Dejl, Radim: Vlastnosti speciálních vláken

1,513 views
1,381 views

Published on

Konference SVUČ 2009

Published in: Technology, Business
1 Comment
1 Like
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
1,513
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
79
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
1
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide
  • Dobrý den, jmenuji se Radim Dejl a společně s panem Ing. Janem Grégrem z Katedry chemie Fakulty přírodovědně-humanitní a pedagogické se snažíme touto studií objasnit výjimečné vlastnosti vybraných speciálních vláken, které se používají pro výrobu moderních ochranných textilií. Námi nabízená řešení jsou výsledkem práce chemiků, kteří se zabývají molekulární podstatou daného materiálu.
  • S panem kolegou jsme se snažili o chemický pohled, který by zodpověděl mnohé otázky a problémy týkající se daného oboru. Tento chemický pohled se skládá ze 3 neoddělitelných částí, které nám pomáhají nalézat odpovědi a řešení. Metodou mikroskopie (optické nebo rastrovací) jsme vlákna zkoumali z makroskopického hlediska, ale ani 1000 násobné zvětšení nám neposkytovalo dostatečné vysvětlení jedinečných fyzikálně mechanických vlastností během zátěžového zkoušení vláken. Vysvětlení nám nabídlo až zkoumání vlastností počítačových modelů.
  • Přesto jsem v laboratoři zkusil otestovat 200 vzorků vláken Kevlar a Twaron a získal jsem tyto fyzikálně-mechanické parametry, které mají rozhodující vliv na kvalitu vlákna resp. textilii. Průměry vláken souhlasí s tabulkovými hodnotami a pevnosti v tahu odpovídají již opotřebovaným vláknům. Je vidět, že prach a UV záření sníží parametry vláken až o 50%.
  • Mimo modelování struktur v běžných chemických programech, jsem vytvářel modely v profesionálním programu ChemBio3D, kde jsem se zaměřil na stereoskopické pozorování modelů a získávání vlastností z optimalizovaných struktur. K tomuto studiu jsem použil nepříliš běžnou metodu – pozorování anaglyfů. Anaglyf je např. obrázek nebo film, kde je rozložen obraz pro pravé a levé oko na barevné složky (nejčastěji modrozelená a červená). K pozorování potřebujeme zvláštní brýle s příslušnými barevnými filtry. Zkuste si prosím tyto brýle nasadit. Vnímáte rozdíly mezi modely ?
  • Model dole je plochý. Pokud ho vnímáte prostorově, tak jen proto, že Váš mozek již umí vnímat prostorově. Např. u žáka 8. třídy ZŠ tato schopnost nemusí být ještě plně rozvinuta.
  • Model nahoře je naopak plně prostorový – stereoskopický. Přední část – benzenové jádro vystupuje z plochy.
  • U této matrice – modelu vlákna - nejsou bez brýlí poznat jednotlivé řetězce v dané vrstvě. Každá vrstva obsahuje 3 řetězce. Stereoskopické brýle by např. mohli pomoci pří výkladu probírané látky.
  • Existují i jiné typy brýlí. Jsou však dražší a z mého pohledu méně vhodné pro pozorování a výuku. Prostorový vjem modelu ztrácí barevnost.
