Włókna

Tkaniny – i wszystkie włókna użyte do budowy

Wyobraź sobie wiatr opływający twoje mocno wybrane żagle i niesłychanie pomocne icki przyklejone do powierzchni żagla, które pracują idealnie równolegle. Zapewne teraz wyobrażasz sobie jacht płynący w słoneczną pogodę po równej wodzie ze świetną prędkością blisko granicy zarefowania. Wracając do rzeczywistości często zdarza się, że nie jesteśmy zadowoleni z profilu i kształtu naszego starego żagla, liczne fałdy i miejscowe dołki, zniekształcenia spędzają nam sen z powiek a owocem tego jest spadek wydajności żagla, czyli zależność między prędkością wiatru a kształtem żagla.  A ta równowaga jest naszym celem.

Wytrzymałość żagla na rozciąganie i zniekształcanie zależy od rodzaju włókien zastosowanych do budowy materiału żaglowego. Ewolucja zwłaszcza w dzisiejszych czasach jest bardzo dynamiczna, len został zastąpiony przez bawełnę, bawełna przez poliester a teraz te same włókna, które są używane do budowy statku kosmicznego są wykorzystywane do budowy żagli. Przynosi to szeroką gamę pożądanych przez nas cech materiału. Zanim zdecydujemy się na którykolwiek warto poznać je od podszewki, gdyż KAŻDY materiał ma plusy i minusy.

Dakron / Poliester

Poliester, bardziej znany pod nazwą dakron tak na prawdę jest tylko nazwą handlową nadaną tkaninie z włóknami poliestrowymi przez firmę Du-Pont, i dzięki świetnemu marketingowi stała się najczęściej używaną nazwą opisująca ten typ materiału. Dodatkowo materiał ten pokrywany jest żywicą zapewniającą szereg dodatkowych pożądanych cech takich jak :

• Mniejsza wiatr przepuszczalność
• Większa odporność na uszkodzenia

Dakron dakronowi nie równy, otóż dakron może być zbudowany z różnych włókien np. TYP 56, TYP 52 lub 1W70, choć przeważnie płótno utkane jest z kilku rodzajów włókien by uzyskać najlepsze rezultaty i stosunek, jakości do ceny. Można oszacować, że ponad 70 % jachtów ma żagle zrobione właśnie z dakronu, a liczba ta raczej utrzyma się na swoim poziomie. Właściwości dakronu przetrwały próbę czasu ponad sześciu dekad a dodatkowo to najtańszy materiał, z którego można zbudować żagle horyzontalne w odróżnieniu od egzotyczniejszych włókien, które z reguły są przeznaczone do krojów radialnych, przez co zwiększają się koszty uszycia żagla, ponieważ w grę wchodzi o wiele więcej pracy przy szyciu żagla.

Na świecie istniej kilka firm, które produkują materiał żaglowy. Jednak tutaj skupimy się na produktach dwóch firm europejskich Contender Saicloth i Dimension-Polyant. Konkurencyjne firmy w zasadzie mają bardzo podobny asortyment materiałów żaglowych, od zwykłych dakronów poprzez materiały aramidowe, węglowe oraz z dyneemy / spectry. Spowodowane jest to głównie tym, iż bazują na podobnych maszynach tkalniczych używanych do produkcji materiałów i możliwościami tkalniczymi tych maszyn.

Zwykły dakron, nazwijmy go turystyczny to materiał wybierany najczęściej do produkcji żagli. Jest on tani, w zasadzie długowieczny odporny na uszkodzenia mechaniczne i przetarcia. I tego oczekują żeglarze „turystyczni”, którzy w o wiele mniejszym stopniu eksploatują żagle a niżeli regatowi.

Nylon

Nylon był pierwszym na świecie w pełni syntetycznym włóknem. Na początku okazał się bardziej obiecujący z lepszymi właściwościami niż poliester, przy tej samej gramaturze.
Stał się niezwykle popularnym włóknem zarówno w modzie jak i w przemyśle. Podczas II WŚ służył do produkcji spadochronów. Jego wytrzymałość i trwałość zostały docenione również przez przemysł żaglowy a włókno zostało użyte do zrobienia lekkiej tkaniny dla spinakerów.

