wpływ rodzaju żywicy epoksydowej i utwardzacza na wytrzymałość

wpływ rodzaju żywicy epoksydowej i utwardzacza na wytrzymałość

Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2014
WPŁYW RODZAJU ŻYWICY EPOKSYDOWEJ I UTWARDZACZA NA WYTRZYMAŁOŚĆ
POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH BLACH STALOWYCH
Anna RUDAWSKA, Mateusz SEMENIUK
Streszczenie
W artykule zaprezentowano niektóre zagadnienia dotyczące wpływu rodzaju klejów epoksydowych, zawierających różne rodzaje żywic epoksydowych oraz utwardzaczy na wytrzymałość połączeń klejowych blach stalowych. Badaniom poddano próbki
połączeń klejowych wykonanych z zastosowaniem 11 klejów epoksydowych. Kleje te przygotowano z trzech żywic epoksydowych: Epidian 53, Epidian 57 i Epidian 6 oraz 4 utwardzaczy: PAC, Z1, TFF oraz PF, stosując odpowiednie zalecane proporcje
obu składników. Rodzaj utwardzaczy przyczynia się do uzyskania różnych właściwości spoin klejowych w odniesieniu do tej
samej żywicy. Badania eksperymentalne polegały na analizie porównawczej wytrzymałości połączeń klejowych blach stalowych, wykonanych z użyciem przygotowanych różnych klejów epoksydowych. Połączenia klejowe blach stalowych wykonane
z wykorzystaniem Epidianu 53 wykazały, że największą wytrzymałością odznaczają się połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju złożonego z żywicy Epidian 53 z utwardzaczem TFF (Epidian 53/TFF/1:22). Połączenia klejowe wykonane za
pomocą kleju na bazie żywicy epoksydowej Epidian 57 charakteryzują się najwyższą wytrzymałością w przypadku zastosowania utwardzacza PAC (Epidian 57/PAC/1:1). Dla blach stalowych C45, do klejenia których zastosowano żywicę epoksydową
Epidian 6, w większości przypadków można zaobserwować znaczne wartości wytrzymałości spośród wszystkich żywic użytych
w badaniach. Największą wytrzymałością połączeń klejowych z zastosowaniem Epidianu 6 cechują się kleje utwardzane utwardzaczem PF (Epidian 6/PF/1:50). Otrzymane spoiny klejowe wykazywały także zróżnicowanie cech fizycznych, które często
stanowią także kryterium doboru rodzaju kleju.
Słowa kluczowe
połączenia klejowe, żywice epoksydowe, utwardzacze, wytrzymałość
1. Wprowadzenie
Żywice epoksydowe stanowią podstawowy składnik
klejów epoksydowych i występują pod wieloma różnymi
postaciami. Niektóre z nich utwardzają się w temperaturze pokojowej, inne zaś wymagają temperatury podwyższonej. Część klejów epoksydowych jest cieczami
lub pastami dwuskładnikowymi, rzadziej zaś stosuje się
układy jednoskładnikowe niewymagające mieszania,
utwardzane na gorąco w postaci folii na nośniku lub bez
nośnika, preimpregnowanych taśm, granulek lub proszku. Ponieważ każdy konkretny typ kleju epoksydowego
nadaje się najlepiej do określonej grupy zastosowań, powodzenie przy łączeniu epoksydami zależy w znacznym
stopniu od dobrania właściwego rodzaju kleju do każdego zastosowania [1].
Utwardzacze do żywic epoksydowych są związkami
chemicznymi, które w wyniku reakcji chemicznych powodują przestrzenne usieciowanie żywicy, nadając jej
cechy kleju, syciwa lub tworzywa chemoutwardzalnego
[2]. Utwardzacze typu: pierwszorzędowe i drugorzędowe
dwuaminy, wieloaminy alifatyczne i aromatyczne, polimerkaptany zawierające aktywne atomy wodoru reagują
tylko z grupami epoksydowymi. Natomiast bezwodniki
kwasowe reagują także z grupami wodorotlenowymi,
dzięki czemu gęstość usieciowania utwardzonej żywicy
jest znacznie większa. Do utwardzania żywic epoksydowych stosuje się także utwardzacze niezawierające
czynnych atomów wodoru, które powodują polimeryzację
jonową [2, 3].