  • Další alternativou můžou být i anaglyfy, kde jsou zapotřebí brýle filtry GREEN-MAGENTA (zelená-purpurová). Ty jsou však mnohem vhodnější pro pohyblivé modely jako jsou např. videa a Java aplety Jmol, které používá fakultní e-learningový systém Moodle.
  • stereoskopie pomáhá při studiu chemických modelů – o tom není pochyb, je to dokázané je vhodné ji využít při výuce chemie – učí vnímat 3D – žáci mají problémy s prostorovou představivostí – tímto netradičním způsobem se to však může změnit modely vysvětlují ojedinělé vlastnosti speciálních vláken jen částečně – ačkoliv navrhuji didaktické využití, modelování je primárně zcela vědecké a pomáhá nám třeba pozorovat prostorové uspořádání atomů, díky kterému můžeme vysvětlovat některé vlastnosti materiálů např. že modely polymerů s tendencí tvořit rádius (jednoduše se ohýbají) jsou vhodné spíše pro ochranu před žárem Který fyzikálně-mechanický parametr rozhoduje o specifickém použití vlákna např. pro balistickou ochranu ? – pro zodpovězení této otázky nám modelování nestačí, k tomu jsou zapotřebí fyzikální měření a matematické výpočty
  • Vlákna můžeme porovnávat na základě fyzikálně-mech. vlastností např. podle specifické pevnosti vlákna
  • Specifickou pevnost získáme ze vztahu, kdy ...
  • pevnost v tahu vlákna vztáhneme ...
  • k hustotě vlákna (materiálu)
  • Avšak podle hodnot specifické pevnosti, nemůžeme odpovědět na vyřčenou otázku. Odpověď není tak jednoduchá, jak se zdá ...
  • Porovnejme tedy vlákna podle hodnot specifického modulu
  • Ten získáme ze vztahu, kdy ...
  • Modul pružnosti v tahu vlákna vztáhneme k ...
  • hustotě vlákna ...
  • Výsledky jsou o něco objektivnější a více se blíží praktickému použití a realitě ... Všimněte si, jak se hodnoty Zylonu vůči sobě snížily a jak se např. hodnoty vláken Dyneema a M5 naopak k sobě přiblížily.
  • Lepší porovnání vláken je základě specifické houževnatosti vlákna.
  • Tu spočítáme podle vztahu, kdy
  • součin pevnosti v tahu vlákna a
  • prodloužení ...
  • vydělíme hustotou vlákna.
  • Hodnoty lépe kontrastují s praktickým použitím vláken, přesto nemůžeme říci, že specifická houževnatost vlákna je materiálová konstanta, i když má ve výsledku téměř poloviční vliv.
  • Nakonec můžeme porovnat vlastnosti vláken na základě parametru U *1/3 , což je v Čechách méně známá metoda, avšak odpovídá nejnovějším poznatkům předních odborníků.
  • Parametr U *1/3 je v podstatě specifická rychlost, kterou se šíří deformační vlna vláknem a vypočteme ji podle vztahu, kde potřebujeme znát ...
  • pevnost vlákna v tahu
  • jeho prodloužení do deformace (do přetrhu)
  • Hustotu vlákna
  • Modul pružnosti v tahu a opět hustotu vlákna
  • Získané hodnoty plně korespondují s praktickým použitím a můžeme tedy říci, že ...
  • U *1/3 je materiálová konstanta rozhodující o vhodnosti vlákna k použití pro balistickou ochranu. Tímto jsme zdůvodnili, proč jsou některé textilie neprůstřelné a který parametr o tom rozhoduje, což byl primární cíl celé naší studie.
  • Tímto Vám děkuji za pozornost.
  • Dejl, Radim: Vlastnosti speciálních vláken

