Numer 2/15 PDF - IMPIB Gliwice

Transkrypt

PRZETWÓRSTWO TWORZYW
Czasopismo naukowo-techniczne. Ukazuje się od 1994 r.
Czasopismo publikuje artykuły recenzowane.
Czasopismo punktowane, notowane na ogólnokrajowej
liście „B” MNiSzW.
Wersja drukowana jest podstawową (referencyjną)
wersją czasopisma.
Skrót nazwy czasopisma w j. polskim – „PT”
Rada Programowa:
Przewodniczący:
• prof. Elżbieta Bociąga, Politechnika Częstochowska, Polska/Poland
Honorowy Przewodniczący:
• prof. Robert Sikora, Politechnika Lubelska, Polska/Poland
Członkowie:
• prof. Marek Bieliński, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy,
Bydgoszcz, Polska/Poland
• dr Krzysztof Bortel, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych
i Barwników, O/Gliwice, Polska/Poland
• prof. Michael Bratychak, Lviv Polytechnic National University,
Lwów, Ukraina/Ukraine
• prof. Igor Čatić, University of Zagreb, Croatia/Chorwacja
• prof. Józef Flizikowski, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy,
• prof. József Gál, University of Szeged, Hungary/Węgry
• prof. František Greškovič, Technical University of Kosice,
Słowacja/Slovakia
• dr Przemysław Hruszka, firma Wavin-Metalplast, Buk, Polska/Poland
• mgr Janusz Jastrzębski Basell Orlen Polyolefins Płock, Polska/Poland
• Simone Maccagnan, „Gimac” Castronno, Włochy/Italy
• prof. Antonio Torres Marques, Universidade do Porto,
Porto, Portugalia/Portugal
• prof. António J. Pontes, University of Minho, Portugal/Portugalia
• prof. Janusz W. Sikora, Politechnika Lubelska, Polska/Poland
• Thomas Simoner – HOBAS, Austria
• dr Joachim Stasiek, Inżynierii Materiałów Polimerowych
i Barwników, Toruń, Polska/Poland
• prof. Tomasz Sterzyński, Politechnika Poznańska, Polska/Poland
• prof. Oleg Stoianov, Kazan National Research Technological
University, Kazań, Rosja/Russia
• prof. Oleh Suberlyak, Lviv Polytechnic National University,
Lwów, Ukraina/Ukraine
• prof. Gabriel Wróbel, Politechnika Śląska, Gliwice, Polska/Poland
• prof. Gennady E. Zaikov, Russian Academy of Sciences,
Moskwa, Rosja/Russia
• prof. Marian Żenkiewicz, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego,
PRZETWÓRSTWO
TWORZYW
POLYMER PROCESSING
CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
POŚWIĘCONE PROBLEMOM PRZETWÓRSTWA
TWORZYW POLIMEROWYCH
Wydawca:
Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu
87-100 Toruń, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55
Tel./fax: 56 / 650-03-33
Kontakt: e-mail: [email protected]; Danuta Skowrońska
Redaguje zespół:
Redaktor Naczelny: mgr inż. Błażej Chmielnicki
Redaktorzy do spraw językowych:
• Jacek Leszczyński, IMPiB Toruń, [email protected], (j. polski)
• Willem Jacobus Lowne-Hughes, SJ Quaderno
[email protected] (j. angielski)
Redaktor tematyczny: Dr Krzysztof Bortel, IMPiB OFiT Gliwice, [email protected]
Kolportaż: Bogumiła Klimczyk
Adres Redakcji:
Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu,
Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach
44-101 Gliwice, ul. Chorzowska 50 A
tel.: 32/231-90-41, fax: 32/231-26-74
e-mail: [email protected], [email protected]
Nr 2 (164) / 21
MARZEC – KWIECIEŃ 2015 R.
90
Spis treœci
Od Redakcji · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
91
Profesor Robert Pawe³ SIKORA – wybitny naukowiec i wynalazca, znakomity pedagog, niestrudzony
dzia³acz na rzecz rozwoju nauki i techniki · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
92
Anna BUKOWSKA, Micha³ SZOTA, Marcin NABIA£EK, Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Katarzyna B£OCH –
Badania strukturalne i magnetyczne kompozytów wytworzonych na bazie stopu Fe67Co10Ni1W2B20
po³¹czonego ¿ywic¹ epoksydow¹ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
94
Karolina G£OGOWSKA, Janusz W. SIKORA – Ocena w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych wyprasek
wtryskowych nape³nionych proszkowym nape³niaczem metalicznym · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
98
El¿bieta GURDZIÑSKA, Grzegorz MAKOMASKI, Janusz ZIELIÑSKI, Barbara LISZYÑSKA, Tatiana
BRZOZOWSKA – Badanie wp³ywu czasu sezonowania folii polipropylenowej na jej w³aœciwoœci· · · · · · ·
104
Jacek IWKO, R. STELLER – Doœwiadczalna weryfikacja komputerowego modelu procesu uplastyczniania
polimerów przy wtryskiwaniu – czêœæ 2. Badania porównawcze · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
108
Boles³aw KARWAT, Dariusz G£OWIÑSKI, Emil STAÑCZYK – Badania wp³ywu czynników technologicznych na parametry fotometryczne lampy samochodowej typu CHMSL · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
117
Mariusz K£ONICA, Józef KUCZMASZEWSKI – Badania porównawcze wytrzyma³oœci na œcinanie klejowych po³¹czeñ zak³adkowych stali 316L po „szokach termicznych” · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
125
Marcin KOSTRZEWA, Mohamed BAKAR, Anita BIA£KOWSKA, Zbigniew PAWELEC, Jowita SZYMAÑSKA – Wp³yw rodzaju poliuretanu na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu o strukturze IPN na
bazie ¿ywicy epoksydowej · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
131
Krzysztof KRÓLIKOWSKI, Kazimierz PISZCZEK – Rozdzia³ mieszanin polipropylenu z polistyrenem na
separatorze ig³owym · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
135
Marcin NABIA£EK – Zastosowanie ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 jako osnowy w kompozytach magnetycznych · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
139
Ewa OLEWNIK-KRUSZKOWSKA, Krzysztof KOWALSKI, Patrycja KASPERSKA, Józef RICHERT –
Wp³yw promieniowania UV na w³aœciwoœci mechaniczne polilaktydu nape³nianego grafitem i szungitem
143
Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Marcin NABIA£EK – Wp³yw zawartoœci osnowy polimerowej na w³aœciwoœci
magnetyczne amorficznego proszku Fe60Co10Y8W1B20 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
149
Ryszard PILAWKA, Honorata M¥KA, Dagmara BOSAK – Badanie procesu sieciowania kompozycji
epoksydowych z nanonape³niaczami wêglowymi· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
152
Andrzej PUSZ, Ma³gorzata SZYMICZEK – Pomiary w³asnoœci cieplnych kompozytów metod¹ quasistacjonarn¹ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
156
M. SIO£EK, M. PASICH, N. HENZEL and M. MATLENGIEWICZ – Incremental calculation of sequence
distribution of isotactic poly(isobutyl acrylate) and poly(sec-butyl acrylate) / Inkrementalne obliczenia
rozk³adu sekwencji dla izotaktycznego poli(akrylanu izobutylu) i poli(akrylanu sec-butylu) · · · · · · · · · · ·
161
Mariusz SKOMRA, Grzegorz FIC, Wies³aw BACZA – Wykorzystanie metod sztucznej inteligencji w komputerowej symulacji degradacji polimerów · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
166
Zenon TARTAKOWSKI, Katarzyna MYD£OWSKA – W³aœciwoœci mechaniczne wyrobów wytworzonych
technologi¹ FDM· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
171
Aneta TOR-ŒWI¥TEK, Weronika SAWA, Lenka MARKOVIÈOVÁ – Chropowatoœæ i morfologia wyt³aczanych kompozycji polimerowych nape³nionych proszkiem ¿elaza · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
176
£ukasz WIERZBICKI – Gradientowe kompozyty epoksydowe nape³niane stopem Wood’a · · · · · · · · · · · ·
182
Mariola WOJCIECHOWSKA, Monika MARGOL, Dariusz KWIATKOWSKI – Sposoby ograniczania
poziomu ha³asu w zak³adach produkcyjnych· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
187
Instructions for Authors· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
192
PRZETWÓRSTWO TWORZYW 2 (marzec – kwiecieñ) 2015
91
Od Redakcji
Z uwagi na niespodziewane odejœcie by³ego Redaktora Naczelnego Przetwórstwa Tworzyw mgr. in¿. Henryka Tomanka, w poprzednim numerze nie poinformowano o rezygnacji z pe³nienia funkcji Przewodnicz¹cego Rady Programowej czasopisma z³o¿onej
przez prof. dr. hab. in¿. Roberta Sikorê. Pan profesor niemal od samego pocz¹tku istnienia
czasopisma Przetwórstwo Tworzyw by³ jego naukowym opiekunem. Dziêki Niemu ewoluowa³o ono od biuletynu zak³adowego, wydawanego przez pracowników Instytutu Przemys³u Tworzyw i Farb, do dzisiejszej postaci, periodyku naukowego obecnego na Liœcie
Czasopism Punktowanych MNiSW. Pan Profesor przez ca³y okres pe³nienia funkcji
Przewodnicz¹cego Rady Programowej motywowa³ zespó³ redakcyjny do nieustawania
w wysi³kach maj¹cych na celu poprawê jakoœci wydawniczej i poziomu merytorycznego
ka¿dego kolejnego numeru Przetwórstwa Tworzyw. Owocem jego wysi³ków i ogromnego
zaanga¿owania w pracê na rzecz czasopisma jest rozpropagowanie go w œrodowisku naukowym jako najwa¿niejszego periodyku traktuj¹cego o problemach przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych. Na szczególne podkreœlenia zas³uguje dba³oœæ Profesora
Roberta Sikory o rozpowszechnianie, miêdzy innymi za poœrednictwem naszego dwumiesiêcznika, zasad poprawnego nazewnictwa, szczególnie w odniesieniu do bran¿y tworzyw polimerowych. W imieniu ca³ego Zespo³u Redakcyjnego sk³adam Panu Profesorowi
najszczersze podziêkowania za lata udanej i konstruktywnej wspó³pracy, której owocem
jest wydawane od przesz³o dwudziestu lat Przetwórstwo Tworzyw!
W bie¿¹cym numerze Czytelnicy znajd¹ artyku³ przybli¿aj¹cy sylwetkê i dokonania
wybitnego naukowca, twórcy szko³y przetwórstwa tworzyw polimerowych prof. dr. hab.
in¿. Roberta Sikory.
W zwi¹zku z rezygnacj¹ Profesora Sikory z pe³nienia funkcji Przewodnicz¹cego Rady
Programowej czasopisma Przetwórstwo Tworzyw, stanowisko to zgodzi³a siê przyj¹æ
prof. dr hab. in¿. El¿bieta Boci¹ga. Pani Profesor uzyska³a jednog³oœne poparcie wszystkich Cz³onków Rady Programowej, wobec czego w trakcie dorocznego spotkania Rady
Programowej zosta³a oficjalnie powo³ana na to stanowisko. Sylwetkê oraz dotychczasowy
dorobek naukowy nowej Przewodnicz¹cej przybli¿ymy Czytelnikom w najbli¿szym
numerze naszego czasopisma.
W bie¿¹cym numerze Czytelnicy mog¹ zapoznaæ siê z aktualnymi problemami dotycz¹cymi przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych, a tak¿e szeroko rozumianymi
zagadnieniami ogólnotechnicznymi, które zosta³y zaprezentowane w 21 artyku³ach naukowych.
¯yczymy udanej lektury
Zespó³ Redakcyjny
92
Profesor Robert Pawe³ SIKORA – wybitny naukowiec i wynalazca, znakomity pedagog, niestrudzony dzia³acz na rzecz rozwoju nauki i techniki
Profesor Robert Pawe³ SIKORA – wybitny naukowiec i wynalazca, znakomity pedagog, niestrudzony
dzia³acz na rzecz rozwoju nauki i techniki
Profesor Robert Pawe³ SIKORA – wybitny naukowiec i wynalazca, znakomity
pedagog, niestrudzony dzia³acz na rzecz rozwoju nauki i techniki
W styczniu bie¿¹cego roku, w zwi¹zku z przejœciem
na emeryturê, Profesor Robert Sikora zrezygnowa³ z kierowania Rad¹ Programow¹ Przetwórstwa Tworzyw, której
przewodniczy³ nieprzerwanie od 1997 roku. Przez 18 lat
by³ „dobrym duchem” tej Rady i w sposób twórczy przyczyni³ siê do rozwoju oraz wzrostu presti¿u naszego czasopisma. Z Jego inicjatywy rozszerzony zosta³ znacznie
sk³ad Rady Programowej, dla której pozyska³ wielu wybitnych naukowców i specjalistów nie tylko polskich, ale
równie¿ zagranicznych. Nast¹pi³a zmiana szaty graficznej i struktury tematycznej Przetwórstwa Tworzyw, a na
jego szpaltach zaczê³y dominowaæ artyku³y o charakterze
naukowym, które s¹ starannie recenzowane przez wybitnych specjalistów. To dziêki usilnym staraniom Profesora
czasopismo nasze zosta³o wprowadzone na listê czasopism punktowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego, co ma istotne znaczenie dla Autorów
artyku³ów i ich jednostek badawczych. Zas³ug tych jest
jeszcze bardzo du¿o i trudno jest je wszystkie szczegó³owo wyliczaæ. Poniewa¿ Profesor Robert Sikora jest te¿
jedn¹ z najwybitniejszych postaci naukowych z zakresu
przetwórstwa i obróbki tworzyw polimerowych w naszym kraju, chcemy przy tej okazji przypomnieæ Czytelnikom sylwetkê tego znakomitego naukowca.