Przeprowadzone badania wytrzymałościowe połączeń
klejowych blach stalowych C45 miały na celu określenie
wpływu rodzaju żywicy epoksydowej oraz zastosowanego utwardzacza na wytrzymałość połączeń klejowych
obciążonych na ścinanie w statycznej próbie wytrzymałościowej. Badaniom poddano próbki połączeń klejowych
z zastosowaniem następujących klejów epoksydowych
przygotowanych z żywic epoksydowych (Epidian 53,
Epidian 57, Epidian 6) i różnych rodzajów utwardzaczy:
PAC, Z1, TFF oraz PF.
2. Metodyka badań
2.1. Charakterystyka połączenia klejowego
Badaniom wytrzymałościowym poddano połączenia
klejowe blach stalowych C45 o wymiarach łączonych
elementów 20 x 100 mm. Połączenia wykonano jako
jednozakładkowe o wymiarze zakładek wynoszącym
23 mm. Kształt i wymiary próbek wykorzystanych do badań przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Wymiary próbek połączeń klejowych
Fig. 1. The bonded joints samples dimensions
65
TiAM_4_2014.indd 65
2014-11-25 12:52:57
4/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu
2.2. Rodzaj kleju
Do klejenia wykorzystano 11 rodzajów kompozycji
klejowych przygotowanych z 3 rodzajów żywic epoksydowych: Epidian 57, Epidian 53 i Epidian 6 wraz z czterema rodzajami utwardzaczy: Z1, PAC, PF, TFF. Rodzaje
klejów epoksydowych zastosowanych w badaniach zamieszczono w tabeli 1.
Kleje zawierające utwardzacz PAC charakteryzują się
większą elastycznością, większą odpornością na uderzenia, mniejszą odpornością na działanie podwyższonej
temperatury niż kompozycje utwardzane utwardzaczem
Z1 [2].
Utwardzacz PF stosuje się w tych przypadkach, w których niezbędna jest niższa lepkość i krótki czas żelowania. Wyroby epoksydowe z utwardzaczem PF są mniej
elastyczne niż z utwardzaczem PAC, ale mają większą
wytrzymałość cieplną i wytrzymałość na ściskanie (ok.
25%), a także większą chemoodporność [1–4].
Utwardzacz TFF znajduje zastosowanie przy utwardzaniu kompozycji epoksydowych przeznaczonych dla
budownictwa, gdzie prowadzi się prace w warunkach
obniżonej temperatury, często przy wysokiej wilgotności.
Przedstawione w tabeli 1 udziały składników klejów:
utwardzacza i żywicy epoksydowej zostały przyjęte zgodnie z zaleceniami producenta żywic oraz zgodnie z danymi literaturowymi, z zakresu wartości optymalnych pod
względem uzyskania jak najlepszych właściwości [3]. Zastosowane ilości składników w poszczególnych klejach
pozwalają na uzyskanie spoiny klejowej o odpowiednich
właściwościach wskutek zapewnienia w procesie utwardzania odpowiednich ilości stechiometrycznych. Bowiem
w przypadku zastosowania zbyt dużej ilości utwardzacza,
jego nadmiar pozostaje w żywicy niezwiązany, wskutek
czego pogarszają się parametry fizyczne połączenia [5].
Należy także podkreślić, iż w przypadku niektórych żywic
oraz utwardzaczy przedstawiany jest przedział wartości
możliwych do zastosowania ilości utwardzacza w zależności od rodzaju żywicy.
Kompozycje klejowe przygotowano w mieszalniku,
w którym zastosowano specjalnego typu mieszadło
umożliwiające równomierne wymieszanie obu składników kleju. Mieszanie przeprowadzono w czasie 2 minut,
po którym nastąpiło usunięcie pęcherzy gazowych w komorze próżniowej w czasie 2 minut.
2.3. Warunki wykonania połączeń
Jako sposób przygotowania powierzchni blach stalowych zastosowano odtłuszczanie przy użyciu środka odtłuszczającego Loctite 7063.
Przygotowanie klejów, przygotowanie powierzchni
łączonych elementów, wykonanie połączeń oraz sezonowanie połączeń odbywało się w następujących warunkach: temperatura pomieszczenia – 26°±3°C, wilgotność
– 37°±5°C, nacisk – ok. 0,02 MPa, okres sezonowania
– 168 godzin.
