Linu šķiedru netradicionālam pielietojumam nepieciešamo mehānisko raksturlielumu noteikšana

Projekta vadītājs: J.Andersons
 

Pēdējos gados pasaulē pieaug interese par dabiskajām šķiedrām kā stiegrojumu kompozītiem materiāliem. Tas saistīts ar globālo tendenci izveidot un plašāk izmantot videi draudzīgus materiālus. Ar to šajā gadījumā tiek saprasta

1)      dabīga izcelsme, kas nodrošina mazāku apkārtējās vides piesārņojumu šķiedru iegūšanas procesā; dabiskās šķiedras ir atjaunojami dabas resursi;

2)      iegūtie kompozīti ir ekoloģiskāki to lietošanas laikā: vieglāki, mazāk abrazīvi utml.;

3)      dabisko šķiedru produkti ir viegli pārstrādājami pēc lietošanas laika beigām, jo šķiedras dabīgi sadalās, var tikt sadedzinātas;

4)      dabiskās šķiedras ir praktiski CO₂ neitrālas – piem. augu izcelsmes šķiedru augšanas laikā asimilētais CO₂ kompensē šķiedras sadedzinot vai tām satrūdot radīto ogļskābās gāzes daudzumu.

Ar dabīgām šķiedrām stiegroti kompozītmateriāli tiek izmantoti gan dažādu vienreizējas lietošanas produktu ražošanā, gan ilglaicīgākos pielietojumos, galvenokārt auto industrijā. Potenciāli piemērotākās sintētisko šķiedru aizstājējas varētu būt linu šķiedras. Linu elementāršķiedra ir viena šī auga stublāja (lūku) bioloģiskā šūna. Tās diametrs ir 10-30 mikroni, bet garums var sasniegt pat vairāk nekā 5 centimetrus. Labās mehāniskās īpašības tai piešķir šķiedras ass virzienā orientētās kristāliskās celulozes mikrošķiedras. Linu elementāršķiedras stingums ir salīdzināms ar stikla šķiedrām, turklāt to blīvums ir ievērojami mazāks.

Kā zināms, linus tradicionāli audzē arī Latvijā. 1. attēlā redzams eksperimentāli noteiktais Latvijas ražotāja „Baltiks East” linu elementāršķiedru vidējās īpatnējās stiprības (stiprība/blīvums) salīdzinājums ar citu Eiropas ražotāju linu šķiedru datiem. Redzams, ka to īpašības daudz neatpaliek pat no plaši lietotajām stikla šķiedrām. Elementāršķiedras mehāniskajām pārbaudēm tika ņemtas no t.s. garajām linu šķiedrām. Garās un īsās linšķiedras tiek iegūtas, pārstrādajot tilinātos linu stiebrus linu pirmapstrādes  rūpnīcā. Garās šķiedras veidojas ražošanas procesā, kad tilinātie stiebriņi tiek mīstīti un pēc tam kulstīti, un kulstīšanas rezultātā atdalās spaļi un īsās sķiedras. Garā šķiedra ir augstvērtīga tekstilrūpniecības izejviela.

Faktors, kas apgrūtina linu un citu dabisko šķiedru netradicionālus pielietojumus ir izteikta to mehānisko īpašību izkliede. No kompozītmateriālu mehānikas viedokļa, praktiski nozīmīgākā problēma ir šķiedras stiprības sadalījuma atkarības no šķiedras garuma noteikšana, kura savukārt ir cieši saistīta ar šķiedras morfoloģiju un mehāniskajiem bojājumiem. Konstatēts, ka linu šķiedru stiprība pakļaujas modificētajam Veibula sadalījumam:

 (1)

kur  – šķiedras garums, bet  – modificētā Veibula sadalījuma parametri.

1. attēls. Dažādu ražotāju linu elementāršķiedru normētas īpatnējās stiprības eksperimentālo datu salīdzinājums diviem šķiedras garumiem. Kļūdu nogriežņi attēlo standartnovirzes.

Linu šķiedru mehānisko raksturlielumu izkliede ir saistīta gan ar to izcelsmi (šķirni, augšanas un novākšanas apstākļiem), gan arī ar augšanas un apstrādes rezultātā šķiedrās radušamies mehāniskajiem bojājumiem. Bojājumus viegli identificēt, aplūkojot linu šķiedras mikroskopā, starp diviem savstarpēji sakrustotiem polarizatoriem (skat. 2. attēlu).

2. attēls. Linu elementāršķiedra palielinājumā. Tas pats šķiedras fragments augšējā attēlā – caurejošā nepolarizētā gaismā, apakšējā –starp diviem krustotiem polarizatoriem. Mehāniskie bojājumi redzami kā joslas, kas šķērso šķiedru perpendikulāri tās asij.

Tādējādi ir iespējams eksperimentāli novērtēt mehānisko defektu skaitu uz šķiedras garuma vienību, t.i. noteikt defektu lineāro blīvumu. Pieņemot, ka šķiedras stiprību nosaka “vājākā” defekta stiprība un izmantojot varbūtisku modelēšanu, iegūtas tuvinātas analītiskas izteiksmes šķiedru stiprības sadalījuma (1) parametriem. Par ieejas datiem tām kalpo eksperimentāli noteikti šķiedru stiprības un defektu blīvuma sadalījumu parametri pie viena fiksēta šķiedras garuma.

3. attēlā parādīts linu šķiedru stiprības sadalījums pie parauga garuma 20 mm. Prognozei izmantoti 5 mm garu šķiedru stiprības sadalījuma parametri un defektu blīvuma mērījumi. Redzams, ka eksperimenta un prognozes sakritība ir relatīvi laba. (Tāpat, protams, iespējams prognozēt linu šķiedru stiprību jebkuram citam šķiedru garumam.) 

3. attēls.