Profesor Robert Sikora urodzi³ siê 21 marca 1938 r.
w Gdyni. Studiowa³ na Wydziale Technologii Maszyn Politechniki Gdañskiej, który ukoñczy³ w 1962 r. uzyskuj¹c
dyplom magistra in¿yniera. Stopieñ doktora nauk technicznych nadany Mu zosta³ na Wydziale Mechanicznym
Politechniki Wroc³awskiej w 1969 r., a stopieñ doktora habilitowanego na Wydziale Mechanicznym Politechniki
Krakowskiej w 1972 r. Tytu³ profesora uzyska³ na wniosek Rady Wydzia³u Mechanicznego Politechniki Lubelskiej w 1982 r.
Jego droga zawodowa sk³ada siê kolejno z nastêpuj¹cych etapów: piêciu lat pracy na Politechnice Gdañskiej
(asystent, starszy asystent), nastêpnych piêciu lat pracy
w Zak³adzie Doœwiadczalnym Technologii Maszyn Rolniczych w Gdañsku (kierownik Laboratorium Tworzyw
Sztucznych i Klejów) oraz kolejnych piêciu lat w Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy na Wydziale Mechanicznym (docent, za³o¿yciel i kierownik Zak³adu
Przetwórstwa i Obróbki Tworzyw Sztucznych, dziekan
Wydzia³u Mechanicznego, prorektor do spraw nauki).
Ostatni i najd³u¿szy etap, trwaj¹cy od 1977 do 2013 roku,
to praca na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej, pocz¹tkowo na stanowisku docenta, a od 1982 r. na
stanowisku profesora. Na uczelni tej zorganizowa³ i kierowa³ kolejno Zespo³em Przetwórstwa i Obróbki Two-
rzyw Sztucznych, przekszta³conym w Zak³ad, nastêpnie
w Katedrê Przetwórstwa Tworzyw Wielkocz¹steczkowych, a póŸniej w Katedrê Procesów Polimerowych.
W Politechnice Lubelskiej pe³ni³ równie¿ funkcjê zastêpcy dyrektora do spraw nauki Instytutu Technologii i Eksploatacji Maszyn (1982-1984) oraz prorektora do spraw
nauczania i wychowania (1982-1984 r.). Pracowa³ równie¿, jako profesor na Wydziale Pedagogiki i Psychologii
Uniwersytetu Marii Curie-Sk³odowskiej w Lublinie.
W dniu 31.08.2012 r. przeszed³ na emeryturê, a nastêpnie
pracowa³ jeszcze do 22.09.2013 r. w niepe³nym wymiarze
czasu koncentruj¹c siê g³ównie na pracy dydaktycznej.
Prof. Robert Sikora potrafi³ w mistrzowski sposób godziæ liczne obowi¹zki dydaktyczne, naukowe i organizacyjne. Jako pierwszy w kraju stworzy³ spójn¹ i nowatorsk¹ koncepcjê kszta³cenia studentów w zakresie szeroko
pojêtego przetwórstwa tworzyw polimerowych. Opracowa³ za³o¿enia, sporz¹dzi³ plany i programy oraz zorganizowa³ studia w zakresie specjalizacji Przetwórstwo Tworzyw Sztucznych prowadzonej na kierunku studiów Mechanika i Budowa Maszyn na Wydziale Mechanicznym
Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy oraz w zakresie specjalizacji Przetwórstwo tworzyw polimerowych
prowadzonej na kierunku studiów Mechanika i Budowa
Maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej. Prowadzi³ liczne wyk³ady, seminaria, prace przejœciowe i prace dyplomowe na studiach magisterskich oraz
in¿ynierskich, jak równie¿ zajêcia na studiach doktoranckich, w tym na studiach dla obcokrajowców. By³ promotorem oko³o 270 prac dyplomowych magisterskich i in¿ynierskich. Opracowa³ podrêczniki akademickie i skrypty
s³u¿¹ce studentom w ca³ym kraju. Najwa¿niejsze z nich
to: „Tworzywa wielkocz¹steczkowe – rodzaje, w³aœciwoœci i struktura”, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991,
„Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych”, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 1992, „Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych”, Wyd. Edukacyjne, Warszawa 1993 oraz „Obróbka tworzyw wielkocz¹steczkowych”, Wyd. Edukacyjne, Warszawa 1995
i 1996.
Imponuj¹ce s¹ tak¿e efekty Profesora w kszta³ceniu
kadry naukowej. Jest On promotorem 20 rozpraw doktorskich (w tym 2 obcokrajowców), przeprowadzonych
w ró¿nych uczelniach wy¿szych naszego kraju. Recenzowa³ 28 rozpraw doktorskich, 15 rozpraw habilitacyjnych,
28 wniosków w sprawie powo³ania na stanowisko docenta, profesora nadzwyczajnego, oraz nadania tytu³u profesora nauk technicznych. Recenzowa³ kilkadziesi¹t projektów badawczych oraz ponad 400 ró¿nych publikacji.
Profesor Robert Pawe³ SIKORA – wybitny naukowiec i wynalazca, znakomity pedagog, niestrudzony dzia³acz na rzecz rozwoju nauki i techniki
Bardzo rozleg³a dzia³alnoœæ naukowa prof. Roberta
Sikory zwi¹zana by³a z polimerami oraz z tworzywami
polimerowymi i obejmowa³a: (a) problemy obróbki skrawaniem i obróbki plastycznej tworzyw, zw³aszcza trudnoobrabialnych; (b) podstawy teoretyczne i technologiczne przetwórstwa tworzyw; (c) wp³yw warunków przetwórstwa na jakoœæ wytworów tworzywowych; (d) procesy wyt³aczania jedno- i dwuœlimakowego konwencjonalnego oraz autotermicznego; (e) przetwórstwo tworzyw
uniepalnionych; (f) modyfikacjê fizyczn¹ tworzyw; (g) recyrkulacjê materia³ow¹ tworzyw; (h) konstrukcjê maszyn
i urz¹dzeñ do przetwórstwa oraz obróbki tworzyw; (i)
w³aœciwoœci i zastosowanie tworzyw pierwotnych oraz
wtórnych; (j) rozdrabnianie, aglomerowanie, granulowanie i ciêcie tworzyw.
Do najwa¿niejszych osi¹gniêæ naukowych Prof. Roberta Sikory nale¿¹: (a) opracowanie nowej metody badañ konstrukcyjnych po³¹czeñ klejowych w uk³adzie metal-kompozyt polimerowy, zwanej metod¹ oddzierania
obwodowego i okreœlenie kryteriów oceny jakoœciowej
tych po³¹czeñ, (b) sformu³owanie podstaw teoretycznych
i technologicznych dzia³ania œlimakowego uk³adu uplastyczniaj¹cego z wykorzystaniem œrubowego uk³adu odniesienia oraz z zastosowaniem elementu obrotowego cylindra, (c) opracowanie podstaw nowej konstrukcji i technologii uk³adu uplastyczniaj¹cego z aktywn¹ stref¹ rowkowan¹, (d) okreœlenie warunków zwiêkszenia efektywnoœci sterowania i regulacji automatycznej procesu uplastyczniania tworzyw polimerowych.
Prof. Robert Sikora jest autorem lub wspó³autorem
ponad 500 prac opublikowanych w 9 jêzykach obcych
oraz 24 ksi¹¿ek. Przedstawi³ te¿ wiele referatów na konferencjach i sympozjach krajowych oraz zagranicznych
w kilkunastu pañstwach œwiata. Jest równie¿ twórc¹ lub
wspó³twórc¹ ponad 80 patentów, w tym 8 zagranicznych,
co jest ewenementem w skali œwiatowej. Kierowa³ tak¿e
dziesiêcioma projektami badawczymi, finansowanymi ze
Ÿróde³ centralnych. Praca zbiorowa pod redakcj¹ prof.
Roberta Sikory pt.: „Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i terminologiczne”
Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006., jest
unikalnym dzie³em stanowi¹cym kompendium wiedzy
o przetwórstwie tworzyw polimerowych. Jej uniwersalny
charakter i olbrzymi ³adunek uporz¹dkowanej wiedzy,
a tak¿e staranna szata graficzna powoduj¹, ¿e jest ona
niezwykle cenn¹ pozycj¹ literaturow¹, adresowan¹ do
szerokiego krêgu naukowców, in¿ynierów, nauczycieli
akademickich, studentów i ludzi biznesu.
Wyniki prac naukowych prof. Roberta Sikory znalaz³y tak¿e zastosowanie praktyczne. Nale¿¹ do nich takie
prace, jak: „Regeneracja korpusów silników spalinowych
tworzywami sztucznymi” (1974 r.); „Badania procesu wyt³aczania autotermicznego tworzyw termoplastycznych”
(1995 r.); „Wyt³aczanie tworzyw termoplastycznych z jednoczesnym porowaniem œrodkami o endotermicznym
charakterze rozk³adu” (1996 r.); „Charakterystyka proce-
93
su wyt³aczania autotermicznego tworzyw termoplastycznych” (1998 r.); „Oddzia³ywanie rury os³onowej na kabel
optotelekomunikacyjny w procesie jego instalowania”
(1998); „Modyfikacja antypirenami bezhalogenowymi
polietylenu wyt³aczanego” (2001); „Badania wp³ywu
konstrukcji strefy rowkowanej wyt³aczarki na efektywnoœæ procesu wyt³aczania” (2002 r.);
Powszechnie znane s¹ tak¿e dzia³ania Profesora na
rzecz integracji œrodowiska naukowego oraz popularyzacji osi¹gniêæ naukowych. Jest On twórc¹ Profesorskich
Warsztatów Naukowych „Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych”, odbywaj¹cych siê corocznie, od 35 lat, w ró¿nych oœrodkach naukowych naszego kraju. By³ lub jest
cz³onkiem ró¿nych organizacji i towarzystw naukowych,
a w tym: Naczelnej Organizacji Technicznej w Bydgoszczy (cz³onek Zarz¹du Wojewódzkiego w latach 1973–
1976), Bydgoskiego Towarzystwa Naukowego (1974–87),
Lubelskiego Towarzystwa Naukowego (od 1977 r., gdzie
w latach 1984–1988 by³ zastêpc¹ Sekretarza Generalnego
tego Towarzystwa) oraz Polymer Processing Society (od
1985 r.). By³ tak¿e cz³onkiem Rad Naukowych takich, jak:
Rada Instytutu Technologii Budowy Maszyn Politechniki
Poznañskiej (1984–1987 r.), Rada Naukowa Instytutu In¿ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu (1995–2012 r.) oraz Rada Naukowa Instytutu Chemii
Przemys³owej w Warszawie (2008–2012 r.). Wchodzi³
w sk³ad Komitetów Redakcyjnych oraz Rad Programowych czasopism Polimery (od 1987 r.), In¿ynieria Materia³owa (1995–2006 r.) i przewodniczy³ Radzie Programowej
Przetwórstwa Tworzyw (1997–2015 r.).
Za osi¹gniêcia w pracy dydaktycznej, naukowej,
wdro¿eniowej oraz organizacyjnej prof. Robert Sikora
zosta³ odznaczony Krzy¿em Kawalerskim Orderu Odrodzenia Polski, Z³otym Krzy¿em Zas³ugi, Odznak¹ Honorow¹ przyznan¹ przez Prezesa Rady Ministrów „Za Zas³ugi dla Wynalazczoœci” oraz innymi licznymi medalami
i odznaczeniami, w tym trzykrotnie Z³otym Medalem
„Brussels Eureka”.
Bardzo trudno jest podsumowaæ osi¹gniêcia tak wybitnej postaci, jak¹ jest prof. Robert Sikora. Ogromny dorobek naukowy stanowi nieprzemijaj¹ce œwiadectwo
Jego olbrzymiej aktywnoœci twórczej. Stanowi tak¿e znacz¹cy wk³ad do nauki zwi¹zanej z szeroko pojêtym przetwórstwem tworzyw polimerowych. Ma równie¿ olbrzymi¹ wartoœæ poznawcz¹, szczególnie cenn¹ przy zg³êbianiu wiedzy o tworzywach polimerowych i ich przetwórstwie. Teraz Jego dzie³o z powodzeniem kontynuuje liczna rzesza wykszta³conych przez Niego pracowników
nauki i in¿ynierów.
Za to wszystko, co uczyni³eœ dla polskiej nauki i dla
nas, dziêkujemy Ci Drogi Profesorze, ¿ycz¹c wszelkiej
pomyœlnoœci, du¿o zdrowia, satysfakcji z dokonanych
osi¹gniêæ, pogody ducha i wielu lat ¿ycia.