Po upływie czasu sezonowania przeprowadzono próby wytrzymałościowe, mające na celu określenie siły
niszczącej połączenie klejowe. Badania wytrzymałości
połączeń klejowych na ścinanie zostały przeprowadzone przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell
Z150, zgodnie z normą DIN EN 1465 [6]. Do przetworzenia wyników pomiarów zostało zastosowane oprogramowanie testXpert.
3. Wyniki badań
Badaniom wytrzymałościowym poddano od 8 do 12
połączeń klejowych w 11 seriach dla każdego rodzaju
kleju. Do obliczeń wartości średniej wytrzymałości odrzucono skrajne wyniki. Na rys. 2 zamieszczono średnie wartości wytrzymałości na ścinanie zakładkowych
połączeń klejowych wykonanych przy użyciu badanych
klejów, zawierających w swoim składzie żywice epoksydowe oraz utwardzacze.
Tabela 1. Rodzaje stosowanych w badaniach klejów epoksydowych
Table 1. The kind of epoxy adhesives used in tests
Lp.
Oznaczenie kompozycji
1
Epidian 53/Z1/1:10
Rodzaj żywicy
Żywica epoksydowa
Epidian 53
Rodzaj utwardzacza
Udział wagowy
utwardzacza na 100
cz. wag. żywicy
Z1
10 cz. wag.
TFF
22 cz. wag.
PF
50 cz. wag.
2
Epidian 53/TFF/1:22
3
Epidian 53/PF/1:50
4
Epidian 57/PAC/1:1
PAC
100 cz. wag.
5
Epidian 57/Z1/1:10
Z1
10 cz. wag.
6
Epidian 57/TFF/1:22
TFF
22 cz. wag.
Żywica epoksydowa
Epidian 57
7
Epidian 57/PF/1:50
PF
50 cz. wag.
8
Epidian 6/PAC/1:70
PAC
70 cz. wag.
9
Epidian 6/Z1/1:13
10
Epidian 6/TFF/1:27
11
Epidian 6/PF/1:50
Żywica epoksydowa
Epidian 6
Z1
13 cz. wag.
TFF
27 cz. wag.
PF
50 cz. wag.
66
TiAM_4_2014.indd 66
2014-11-25 12:52:57
Technologia i Automatyzacja Montażu 4/2014
Rys. 2. Wytrzymałość na ścinanie połączeń klejowych blach
stalowych, wykonanych przy użyciu badanych kompozycji klejowych
Fig. 2. The shear strength of steel sheets bonded joints, made by
tested adhesive compound
Największą wytrzymałość połączeń klejowych blach
stalowych otrzymano, stosując klej Epidian 57/PAC/1:1,
która wynosi 12,53 MPa. Najmniejszą wytrzymałością
odznaczały się połączenia wykonane za pomocą kleju
Epidian 57/Z1/1:10 (2,87 MPa) oraz Epidian 53/PF/1:50
(3,04 MPa).
Stosując różne rodzaje klejów, otrzymano także różną
powtarzalność wyników wytrzymałościowych, co zestawiono w tabeli 2.
Najmniejszą powtarzalnością wyników badań charakteryzowały się połączenia klejowe wykonane z użyciem
klejów: Epidian 53/PF/1:50, Epidian 6/TFF/1:27 oraz
Epidian 57/Z1/1:10. Zauważono, iż w każdej grupie klejów występują połączenia o niewielkim oraz o znacznym
rozrzucie wyników wytrzymałościowych. Nie zauważono
dominacji konkretnego rodzaju utwardzacza na powtarzalność wyników wytrzymałościowych.
4. Omówienie wyników badań
Rozpatrując wyniki badań wytrzymałości na ścinanie
połączeń klejowych blachy stalowej C45 (rys. 2) wykonane przy użyciu kompozycji klejowych, w których bazę
stanowi żywica Epidian 53, zauważono, że najwyższą wytrzymałością odznaczają się połączenia klejowe otrzymane przy użyciu kompozycji klejowej
Epidian 53/TFF/1:22. Porównywalną wytrzymałością charakteryzowały się pozostałe kompozycje
(z utwardzaczem TFF i PF).
