Als hars is DSM s vinylester Atlac 430 toegepast, en daarnaast een experimentele styreenvrije polyester hars. Beiden uitgehard met AKZO Nobels kobaltvrije, Blucure versneller system Nouryact CF 12 N. Aangezien de uitharding van vinyl en polyester harsen met standaard kobalt peroxide niet werkt 11, zijn de door DSM en AKZO Nobel nieuw ontwikkelde kobalt vrije Blucure TM uithardingssystemen toegepast. Alle proefplaatjes zijn gepostcured bij 40 C. De proefplaatjes in een vochtige omgeving zijn aan alle zijkanten gecoat. De afmetingen van de belaste monsters zijn 75x15x 3,5mm, de overspanning is 50mm. Er zijn steeds proeven op 3 monsters met vezels in hoofdrichting (0 ) uitgevoerd en 3 met vezels in dwarsrichting (90 ). Van elk drietal zijn de gemiddelden bepaald. De variaties in temperatuur zijn 20 C, 5 C, 20 C, 9 Overgenomen uit Fatigue life evaluation of aligned plant fiber composites through n curves and constant life diagrams, Shah DU, Biocomposiet brugdek onderzoek naar lange duur gedrag Lectoraat Kunststoftechnologie Hogeschool Windesheim, Feb Removing barriers for bio based composites production with novel water insensitive cure systems Akzo Nobel, Reinforced Plastics, Feb 2015

7 40 C, 60 C en 80 C. Deze temperaturen zijn gecombineerd met onder water proeven (RV= 100%), overige variatie zijn oven droog (RV= 10±5%) met 40 C, 60 C en 80 C, en kamer droog (RV= 40±10%) met 20 C, 5 C en 20 C. Om de circa 200 uur zijn monsters beproefd, waarbij tevens de vochtgehaltes zijn bepaald en is vastgesteld of er al een vochtevenwicht verkregen was. Bij RV= 80% met 20 C is tussentijds alleen het vochtgehalte gemeten, bij vochtevenwicht zijn de mechanische eigenschappen in vezelrichting bepaald. Resultaten experimenten 10 In figuren 3 zijn sterktes en stijfheiden in N/mm 2 van ovendroge, kamerdroge, RV=80% en natte omstandigheden weergegeven ten opzichte van de gewichtstoename door vocht. Figuren 3 Buigsterkte en buigmodulus vs. vochtopname bij diverse klimaatomstandigheden voor Atlac hars De meetwaarden vlak na postcuren bij kamertemperatuur (ca. 20 C) en bij kamerdroge omstandigheden zijn als referentiewaarde gebruikt: 0% vochtopname. RV= 80% geldt als benadering van de gemiddelde omstandigheden in buiten toepassing: afwisselend nat & droog. Bij de omcirkelde