W imieniu Cz³onków Rady Programowej
prof. dr hab. in¿. Marian ¯enkiewicz
94
Anna BUKOWSKA, Micha³ SZOTA, Marcin NABIA£EK, Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Katarzyna B£OCH
1, Marcin
2,
Anna BUKOWSKA
BUKOWSKA,1*Micha³
, Micha³SZOTA,
SZOTAMarcin
NABIA£EK,
NABIA£EKPawe³
PIETRUSIEWICZ, Katarzyna B£OCH
2
2
Pawe³ PIETRUSIEWICZ , Katarzyna B£OCH
Politechnika Czêstochowska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji i Technologii Materia³ów,
Instytut In¿ynierii Materia³owej, * e-mail: [email protected]
2 Politechnika Czêstochowska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji i Technologii Materia³ów, Instytut Fizyki
1
Badania strukturalne i magnetyczne kompozytów wytworzonych na bazie stopu
Fe67Co10Ni1W2B20 po³¹czonego ¿ywic¹ epoksydow¹
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badañ strukturalnych oraz magnetycznych kompozytów otrzymanych na bazie stopu o sk³adzie chemicznym Fe67Co10Ni1W2B20 i ¿ywicy epoksydowej. Badane próbki mia³y kszta³t
walców oraz posiada³y ten sam udzia³ objêtoœciowy ¿ywicy epoksydowej (klej Epidian 100). Wytworzony stop
o sk³adzie chemicznym Fe67Co10Ni1W2B20 zosta³ niskoenergetycznie rozkruszony w moŸdzierzu, a nastêpnie poddany analizie sitowej i podzielony na trzy frakcje: 20-50 µm, 50-100 µm oraz 100-200 µm. Tak otrzymane proszki stopów zosta³y po³¹czone z ¿ywic¹ epoksydow¹. Okreœlono wp³yw wielkoœci cz¹stek proszku i osnowy na w³aœciwoœci
magnetyczne kompozytów.
STRUCTURAL AND MAGNETIC STUDIES OF COMPOSITES BASED ON ALLOY Fe67Co19Ni1W2B20
COUPLED WITH EPOXY RESIN
Summary. The paper presents the results of the structural and magnetic studies of composites obtained on the Basic
of the alloy Fe67Co10Ni1W2B20 and epoxy resin (glue Epidian 100). The resulting alloy with chemical composition
Fe67Co10Ni1W2B20, was low-energy crushed in a mortar, and then subjected to a sieve analysis and divided into three
fractions: 20-50 microns, 50-100 microns and 100-200 microns. The thus obtained alloy powders were combined
with an epoxy resin. Were identified: powder particle size and the magnetic properties of the matrix composites.
1. WSTÊP
2. MATERIA£Y I METODYKA BADAÑ
Materia³y kompozytowe nale¿¹ do najbardziej rozpowszechnionej grupy materia³ów, które znalaz³y szerokie zastosowanie w przemyœle. Posiadaj¹ wiele zalet
a mianowicie: ³atwoœæ formowania, niski koszt wytwarzania, mo¿liwoœæ przystosowania metod wytwarzania
do masowej produkcji i wiele innych. Stosuje siê ró¿ne
wype³niacze kompozytów, lecz najbardziej atrakcyjnymi
pod wzglêdem w³aœciwoœci magnetycznych s¹ stopy na
osnowie ¿elaza. Jedyn¹ wad¹ jest ich kruchoœæ, która znacz¹co utrudnia ich praktyczne zastosowanie. Stosuj¹c
procesy technologiczne, a mianowicie wysokoenergetyczne mielenie otrzymuje siê proszki stopów magnetycznych, które w ró¿ny, dowolny sposób s¹ formowane
na wyroby o skomplikowanych kszta³tach, umo¿liwiaj¹c
im przez to wykorzystanie w elektronice i elektrotechnice. Dla tego typu materia³ów u¿ywa siê takich metod
spajania jak: spiekanie, prasowanie na gor¹co oraz wi¹zanie z tworzywem sztucznym. Ze wzglêdu na rozrost ziaren proszków nanokrystalicznych podczas operacji spiekania czy prasowania na gor¹co zaleca siê wi¹zanie
proszków z tworzywami termo lub chemoutwardzalnymi. Tak po³¹czone proszki metaliczne mo¿na wykorzystaæ do budowy ekonomicznych rdzeni transformatorowych.
Celem pracy by³o wykonanie kompozytów polimerowych, posiadaj¹cych ró¿ny sk³ad chemiczny o jednakowej zawartoœci nape³niacza w postaci proszku ferromagnetycznego, ponadto okreœlenie wp³ywu sk³adu chemicznego otrzymanych kompozytów na w³aœciwoœci magnetyczne.
Materia³ badawczy otrzymano z masywnego stopu
o sk³adzie chemicznym Fe67Co10Ni1W2B20, który poddano
niskoenergetycznemu rozdrobnieniu, nastêpnie poddano
analizie sitowej na zestawie sit o gradacji: 20-50 μm,
50-100 μm oraz 100-200 μm. Ka¿da z przesianych frakcji
zosta³a po³¹czona klejem Epidian 100 o nastêpuj¹cym
udziale wagowym: 95% proszków szkie³ metalicznych
oraz 5% ¿ywicy epoksydowej. Przygotowane próbki poddano prasowaniu przy u¿yciu prasy hydraulicznej o ciœnieniu prasowania 5 MPa w czasie 20 s. W ten sposób
otrzymane próbki w postaci walców o œrednicy 5 mm
i wysokoœci 3 mm poddano procesowi wygrzewania
w temperaturze 160°C w czasie 2h.
Mikrostrukturê wytworzonych kompozytów zbadano przy u¿yciu dyfraktometru rentgenowskiego BRUKER model ADVANCE D8, który wyposa¿ony by³
w lampê o anodzie miedzianej. Próbki kompozytowe
naœwietlano promieniami rentgenowskimi w zakresie
k¹ta 2q od 30° do 120° o kroku pomiarowym wynosz¹cym 0,02° i czasie naœwietlania 2s. Zdjêcia powierzchni kompozytów wykonano przy u¿yciu mikroskopu metalograficznego Axiovert. W³aœciwoœci magnetyczne badanych kompozytów przeprowadzono na podstawie
analizy pêtli histerezy, któr¹ wykonano przy zastosowaniu magnetometru wibracyjnego firmy Lake Shore, który
pracowa³ w polu magnetycznym o natê¿eniu do 2 T.
Badania przedstawione w niniejszej pracy przeprowadzono w temperaturze pokojowej dla kompozytów
utwardzonych w stosunku wagowym: 95% metaliczne
cz¹stki i 5% ¿ywicy epoksydowej.
Badania strukturalne i magnetyczne kompozytów wytworzonych na bazie stopu Fe 67Co10Ni1W2B20 po³¹czonego ¿ywic¹ epoksydow¹
95
3. WYNIKI BADAÑ
Na rysunkach 1÷3 przedstawiono dyfraktometry
rentgenowskie uzyskane dla próbek kompozytowych
o nastêpuj¹cych frakcjach: 20-50 μm, 50-100 μm oraz
100-200 μm.
Na podstawie uzyskanych dyfraktogramów (Rys.
1÷3) rozpoznano nastêpuj¹ce fazy krystaliczne: a Fe oraz
Fe3B. Na dyfraktogramach widoczne s¹ piki dla faz krystalicznych. Mo¿e to oznaczaæ, ¿e podczas niskoenergetycznego rozdrabniania masywnych stopów dosz³o do
czêœciowej b¹dŸ ca³kowitej krystalizacji. Strukturê powierzchni ka¿dej z frakcji otrzymanych kompozytów
przedstawiono na rysunkach 4÷6.
Statyczne pêtle histerezy magnetycznej zmierzone dla
kompozytów sk³adaj¹cych siê z proszków stopu
Fe67Co10Ni1W2B20 i ¿ywicy Epidian 100 zosta³y przedstawione na rysunkach 7÷9. Analizuj¹c otrzymane pêtle histerezy dla badanych kompozytów mo¿na by³o odczytaæ
parametry, które przedstawiono w tabeli 1.
á Fe
Fe3B
á Fe
Fe3B
100 – 200 ìm
Rys. 3. Obraz dyfrakcji rentgena uzyskane dla badanych kompozytów
o frakcji 100-200 µm
20 – 50 ìm
Rys. 4. Obraz mikroskopowy powierzchni kompozytu o frakcji zbrojenia
20-50 µm, pow. ×200
Rys. 1. Obraz dyfrakcji rentgena uzyskany dla badanych kompozytów
o frakcji zbrojenia 50-100 µm
á Fe
50 – 100 ìm
Fe3B
Rys. 2. Obraz dyfrakcji rentgena uzyskany dla badanych kompozytów
50-100 µm, pow. ×200
96
Anna BUKOWSKA, Micha³ SZOTA, Marcin NABIA£EK, Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Katarzyna B£OCH
100-200 µm, pow. ×200
Rys. 8. Statyczna pêtla histerezy dla kompozytu w postaci pastylki
Tab. 1. Zestawienie parametrów magnetycznych wyznaczonych ze statycznych pêtli histerezy
Nr
Próbka
μ0Ms [T]
Hc [A/m]
1
Kompozyt o frakcji 20-50 μm
1,51
5240,07
2
1,54
4606,45
3
1,70
4284,07
Na podstawie danych zebranych w tabeli 1 mo¿na
zauwa¿yæ, ¿e nast¹pi³ wzrost wartoœci magnetyzacji nasycenia wraz ze wzrostem frakcji z 1,51 T dla kompozytu
o frakcji zbrojenia 20-50 μm do 1,70 T dla kompozytu
o frakcji zbrojenia 100-200 μm. Równie¿ zaobserwowano
obni¿enie wielkoœci pola koercji wraz ze zwiêkszeniem
wielkoœci frakcji zbrojeñ kompozytów. Dla kompozytu
o najmniejszej frakcji zbrojenia (20-50 μm) pole koercji
wynosi 5240,07 A/m, natomiast dla kompozytu o frakcji
100-200 μm wynosi 4284,07 A/m.
3. WNIOSKI
Wytworzone materia³y kompozytowe z³o¿one
z proszków stopu Fe67Co10Ni1W2B20 oraz osnowy z ¿ywicy
Epidian 100 nie gwarantuj¹ dobrych w³aœciwoœci magnetycznych, które s¹ wymagane od materia³ów wykorzystywanych do budowy energooszczêdnych rdzeni transformatorowych. Jednak pomimo tego nale¿y przeprowadziæ szereg badañ nad t¹ grup¹ materia³ów, poniewa¿ cechuj¹ siê niskim kosztem wytwarzania oraz ³atwoœci¹ formowania. Dalsze badania prowadzone na zaproponowanym sk³adzie stopu bêd¹ poszerzone o zmianê zawartoœci wagowej metalicznego proszku i ¿ywicy epoksydowej.
Na podstawie badañ rentgenowskich dla materia³ów
kompozytowych o ró¿nych frakcjach wype³niacza wykryto nastêpuj¹ce fazy: a-Fe oraz Fe3B. Pomimo zastosowania metody wt³aczania, która polega na wt³aczaniu
ciek³ego stopu do miedzianej formy ch³odzonej wod¹,
w której zazwyczaj otrzymuje siê stopy amorficzne,
Badania strukturalne i magnetyczne kompozytów wytworzonych na bazie stopu Fe 67Co10Ni1W2B20 po³¹czonego ¿ywic¹ epoksydow¹
umo¿liwiaj¹cej wytworzenie szkie³ metalicznych bêd¹cych wype³niaczem analizowanych kompozytów, nie
uda³o siê uzyskaæ struktury amorficznej.
Na podstawie badañ magnetycznych kompozytów
o ró¿nych frakcjach mo¿na stwierdziæ, ¿e wraz ze wzrostem wielkoœci frakcji proszku nastêpuje wzrost magnetyzacji nasycenia. W przypadku pola koercji badanych materia³ów mo¿na zaobserwowaæ, i¿ wraz ze wzrostem
wielkoœci frakcji zbrojenia kompozytów zmniejsza siê
pole koercji.
LITERATURA
[1] Nabia³ek M., W³aœciwoœci magnetyczne i mikrostruktura
kompozytów wytworzonych na bazie amorficznego stopu
97
Fe60Co10Y8Zr1B20 spajanego ¿ywic¹ epoksydow¹, Przetwórstwo Tworzyw Sztucznych 1, 2014.
[2] Ziêbowicz B., Szewieczek D., Nanokompozyty polimerowe
z udzia³em nanokrystalicznych proszków stopów o osnowie Fe magnetycznie miêkkich, Przetwórstwo Tworzyw
Sztucznych 6, 2011.
[3] Nowosielski R., Griner S., Wnuk I., Sakiewicz P., Gramatyka
P., Ferromagnetyczne kompozytowe rdzenie nanokrystaliczne, 12th International Scientific Conference Achievements in Mechanical&Materiale Engineering, Gliwice.
[4] £awecka M., Leonowicz M., Kopcewicz M., Œlawska-Waniewska A., Kozubowski J., Dzhardimalieva G. I., Rpsneberg A. S., Pomogailo A., Struktura kompozytu polimer-nanocz¹stka o w³aœciwoœciach ferromagnetycznych, Kompozyty, Nr 2, 2002.
98
Karolina G£OGOWSKA, Janusz W. SIKORA
Politechnika Lubelska Katedra Procesów Polimerowych
e-mail: [email protected]
Ocena w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych wyprasek wtryskowych
nape³nionych proszkowym nape³niaczem metalicznym
Streszczenie: Intensywne poszukiwania kompozytów polimerowych wynikaj¹ z mo¿liwoœci uzyskania nowych
materia³ów o potencjalnie lepszych w³aœciwoœciach. Szczególna uwaga jest skupiona na poprawie w³aœciwoœci
przetwórczych i cieplnych, które stanowi¹ zasadnicze kryterium wyboru tworzywa i rodzaju nape³niacza. Podczas
u¿ytkowania wytworów z tworzyw polimerowych, wraz ze wzrostem temperatury zmieniaj¹ siê znacznie w³aœciwoœci fizyczne, a zw³aszcza mechaniczne, w skrajnych przypadkach mo¿e nast¹piæ przemiana stanu skupienia tworzywa. W pracy przedstawiono wyniki badañ podstawowych w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych tj. masowego
wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia, temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem oraz temperatury miêknienia hybrydowych
wyprasek wtryskowych otrzymanych przy niezmiennych parametrach przetwórczych. Nape³niaczem wprowadzonym by³y proszki piêciu metali: aluminium, cynku, cyny, ¿elaza i miedzi o udziale masowym od 2,5% do 15%
w stosunku do osnowy, jakim by³ polipropylen. Na podstawie wyników badañ sporz¹dzono stosowne zale¿noœci od
zawartoœci masowej ró¿nych rodzajów proszkowego nape³niacza metalicznego.