Wysoki stosunek wytrzymałość na rozciąganie a jednocześnie zachowany pewien stopień rozciągliwości do zerwania ok 30% dzięki temu nylon jest idealny w zastosowaniach w których wymagana jest absorpcja energii („strzelanie” spinakerów i genakerów) przy małej wadze, odporność na zginanie, niski poziom absorpcji wody i mała przepuszczalność powietrza to główne cechy tego materiału. Jednak nylon jest podatny na promieniowanie UV, które szybko wypala materiał i osłabia jego właściwości. Do dużych zalet tego materiału należy to, że można go łatwo zafarbować.

Polietylen – PENTEX

Pierwszy prawdziwy postęp w zakresie produkcji poliestru pojawił się z rozwojem włókna polietylenu lub w skrócie PENTEX. Został opracowany do produkcji opon i gum mechanicznych, jednak ma kilka cech, które idealnie wpasowały się w rynek żeglarski. Ten super dakron ma dwa i pół razy większy indeks odporności na rozciąganie od zwykłego dakronu, co przekłada się na dwa i pół razy mniej rozciągliwego żagla o jednakowej wadze! Jednak nie wszystko złoto, co się świeci gdyż szybko okazało się, że PEN pod wpływem wody kurczy się tylko o 5% w rezultacie podczas wytwarzania tkaniny sploty nie są tak ścisłe jak wykonane z dakronu, ponieważ kurczenie się tkaniny jest kluczem do tworzenia ciasnego stabilnego splotu. Niestety dla przemysłu żaglowego Pentex został opracowany by nie kurczyć się. Próby stabilizacji materiału nie dały rezultatu i w efekcie PEN jest używany w zasadzie tylko i wyłącznie, jako zbrojenie laminatów turystycznych i regatowych. Dzisiaj dodatek Pentexu do laminatu zapewnia sporą odporność na rozciąganie a zastosowanie włókien poliestrowych zapewnia ogólną stabilność całego materiału. I wszystko to przy zachowaniu względnie rozsądnych kosztów. Do dodatkowych zalet Pentexu należy zaliczyć wyższą odporność na promieniowanie UV. Przy tym samym czasie ekspozycji, siła zrywająca włókno musi być od 2 do 5 razy większa niż w przypadku zwykłego poliestru. Dzięki temu materiału zbrojone pentexem świetnie sprawdzają się na wodach okołorównikowych.

HMPE

Kolejnym „egzotycznym” materiałem, który trafił na rynek, był polietylen o wysokim module, o nazwach handlowych : Dyneema i Spectra. Podobnie jak aramidy, jest to włókno o niskiej rozciągliwości i wysokiej odporności  na rozciąganie, jednak liny HMPE są lżejsze niż aramidy (gęstość względna HMPE 0,97) ponadto nie są tak podatne na utratę wytrzymałości,

Spectra to wysoce zmodyfikowany polietylen o Ultra Wysokiej Masie Cząsteczkowej (UHMWPE). To wyjątkowe włókno używa się do produkcji największych żagli podstawowych na megajachty oraz do żagli regatowych gdzie występują ekstremalnie wysokie obciążenia – rozciąganie jak np. IMOCA, VO60, MOD60.

Spectra w zasadzie jest drugim, zaraz po włóknie węglowym, najbardziej wytrzymałym włóknem na świecie. Co jest niezwykłym atrybutem ZWŁASZCZA przy zachowaniu wspaniałych odporności na zginanie i promieniowanie UV, jaką ma zwykły dakron. Niemalże włókno idealne, natomiast posiada pewną wadę. Z uwagi na jej „śliskość” pod długotrwałym i wysokim obciążeniem Spectra zaczyna pełzać, co powoduję trwałe rozciągnięcie się włókna. Pomimo tak wielkich zalet, przez które włókno te jest wybierane na żagle mające opłynąć świat w żegludze samotnej non stop gdzie liczy się wysoka wytrzymałość, trwałość i lekkość. To nie jest wybierany tam gdzie istotna jest ultra wysoka wydajność, najwyższa precyzja trymu i kontrola kształtu jak np. w Pucharze Ameryki.

