CFR Thermoplast

In deze blog zal ik het verschil toelichten tussen de algemene term "composiet" en de meer specifieke term "cfr thermoplast" of voluit in het Nederlands "continu vezelversterkte thermoplast". Belangrijk hierbij is dat de continue (of doorlopende) vezel de optimale versterking geeft voor zwaar belaste producten.

De definitie van "composiet" is eigenlijk een al lang bestaande term voor de combinatie van twee materialen die nieuwe eigenschappen of voordelen opleveren. Het is eigenlijk niet specifiek gerelateerd aan polymeren en vezels, maar kan elke combinatie van materialen of elementen zijn. Zo is gewapend beton (beton met stalen staven) een composietmateriaal of bijvoorbeeld een sandwichpaneel (zoals schuimmateriaal tussen twee lagen aluminium).

Thermoharde composieten

De ontwikkeling van versterkte polymeren begon met de combinatie van vezels en thermohardende polymeren (meestal thermoharders genoemd). Thermoharder is een polymeer dat in een onomkeerbare toestand wordt gebracht door uitharding van een zachte vaste of stroperige vloeibare prepolymeer of hars. De vloeibare hars is, vanwege de relatief lage viscositeit, perfect geschikt om samen met vezels te worden gelamineerd en in een specifieke vorm te worden gegoten: het thermoharde composietproduct. Zoals gezegd is dit proces onomkeerbaar waardoor het materiaal niet van vorm veranderd kan worden en dus niet (gemakkelijk) recyclebaar is. Het alternatief om thermoharde producten in verbrandingsovens te verbranden, resulteert in een beperkte energieopwekking en soms tot giftige gassen en dampen. Dat is in vergelijking met metaal of thermoplastisch materiaal het grootste nadeel van de toepassing van thermoharde materialen.

laagopbouw bij composiet

Thermoplast composieten

De ontwikkeling van thermoplast composieten heeft een lange weg afgelegd vanwege de hogere viscositeit van thermoplasten in vergelijking met de harsen van thermoharders. De huidige productietechnologie maken de productie mogelijk van veel verschillende soorten UD-tape (unidirectionele tape, met de vezels in lengterichting). Veel verschillende thermoplastische polymeren kunnen worden gecombineerd met vezels en in verschillende breedtes worden gesneden om een plaat te vormen of in een smalle breedte voor het leggen van tape. De combinatie van lagen met verschillende hoeken, maakt het mogelijk om de sterkterichting te optimaliseren of isotroop gedrag van het eindproduct te creëren.

UD-tape in verschillende breedtes

Op maat gesneden UD-tape (© Mitsui Chemicals)

CFR Thermoplast materiaal

De hierboven genoemde tape en plaat zijn de grondstof voor verdere verwerking met thermovormen, tape leggen of tape wikkelen. De vezel in de UD-tape is eindeloos en daarom worden de producten gemaakt van UD-tape doorlopend vezelversterkte thermoplasten genoemd (Engels: CFR Thermoplastics / CFR-TP en in het Nederlands: CFR Thermoplast of Thermoplast composieten) en bieden ze de mogelijkheid om de volledige sterkte van de vezels te benutten in veeleisende toepassingen.

Thermoplast materiaal wordt zachter bij een bepaalde temperatuur die afhankelijk is van het soort materiaal. In die toepassingen waar de bedrijfstemperatuur zeer hoog is, kunnen materialen als PEEK (of PAEK en PEKK) uitkomst bieden. Thermoplasten kunnen (lokaal) worden gevormd door de temperatuur ruim boven de glastemperatuur (Tg) te brengen en het materiaal te vervormen (zoals de meeste metalen). En ook belangrijk om te vermelden is de recyclebaarheid van thermoplast composietmateriaal, waardoor het materiaal past in de circulaire economie!

Geschreven door Theo Mimpen (maart 2021)

Constructie voor zonnepanelen op zee (offshore)

Afbeelding: Offshore zonnepanelenveld

Veel gestelde vragen

Algemeen

Waarom wordt FRP (of CFRP/GFRP) toegepast in engineering?

FRP-materiaal is een veelzijdig materiaal met hoge prestatiekenmerken. Het bezit waardevolle technische eigenschappen, zoals een hoge sterkte/stijfheid in combinatie met een lage dichtheid. Bovendien is de duurzaamheid, zoals bijvoorbeeld de corrosie- en chemische bestendigheid, een ander kenmerk dat de toepassing van FRT in technische uitdagingen bevordert.
FRP wordt ook CFRP genoemd wanneer de versterking (vezels) uit koolstofvezelmateriaal bestaat en GFRP wanneer glasvezels worden gebruikt.
De "P" in "FRP" staat voor Polymeer of Plastic. Alformet gebruikt alleen thermoplastisch materiaal versterkt met vezels. Thermoplastisch materiaal heeft het voordeel dat het 100% recycleerbaar is en bijdraagt aan de overgang naar een circulaire economie

Wat is het verschil tussen vezelversterkte polymeer of kunststof?