S³owa klucze: nape³niacz metaliczny, wtryskiwanie, polipropylen, w³aœciwoœci cieplne
ASSESSMENT OF PROCESSING AND THERMAL PROPERTIES OF METAL POWDER-FILLED HYBRID
MOULDED PRODUCTS
Abstract: The extensive research on polymer composites is motivated by the fact that it can result in obtaining new
materials with enhanced properties. This research focuses primarily on improving processing and thermal properties which constitute the essential criterion for selecting the material and the type of filler. During the use of products made of polymeric materials, the physical and especially mechanical properties change significantly with the
change of temperature and, in extreme cases, the physical state of material may be changed. The paper presents the
results from basic research of processing and thermal properties, i.e. melt flow rate, temperature of deflection under
load and the softening temperature of hybrid injection mouldings, obtained with constant processing parameters.
We used five metal powder fillers: aluminum, zinc, tin, iron and copper powders, with their contents ranging from
2.5 to 15% in relation to the polypropylene matrix. Based on the results of research, the appropriate dependencies of
different types of powder metal fillers on the mass content were prepared.
Keywords: metal powder filler, injection moulding, polypropylene, thermal properties
1. Wstêp
Wtryskiwanie jest jedn¹ z dominuj¹cych metod przetwórstwa tworzyw. Jest to proces cyklicznego uplastyczniania tworzywa [1], nastêpnie stapiania w uk³adzie
uplastyczniaj¹cym i wyciskania do zamkniêtego gniazda
formuj¹cego formy wtryskowej, zestalania lub utwardzania tworzywa w gnieŸdzie i wyjêcia wypraski wtryskowej z gniazda [2, 3]. Proces wtryskiwania wystêpuje
w wielu odmianach, umo¿liwiaj¹c przetwarzanie praktycznie wszystkich tworzyw polimerowych, g³ównie termoplastycznych i utwardzalnych, ale tak¿e mieszanek
gumowych, ciek³ych silikonów oraz kompozytów i nanokompozytów polimerowych [4, 5, 1]. Rezultatem wtryskiwania jest wypraska wtryskowa, która w zale¿noœci od
odmiany wtryskiwania i u¿ytego tworzywa charakteryzuje siê bardzo szerokim zakresem mo¿liwoœci u¿ytkowych, zró¿nicowaniem kszta³tu, dok³adnoœci¹ wykonania i w³aœciwoœciami przede wszystkim mechanicznym
i cieplnymi [6].
Tworzywo sk³ada siê z polimeru i ze sk³adników dodatkowych. Sk³adniki te mog¹ byæ wprowadzane do polimeru zarówno w procesie jego syntezy, jak te¿ w proce-
sach przetwórstwa [7]. Nape³niacze i noœniki wzmacniaj¹ce pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, wprowadzane do polimerów w ró¿nej postaci, tworz¹ odpowiednie kompozyty polimerowe, najczêœciej o polepszonych w³aœciwoœciach u¿ytkowych [8]. Ze wzglêdu na
postaæ, w jakiej wystêpuj¹, nape³niacze dzieli siê je na:
proszkowe, w³ókniste, skrawkowe, wstêgowe, arkuszowe, kulkowe itp. Sk³ad chemiczny nape³niaczy jest bardzo zró¿nicowany, przy czym najczêœciej s¹ to krzemiany,
glinokrzemiany, tlenki, wêglany, siarczany, proszki metali, w³ókna polimerów naturalnych i syntetycznych [9, 10].
Przy doborze w³aœciwego nape³niacza dla danego polimeru bierze siê pod uwagê jego w³aœciwoœci, postaæ i cenê. Istotne znaczenie ma tak¿e iloœæ wprowadzonego do
polimeru nape³niacza; zwykle odpowiedni¹ iloœæ ustala
siê eksperymentalnie. W³aœciwy dobór nape³niacza pozwala uzyskaæ polepszone w³aœciwoœci nape³nionych polimerów, w zakresie: udarnoœci, twardoœci, odpornoœci
chemicznej, stabilnoœci termicznej, œcieralnoœci, palnoœci
itp. [11, 12].
Celem naszych badañ by³o okreœlenie oraz ocena podstawowych w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych hybrydowych wyprasek wtryskowych otrzymanych z poli-
Ocena w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych wyprasek wtryskowych nape³nionych proszkowym nape³niaczem metalicznym
propylenu i nape³nionych ró¿n¹ iloœci¹ proszkowych
nape³niaczy metalicznych, którymi by³y ¿elazo, cynk,
cyna, miedŸ i aluminium.
2. Badania eksperymentalne
2.1. Stanowisko badawcze
Do otrzymania próbek wykorzystano wtryskarkê œlimakow¹ o nazwie Ergotech 25-80 firmy Demag znajduj¹c¹ siê na Wydziale Mechanicznym Uniwersytetu Technicznego w Koszycach. G³ównymi elementami uk³adu
uplastyczniaj¹cego jest cylinder zamocowany w obudowie uk³adu uplastyczniaj¹cego oraz œlimak o œrednicy
18 mm i stosunku d³ugoœci czêœci roboczej do œrednicy
równym 20. Na cylindrze znajduj¹ siê cztery strefy grzejne o jednakowej d³ugoœci. Uk³ad uplastyczniaj¹cy umo¿liwia wtryskiwanie do gniazda formuj¹cego formy do
28 cm3 tworzywa z ciœnieniem wtryskiwania do 270 MPa.
Do sto³ów wtryskarki o wymiarach 410 × 410 mm zamontowano formê wtryskow¹, sk³adaj¹c¹ siê z dwóch czêœci.
W jednej czêœci wykonano uk³ad przep³ywowy formy tj.
kana³ wlewowy, kana³y doprowadzaj¹ce, a tak¿e przewê¿ki i dwa gniazda formuj¹ce o kszta³cie i wymiarach
odpowiadaj¹cym znormalizowanym próbkom do badañ
wytrzyma³oœciowych.
Pomiary w³aœciwoœci cieplnych otrzymanych wyprasek przeprowadzono z wykorzystaniem plastometru obci¹¿nikowego oraz urz¹dzenia do badañ cieplnych HDT
i Vicat. Stanowisko do badañ wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia stanowi³ plastometr obci¹¿nikowy Zwick typ
4105.100 wraz z wyposa¿eniem dodatkowym oraz waga
analityczna typ PRL TA14. Plastometr zaprezentowany
na rysunku 1, sk³ada³ siê z ustawionego pionowo stalowego cylindra, o d³ugoœci 180 mm (5), w której umieszczono przes³onê dyszy (4). W obudowie plastometru (9)
Rysunek 1. Wygl¹d plastometru obci¹¿nikowego firmy Zwick: 1 – obci¹¿nik nominalny, 2 – t³oczysko z t³okiem, 3 – lejek zasypowy, 4 –
przes³ona dyszy, 5 – obudowa cylindra, 6 – wymienny modu³ zadanej
temperatury, 7 – uk³ad regulacji temperatury, 8 – wy³¹cznik g³ówny,
9 – obudowa plastomeru
99
zainstalowany jest uk³ad regulacji temperatury wraz
z gniazdem modu³u zadanej temperatury (6) oraz wy³¹cznik g³ówny (8) plastometru obci¹¿nikowego. Cylinder wykonany jest ze stali odpornej na korozjê i œcieranie
w temperaturze dzia³ania urz¹dzenia, mieszcz¹cej siê
w przedziale od 120 do 450°C. W cylindrze znajduje siê
otwór przelotowy, walcowy wykonany w jego osi.
W sk³ad stanowiska badawczego wchodzi równie¿ wyjmowane t³oczysko o d³ugoœci 168 mm, ubijak, obcinacz
próbki, przyrz¹dy czyszcz¹ce i czasomierz. Do wyposa¿enia zalicza siê te¿ obci¹¿niki nominalne zak³adane na
t³oczysko plastometru maj¹ce masê 1,2, 2,16; 3,8 lub 5 kg
które s¹ stosowane w zale¿noœci od rodzaju badanego
tworzywa.
Rysunek 2. Wygl¹d urz¹dzenia do badañ cieplnych HDT i Vicat firmy
Instron wyposa¿one w trzy stacje robocze: 1 – elektroniczna jednostka
kontroli pomiaru; 2 – stacje testowe; 3 – ³aŸnia temperaturowa obejmuj¹ca system grzania i ch³odzenia oleju oraz azotowy system dyfuzyjny;
4 – uchwyt
Do badañ cieplnych stosowano urz¹dzenie firmy Instron CEAST HV3 HDT i Vicat wyposa¿one w trzy stacje
robocze (rys. 2). Wykorzystywane do okreœlenia temperatury przy których próbki ulegaj¹ odkszta³ceniu w wyznaczonych warunkach obci¹¿enia. Badanie przebiega z zastosowaniem odpowiedniej szybkoœci nagrzewania
w ³aŸni olejowej w temperaturze do 300°C. £aŸnia olejowa jest wyposa¿ona w pompê olejow¹, która zapewnia
jednorodny rozk³ad temperatury w ca³ej objêtoœci ³aŸni
oraz niezale¿ny czujnik temperatury. Urz¹dzenie ma automatyczny mikroprocesor zapewniaj¹cy pe³n¹ kontrolê
parametrów ca³ego procesu badania okreœlonych w³aœciwoœci cieplnych. Ka¿da ze stacji wyposa¿ona jest w termoelement rejestruj¹cy miejscow¹ wartoœæ temperatury,
który jest umieszczony w celu zapewnienia wysokiej precyzji oraz powtarzalnoœci wyników. Po ukoñczeniu procesu nastêpuje automatyczny cykl ch³odzenia oleju.
Urz¹dzenie mo¿e byæ po³¹czone z komputerem PC
przeznaczonym do obróbki wyników badañ z zastosowaniem oprogramowania Ceast View 6,12A, które zapewnia
zarz¹dzenie i kontrolê procesów badawczych oraz raportowanie i eksport wyników badañ do komputera. Testy
na aparatach przeprowadzono zgodne z odpowiednimi
normami [13, 14, 15].
100
— twardoœæ Shore’a, 74,6 °Sh D;
— udarnoœæ wed³ug Charpy z karbem przy 23°C, 4 kJ/m2;
— udarnoœæ bez karbu przy 23°C, 190 kJ/m2.
Rysunek 3. Wygl¹d platformy ze stacjami testowymi: 1 – próbka; 2 –
odwa¿niki; 3 – czujnik temperatury; 4 – ig³a; 5 – pokrêt³o
Podstawowe w³aœciwoœci stosowanych nape³niaczy
przedstawiono w tabeli 1. Nape³niacze przechowywano
w szczelnym pojemniku i wprowadzano do tworzywa
bezpoœrednio przed procesem przetwórstwa. Nape³niacz
metaliczny z tworzywem mieszano mechanicznie, dodaj¹c bezpoœrednio do kompozycji polimerowej 0,4 % mas.
promotora adhezji w postaci karbofunkcyjnego silanu
o nazwie aminopropylotrietoksysilan [16], modyfikuj¹c
powierzchnie nieaktywnego polipropylenu.
2.3. Czynniki badawcze
Komora testowa jest podzielona na dwie czêœci: ³aŸnia
temperaturowa w centralnej czêœci komory oraz platforma ze stacjami badawczymi (rys. 3). Ka¿da stacja wyposa¿ona jest w uniwersalny zestaw odwa¿ników pozwalaj¹cy otrzymaæ wszystkie kombinacje obci¹¿eñ u¿ywanych do testów HDT i VICAT.
2.2. Materia³y
Próbki do badañ wytworzono z polipropylenu o nazwie handlowej Moplen HP456J, produkcji firmy Basell
Polyolefins. Tworzywo to jest izotaktycznym homopolimerem i przeznaczone jest przede wszystkim do wtryskiwania wytworów, które mog¹ mieæ kontakt z ¿ywnoœci¹.
Podstawowe w³aœciwoœci tworzywa stosowanego
w badaniach to:
— gêstoœæ normalna w temperaturze 23 °C, 890 kg/m3;
— gêstoœæ nasypowa w temperaturze 23 oC, 538 kg/m3;
— masowy wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia (230 o C;
2,16kg), 3,4g/10 min;
— objêtoœciowy wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia (230 oC;
2,16kg), 4,6cm3/10 min;
— wspó³czynnik sprê¿ystoœci wzd³u¿nej, 1210 MPa;
— naprê¿enie przy zerwaniu, 12,9 MPa;
— najwiêksze naprê¿enie rozci¹gaj¹ce, 32,8MPa;
— odkszta³cenie wzglêdne przy najwiêkszym rozci¹ganiu, 11%;
— odkszta³cenie wzglêdne przy zerwaniu, 25 %;
— twardoœæ oznaczana metod¹ wciskania kulki, (H
358/30) 74 MPa;
Na potrzeby badañ w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych opracowano zbiór wa¿niejszych czynników charakteryzuj¹cych proces badawczy, w tym wtryskiwania.
W badaniach przyjêto wa¿niejsze nastêpuj¹ce czynniki
badawcze:
Czynniki wynikowe:
— masowy wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia tworzywa
MFR, g/10min.
