Composieten in hengels

De definitie van een composiet luidt: “een materiaal dat bestaat uit een combinatie van twee of meer andere materialen en dat betere eigenschappen heeft dan de losse componenten”. Wat die betere eigenschappen zijn kan erg uiteen lopen. Echt bijzonder zijn composieten niet omdat de meeste natuurlijke materialen composieten zijn. Bomen bijvoorbeeld maar ook menselijk “materiaal” zoals botten en huid. In het dagelijks leven betekent dat er een combinatie van materialen wordt gekozen die zinnig is. Dus bijvoorbeeld een stijf maar bros materiaal met een flexibel maar taai materiaal. Op die manier kun je een stijf maar toch taai materiaal maken. Dit is precies hoe composiet voor hengels wordt gekozen! Er zijn (minimaal) twee componenten: de (keramische of kunststof) vezels en de (kunststof) hars. In het begin van de overgang van natuurlijke materialen (bijvoorbeeld bamboe) voor hengels naar industriële materialen was de keuze in zowel de vezels als de hars nog beperkt. Er werden ook combinaties gemaakt, bijvoorbeeld een bamboe handdeel en een glas(vezel) top, maar ik dwaal af.

De meeste hengels tegenwoordig bestaan uit een combinatie van verschillende soorten glas- of koolstofvezels met verschillende harsen. Als hars wordt vaak epoxy gebruikt. Maar alleen de variatie in epoxy (een thermoharder) is enorm, waar je als eindgebruiker nooit precies achter komt. Eigenlijk is dit mechanisch gezien ook niet de belangrijkste component, omdat dit alleen de “lijm” is die de vezels bij elkaar moet houden. Bovendien is de E-modulus (“stijfheid”) heel veel lager dan die van de vezels, zelfs van glasvezels! Zie ook de tabel onderaan het artikel.

Hoe werkt dit aan elkaar plakken dan? Even los van het ontwerp van de hengel (lengte, werpgewicht, aantal delen) komt het erop neer dat fabrikanten zo veel mogelijk zo stijf mogelijke vezels met zo min mogelijk hars bij elkaar willen houden. Stijvere vezels zijn duurder (daarover later meer) en het probleem is dat er nog wel ruimte over moet blijven voor de lijm. Zonder goede hechting van de hars (lijm) en de vezels kunnen namelijk de krachten niet goed verdeeld worden in de richting waarin de vezels het sterkste en het stijfste zijn: de lengterichting.

Het sommetje dat bij het maken van composieten hoort is een simpele mengregel, dit gaat in ieder geval op voor de stijfheid. Neem de som van x deel van een hars met E-modulus E1 en (1-x) deel van de vezel met E-modulus E1 en deel het geheel door twee voor de E-modulus van het composiet Ec, oftewel:

Ec = (x · E1 + (1-x) · E2)

Een rekenvoorbeeldje: 30% (0.30) epoxyhars met een E-modulus van 4 GPa versterkt met  (1-0.30) 70% koolstofvezel met E-modulus 120 GPa geeft een composiet met een E-modulus Ec = ((0.30 · 4) + (0.7 · 120))/2 = ~43 GPa

Op deze manier heb je dus een composiet gemaakt dat 10x zo stijf is als wanneer je alleen de kunststofhars had gebruikt. Ook al zou je met alleen vezels een 3x zo hoge stijfheid hebben, zouden die onbruikbaar zijn omdat ze veel te makkelijk breken in de dwarsrichting.

De vezels zijn dus verreweg het belangrijkste en dat laten fabrikanten dan ook graag in hun productinformatie blijken. Glasvezels worden tegenwoordig als “goedkoop” gezien, maar er zijn wel degelijk verschillende soorten. Zo is er E- en S-glas. E-glas is ontworpen voor optische eigenschappen, terwijl S-glas speciaal voor mechanische eigenschappen is gemaakt en in bijvoorbeeld vliegtuigmaterialen wordt gebruikt. Ik ken maar 1 type van 1 merk, namelijk de Spro Flashback serie, waar expliciet gesproken wordt over het gebruik van S-glas. Ongetwijfeld wordt er bijvoorbeeld ook S-glas gebruikt in de “HR glass” serie hengels van bijvoorbeeld Mitchell. Dit zijn echter wel de hengels in het goedkopere segment en de reden daarvoor mag duidelijk zijn als je naar de eigenschappen kijkt in de onderstaande tabel.

Koolstofvezels zijn tegenwoordig niet meer onbetaalbaar, maar er bestaat nog steeds een belangrijk onderscheid: de stijfheid. Veelgebruikte termen zijn IM (intermediate modulus), HM (high modulus) of een aanduiding met een stijfheid of aantal zoals bij Mitchell “32T” of Shimano met XT200 etc. Ik vermoed dat de eerste slaat op het aantal draden en de wikkeling (transversaal), hoewel het best zou kunnen zijn dat het ook op de stijfheid van het composiet duidt. Bij Shimano denk ik dat het nummer staat voor de stijfheid van de gebruikte koolstofvezel. Maar zoals al uit het rekenvoorbeeld hierboven bleek is de totale stijfheid afhankelijk van de gemengde stijfheid van hars en vezel. Bovendien is het aandeel hars met allerlei processen te variëren. Dit laaste is waar de grote doorbraken momenteel gedaan worden, omdat de steeds stijvere koolstofsoorten ook steeds brosser en moeilijker te hanteren worden; je hoeft maar even scheef naar je hengel te kijken en hij breekt al (in de dwarsrichting).

Aan de hars worden daarom ook nog wel eens deeltjes toegevoegd, bijvoorbeeld in de “nano” categorie om de hechting tussen vezel en hars te verbeteren, die ook mijn eerdere post: “hardy hengels”. Aan de vezels kan gesleuteld worden door een laagje van een andere stof erop aan te brengen, dit wordt de “sizing” genoemd; moleculaire lagen die de hechting verbeteren.

Ook een combinatie van verschillende vezels is mogelijk, door toevoeging van relatief slappe maar taaie vezels (bijvoorbeeld bamboe of glas) kunnen de eigenschappen van de koolstofvezels ondersteund worden. Een (0ude) bekende is de Shakespeare Ugly Stick serie waarbij glas- en koolstofvezels worden gecombineerd volgens het zogenaamde “Howald process”. Modernere varianten daarop vormen de “Biofibre” vezels van Shimano.

Afsluitend kun je dus stellen dat je moet weten welke soort vezel in welke hars zit en hoeveel om iets zinnigs te zeggen over de totale stijfheid van het kunststof composiet. In ieder geval is het zo dat duurdere hengels waarin stijvere koolstofvezels gebruikt worden aanzienlijk gevoeliger zullen zijn voor breuk in de dwarsrichting door de kleine hoeveelheid hars en brosse vezels.

Voor meer achtergrond in materiaalkunde kan ik de Nederlandse vertaling van het boek van Budinski aanraden: 

Vezels en hars

ComponentE-modulus (GPa)Dichtheid (g/cm^3)Treksterkte (MPa)Rek (%)Prijs
Epoxy3 - 4~1.4305-10nvt
E-glas31~2.54805++
S-Glas44~2.510705+
IM carbon200 - 3001.84000 - 60002+/-
HM carbon5301.845001--
This entry was posted in Hengels, Onderzoek, Ontwerp, Producten and tagged , , , , , . Bookmark the permalink.