8 waarden is het evenwichtsvochtgehalte bereikt, bij lagere temperaturen gebeurt dat na maanden wachten. De niet omcirkelde waarden zijn tussentijdse metingen van onder water proefstukken. Hierbij zullen de buitenste vezels al meer vocht hebben opgenomen dan de meer naar binnen gelegen vezels. Voor RV=80% en RV=100% zijn conversiefactoren voor temperatuur en vocht tot volledige saturatie gecombineerd bijgeschreven ten opzichte van kamer droge omstandigheden. Resultaten van de experimentele styreenvrije polyester hars lieten een vergelijkbaar beeld zien. Uit droge proeven blijkt dat als conversiefactor voor temperatuur voor 0,9 aangehouden kan worden aangehouden voor VVVK. Voor RV= 80% geldt: de gemeten gecombineerde reductie voor temperatuur en vocht bij het evenwichtsvochtgehalte blijkt ca. 0,8 voor zowel sterkte als stijfheid (zie figuren 3). De conversiefactor voor vocht bij RV= 80% bedraagt daarmee 0,8/0,9 = 0,9. De degradatie na volledige saturatie is hierbij nog niet meegenomen. Hiervoor is de conversiefactor voor vocht na saturatie voor VVVK vermenigvuldigt met de conversiefactor voor vocht van GVVK. Daarmee wordt als VVVK conversiefactor voor wisselend droog/nat verkregen: 0,9x0,9 = 0,8. Voor onder water is dezelfde methode gehanteerd met andere getallen. In figuur 4 is het tijdsverloop weergegeven van de gewichtstoename door vocht bij RV=80% voor VVVK s met beide harsen. Na circa 3 maanden was het evenwichtsvochtgehalte bereikt bij 20 C. De VVVK met VE hars neemt duidelijk minder vocht op dan VVVK met UP hars. 7,0% 6,0% Geewichtstoename 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% Tijd (uren) Figuur 4 Gewichtstoename door vocht vs. tijd voor RH=80% en T=20C Proeven bij hogere temperaturen bereiken het evenwichtsvochtgehalte aanmerkelijk sneller. Bij proeven met monsters die één maal langdurig onder water zijn gezet en daarna oven gedroogd zijn, zijn de mechanische eigenschappen ongeveer gelijk aan monsters in kamerdroge omstandigheden. De terugval in mechanische eigenschappen na de eerste nat droog cyclus, duidt op beginnende onthechting. De resultaten van de mechanische eigenschappen van de natte proefstukken haaks op de vezelrichting ondersteunen dit inzicht.

9 Bij herhaalde nat droog cyclische belasting kan forse terugval in mechanische eigenschappen optreden 12. Conclusies Degradatie Degradatie door UV straling, slijtage en chemicaliën voor VVVK is niet wezenlijk anders dan bij GVVK. Degradatie door micro organismen is bij vochtige omstandigheden het onderscheidende degradatiemechanisme voor VVVK. Reductie van mechanische eigenschappen Voor beoordeling van het vlasvezel versterkte kunststof is uitgegaan van de systematiek voor glasvezel versterkte kunststoffen zijnde CUR aanbeveling In tabel 3 zijn conversiefactoren voor glas VVK uit CUR 96 1 overgenomen en de voorgestelde waarden voor vlas VVK weergegeven op basis van dit onderzoek. Factor vezel-vvk Toelichting Voor effect van symbool Glas 1 Vlas referentie Temperatuur ct 0,9 0,9 droog Vocht d/n nat droog Kruip d/n nat ch 1,0 0,9 0,8 cc 0,9 1,0 0,8* 0,4 0,2 E 0,6 0,60 0,6 0,55 0,5 0,33 E Afwijkende sterkte ( ) & stijfheid (E) voor T<>T test. T range : -25 C tot +50 C (lichte kleur) aangehouden droge vlastestwaarden aangehouden Afwijkende & E t.o.v. droog. d/n: vlastestwaarden RH=80% T=20 C aangehouden nat: vlastestwaarden onderwater, zonder oppervlakte coating aangehouden Teruglopen & E onder permanente belasting. tabel: t=50-100j aangehouden, vlas ontleend aan hout 7 glas: t -0,01, t in h; voor droog, droog/nat & nat 1 vlas: t -0,04, t in h; voor droog & droog/nat (suggestie) Teruglopen E-modulus onder dynamische belasting. Vermoeiing E cf 0,9 0,9 vlasliteratuur met 1 tot cycli aangehouden 8 Tabel 3 Conversiefactoren UD VVVK en ter referentie UD GVVK Bij invullen van tabel 3 is uitgegaan van: vinyl esterhars Atlac 430, uitgehard met een kobaltvrije Nouryact, of gelijkwaardig; niet geconditioneerde, onbehandelde vlasvezels AmpliTex of gelijkwaardig; UD legsels in laminaten (geen weefsels of matten). * : Voor droog/nat is uitgegaan van een coating/slijtlaag rondom de gehele VVK constructie wat vochttransport zodanig vertraagt, dat de relatieve vochtigheid (RV, Eng.: RH) van de vlasvezels na instelling vanaf kamer droge realisatieomstandigheden uiteindelijk weinig afwijkt rondom het jaargemiddelde van 80%. Vermoeiing Het is een veilige benadering 6 om voor de helling van de vermoeiingscurves voor VVVK de zelfde aan te houden als bij GVVK. Adviezen 12 Auto accelerative water damage in an epoxy composite reinforces with plain weave flax fabric. Composites: Part A 40, Newman R.H. (2009).