— temperatura ugiêcia próbki pod obci¹¿eniem HDT, °C;
— temperatura miêknienia próbki wg Vicata, °C;
Czynniki zmienne:
— rodzaj nape³niacza: cyna, cynk, aluminium, ¿elazo,
miedŸ;
— masowy udzia³ procentowy nape³niacza w próbce:
2,5; 5,0; 7,5; 10,0; 12,5 oraz 15%.
Czynniki sta³e:
— elementy geometryczne formy wtryskowej i uk³adu
uplastyczniaj¹cego;
— temperatura w poszczególnych strefach uk³adu
uplastyczniaj¹cego wtryskarki 190°C, 210°C, 220°C,
230°C;
— temperatura formy wtryskowej tf = 40°C;
— ciœnienie wtryskiwania, mierzone w uk³adzie hydraulicznym wtryskiwania 8,5 MPa;
— czas poszczególnych, mo¿liwych do regulacji, faz
cyklu wtryskiwania tj. czas wtrysku tworzywa Tw = 2s;
czas uplastyczniania Tu = 4 s; czas och³adzania tworzywa Tc = 20 s;
— odstêp czasu odcinania wyt³oczonych odcinków t =
30s;
Tabela 1. Podstawowe w³aœciwoœci fizyczne i chemiczne proszków metali
W³aœciwoœci fizyczne
i chemiczne
Sk³ad chemiczny, %
Rodzaj nape³niacza
Cyna
Cynk
Aluminium
¯elazo
MiedŸ
Sn 99,85
Zn 99,94
Al 99,7
Fe 99
Cu 99,7
O2 0,15
Pb 0,005
Fe 0,2
C 0,01
O2 0,3
Cd 0,05
Si 0,12
Mn 0,3
6900
2700
7860
Gêstoœæ normalna, kg/m3
3600
Gêstoœæ nasypowa, kg/m
8960
1180
3600
1200
2800
1600
Rozmiar ziarna, µm
45
30-40
45-100
150
45-106
Temperatura topnienia, oC
232
409
660
1535
1080
3
101
— obci¹¿enie nominalne w badaniach MFR mnom = 2,16kg;
— temperatura badania MFR, T = 230°C;
— elementy geometryczne plastometru obci¹¿nikowego;
— elementy wyposa¿enia dodatkowego plastometru;
— obci¹¿enie w metodzie Vicat 50 N,
— szybkoœæ nagrzewania 120 K/h
Czynniki zak³ócaj¹ce:
— napiêcie pr¹du elektrycznego: 219 – 241 V,
— wilgotnoœæ wzglêdna powietrza: 55 – 65 %,
— temperatura otoczenia: 20 – 24 °C.
Na podstawie przebiegu procesu wtryskiwania przyjêto,
¿e wp³yw czynników zak³ócaj¹cych by³ ma³y i nie wp³ynê³y one na wykonanie próbek do badañ.
2.4. Metodyka badañ
Przed uruchomieniem wtryskarki sporz¹dzano mieszaninê polipropylenu z nape³niaczem w odpowiedniej
proporcji zgodnie z przyjêtym programem badañ. Do
500 g polipropylenu dosypywano odpowiedni udzia³
masowy nape³niacza proszkowego z dodatkiem promotora adhezji. Materia³y mieszano ze sob¹ i mieszaninê tê
wprowadzano do zasobnika wtryskarki. Nastêpnie, wykonywano 10 cykli procesu wtryskiwania, z których wypraski odrzucano. Kolejne wypraski stanowi³y próbki do
badañ. Proces wtryskiwania kontynuowano a¿ do ca³kowitego opró¿nienia uk³adu uplastyczniaj¹cego wtryskarki. Gdy uk³ad uplastyczniaj¹cy wtryskarki by³ opró¿niony wprowadzano do zasobnika wtryskarki nastêpn¹ porcjê przygotowanej mieszaniny – z innym udzia³em masowym nape³niacza. Po wykonaniu wszystkich próbek
z jednym nape³niaczem, sporz¹dzano mieszaniny polipropylenu z nastêpnym nape³niaczem i czynnoœci powtarzano.
Okreœlenie przetwarzalnoœci tworzyw termoplastycznych za pomoc¹ masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia przeprowadzono zgodnie z norm¹ PN-EN ISO
1133-1:2011. Badanie temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem sporz¹dzono wed³ug zaleceñ z normy PN-EN ISO
75-1:2013-06, a temperaturê miêknienia wg PN-EN ISO
306:2014-02.
Rysunek 4. Zale¿noœæ masowego wskaŸnika p³yniêcia hybrydowych
wyprasek wtryskowych od badanej zawartoœci masowej j ró¿nych rodzajów nape³niacza: 1 – ¿elazo, 2 – miedŸ, 3 – cyna, 4 – cynk, 5 – aluminium
Na podstawie otrzymanych pomiarów podczas badañ sporz¹dzono stosowne wykresy zale¿noœci masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia, temperatury ugiêcia
pod obci¹¿eniem oraz temperatury miêknienia wg Vicata
od zawartoœci j oraz rodzaju nape³niacza metalicznego
w otrzymanych hybrydowych wypraskach wtryskowych.
wiono na rysunku 4 w postaci odpowiedniej zale¿noœci
graficznej.
Dodanie do polipropylenu proszkowych nape³niaczy
metalicznych w iloœci 2,5%, niezale¿nie od jego rodzaju,
powoduje gwa³towny spadek masowego wskaŸnika
szybkoœci p³yniêcia hybrydowych wyprasek wtryskowych. Najwiêkszy dla aluminium, natomiast najmniejszy
dla cynku. Dodatek proszku aluminium w iloœci 2,5% powoduje spadek MFR o ponad 36%, co odpowiada spadkowi o wartoœæ 1,24g/10min, a nastêpnie wystêpuje
wzrost o oko³o 3%. Dodatek takiej samej iloœci proszku
cyny skutkuje spadkiem wskaŸnika przetwarzalnoœci
o 28%. Dodawanie wiêkszej iloœci badanych nape³niaczy
powoduje nieco mniejszy spadek badanej cechy, a nastêpnie ustabilizowanie na okreœlonym poziomie – ni¿szym
ni¿ dla czystego polipropylenu. Najwiêksz¹ wartoœæ masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia mo¿emy odnotowaæ w przypadku cynku i wynosi on 2,7g/10min. WskaŸnik szybkoœci p³yniêcia jest wielkoœci¹ ³¹cz¹c¹ w sobie
ogólna charakterystykê w³aœciwoœci chemicznych i fizycznych danego tworzywa [17, 18]. Ma³a wartoœæ
wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia œwiadczy o ma³ej lepkoœci
tworzywa w okreœlonych warunkach, co z kolei mo¿e byæ
spowodowane mocno rozga³êzion¹ budow¹ makrocz¹steczek [19]. W miarê zwiêkszania udzia³u procentowego
nape³niacza metalicznego wzrasta lepkoœæ badanego
tworzywa w stanie uplastycznionym, co mo¿na zaobserwowaæ na wykresach zale¿noœci wskaŸnika szybkoœci
p³yniêcia od zawartoœci nape³niacza. Wprowadzenie do
tworzywa bazowego nape³niacza o znacznie wiêkszej
gêstoœci powoduje tak¿e wzrost gêstoœci nape³nionego
nim tworzywa.
3.1. Pomiary masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia
(MFR)
3.2. Badania temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem
(HDT)
Wyniki badañ masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia hybrydowych wyprasek wtryskowych z ró¿n¹
iloœci¹ proszkowego nape³niacza metalicznego przedsta-
Na potrzeby badañ okreœlenia wp³ywu zawartoœci
masowej nape³niacza metalicznego na temperaturê ugiêcia pod obci¹¿eniem otrzymanych wyprasek hybrydo-
3. Wyniki badañ i ich omówienie
102
Rysunek 5. Zale¿noœæ temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem hybrydowych wyprasek wtryskowych od badanej zawartoœci masowej j ró¿nych rodzajów nape³niacza: 1 – ¿elazo, 2 – miedŸ, 3 – cyna, 4 – cynk, 5 –
aluminium
Rysunek 6. Zale¿noœæ temperatury miêknienia wg Vicata hybrydowych
wyprasek wtryskowych od badanej zawartoœci masowej j ró¿nych rodzajów nape³niacza: 1 – ¿elazo, 2 – miedŸ, 3 – cyna, 4 – cynk, 5 – aluminium
wych wykonano pomiary HDT. Wyniki badañ zosta³y
przedstawione na rysunku 5 w postaci zale¿noœci temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem wyra¿onej w stopniach C
od ró¿nej zawartoœci masowej proszkowych nape³niaczy
metalicznych.
¯elazo, cynk, miedŸ, cyna i aluminium dodane do polipropylenu skutkuj¹ wzrostem temperatury ugiêcia pod
obci¹¿eniem (rys. 5) w ca³ym badanym zakresie udzia³u
procentowego nape³niacza. Dodanie 2,5% proszkowych
nape³niaczy powoduje wzrost temperatury HDT o 2,6%
w przypadku miedzi, natomiast dodatek takiej samej iloœci
proszku cyny skutkuje wzrostem badanej w³aœciwoœci
o 7,5%. Najwiêksza wartoœæ temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem mo¿emy odnotowaæ w przypadku cyny wynosi
ona 54,6°C przy 15% udziale nape³niacza metalicznego, co
odpowiada wzrostowi temperatury o 6,6°C porównuj¹c
otrzymany pomiar do czystego tworzywa polimerowego.
Wprowadzenie nape³niacza powoduje zmniejszeniem
mo¿liwoœci ruchu makrocz¹steczek prawdopodobnie
wp³ywa to na zwiêkszenie sztywnoœci wykonanych z nape³nionego tworzywa wyprasek, a tym samym na zwiêkszenie temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem.
cyny, w tym przypadku nastêpuje wzrost badanego parametru o oko³o 16%. Zaobserwowany wzrost mo¿emy t³umaczyæ zwiêkszeniem orientacji tworzywa oraz zwiêkszeniem jego stopnia krystalicznoœci.
3.3. Badania temperatury miêknienia Vicata (VST)
Otrzymane wyniki badañ temperatury miêknienia
wg Vicata hybrydowych wyprasek wtryskowych zosta³y
zaprezentowane na rysunku 6 w postaci zale¿noœci temperatury miêknienia od zawartoœci masowej badanych
rodzajów nape³niacza.
Dodanie nape³niaczy metalicznych w postaci proszku
do polipropylenu powoduje wzrost temperatury miêknienia w ca³ym badanym zakresie udzia³u procentowego
nape³niaczy. Najwiêkszy dla cyny, natomiast najmniejszy
dla miedzi. Dodatek proszku cyny i cynku w iloœci 2,5%
powoduje wzrost temperatury miêknienia o prawie 9%,
co odpowiada wzrostowi temperatury o 9°C. Najwiêksz¹
temperaturê miêknienia otrzymanych wyprasek obserwuje siê przy 15% udziale nape³niacza proszkowego dla
4. Wnioski
W pracy zaprezentowano wyniki badañ masowego
wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia, temperatury ugiêcia pod
obci¹¿eniem oraz temperatury miêknienia jako szczególnych w³aœciwoœci przetwórczych i cieplnych tworzyw
termoplastycznych, dla kompozytów termoplastycznych
na bazie polipropylenu z nape³niaczem w postaci metalicznych proszków w ró¿nych iloœciowo proporcjach.
W przypadku badañ MFR stwierdzono zdecydowanie
pogorszenie w³aœciwoœci przetwórczych sporz¹dzonych
kompozycji polimerowych, w ca³ym badanym zakresie
zawartoœci masowej nape³niacza, odnotowuj¹c gwa³towny spadek wskaŸnika przetwarzalnoœci ju¿ przy niewielkim udziale proszku metalu w tworzywie polimerowym.
Na podstawie zaprezentowanych wy¿ej wyników badañ mo¿na tak¿e stwierdziæ jednoznacznie, ¿e dodanie
do polipropylenu proszkowych nape³niaczy metalicznych o ró¿nej zawartoœci procentowej wp³ywa na wzrost
zarówno temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem, jak i temperatury miêknienia wg Vicata, co zwiêksza zakres temperatury u¿ytkowania wytworów z takimi dodatkami.
Literatura
1.
2.
3.
Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1993
Garbacz T., Sikora J.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych:
æwiczenia laboratoryjne. Czêœæ 1. Politechnika Lubelska, Lublin 2012
Sikora J., ¯elazek K., Gajdoš I.: W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ
kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza.
Czêœæ I. Charakterystyka badañ. Przetwórstwo tworzyw 2014,
4, 276-283
Boci¹ga E.: Specjalne metody wtryskiwania tworzyw polimerowych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 2008
5. Samuj³o B., Kowalska B.: Sterowanie procesem wtryskiwania.
Tworzywa sztuczne w przemyœle 2014, 1, s. 18-20
6. Rosato D. V., Rosato D. V., Rosato M. G.: Injection Molding
Handbook. Kluwer Academic Publisher, Norwell 2000
7. Jachowicz T., Godlewska A. Skurcz przetwórczy wyprasek
wtryskowych nape³nionych w³óknem szklanym. Tworzywa
sztuczne w przemyœle 2012, 6, 40-44
8. ¯enkiewicz M.: Tworzywa wielocz¹steczkowe. Polimeryzacja –
w³aœciwoœci – badania. Wydawnictwo Akademii Bydgoskiej,
Bydgoszcz 2002
9. Szlezyngier W.: Tworzywa sztuczne. Chemia. Technologia wytwarzania. W³aœciwoœci. Przetwórstwo. Zastosowanie. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996
10. Rabek J. F.: Polimery. Otrzymywanie, metody badawcze zastosowanie. Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa 2013
11. Sikora J., ¯elazek K., Gajdoš I.: W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ
kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza.