Het woord kunststof of plastic is de gangbare naam voor synthetisch polymeer, dus er is geen verschil als je het over synthetisch materiaal hebt. Er zijn drie soorten polymeren: thermohardende, thermoplastische en elastomeren.
Thermohardend wordt verkregen door het onomkeerbaar harden ("harden") van een zachte vaste of viskeuze vloeibare prepolymeer (hars)
Thermoplastisch, of thermohardende kunststof, is een kunststof polymeermateriaal dat bij een bepaalde hoge temperatuur buigzaam of kneedbaar wordt en bij afkoeling stolt.
Een elastomeer is een polymeer met visco-elasticiteit (d.w.z. zowel viscositeit als elasticiteit) en met zwakke intermoleculaire krachten, in het algemeen een lage elasticiteitsmodulus en een hoge breukrek in vergelijking met andere materialen.
Vezelversterkte polymeer/kunststof is een polymeer/kunststof met versterking door vezels. Dit type materiaal is een constructiemateriaal en vervangt metaal in vele toepassingen, vanwege de gunstige eigenschappen.
Alformet verwerkt alleen thermoplastisch materiaal met vezelversterking. Deze worden gewoonlijk Fiber Reinforced Thermoplastics (FRTP) of Thermoplastic Composites genoemd en zijn 100% recycleerbaar.

Wat is het verschil tussen vezelversterkte thermoplasten en thermoplastische composieten?

Beide termen verwijzen normaliter naar hetzelfde: vezelversterkte thermoplasten wordt vaker gebruikt omdat het specifiek aangeeft dat vezels worden gebruikt om de thermoplasten te versterken. Voorbeelden zijn PP-GF (polypropyleen met glasvezels) of PEEK-CF (polyetheretherketon met koolstofvezels).
Thermoplastisch composiet betekent letterlijk dat het composiet (combinatie van twee materialen) bestaat uit thermoplast en een ander (versterkend) element. Elk ander element dat de eigenschappen verbetert kan dus worden gebruikt (waarvan vezels een optie zijn). Bijvoorbeeld een sandwichpaneel van aluminium platen met daartussen thermoplastisch materiaal wordt ook wel een (thermoplast) composiet genoemd.
Alformet verwerkt met haar laserwikkeltechnologie uitsluitend vezelversterkte thermoplasten, welke 100% recyclebaar zijn.

Wat is CFRP en CFR-TP?

CFRP staat voor Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic en is een groep kunststoffen die met koolstofvezels worden versterkt om ze een hoge sterkte en stijfheid te geven, terwijl het gewicht wordt verminderd in vergelijking met de meeste andere materialen zoals metalen. De groep kunststoffen die met koolstofvezels kunnen worden versterkt, kan in twee hoofdgroepen worden opgesplitst: thermohardende en thermoplastische kunststoffen.

CFR-TP staat voor Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics en is een subgroep binnen de CFRP en GFRP materiaalgroep. Thermoplasten versterkt met koolstofvezels hebben andere eigenschappen dan koolstofvezelversterkte thermoharders. Thermoplasten zijn recycleerbaar en passen in het model van de circulaire economie.

Wat is GFRP?

GFRP staat voor Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic en is een groep kunststoffen die versterkt zijn met glasvezels om ze een hoge sterkte en (betere) stijfheid te geven, terwijl het gewicht lager is in vergelijking met de meeste andere materialen zoals metalen. De groep kunststoffen die met glasvezels kunnen worden versterkt, kan in twee hoofdgroepen worden opgesplitst: thermohardende en thermoplastische kunststoffen.

Thermoplastische GFRP is een subgroep binnen de GFRP materiaalgroep. Thermoplasten versterkt met glasvezels hebben andere eigenschappen in vergelijking met glasvezelversterkte thermoharders. Thermoplasten zijn recycleerbaar en passen in het model van de circulaire economie.

Wat zijn continuevezelversterkte thermoplasten (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics - CFR-TP)?

De continuevezelversterkte thermoplasten bevatten vezels die eindeloos of doorlopend zijn. Deze continue vezels bieden optimale sterkte en stijfheid omdat zij de volledige structuur ondersteunen in tegenstelling tot de korte of lange vezels, die slechts beperkte belastingen kunnen dragen. De hoogste mechanische eigenschappen van een structuur kunnen worden verkregen door toepassing van continuvezels.