Wada może być zaletą, ponieważ przez jej „śliskość” trudno wiąże się z klejami, co utrudnia produkcję laminatów i żagli z form. Jednakże dzięki jej śliskości doskonale chroni się przed wszelakimi uszkodzeniami mechanicznymi. Tak jak i w poprzednich włóknach istnieje kilka typów włókien. Podział następuje ze względu na stopień masy cząsteczkowej. Im wyższa tym bardziej wytrzymałe włókno otrzymamy. Ze spectry produkuję się materiał taki jak Cubon Fiber. Materiał jest dość drogi a okiełznanie go w branży żeglarskiej powoduję znaczne podniesienie kosztów i cena końcowa rośnie.

Dyneema

Dyneema to UHMPE (polietylen o ultra wysokim module, znany również jako UHMWPE lub polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczkowej). Ponad 30 lat temu holenderska firma DMS przygotowała pierwsze włókna tego typu. Firma pracuję cały czas nad udoskonaleniem swojeko produktu więc na przestrzeni lat powstało kilka rodzajów włókien o różnej masie cząsteczkowej, dzięki czemu producenci materiałów mogą stworzyć więcej odmiennych typów materiałów. Wyróżnia się podstawowe trzy typy SK 75, SK 78 i SK 99. Wszystkie rodzaje mają doskonałą odporność na zmęczenie (cykliczne zginanie) i odporność na promieniowanie UV, chemikalia i ścieranie, ale wszystkie mają niską odporność na ciepło ze względu na stosunkowo niską temperaturę topnienia (140 ° C). Dyneema oferuje zdecydowanie najlepszy stosunek wytrzymałości do masy dowolnego materiału użytego do produkcji materiału żaglowego.

• Dyneema przy tej samej wadze jest 15 razy mocniejsza niż stalowy drut
• Wodoodporność: Dyneema® jest hydrofobowa i nie chłonie wody, co oznacza, że pozostaje lekka podczas pracy w wilgotnych warunkach.
• Dyneema ma gęstość 0,97, co oznacza, że unosi się w wodzie która ma gęstość 1
• Dyneema jest obojętna chemicznie i dobrze sprawdza się w suchych, mokrych, słonych i wilgotnych warunkach, a także w innych sytuacjach, w których obecne są chemikalia.
• Dyneema® charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na degradację UV zachowując swoje właściwości po ekspozycji na światło i UV

Dynema, Dynemie nie równa

Ma to odzwierciedlenie zarówno w materiałach żaglowych jak i w linach.

SK 75 – podstawa
Przez wiele lat najpopularniejszy typ Dyneemy, który wszyscy znają i odnoszą się to tego typu. Dzięki nowym i ulepszonym gatunkom, SK75 jest coraz rzadziej stosowanym typem włókna.

SK 38 – chwyt marketingowy
Jest to materiał produkowany podobnie jak UHMP jednak nie oferujący żadnych zalet.

SK 78 – oczko wyżej
ma taką samą wytrzymałość jak SK75, ale oferuje znacznie lepszą charakterystykę wydłużenia i pełzania niż 75

SK 90 – dwa oczka wyżej
typ okiełznany  w 2009 roku, oferuje około 10% – 15% lepsza wytrzymałość w stosunku do SK75. Jednak SK90 ma tylko takie same charakterystyki wydłużenia i pełzania co SK75. Po dopracowaniu włókien SK 99 coraz mniej stosowana

SK 99 – dwa w jednym
Najnowszy typ, wprowadzony w 2013 roku. SK99 to połączenie zalet SK 75 i 78. Jest ok. 20% wytrzymalsza od SK78 przy zachowaniu tej samej charakterystyki wydłużenia i pełzania co SK78. Eliminując tym samym wady SK 90. Typ SK99 ma najwyższy stosunek wytrzymałości do masy tym samym wpisał się w niszę jako materiał o najwyższej wydajności.