Czêœæ II. Wyniki badañ. Przetwórstwo tworzyw 2014, 5,
368-374
12. Jachowicz T., Gajdoš I., Krasinskyi V.: Research on the content
and filler type on injection shrinkage. Advances in Science and
Technology Research Journal 2014, 23, 8, 6-13.
4.
103
13. PN-EN ISO 1133-1:2011. Tworzywa sztuczne – Oznaczanie
masowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia (MFR) i objêtoœciowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia (MVR) tworzyw
termoplastycznych
14. PN-EN ISO 75-1:2013-06 Tworzywa sztuczne – Oznaczanie
temperatury ugiêcia pod obci¹¿eniem – Czêœæ 1: Ogólna
metoda badania
15. PN-EN ISO 306:2014-02 Tworzywa sztuczne – Tworzywa
termoplastyczne – Oznaczanie temperatury miêknienia metod¹ Vicata (VST)
16. Chrusciel J., Leœniak E., Fejdys M.: Carbofunctional silanes and
polysiloxanes. Part I. Applications of carbofunctional silanes.
Polimery 2008, 53, 10, 709–716.
17. Liang J. Z.: The elastic behaviour during capillary extrusion of
LDPE/LLDPE blend melts. Polymer Testing 2002, 21, 69–74
18. Wong A. C.-Y., Liang J. Z.: Relationship between die swell ratio
and melt flow index. Chemical Engineering Science 1997, 52,
18, 3219–3221
19. Floriañczyk Z., Penczek S. (pod red.): Chemia polimerów. T. 2.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa
2002.
104
El¿bieta GURDZIÑSKA, Grzegorz MAKOMASKI, Janusz ZIELIÑSKI, Barbara LISZYÑSKA, Tatiana BRZOZOWSKA
El¿bieta GURDZIÑSKA*,
GURDZIÑSKA, Grzegorz
GrzegorzMAKOMASKI,
MAKOMASKI,Janusz
JanuszZIELIÑSKI,
ZIELIÑSKI,Barbara LISZYÑSKA, Tatiana
BRZOZOWSKA
Barbara
LISZYÑSKA, Tatiana BRZOZOWSKA
Politechnika Warszawska, Instytut Chemii
ul. £ukasiewicza 17, 09-400 P³ock
* e-mail: [email protected]
Badanie wp³ywu czasu sezonowania folii polipropylenowej na jej w³aœciwoœci
Streszczenie – Przedstawiono wyniki badañ dotycz¹ce wp³ywu czasu sezonowania na wybrane w³aœciwoœci folii
polipropylenowej orientowanej dwuosiowo. Próbki folii pobrane z dwóch ró¿nych partii produkcyjnych, odznacza³y
siê tym samym sk³adem recepturowym i gruboœci¹. Próbki by³y przechowywane w warunkach magazynowych.
W³aœciwoœci optyczne i mechaniczne folii oznaczono bezpoœrednio po jej wyprodukowaniu oraz po 3, 14, 28 i 56
dobach sezonowania.
S³owa kluczowe: polipropylen, folia polipropylenowa, dodatki modyfikuj¹ce, starzenie
STUDY OF THE EFFECT OF SEASONING TIME ON THE POLYPROPYLENE FILM PROPERTIES
Summary – The results of studies of the effect of seasoning time on the select properties of biaxal oriented polypropylene film were presented. The films samples, characterized by the same prescription compositions and thickness
were taken from two different production batch. The samples were stored in a warehouse conditions. Optical and
mechanical properties of films were determined directly after their production and after 3, 14, 28 and 56 seasoning
days. The effect of seasoning time of films in a warehouse conditions on their properties was evaluated.
Keywords: polypropylene, polypropylene film, modifying additives, ageing
WPROWADZENIE
Folie poliolefinowe, w tym z polipropylenu, s¹ niezast¹pionym materia³em w wielu dziedzinach ¿ycia codziennego. Pomimo wielu zalet wyroby z polipropylenu
s¹ nara¿one na dzia³anie œrodowiska, w którym s¹ wykorzystywane [1].
Wed³ug ogólnie przyjêtej opinii, polimery termoplastyczne s¹ odporne na wiêkszoœæ czynników œrodowiska,
w którym siê znajduj¹ [2,3]. Jednak w czasie ich przechowywania, przetwórstwa i u¿ytkowania zachodz¹ niekorzystne reakcje chemiczne, które nazywane s¹ procesami
starzenia [2]. Czynniki zewnêtrzne: ciep³o, œwiat³o, wilgoæ, chemikalia, mikroorganizmy, powoduj¹ w polimerach nieodwracalne zmiany strukturalne, które prowadz¹ do zmniejszenia ciê¿aru cz¹steczkowego, zmiany
sk³adu chemicznego oraz innych zmian zachodz¹cych
w wyniku reakcji chemicznych takich jak: sieciowanie
i utlenianie. Starzenie polimerów mo¿e byæ spowodowane wieloma czynnikami i w zale¿noœci od ich rodzaju
mo¿na wyró¿niæ nastêpuj¹ce reakcje rozpadu polimerów: degradacja termiczna [4,5], termooksydacyjna [6,7],
fotodegradacja [4,7,8], degradacja radiacyjna, mechaniczna, ultradŸwiêkowa [5], atmosferyczna [4,6] i biodegradacja [9,10].
W celu poprawy odpornoœci na dzia³anie niekorzystnych czynników fizycznych i chemicznych polimery modyfikuje siê poprzez dodatek ró¿nego rodzaju stabilizatorów. Do najwa¿niejszych grup stabilizatorów mo¿na zaliczyæ: stabilizatory termiczne, cieplne, absorbery UV, antyutleniacze, stabilizatory biologiczne [11÷14].
Wysokie wymagania producentów ¿ywnoœci i producentów konsumenckich powoduj¹, ¿e rosn¹ te¿ wymagania odnoœnie w³aœciwoœci fizykomechanicznych folii polipropylenowych. Zmusza to wytwórców do modyfikacji,
maj¹cych na celu nie tylko poprawê w³aœciwoœci folii oznaczonych po ich otrzymaniu, ale równie¿ braku ich
zmiennoœci z up³ywem czasu.
Celem pracy by³o okreœlenie wp³ywu czasu sezonowania folii polipropylenowych dwuosiowo orientowanych na w³aœciwoœci optyczne i mechaniczne.
CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA
Materia³y
Surowcami stosowanymi w pracy by³y próbki folii
polipropylenowej orientowanej dwuosiowo do ogólnego
zastosowania. Próbki folii pochodzi³y z dwóch partii produkcyjnych, odznacza³y siê t¹ sam¹ gruboœci¹ i tym samym sk³adem recepturowym. Próbki oznaczono symbolami: AI i AII. Cyfry rzymskie wskazuj¹ numer partii produkcyjnej. Próbki folii polipropylenowej sezonowane
by³y w temperaturze 23°C oraz wilgotnoœci na poziomie
50%.
Metodyka badañ
W próbkach folii polipropylenowych oznaczono:
— zwil¿alnoœæ powierzchni folii wg normy ISO 8296,
— po³ysk powierzchni folii wg normy ASTM D2457,
— stopieñ zmêtnienia folii wg normy ASTM D1003,
— wspó³czynnik tarcia folii wg normy ISO 8295,
— w³aœciwoœci mechaniczne folii przy statycznym rozci¹ganiu, wg normy ISO 527-1,2,3.
WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE
Wybrane wyniki badañ w³aœciwoœci optycznych, tj.
po³ysk i zmêtnienie powierzchni folii przedstawiono
105
Poziom aktywacji folii, mN/mm
44
12% po dwóch miesi¹cach sezonowania. W przypadku
obu próbek poziom aktywacji po up³ywie dwóch miesiêcy od produkcji wynosi³ 38 mN/mm. Wartoœci poziomu
aktywacji folii AI i AII, pobranych z ró¿nych partii produkcyjnych, zmniejsza³y siê w czasie bardzo podobnie.
W oparciu o wyniki badañ po³ysku powierzchni folii
polipropylenowej stwierdzono, ¿e po³ysk badanych próbek folii mierzony w czasie ich sezonowania zmniejszy³
siê od wartoœci 92% (bezpoœrednio po wyprodukowaniu
folii) do 88% dla próbki AI i 86% dla próbki AII po dwóch
miesi¹cach ich sezonowania. Pomimo, i¿ próbki folii AI
i AII odznacza³y siê tym samym sk³adem recepturowym
i gruboœci¹, ró¿nica pomiêdzy wartoœci¹ po³ysku powierzchni próbki folii AI oznaczon¹ bezpoœrednio po jej
wyprodukowaniu, a oznaczona po dwóch miesi¹cach sezonowania wynosi³a 4%, zaœ dla folii AII pobranej z drugiej partii produkcyjnej 6%.
Wykazano, ¿e ze wzrostem czasu sezonowania ros³o
zmêtnienie powierzchni folii szczególnie dla próbek folii
AII pobranych z drugiej partii produkcyjnej. Zmêtnienie
powierzchni folii próbki AI oznaczone bezpoœrednio po
jej wyprodukowaniu wynosi³o 1,60%, zaœ po dwóch miesi¹cach sezonowania 2,54%. Próbka folii AII bezpoœrednio po produkcji wykazywa³a zmêtnienie powierzchni
folii 1,78%, a po dwóch miesi¹cach 2,94%. Ró¿nice dla
próbki folii AI i AII pomiêdzy wartoœciami zmêtnienia
powierzchni okreœlonymi po dwóch miesi¹cach sezonowania i bezpoœrednio po ich wyprodukowaniu wynosi³y
odpowiednio 0,94% i 1,16%. Z przedstawionych danych
wynika, ¿e nieznacznie gorsz¹ jakoœci¹ odznacza³a siê
powierzchnia folii AII.
Wyniki wp³ywu czasu sezonowania na wartoœci
wspó³czynników tarcia folii AI i AII przedstawiono w tabeli 2.
Pomiary wspó³czynników tarcia statystycznego i kinetycznego próbek folii AI i AII pochodz¹cych z dwóch
ró¿nych partii produkcyjnych wykaza³y, ¿e ze wzrostem
czasu sezonowania próbek folii nast¹pi³o obni¿enie wartoœci tego parametru niezale¿nie od uk³adu stron folii.
Du¿y spadek wspó³czynnika tarcia statycznego i kinetycznego odnotowano ju¿ po trzech dobach sezonowania
folii polipropylenowej (tabela 2).
43
AI
AII
42
41
40
39
38
37
36
35
0
3
14
28
56
Czas sezonowania, doba
Rys. 1. Poziom aktywacji powierzchni folii w funkcji czasu sezonowania (partia produkcyjna I i II)
Fig. 1. The level of film surface as a function of seasoning (production
batches I and II)
Tab. 1. W³aœciwoœci optyczne sezonowanej folii polipropylenowej
Tab. 1. Optical properties of seasoned polypropylene films
Czas sezonowania,
doba
Po³ysk powierzchni
folii, %
Zmêtnienie folii, %
AI
AII
AI
AII
0
92
92
1,60
1,78
3
90
90
1,98
2,14
14
90
89
2,00
2,20
28
88
88
2,30
2,48
56
88
86
2,54
2,94
w tabeli 1, a zwil¿alnoœæ powierzchni (poziom aktywacji)
folii polipropylenowej na rys. 1.
Wyniki oznaczeñ zwil¿alnoœci folii polipropylenowej
wskaza³y, i¿ poziom aktywacji zarówno dla folii AI jak
i AII od momentu wyprodukowania, zmniejszy³ siê o ok.
Tab. 2. Wspó³czynnik tarcia sezonowanej folii polipropylenowej
Tab. 2. Coefficient of friction of seasoned polypropylene films
Wspó³czynnik tarcia *
Czas sezonowania,
doba
a/a
statycznego
a/n
kinetycznego
statycznego
n/n
kinetycznego
statycznego
kinetycznego
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
0
0,45
0,27
0,25
0,23
0,34
0,30
0,26
0,21
0,36
0,35
0,22
0,24
3
0,29
0,20
0,18
0,16
0,23
0,23
0,17
0,17
0,25
0,28
0,17
0,21
14
0,28
0,16
0,14
0,15
0,23
0,22
0,13
0,15
0,20
0,31
0,14
0,17
28
0,23
0,15
0,16
0,13
0,20
0,19
0,16
0,16
0,26
0,22
0,16
0,16
56
0,18
0,15
0,15
0,13
0,22
0,20
0,19
0,17
0,22
0,21
0,16
0,17
* skróty: a/a (strona aktywowana do aktywowanej), a/n (strona aktywowana do nieaktywowanej), n/n (strona nieaktywowana do nieaktywowanej)
106
El¿bieta GURDZIÑSKA, Grzegorz MAKOMASKI, Janusz ZIELIÑSKI, Barbara LISZYÑSKA, Tatiana BRZOZOWSKA
Tab. 3. W³aœciwoœci mechaniczne sezonowanej folii polipropylenowej
Tab. 3. Mechanical properties of seasoned polypropylene films
Czas sezonowania,
doba
Modu³ sprê¿ystoœci przy statycznym
rozci¹ganiu, MPa
Wytrzyma³oœæ na zerwanie, MPa
Wyd³u¿enie przy zerwaniu, %
kierunek
wzd³u¿ny
prostopad³y
wzd³u¿ny
prostopad³y
wzd³u¿ny
prostopad³y
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
AI
AII
0
1262
1072
2513
2262
158
149
281
293
214
185
54
60
3
1311
1371
2890
2708
140
141
279
270
177
178
51
49
14
1425
1481
3273
3224
143
138
272
271
175
165
46
46
28
1460
1509
3296
3300
140
137
266
276
167
163
46
43
56
1618
1698
3618
3417
132
132
268
276
157
162
41
43
Najwiêksze wartoœci wspó³czynnika tarcia statycznego i kinetycznego uk³adu stron folii aktywowanej do aktywowanej dla obu próbek, odnotowane bezpoœrednio po
produkcji, wynosi³y odpowiednio dla AI 0,45 i 0,25 dla
AII 0,27 i 0,23. Po trzech dobach sezonowania próbek folii
nast¹pi³ znaczny spadek wspó³czynnika tarcia, przy
czym dla folii AI spadek tego parametru by³ dwukrotnie
wiêkszy ni¿ dla folii AII. Ró¿nice dla folii AI i AII pomiêdzy wartoœciami wspó³czynnika tarcia statycznego i kinetycznego uk³adu stron folii aktywowanej do aktywowanej oznaczone po dwóch miesi¹cach sezonowania i bezpoœrednio po produkcji wynosi³y kolejno dla próbki AI
0,27 i 0,10 dla AII 0,12 i 0,10. Wynika z tego, ¿e spadek
wartoœci wspó³czynnika tarcia statycznego dla folii AI by³
dwukrotnie wiêkszy ni¿ dla folii AII.
