WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA

KATARZYNA BIRUK-URBAN
WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA
BAZIE KLEJÓW EPOKSYDOWYCH MODYFIKOWANYCH
MONTMORYLONITEM
1. WPROWADZENIE
W ostatnich latach można zauważyć bardzo szerokie zastosowanie klejenia jako sposobu
łączenia materiałów konstrukcyjnych w wielu gałęziach przemysłu. Dlatego też wytrzymałość
połączeń klejowych w konstrukcjach nabiera coraz większego znaczenia. Właściwości
mechaniczne (np. współczynnik sprężystości, granica plastyczności, wytrzymałość na
rozciąganie itp.) materiałów konstrukcyjnych jakimi są kleje, badane są od wielu lat. Zwykle
podczas badania połączeń klejowych wykonuje się w laboratorium połączenia symulujące
połączenia konstrukcyjne, stosując podłoża z tych samych materiałów, ten sam klej, taki sam
cykl utwardzania, itd., po czym mierzy się wytrzymałość i inne właściwości mechaniczne.
Na wytrzymałość połączeń klejowych ma wpływ wiele czynników konstrukcyjnych
i technologicznych, wśród których wyróżnia się [3]:
własności zastosowanego kleju oraz łączonych materiałów,
rodzaj i grubość łączonych elementów,
kształt i wymiary oraz sposób obciążania połączenia,
czas i temperatura utwardzania,
sposób przygotowania powierzchni przeznaczonych do klejenia,
długość zakładki spoiny klejowej,
temperatura oraz środowisko pracy połączenia klejowego.
Przyjmując jako kryterium sposób i kierunek działania sił zewnętrznych wywołujących
naprężenia w materiale rozróżnia się wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, ścinanie,
oddzieranie, przedstawione na rysunku poniżej [5].
Rys. 1. Rodzaje obciążeń połączeń zakładkowych wraz z rozkładem naprężeń [6]
W przypadku połączeń klejowych najczęściej rozpatruje się połączenia obciążone na ścinanie,
ponieważ mogą one przenosić największe obciążenia. Dlatego też, są one tak projektowane,
aby dominowały w nich obciążenia ścinające.
Bardzo często przeprowadza się próby ścinania z pojedynczą zakładką. Naprężenia ścinające
powstają w wyniku działania w płaszczyźnie warstwy kleju sił przeciwstawiających się
ruchowi podłoża w kierunkach przeciwnych. W praktyce nie można otrzymać czystego
naprężenia ścinającego w próbce zakładkowej, jednak ponieważ czyste naprężenie ścinające
nigdy nie występuje w rzeczywistych klejonych konstrukcjach metalowych, to ten typ próbki
jest dla większości zadań zupełnie wystarczający [4].
O ile przy standardowych klejach producenci podają ich charakterystyki, o tyle
problematyczna staje się kwestia klejów modyfikowanych fizycznie poprzez dodanie
odpowiednich napełniaczy. Fizyczne modyfikacje mają za zadanie nadanie klejom nowych
właściwości oraz cech użytkowych. Wprowadzone napełniacze, w zależności od ich rodzaju,
rozmiaru, kształtu cząstek itp. mogą wpływać na [1]:
-
przedłużenie czasu życia kompozycji, zmniejszenie efektu cieplnego reakcji,
-
wzrost współczynnika przewodzenia ciepła i zmniejszenie rozszerzalności cieplnej,
-
zwiększenie wytrzymałości cieplnej i stabilności termicznej modyfikowanego kleju,
-
dodatni wpływ na niektóre właściwości mechaniczne, jak np. twardość, wytrzymałość
na ściskanie, rozciąganie, zginanie, czy moduł sprężystości,
-
zmniejszenie naprężeń wewnętrznych,
-
wzrost odporności chemicznej,
-
zwiększenie odporności na starzenie itp.
Dlatego
też
istotne
jest
przeprowadzenie
badań
eksperymentalnych
dotyczących
modyfikowanych klejów epoksydowych, aby określić ich nowe właściwości.
Czynnikiem mającym istotny wpływ na właściwości utwardzonych modyfikowanych żywic
epoksydowych jest temperatura. Zmiana temperatury powoduje przemiany budowy fizycznej
polimerów, a w konsekwencji zmianę ich właściwości. Od temperatury zależy oddziaływanie
środowiska, w jakim dany klej będzie pracował. Na skutek wzrostu temperatury następuje
przyspieszenie agresywnego działania cieczy oraz zwiększa się szybkość reakcji
chemicznych, jakie mogą zachodzić w trakcie użytkowania kleju. Ponadto utwardzony klej
może ulegać degradacji lub depolimeryzacji w zbyt wysokiej temperaturze [2].
Wzrost temperatury powoduje również wzrost intensywności różnorodnych drgań oraz
ruchów atomów, merów a także segmentów łańcuchów głównych w polimerze. Mogą
występować przemieszczenia w obrębie budowy danego tworzywa polimerowego. Dlatego
tak istotne jest określenie wpływu temperatury na wytrzymałość połączeń klejowych
pracujących na ścinanie.
Badania wytrzymałościowe miały na celu określenie wpływu napełniacza w postaci
montmorylonitu NanoBent ZR-1 na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych
pracujących w różnych temperaturach dla dwóch rodzajów żywic epoksydowych: Epidian 53
oraz Epidian 57, mieszanych z napełniaczem przy zastosowaniu homogenizatora
ultradźwiękowego oraz mieszania mechanicznego.