    1. 1. Radim Dejl SPECIÁLNÍ ORGANICKÁ VLÁKNA Chemický pohled na vlastnosti speciálních organických vláken Konference studentské-vědecko umělecké činnosti Listopad 2009 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci Katedra chemie TU v Liberci [email_address]
    2. 2. Mikroskopie Zkoušení Modelování Problémy & Otázky [email_address] Chemický pohled ...
    3. 3. <ul><li>výsledky provedených experimentů dle ČSN 80 0200* </li></ul>[email_address] Mikroskopie a zkoušení KEVLAR TWARON průměr vlákna průměr vlákna d = 12,1502  m d = 13,0487  m pevnost v tahu pevnost v tahu  = 1,42 GPa  = 0,87 GPa
    4. 4. <ul><li>stereoskopie v modelování struktur – ANAGLYF </li></ul>[email_address] Modelování
    5. 5. Ploché <ul><li>k pozorování nutné brýle RED-CYAN </li></ul>[email_address] Modelování
    6. 6. Vystouplé <ul><li>k pozorování nutné brýle RED-CYAN </li></ul>[email_address] Modelování
    7. 7. <ul><li>k pozorování nutné brýle RED-CYAN </li></ul>[email_address] Modelování
    8. 8. <ul><li>k pozorování nutné brýle RED-BLUE </li></ul>Černobílé vnímaní [email_address] Modelování
    9. 9. <ul><li>k pozorování nutné brýle GREEN-MAGENTA </li></ul>[email_address] Modelování
    10. 10. <ul><li>stereoskopie pomáhá při studiu chemických modelů </li></ul><ul><li>je vhodné ji využít při výuce chemie – učí vnímat 3D </li></ul>Který fyzikálně-mechanický parametr rozhoduje o specifickém použití vlákna např. pro balistickou ochranu ? <ul><li>modely vysvětlují ojedinělé vlastnosti speciálních vláken jen částečně </li></ul>[email_address] Modelování pomáhá ...
    11. 11. [ N.m / kg ] [email_address] Specifická pevnost (Více je lépe)
    12. 12. [ N.m / kg ] [email_address] Specifická pevnost (Více je lépe) Specifická pevnost =  
    13. 13. [ N.m / kg ] Pevnost v tahu [email_address] Specifická pevnost (Více je lépe) Specifická pevnost =  
    14. 14. [ N.m / kg ] Hustota [email_address] Specifická pevnost (Více je lépe) Specifická pevnost =  
    15. 15. [ N.m / kg ] Je podle specifické pevnosti opravdu Zylon nejvhodnější? [email_address] Specifická pevnost (Více je lépe)
    16. 16. [ kN.m / kg ] [email_address] Specifický modul (Více je lépe)
    17. 17. [ kN.m / kg ] [email_address] Specifický modul (Více je lépe) Specifický modul = E 
    18. 18. [ kN.m / kg ] Modul pružnosti v tahu [email_address] Specifický modul (Více je lépe) Specifický modul = E 
    19. 19. [ kN.m / kg ] Hustota [email_address] Specifický modul (Více je lépe) Specifický modul = E 
    20. 20. [ kN.m / kg ] Hodnoty Zylonu se výrazně odlišily, kdežto u vláken Dyneema a M5 je tomu naopak. [email_address] Specifický modul (Více je lépe)
    21. 21. [ m 2 / s 2 ] [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe)
    22. 22. [ m 2 / s 2 ] [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe) Specifická houževnatost =  .  
    23. 23. [ m 2 / s 2 ] Pevnost v tahu [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe) Specifická houževnatost =  .  
    24. 24. [ m 2 / s 2 ] Prodloužení [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe) Specifická houževnatost =  .  
    25. 25. [ m 2 / s 2 ] Hustota [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe) Specifická houževnatost =  .  
    26. 26. [ m 2 / s 2 ] Výjimečné hodnoty nabývá vlákno Dyneema. [email_address] Specifická houževnatost (Více je lépe)
    27. 27. [ m / s ] [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    28. 28. [ m / s ] [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    29. 29. [ m / s ] Pevnost v tahu [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    30. 30. [ m / s ] Prodloužení [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    31. 31. [ m / s ] Hustota [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    32. 32. [ m / s ] Modul pružnosti v tahu Hustota [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    33. 33. [ m / s ] Vysoká hodnota materiálové konstanty přímo odpovídá praktickému použití vlákna Dyneema. [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    34. 34. [ m / s ] U *1/3 je materiálová konstanta rozhodující o vhodnosti vlákna k použití pro balistickou ochranu. [email_address] Rychlost U *1/3 (Více je lépe)
    35. 35. Děkuji za pozornost Radim Dejl [email_address]  2009 [email_address] Konference studentské-vědecko umělecké činnosti Listopad 2009 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Technická univerzita v Liberci

    ×