Spośród kompozycji klejowej żywicy Epidian 57
z różnymi utwardzaczami, najwyższą wytrzymałość
połączeń klejowych uzyskano w przypadku użycia
kompozycji Epidian 57 z utwardzaczem PAC (Epidian 57/PAC/1:1). Była ona 3- i 4-krotnie wyższa od
pozostałych kompozycji. Najmniejszą wytrzymałość
połączeń klejowych otrzymano w przypadku użycia
żywicy Epidian 57 z utwardzaczem Z1.
Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie połączeń klejowych wykonanych z zastosowaniem kompozycji, w których występuje żywica Epidian 6, wykazały, że najwyższą wytrzymałością odznaczają
się połączenia klejowe przygotowane przy użyciu
kompozycji klejowej Epidian 6 z utwardzaczem PF.
Zbliżonymi wartościami cechują się połączenia wykonane za pomocą kompozycji klejowej Epidian 6
z utwardzaczami PAC i Z1, zaś najmniejszą wytrzymałością na ścinanie charakteryzują się połączenia klejowe,
w którym zastosowano kompozycję złożoną z żywicy
Epidian 6 z utwardzaczem TFF.
Rozpatrując wpływ rodzaju utwardzacza na wytrzymałość połączeń klejowych, zauważa się, że jest on zależny
przede wszystkim od rodzaju żywicy epoksydowej, do
której jest dodany. W przypadku utwardzacza PAC najlepsze wyniki osiągnięto z zastosowaniem żywicy Epidian 57. W odniesieniu do kompozycji zawierających Z1
największą wytrzymałość połączeń klejowych uzyskano,
stosując Z1 z żywicą Epidian 6. Pod względem wytrzymałościowym korzystne jest połączenie utwardzacza
TFF z żywicą Epidian 53, wówczas otrzymano największą wytrzymałość połączeń klejowych. Określenie wartości odchyleń standardowych pozwoliło na stwierdzenie, że powtarzalność wartości wytrzymałości nie zależy od rodzaju zastosowanego utwardzacza,
Tabela 2. Wyniki wytrzymałości połączeń klejowych
Table 2. The adhesive joints strength results
Lp.
Oznaczenie kompozycji
Wytrzymałość na ścinanie
[MPa]
Odchylenie standardowe
[MPa]
1
Epidian 53/Z1/1:10
3,38
0,47
2
Epidian 53/TFF/1:22
5,68
0,70
3
Epidian 53/PF/1:50
3,04
1,21
4
Epidian 57/PAC/1:1
12,53
1,35
5
Epidian 57/Z1/1:10
2,87
0,89
6
Epidian 57/TFF/1:22
3,45
0,68
7
Epidian 57/PF/1:50
4,01
0,35
8
Epidian 6/PAC/1:70
4,40
0,85
9
Epidian 6/Z1/1:13
4,51
0,78
10
Epidian 6/TFF/1:27
3,37
1,07
11
Epidian 6/PF/1:50
6,50
1,08
67
TiAM_4_2014.indd 67
2014-11-25 12:52:57
4/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu
ale raczej od rodzaju kleju, a także od przestrzegania
przyjętej technologii i zachowania jednakowych warunków wykonywanych połączeń.
5. Wnioski
Na podstawie wyników badań sformułowano następujące spostrzeżenia:
1. Połączenia klejowe wykonane z wykorzystaniem
Epidianu 53 wykazały, że największą wytrzymałością odznaczają się połączenia klejowe wykonane
za pomocą kleju Epidian 53/TFF/1:22. Nieco niższe
wyniki pomiaru wytrzymałości na ścinanie osiągnięto, stosując żywicę Epidian 53 z utwardzaczami Z1
i PF, których wartości są na zbliżonym poziomie.
Największe odchylenie standardowe prezentuje połączenie klejowe wykonane przy użyciu kleju Epidian
53/PF/1:50 Pozwala to stwierdzić, że wytrzymałość
tego połączenia klejowego będzie znacznie mniej
powtarzalna niż choćby w przypadku zastosowania
kleju Epidian 53/Z1/1:10.
4. Badając wpływ utwardzacza na wytrzymałość połączeń klejowych, stwierdza się, że najlepsze efekty uzyskano z zastosowaniem: utwardzacza Z1
z Epidianem 6, utwardzacza PAC z Epidianem 57,
utwardzacza TFF z Epidianem 53, utwardzacza PF
z Epidianem 6.