DM 20 – mało kto wie
DM20 ma nieco niższą wytrzymałość niż SK78, ale ma jedną główną zaletę, wykazuje praktycznie zerowy pełzanie. Używany głównie w zastosowaniach z obciążeniem statycznym.

Aramidy

Kevlar – Delikatny siłacz

Jednym z pierwszych włókien o wysokiej wydajności były aramidy takie jak : Kevlar, Technora i Twaron. To chyba najbardziej charakterystyczne włókno używane do produkcji materiałów żaglowych innych niż dakronowe a na pewno najbardziej rozpoznawalne. Wynalezione w 1971 roku przez naukowców z Du Pont miało ogromny wpływ na globalny przemysł. W żeglarstwie kevlar wyznaczył trend i stał się wzorcowym materiałem w większości prestiżowych regat, w większości przypadków by nawiązać konkurencje jacht musiał być wyposażony w dobre żagle z kevlaru, oczywiście ku niezadowoleniu właścicieli jachtów, którzy musieli za nie słono płacić. Ogólna charakterystyka włókna to praktycznie brak indeksu rozciągliwości oraz bardzo wysoki stosunek wytrzymałości włókna do jego wagi dodatkowo dobra odporność na pełzanie i wysokie temperatury, tyle z plusów. Wadami materiału są wysoka cena produkcji, niska trwałość, mała odporność na promieniowanie UV (ponad dwa razy mniejsza niż poliester) oraz łamliwość. Jednym słowem krótki czas eksploatacji wykorzystujący w wysokim stopniu jego zalety. Nawet najlepsze żagle od najlepszych producentów materiału żaglowego z najlepszych żaglowni z nie zapewnią nam zatrzymania szybkiego procesu naturalnego zużywania się włókien.  Czemu więc jest cały czas wykorzystywany? Aramid to materiał niemalże idealny…, ale! Tylko do progu naturalnego zużycia się i utraty swoich właściwości. Można uszyć świetne żagle z precyzyjnym kształtem, które posłużą w kilku topowych regatach gdzie liczy się tylko wydajność i sprawność. W zasadzie są dwa typy kevlar 29 i 49 które w przeciwstawiały się sobie. K49 jest 50 % wytrzymalszy niż K29, ale za to jest o ponad połowę mniej elastyczny. W późniejszych latach pojawiły się K129, K149 i K159. Coraz wytrzymalsze przy coraz mniejszej odporności na zginanie i zasadniczo warto tylko wiedzieć, że takie włókna istnieją.

Kevlar Edge

Du Pont pracując dalej przy kevalrze ulepszył K49 nadając mu 25% wyższą wytrzymałość, lepszą elastyczność. Przyczyniło się to do zwiększenia ilości typów materiału, w których stosuję się kevlar, jako wzmocnienie głównych włókien. Plusy Kevlaru nie przysłoniły się minusów do niedawna materiały z kevlary sprzedawały się jak świeże bułeczki.

Technora

to w zasadzie Kevlar 29 z nieco ulepszoną podatnością na zginanie, czyli z większą elastycznością, barwiony na czarno. Japoński producent Etylin nadając włóknom charakterystyczną czerń ma na celu zminimalizowanie niekorzystnego działania promieni UV. Przez chwilę żagle z Technora cieszyły się ogromną popularnością jednak obecnie włókna te stosuję się tylko, jako wzmocnienie (umieszczone pod kątem – diagonalnie) głównego materiału w laminatach.

Twaron

To jeszcze bardziej ulepszony Kevlar. Większa odporność na niszczące promieniowanie UV i większa odporność na rozciąganie. Barwiony na czarno rzadko stosowany do produkcji materiału żaglowego. W zasadzie można spotkać go w laminatach co żagli typu Code Zero

Polimery ciekłokrystaliczne

Zdecydowałem się nie opisywać tych materiałów, ponieważ są one bardzo rzadko stosowane w produkcji materiału żaglowego ze względu na ich wady. Warto jednak wiedzieć o ich istnieniu z tej rodziny można czasami spotkać włókna takie jak Vectran oraz PBO, czyli Zylon.