2. METEODYKA BADAŃ
W przeprowadzonych badaniach modyfikacji fizycznej zostały poddane dwie żywice
epoksydowe: Epidian 53 oraz Epidian 57. Modyfikacja polegała na dodaniu nanonapełniacza
NanoBent ZR-1 (produkt firmy ZGM „Zębiec” S.A) o zawartości 2% masowo. Stosowany
utwardzacz w obu przypadkach to utwardzacz Z1, dodawany do żywicy w stosunku 1:10.
Kompozycje z nanonapełniaczem były mieszane poprzez zastosowanie mieszania
mechanicznego oraz ultradźwiękowego, a następnie dwukrotnie odpowietrzone przez 3 min.
Powierzchnia próbek do klejenia została przygotowana w trzech etapach: szlifowanie,
docieranie papierem ściernym P320 oraz 3krotne odtłuszczanie produktem Loctite 7063.
Próbki zostały przygotowane w postaci jednozakładkowych połączeń klejowych, które były
utwardzane w temperaturze pokojowej, a następnie dotwardzane po 24h przez 1h w
temperaturze 80°C. Połączenia obciążane były na specjalnym stanowisku klejarskim. Czas
sezonowania wynosił 168h. Połączenia były niszczone w temperaturach: 20°C, 60°C, 80°C,
100°C.
3. WYNIKI
Badania
wytrzymałości
na
ścinanie
przy
rozciąganiu
zostały
przeprowadzone
w temperaturach: 20°C, 60°C, 80°C oraz 100°C dla kompozycji przedstawionych w tab. 1.
Tab. 1. Rodzaje kompozycji stosowane w badaniach
Oznaczenie
Rodzaj kompozycji
Technologia mieszania
A
Epidian 57 + utwardzacz Z-1
-
B
Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1
mechaniczne
G
Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1
ultradźwiękowe
C
Epidian 53 + utwardzacz Z-1
-
E
Epidian 53 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1
mechaniczne
H
Epidian 53 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1
ultradźwiękowe
próbek
Przeprowadzone badania wytrzymałościowe miały na celu określenie wpływu napełniacza
w postaci krzemianu płytkowego – montmorylonitu NanoBent ZR-1 oraz sposobu mieszania
(ultradźwiękowe oraz mechaniczne) na wytrzymałość na ścinanie jednozakładkowych
połączeń klejowych wykonanych na bazie żywic epoksydowych Epidian 53 oraz Epidian 57
z utwardzaczem Z-1 pracujących w różnych temperaturach.
Poniższy wykres obrazuje otrzymane wyniki wytrzymałości na ścinanie dla próbek
wykonanych na bazie 6 różnych kompozycji zrywanych w temperaturze pokojowej oraz
podwyższonej.
Rys. 1. Zestawienie wyników wytrzymałości na ścinanie dla 6 kompozycji na bazie żywic
epoksydowych dotwardzanych po 24h w temperaturze 80°C przez 1h oraz niszczonych
w temperaturach 20°C, 60°C, 80°C oraz 100°C: A – czysta żywica epoksydowa Epidian 57,
B – kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie mechaniczne),
G – kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie ultradźwiękowe),
C – czysta żywica epoksydowa Epidian 53, E – kompozycja żywica epoksydowa Epidian 53 + 2%
NanoBent ZR-1 (mieszanie mechaniczne), H – kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2%
NanoBent ZR-1 (mieszanie ultradźwiękowe)
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań wytrzymałości na ścinanie dla 6 różnych kompozycji
mieszanych różnymi metodami, oraz badanymi w różnym zakresie temperatur można
sformułować następujące wnioski:
1. Połączenia klejowe wykonane na bazie żywicy epoksydowej
Epidian 57
(modyfikowanej i niemodyfikowanej) odznaczają się wyższą wytrzymałością na
ścinanie w zakresie temperatur 20-100°C w porównaniu z żywicą Epidian 53;
2. Analizując wyniki otrzymane dla połączeń niszczonych w temperaturze podwyższonej
(60-100°C) nie zauważa się istotnego wpływu mieszania ultradźwiękowego na wzrost
wytrzymałości połączeń klejowych pracujących w podwyższonych temperaturach w
porównaniu z wynikami otrzymanymi dla kompozycji mieszanych mechanicznie;
3. Porównując
2
sposoby
mieszania
zauważa
się
istotny
wpływ
mieszania
mechanicznego na wzrost wytrzymałości połączeń klejowych jedynie w przypadku
badań niszczących w temperaturze pokojowej zarówno dla żywicy epoksydowej
Epidian 53 oraz Epidian 57 w porównaniu z mieszaniem ultradźwiękowym;
4. Dodatek 2% nanonapełniacza NanoBent ZR-1 wpływa na wzrost wytrzymałości
w podwyższonych temperaturach dla połączeń klejowych wykonanych na bazie
żywicy epoksydowej Epidian 57.
LITERATURA
1. Brojer Z., Hertz Z., Penczek P.: Żywice epoksydowe, Wydawnictwa Naukowo –
Techniczne, Warszawa 1982
2. Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości
tworzyw sztucznych, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 2000
3. Czaplicki J., Ćwikliński J., Godzimirski J., Konar P.: Klejenie tworzyw
konstrukcyjnych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987
4. Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika, Praca zbiorowa pod redakcją Ch. V.
Cagle’a, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, Warszawa, 1977 r.
5. Prawdzińska L., Zygmunt H.: Kleje. Informator, Biuro Wydawnicze „Chemia”,
Warszawa, 1976 r
6. World Wide Design Handbook. Materiały informacyjne firmy Loctite