10 Voor de toepassing van niet geconditioneerde, niet chemisch behandelde UD vlasvezels in VVK draagconstructies die blijvend buiten staan in gemiddelde vochtigheid van RH= 80%, wordt geadviseerd om: a) een kobaltvrij uitgeharde vinylester hars toe te passen; b) de vlasvezels een Duralin voorbehandeling te geven; c) de vlasvezels in niet gedroogde omstandigheden te verwerken in het composiet. De ideale verwerkingsomstandigheid bedraagt RH= 80% zijnde het jaargemiddelde van vocht buiten; d) een hars te selecteren of ontwikkelen die een goede hechting heeft met vlasvezels, liefst zonder een sizing; e) het vlascomposiet rondom te voorzien van een waterdichte coating / slijtlaag en een gegarandeerde hemelwaterafvoer (forse dwarsafschot en bij opsluiten van water tevens langsafschot); f) brandblootstelling te beperken. De redenen hiervoor zijn achtereenvolgens: a) dit omdat kobalt versnellers inactief worden in aanwezigheid van water wat in de ongedroogde vlasvezels zit; b) Duralin temperatuur voorbehandeling is bedoeld om bacterie en schimmelkiemen te doden en daarmee verrotting te voorkomen; c) gedroogde vlasvezels nemen later alsnog vocht op waarbij ze fors uitzetten; d) bij de beproefde Atlac hars is een acceptabele hechting bij RH= 80% verkregen, matiger hechting kan zich uiten in de vochtconversiefactor; e) bij goed afschermen wordt de natuurlijke vochtfluctuatie die buiten plaatsvindt zo veel mogelijk gedempt in het vlascomposiet. Grote vochtfluctuaties in het composiet leiden namelijk tot mechanische degradatie. Bovendien wordt met de bescherming tevens de degradatie door UV, slijtage en chemicaliën voorkomen; f) vanaf 180 C vindt vezeldegradatie plaats; matrixdegradatie kan evenals bij GVVK (afhankelijk van de matrix) al bij lagere temperaturen plaatsvinden. Aanbevelingen Aanbevolen wordt om de lange duur beproevingen voor VVVK naar reductie van de mechanische eigenschappen uit te breiden tot 10 jaar in combinatie met diverse bewaartemperaturen voor RH=60%, 80% en 99,9%. Daarnaast wordt monitoring van deze eerste VVVK brug aanbevolen. Voordat VVVK draagconstructies worden toegepast met een groot aandeel aan permanente belasting, wordt aanbevolen om onderzoek te verrichten naar de lange duur effecten van VVVK. De toepassing van VVVK draagconstructies die blijvend onder water staan, wordt vooralsnog afgeraden. Hiervoor is eerst verder onderzoek / ontwikkeling nodig. Lectoraat Het lectoraat Kunststoftechnologie van de Hogeschool Windesheim heeft hybride ontwerpen, duurzaamheid en composiet toepassingen als enkele van haar speerpunten vastgesteld. Er wordt samen met (regionale) bedrijven en studenten praktijkgericht onderzoek verricht, dat mogelijk tot innovaties leidt en dat ten goede moet komen van het onderwijs in bredere zin. Dit project vormt daar een mooi voorbeeld van. Wij danken DSM Zwolle, CTC Hengelo en Machinefabriek Emmen voor de prettige samenwerking binnen dit onderzoek.

11 Voor dit project is gebruik gemaakt van onderzoeksubsidie in het kader van het topsectorenbeleid: dit onderzoek heeft plaats kunnen vinden door GreenPac, een initiatief van Stenden en Windesheim voor onderzoek op het gebied van polymeer toepassingen in Noord Oost Nederland.