Włókno węglowe

Obecnie na dużą skalę produkuje się włókna węglowe i grafitowe, a ostatnio nanorurki. Włókna węglowe są znane od dawna, były wykorzystywane do produkcji lamp w latach 50tych. Włókno węglowe składa się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Wysoce zorganizowana struktura włókien węglowych nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie. Ze względu na wielkość średniego modułu sprężystości oraz wielkość wytrzymałości na rozciąganie można wyróżnić trzy kategorie włókien węglowych, a mianowicie włókna wysokowytrzymałe, wysokomodułowe i ultrawysokomodułowe.

Włókna węglowe cechują się małą gęstością i wysoką wytrzymałością na rozciąganie. Wysoką wytrzymałością zmęczeniową oraz wytrzymałością na pełzanie, dobrze tłumią drgania i są bardzo odporne na ścieranie, mają również dużą stabilność wymiarową.

 

Obecnie najdroższe na rynku żaglomistrzowskim  włókno węglowe w zasadzie jest bezkonkurencyjne samo w sobie pod względem wytrzymałości na rozciąganie, elastyczności, odporności na promieniowanie UV.

Ostatnie słowo na temat włókien

 

Jest wielu producentów materiałów żaglowych na świecie od dalekiego wschodu po daleki zachód. Każdy z nich ma swoją koncepcję na zbudowanie świetnych i konkurencyjnych materiałów. Jednak wszyscy zgadzają się w jednym, by zebrać zalety włókien i zminimalizować ich wady stosuję się laminaty i materiały hybrydowe łączące różne typy włókien. Wybór danego materiału to kwestia potrzeb, rodzaju jachtu, sposobu żeglowania, kroju żagla, preferencji, lojalności wobec marki oraz indywidualnych upodobań a na końcu zawsze jest cena. Wiele stylów materiałów zaspokaja podobne potrzeby więc kluczowe jest skonsultowanie się z żaglomistrzem i przedstawienie mu swoich potrzeb. Specjalista pomoże nam dobrać odpowiedni materiał, zaproponuje krój żagla oraz dobierze gramatury na dane partię żagla. Warto pamiętać, że producenci cały czas pracują nad zapewnieniem odpowiedzi na nasze potrzeby.  Pomimo ciągłego rozwoju badań nad włóknami, zauważyłem, że ostatnim czasie nastał trend na minimalizowanie liczby stylów materiałów żaglowych do najczęściej wybieranych do różnych zastosowań, turystycznych, regatowych, wyprawowych itp.
Obecnie oferowane materiały żaglowe to małe cuda inżynierii.

Odporność na promieniowanie UV

Poliester	5
HMPE (Dyneema)	5
Nylon (UV treated)	4
Aramids (Technora, Twaron, Kevlar, Nomex)	3
Vectran	3
Polypropylene	2
Zylon	1

Wszystkie materiały są w pewnym stopniu narażone na promieniowanie UV. Rzeczywisty wpływ promieniowania UV na materiał jest bardzo trudny do przewidzenia, ponieważ jest zależny od wielu czynników losowych, takich jak intensywność promieniowania UV i długość ekspozycji.

Tabela służy do uszeregowania różnych materiałów zgodnie z ich odpornością na promieniowanie UV w skali od 1 do 5, przy czym 5 jest najbardziej odpornych na promieniowanie UV, a 1 jest najmniej odpornych.

 

Celowo nie podejmuję szczegółowego porównania wytrzymałości danych włókien.

Na tym etapie jest to bezcelowe ponieważ producenci materiałów mają swoje chwyty marketingowe by określić dany materiał jaką węglowy lub aramidowy a tak na prawdę jest w nim tylko 20 % „szlachetnych” włókien. Do porównania wytrzymałości sugeruje zestawiać dane typy materiałów.