Wp³yw czasu sezonowania na zmiany wspó³czynnika
tarcia statycznego i kinetycznego uk³adu stron folii aktywowana do nieaktywowanej i nieaktywowana do nieaktywowanej by³ podobny jak dla uk³adu stron folii aktywowana do aktywowanej. Ró¿nice zanotowane dla folii
AI i AII pomiêdzy wartoœciami wspó³czynnika tarcia statycznego i kinetycznego dla uk³adu stron folii aktywowana do nieaktywowanej i nieaktywowana do nieaktywowanej pomiêdzy wartoœciami oznaczonymi po dwóch
miesi¹cach sezonowania próbek folii i bezpoœrednio po
produkcji by³y nieznacznie mniejsze ni¿ dla uk³adu stron
folii aktywowanej do aktywowanej.
Mechaniczne wartoœci sezonowanej folii polipropylenowej przy statycznym rozci¹ganiu przedstawiono w tabeli 3.
Zaobserwowano du¿e ró¿nice pomiêdzy wartoœciami
wytrzyma³oœci na zerwanie przy statycznym rozci¹ganiu
próbek folii wyciêtych zgodnie z kierunkiem wyt³aczania, a próbkami wyciêtymi prostopadle do niego. Ró¿nice
te mieœci³y siê w zakresie od 123 do 144 MPa i by³y najwiêksze dla próbek folii niesezonowanej. Wiêksze zmiany wartoœci wytrzyma³oœci na zerwanie w kierunku
wzd³u¿nym odnotowano dla folii AI. Wartoœæ tego parametru oznaczona bezpoœrednio po produkcji wynosi³a
158 MPa a po dwóch miesi¹cach sezonowania 132 MPa.
Ró¿nica tych wartoœci wynosi³a 26 MPa. Natomiast dla
próbki folii AII ró¿nica wynosi³a 17 MPa. Zaobserwowano mniejszy wp³yw czasu sezonowania na wytrzyma³oœæ
próbek folii na zerwanie wyciêtych prostopadle do kie-
runku wyt³aczania. Dla próbki folii AI wartoœci wytrzyma³oœci na zerwanie w kierunku prostopad³ym, po
dwóch miesi¹cach sezonowania folii, zmniejszy³y siê
o 13 MPa, a dla próbki folii AII – o 17 MPa.
Uzyskane wyniki badañ wskaza³y, ¿e czas sezonowania próbek folii AI i AII mia³ wp³yw na wyd³u¿enie folii
polipropylenowej przy zerwaniu. Zmiany tego parametru by³y wiêksze dla próbek folii wyciêtej zgodnie z kierunkiem wyt³aczania (wzd³u¿). Ju¿ po trzech dobach sezonowania odnotowany spadek wartoœci wyd³u¿enia
przy zerwaniu w kierunku wzd³u¿nym dla folii AI wynosi³ 37%, dla folii AII 7%, a po dwóch miesi¹cach sezonowania wartoœæ wytrzyma³oœci na zerwanie dla folii AI
zmniejszy³a siê o 57% i dla folii AII o 27%. Mniejsze zmiany wartoœci wyd³u¿enia przy zerwaniu by³y obserwowane dla próbek folii wyciêtych prostopadle do kierunku
wyt³aczania. Po dwóch miesi¹cach sezonowania folii
wartoœæ wytrzyma³oœci na zerwanie dla folii AI zmniejszy³a siê o 13%, dla folii AII o 17%.
Czas sezonowania próbek folii polipropylenowych
mia³ wp³yw na uzyskane wartoœci modu³u sprê¿ystoœci
przy statycznym rozci¹ganiu folii zarówno w kierunku
wzd³u¿nym, jak i prostopad³ym. Odnotowano wyraŸnie
wiêksze wartoœci modu³u sprê¿ystoœci oznaczonego dla
próbek folii wyciêtych w kierunku prostopad³ym w porównaniu z wartoœciami uzyskanymi dla próbek folii wyciêtych wzd³u¿ kierunku ich wyt³aczania. Modu³ sprê¿ystoœci oznaczony dla kierunku wzd³u¿nego bezpoœrednio po wyprodukowaniu folii dla próbki AI oraz dla
próbki AII wynosi³ odpowiednio 1262 MPa i 1072 MPa,
natomiast dla kierunku prostopad³ego by³ wiêkszy i wynosi³ dla folii AI 2513 MPa oraz dla folii AII 2262 MPa. Po
dwóch miesi¹cach sezonowania próbek folii AI i AII odnotowano wzrost wartoœci modu³u sprê¿ystoœci zarówno
w kierunku wzd³u¿nym (ró¿nica dla folii AI wynosi³a
356 MPa, dla folii AII 626 MPa), jak i prostopad³ym (dla
AI 1105 MPa, dla AII 1155 MPa).
PODSUMOWANIE
Folia polipropylenowa dwuosiowo orientowana bêd¹ca przedmiotem badañ jest g³ównie przeznaczona do
produkcji opakowañ, na których wykonywane s¹ nadruki. W zwi¹zku z tym folia powinna odznaczaæ siê dobrym
107
poziomem zwil¿alnoœci powierzchni oraz dobrymi w³aœciwoœciami optycznymi i wytrzyma³oœciowymi.
Przeprowadzone badania wykaza³y, ¿e czas sezonowania folii polipropylenowej (umieszczonej w magazynie nienas³onecznionym, w temperaturze 23°C i wilgotnoœci ok. 50%) wp³ywa niekorzystnie na poziom zwil¿alnoœci powierzchni folii. Konsekwencj¹ tego bêdzie gorsza
jakoœæ zadruku wykonanego na folii.
Zaobserwowano niekorzystn¹ zmianê w³aœciwoœci
optycznych folii polipropylenowej wraz ze wzrostem
up³ywu czasu sezonowania. Spadek wartoœci po³ysku
oraz zmêtnienia powierzchni folii wi¹¿e siê z pogorszeniem walorów estetycznych opakowanego produktu.
Wspó³czynnik tarcia statycznego i kinetycznego folii
zmniejsza³ siê ze wzrostem czasu sezonowania folii niezale¿nie od uk³adu stron. Najwiêkszy spadek wartoœci
tego parametru odnotowano po trzech dobach sezonowania próbek, w póŸniejszym czasie nie zauwa¿ono wiêkszych zmian.
W³aœciwoœci mechaniczne sezonowanej folii polipropylenowej uleg³y niewielkim zmianom. Odnotowano
niewielki spadek wytrzyma³oœci folii na zerwanie oraz
spadek wyd³u¿enia przy zerwaniu. Modu³ sprê¿ystoœci
przy statycznym rozci¹ganiu folii zwiêksza³ siê z up³ywem czasu sezonowania.
W oparciu o uzyskane wyniki stwierdzono potrzebê
kontynuacji badañ nad stabilnoœci¹ w³aœciwoœci optycznych folii polipropylenowej orientowanej dwuosiowo.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Rymarz G.: „Starzenie tworzyw sztucznych” Tworzywa
Sztuczne i Chemia 2005, 8, 34-35.
14.
¯elaziñski J.: „Stabilizator przeciw utleniaj¹cy do tworzyw, czyli
kuracja odm³adzaj¹ca dla tworzyw” Plastics Review 2005, 10,
36-38.
Brzozowska-Stanuch A., Rabiej S., Stanuch W.: „Wp³yw warunków przyœpieszonego starzenia – promieniowania UV oraz
temperatury na poliamidy i polipropylen” Czasopismo Techniczne. Mechanika 2009, 106, 1-M, 43-49.
Rojek M.: „Metodologia badañ diagnostycznych warstwowych
materia³ów kompozytowych o osnowie polimerowej” Open Access Library 2011, 2, 13-32.
Grabowska B.: „Biodegracja tworzyw polimerowych” Archives
of Foundry Engineering 2010, 10, 57-60.
Sobków D., Czaja K.: „Wp³yw warunków przyspieszonego starzenia na proces degradacji poliolefin” Polimery 2003, 48, 9,
627-632.
Rymarz G.: „Starzenie tworzyw sztucznych” Tworzywa
Sztuczne i Chemia 2008, 42, 5, 34-35.
¯elaziñski J.: „Stabilizator œwietlny do tworzyw, czyli krem do
opalania (z filtrem) dla tworzyw” Plastics Review 2005, 11,
58-59
Bieniek D.: „Stabilizatory UV – po co i dlaczego?” Rynek Chemiczny 2007, 2, 19-21.
Kaczmarek H., Bajer K.: „Metody badania biodegracji materia³ów polimerowych” Polimery 2006, 51, 10, 716 -721.
£abu¿ek S., Paj¹k J., Nowak B.: „Biodegradacja tworzyw
sztucznych” Ekologia 2005, 1, 34.
Bortel K.: „Œrodki pomocnicze stosowane w przetwórstwie tworzyw polimerowych. Cz. 2” Przetwórstwo Tworzyw 2008, 6,
148-159.
Bortel K.: „Œrodki pomocnicze w przetwórstwie tworzyw sztucznych” Plastics Review 2006, 11, 36-37.
Bieniek D.: „Stabilizacja UV – Poliolefiny” Rynek Chemiczny
2007, 4, 19.
108
Jacek IWKO, R. STELLER
Jacek IWKO
IWKO,1)R.
, R.STELLER
STELLER2)
Politechnika Wroc³awska, Wydzia³ Mechaniczny, Katedra Odlewnictwa, Tworzyw Sztucznych i Automatyki,
Wybrze¿e Wyspiañskiego 27, 50-370 Wroc³aw, e-mail: [email protected]
2) Politechnika Wroc³awska, Wydzia³ Chemiczny, Zak³ad In¿ynierii i Technologii Polimerów,
Wybrze¿e Wyspiañskiego 27, 50-370 Wroc³aw
1)
Doœwiadczalna weryfikacja komputerowego modelu procesu uplastyczniania
polimerów przy wtryskiwaniu – czêœæ 2. Badania porównawcze
Wstêp
Programy komputerowe s³u¿¹ce do szeroko pojêtego
modelowania staj¹ siê narzêdziami coraz czêœciej i chêtniej wykorzystywanymi nie tylko przez naukowców, lecz
przede wszystkim przez konstruktorów i technologów.
Przyczyniaj¹ siê one przede wszystkim do znacznych
oszczêdnoœci ekonomicznych przedsiêbiorstwa, eliminuj¹c zarówno nak³ady finansowe na budowê prototypów
maszyn czy urz¹dzeñ, jak równie¿ oszczêdzaj¹c czas pracowników. W dzisiejszych czasach komercyjne programy
symulacyjne s¹ jednym z podstawowych narzêdzi projektowych i konstrukcyjnych, umo¿liwiaj¹c zarówno
przewidywanie zachowania siê materia³ów czy konstrukcji w okreœlonych warunkach, jak równie¿ analizê zjawisk
zachodz¹cych podczas przebiegu ró¿nych procesów
przemys³owych. Znajduj¹ one równie¿ szerokie zastosowanie w przetwórstwie tworzyw sztucznych i s¹ pomocne w konstruowaniu maszyn i narzêdzi, jak i w przewidywaniu w³aœciwoœci wyrobów polimerowych.
Pakiety programowe s³u¿¹ce do komputerowego modelowania procesów przetwórstwa mo¿na najogólniej
podzieliæ na 2 grupy [1]:
1. Systemy ogólnie zorientowane,
2. Systemy zorientowane na okreœlon¹ technikê przetwórstwa.
W pierwszej grupie programów, zwanej systemami CFD
(Computational Fluid Dynamics) znajduj¹ siê np. takie pakiety programowe jak: POLYFLOW czy POLYCAD. Zastosowanie systemów ogólnie zorientowanych nie jest
ograniczone do konkretnego procesu lub zagadnienia.
Stanowi¹ one narzêdzia do rozwi¹zywania równañ zachowania masy, pêdu i energii dla ró¿nych materia³ów
i w odniesieniu do ró¿nych warunków przep³ywu. Podstaw¹ tego typu modelowania jest ka¿dorazowe zdefiniowanie analizowanego problemu. Zakres zagadnieñ, które
mo¿na rozwi¹zaæ przy pomocy tych pakietów jest bardzo
szeroki i obejmuje np. zagadnienia, takie jak: analizê
przep³ywów w kana³ach dowolnej geometrii, rozwi¹zywanie zagadnieñ powierzchni swobodnych, analizê przep³ywów wielowarstwowych czy procesów mieszania.