Podsumowując, można zauważyć, że podczas wyboru rodzaju kleju do wykonania połączeń klejowych należy
uwzględnić zarówno powtarzalność uzyskanych wyników
wytrzymałości, jak również właściwości otrzymanych
spoin klejowych. Podczas wykonywania połączeń klejowych należy także ściśle przestrzegać dyscypliny przygotowania klejów oraz wykonywania połączeń klejowych,
które mogą przyczynić się do uzyskania prawidłowych
i powtarzalnych rezultatów.
LITERATURA
2. Połączenia klejowe wykonane za pomocą kleju na
bazie żywicy epoksydowej Epidian 57 charakteryzują się najwyższą wytrzymałością z zastosowaniem
utwardzacza PAC. Wartości wytrzymałości pozostałych połączeń są na zbliżonym poziomie. Połączenia klejowe wykonane z użyciem kleju Epidian
57/PF/1:50 odznaczają się najmniejszym rozrzutem
wyników, można więc sądzić, że wytrzymałość uzyskana we wszystkich próbach pomiaru będzie w wysokim stopniu porównywalna.
1. Praca zbiorowa pod red. Charles V. Cagle’a: Kleje
i klejenie. Poradnik inżyniera i technika. WNT, Warszawa 1977.
2. Czub P., Bończa-Tomaszewski Z., Pęczek P., Pielichowski J.: Chemia i technologia żywic epoksydowych. WNT, Warszawa 2002.
3. Sławińska K.: Wyroby epoksydowe z Zakładów Chemicznych „Organika – Sarzyna”. Polimery 43 (1998),
nr 11–12, 741–746.
4. Materiały informacyjne firmy Organika-Sarzyna S.A.
5. Kuczmaszewski J.: Technologia śmigłowców. Teoria
i technika klejenia. Wyd. Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1990.
6. DIN EN 1465. Adhesives. Determination of tensile
lap-shear strength of bonded joints.
3. W wielu przypadkach zastosowania kleju opartego na
żywicy Epidian 6 można zauważyć dość znaczne wartości wytrzymałości spośród wszystkich żywic użytych
w badaniach. Największą wytrzymałością połączeń
klejowych na ścinanie z zastosowaniem Epidianu 6
cechują się kompozycje z użyciem utwardzacza PF
(Epidian 6/PF/1:50).
___________________________
Dr hab. inż. Anna Rudawska, prof. PL – Katedra Podstaw
Inżynierii Produkcji, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, e-mail: a.rudawska@pollub.
pl.
Inż. Michał Semeniuk – absolwent Wydziału Mechanicznego, Politechnika Lubelska.
EPOXY RESIN TYPE AND CURING AGENT INFLUENCE ON A STRENGTH
OF STEEL SHEETS ADHESIVE JOINTS
Abstract
The article presents some issues of an influence of epoxy adhesives containing different types of epoxy resins, and curing
agents on the strength of steel sheets adhesive joints. The test samples were made of adhesive joints using eleven epoxy
adhesives. These adhesives were prepared with three epoxy resins: Epidian 53, Epidian 57, and Epidian 6 and four curing
agents: PAC, Z1, TFF, and PF, using appropriate recommended proportions of both components. The curing agents type contributes to the various properties of adhesive joints in respect of the same resin. Experimental study consists on the strength of
steel sheets of adhesive joints that are made using various epoxy adhesives. The steel sheets adhesive joints made using the
Epidian 53 resin with the TFF curing agent ( Epidian 53/TFF/1:22) showed the greatest strength of joints made using adhesive
including the Epidian 53 epoxy resin. Adhesive joints made with the usage of adhesive Epidian 57 epoxy resin are characterized by the highest strength in the case of the application of PAC curing agent (Epidian 57/PAC/1:1). For the C45 steel, the
gluing process with the Epidian 6 epoxy resin, in most cases, it resulted in a significant strong and steady value levels among
all the resins used in the research. The greatest strength of adhesive joints using the Epidian 6 epoxy resin is characteristic of
an adhesive curing with the use of the PF curing agent (Epidian 6/PF/1: 50). The received adhesive layer showed a diversity of
physical features, which often also provide criteria for the adhesive type selection.
Keywords
adhesive joints, epoxy resin, curing agent, strength
68
TiAM_4_2014.indd 68
2014-11-25 12:52:57