W drugiej grupie pakietów znajduj¹ siê programy, których dzia³anie dotyczy zagadnieñ wyraŸnie sformu³owanych, najczêœciej przep³ywów. W przeciwieñstwie do pakietów z pierwszej grupy, s¹ one ograniczone do okreœlonej
metody przetwórstwa. Modelowanie za pomoc¹ tych systemów ma za ka¿dym razem podobny charakter. Polega
ono na wprowadzeniu do programu danych opisuj¹cych
geometriê uk³adu przep³ywowego (np. geometriê œlimaka
lub g³owicy), regulowane warunki przep³ywu (tzw. parametry robocze) oraz fizykochemiczn¹, ciepln¹ i reologiczn¹ charakterystykê materia³u (tzw. parametry materia³owe), a nastêpnie wykonaniu obliczeñ i prezentacji wyników. W tej grupie programów plasuje siê równie¿ model,
który jest przedmiotem niniejszych rozwa¿añ. Jego bardziej szczegó³ow¹ charakterystykê przedstawiono w poprzedniej czêœci artyku³u, jak równie¿ w literaturze [2-5].
Warto zwróciæ uwagê na fakt, i¿ symulacji pe³nego procesu uplastyczniania polimerów w dowolnym procesie
przetwórczym nie da siê wykonaæ wykorzystuj¹c system
o przeznaczeniu ogólnym, gdy¿ w szczególnoœci nie bêdzie on w stanie modelowaæ transportu tworzywa sta³ego
czy dzia³ania strefy stapiania. Do tego celu musz¹ byæ wykorzystane programy symuluj¹ce okreœlony proces przetwórczy, czyli systemy z drugiej grupy programów omówionych powy¿ej.
Jest oczywiste, i¿ u¿ycie modeli komputerowych do symulacji procesów przemys³owych, w tym równie¿ przetwórczych bêdzie uzasadnione i wskazane wy³¹cznie wtedy, gdy modele te zostan¹ zweryfikowane doœwiadczalnie,
co zapewnia ich adekwatnoœæ. Doœwiadczalna weryfikacja
takich modeli jest zwykle kosztowna czasowo i ekonomicznie, lecz jest niezbêdn¹ czêœci¹ pracy nad modelem
w ujêciu ca³oœciowym. Polega ona ogólnie na stworzeniu
stanowiska badawczego, z³o¿onego z maszyny wraz z narzêdziem umo¿liwiaj¹cych prowadzenie analizowanego
procesu. W uk³adzie tym nale¿y umieœciæ odpowiednie
elementy mierz¹ce wielkoœci b¹dŸ charakterystyki wyznaczane przez badany model. Po uruchomieniu maszyny
i zebraniu odpowiedniej iloœci danych pomiarowych nale¿y porównaæ dane pomiarowe z odpowiednimi wartoœciami generowanymi przez analizowany model. W dalszej
czêœci badañ nad modelem nastêpuje, jeœli jest to wymagane, modyfikacja za³o¿eñ modelu w kierunku poprawy
zgodnoœci jego przewidywañ z dynamik¹ pracy rzeczywistych maszyn lub urz¹dzeñ. Po kolejnym etapie porównania charakterystyk teoretycznych i rzeczywistych badanego uk³adu nastêpuje, jeœli to konieczne, ponowna modyfikacja modelu i proces ten jest powtarzany a¿ do momentu osi¹gniêcia za³o¿onej dok³adnoœci wskazañ modelu.
Model symulacyjny uplastyczniania polimerów
przy wtryskiwaniu
W wyniku badañ nad procesem uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu autorzy stworzyli model kom-
Doœwiadczalna weryfikacja komputerowego modelu procesu uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu – czêœæ 2. Badania porównawcze
puterowy opisany w poprzedniej czêœci artyku³u oraz
w literaturze [2-5], który w sposób kompleksowy opisuje
uplastycznianie przy wtryskiwaniu. Model opisuje strefê
transportu tworzywa sta³ego pocz¹wszy od zasobnika,
nastêpnie strefê stapiania wstêpnego oraz w³aœciwego.
Model ten sta³ siê podstaw¹ do stworzenia programu
komputerowego, który wykorzystano do badañ porównawczych, przedstawionych w niniejszym artykule.
Stworzony model symulacyjny procesu uplastyczniania œlimakowego przy wtryskiwaniu nie zosta³ dotychczas w pe³ni sprawdzony doœwiadczalnie ze wzglêdów
finansowych. Jego weryfikacja dokonana zosta³a w uproszczony sposób poprzez pomiar czasu ruchu obrotowego
cofaj¹cego siê œlimaka w trakcie procesu wtryskiwania
ró¿nych termoplastów. Czas rotacji cofaj¹cego siê œlimaka
jest wielkoœci¹ dynamiczn¹ wynikaj¹c¹ z przebiegu ca³ego procesu i z tego wzglêdu mo¿e stanowiæ istotn¹ chocia¿ wycinkow¹ informacjê o poprawnoœci przewidywañ
modelu. Nie zmienia to jednak faktu, ¿e podstawow¹
wad¹ stworzonego modelu jako ewentualnego narzêdzia
do optymalizacji procesu wtryskiwania œlimakowego na
etapie uplastyczniania by³ brak jego pe³nej weryfikacji.
Wymaga ona porównania generowanych charakterystyk
wyjœciowych procesu, takich jak profile ciœnienia i temperatury na d³ugoœci œlimaka, pobór mocy przez œlimak,
wydajnoœæ uplastyczniania, itp., z odpowiednimi charakterystykami pracy realnej jednostki uplastyczniaj¹cej
wtryskarki. Temu zagadnieniu poœwiêcony jest niniejszy
artyku³.
Stanowisko badawcze i metodyka badañ
W celu dok³adnej weryfikacji stworzonego modelu
komputerowego wykonano stanowisko badawcze do pomiarów parametrów wyjœciowych procesu uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu. Stanowisko to, przedstawione na rys. 1, opisane zosta³o szczegó³owo w pierwszej czêœci artyku³u [6]. Jest ono zbudowane z odpowiednio oprzyrz¹dowanej wtryskarki œlimakowej, po³¹czonej
Rys. 1. Wtryskarka wraz z uk³adem pomiarowo-kontrolnym wykorzystana w badaniach
109
z modu³em zbieraj¹cym i przetwarzaj¹cym dane oraz
z komputerem umo¿liwiaj¹cym zapis i obrazowanie zebranych danych pomiarowych. W tabeli 1 przedstawiono
najwa¿niejsze cechy wtryskarki u¿ytej w badaniach. Podano te¿ wartoœci sta³ych parametrów roboczych.
Tab. 1. Podstawowe dane wtryskarki wykorzystanej do badañ
oraz najwa¿niejsze niezmienne parametry procesu wtryskiwania
Cecha
Wartoœæ
Producent wtryskarki
Battenfeld
Typ wtryskarki
Plus 350/70
Œrednica œlimaka
25 mm
L/D
17
Iloœæ zwojów
22
Si³a zamykania formy
350 kN
Maks. obj. wtrysku
49 cm3
Maks. ciœnienie wtrysku
157,5 MPa
Sta³e parametry procesu
Ciœnienie wtrysku
63 MPa
Ciœnienie docisku
33 MPa
Czas docisku
Temperatura formy
4s
40°C
Do pomiaru najwa¿niejszych charakterystyk uplastyczniania, wtryskarkê wyposa¿ono w nastêpuj¹ce elementy pomiarowe (scharakteryzowane szczegó³owo
w pierwszej czêœci artyku³u):
— cztery czujniki pT (ciœnienia i temperatury),
— sprzêg³o pomiarowe momentu obrotowego,
— czujnik indukcyjny mierz¹cy rzeczywist¹ szybkoœæ
obrotow¹ œlimaka,
— czujnik przesuniêcia liniowego œlimaka.
Badania doœwiadczalne uplastyczniania przy wtryskiwaniu przeprowadzono z u¿yciem piêciu ró¿nych polimerów scharakteryzowanych w tabeli 2, odznaczaj¹cych siê
³atwoœci¹ przetwórstwa wtryskowego. By³o to istotne
z punktu widzenia znacznej liczby i du¿ej rozpiêtoœci parametrów procesu wtryskiwania zmienianych podczas
badañ, które przedstawiono w tabeli 3. Zmiennymi parametrami by³y:
1. Ciœnienie uplastyczniania (wartoœci od 4 – 24 MPa),
2. Prêdkoœæ obrotowa œlimaka (zmienna w zakresie
30-70% prêdkoœci maksymalnej œlimaka),
3. Czas postoju œlimaka w po³o¿eniu tylnym (liczony od
momentu zakoñczenia fazy rotacji do rozpoczêcia
fazy wtrysku, zmienny w przedziale 8-50 s),
4. Temperatura cylindra (sta³a dla obu wystêpuj¹cych
we wtryskarce stref grzejnych, ustawiana na piêciu
poziomach tak, aby œrodkowa wartoœæ by³a wartoœci¹
„typow¹”; najczêœciej by³a to wartoœæ, przy której mierzono katalogow¹ wartoœæ wskaŸnika MFR, pozosta³e
wartoœci temperatury zmieniano kolejno o 15-20°C).
W tabeli 3 przedstawiono zmienne parametry procesu
wtryskiwania dla polipropylenu. Dla pozosta³ych czterech polimerów by³y one bardzo podobne za wyj¹tkiem
110
Rys. 2. Rozmieszczenie otworów w cylindrze wtryskarki pod czujniki pT (A) oraz pogl¹dowy widok rozmieszczenia czterech czujników pT w cylindrze (B)
temperatur cylindra, które by³y dobierane odpowiednio
dla ka¿dego materia³u i ró¿ni³y siê od tych przedstawionych dla PP.
Tab. 2. Polimery wykorzystane do badañ
Polimer
Typ
Producent
MFR [g/10 min]
LDPE
Malen E FABS
23D022
Basell Orlen
Polyolefins
Sp. z o.o.
2,0 (190/2,16)
HDPE
Hostalen
GC 7260
Basell Orlen
Polyolefins
Sp. z o.o.
8,0 (190/2,16)
PP
Moplen HP548R
Basell Orlen
Polyolefins
Sp. z o.o.
23 (230/2,16)
PS
Krasten 154
SYNTHOS
Kralupy a.s.
10 (200/5)
POM
Schulaform 9A
A Schulman
GmbH
10 (190/2,16)
Tab. 3. Parametry procesu wtryskiwania zmieniane podczas
badañ
Parametr / wartoœci
parametr
wartoœæ
parametr
wartoœæ
7
154
240
286
8
12
20
30
Typ
Wartoœæ
Moplen HP548R
Basell Orlen Polyolefins Sp. z o.o.
MFI (230/2.16)
23 g/10min
Modu³ Younga (ISO 527-2)
1 650 MPa
333
Udarnoœæ z karbem
(ISO 179/1eA)
2.5 kJ/m2
Twardoœæ (ISO 2039-1)
78.0 MPa
Czas postoju œlimaka [s]
parametr
wartoœæ
200
Cecha
24
16
Prêdkoœæ obrotowa œlimaka [obr/min]
parametr
wartoœæ
10
Tab. 4. Podstawowe dane polipropylenu wykorzystanego do
badañ
Producent
Ciœnienie uplastyczniania [MPa]
4
Cylinder wtryskarki posiada nawierconych 16 otworów pod czujniki, których po³o¿enie schematycznie
przedstawiono na rys. 2a. W cylindrze umieszczono cztery czujniki pT o numeracji odpowiednio od 1 do 4 w po³o¿eniach 4, 8, 12 i 16 z rys. 2a. Pogl¹dowy obraz rozmieszczenia czujników pokazano na rys. 2b.
Poni¿ej przedstawione zostan¹ wyniki porównania
ró¿nych charakterystyk uplastyczniania przy wtryskiwaniu dla polipropylenu, którego podstawowe dane przedstawiono w tabeli 4. Wyniki pomiarów charakterystyk
dla pozosta³ych polimerów wymienionych w tab. 2, dla
których równie¿ przeprowadzono podobne badania, s¹
jakoœciowo podobne, a œrednie ró¿nice w ich wartoœciach
s¹ zbli¿one do ró¿nic, które obserwowano dla polipropylenu. St¹d te¿ wobec du¿ej iloœci danych pomiarowych
zdecydowano siê na przedstawienie wyników wy³¹cznie
dla PP.
50
Temp. ugiêcia (ISO 75-2/B)
95°C
Temperatura cylindra [°C]
200
215
230
245
260
Badania procesu uplastyczniania przy wtryskiwaniu
dla danego polimeru prowadzono, zmieniaj¹c we wskazanym zakresie jeden z parametrów podanych w tab. 3.
i utrzymuj¹c pozosta³e parametry procesu na sta³ym poziomie, równym œrodkowej wartoœci spoœród wymienionych.
Porównanie wyników modelu
z charakterystykami doœwiadczalnymi
Na rysunkach 3-10 przedstawiono porównanie modelowych charakterystyk procesu uplastyczniania PP z charakterystykami pracy rzeczywistej wtryskarki. Z uwagi
na cykliczny (a wiêc nieustalony/kwazi-ustalony) przebieg procesu wtryskiwania wyniki odnosz¹ siê do mo-
mentu cyklu wtryskowego, który wystêpuje tu¿ przed zakoñczeniem obrotów œlimaka, czyli do chwili zakoñczenia stapiania dynamicznego. Ten moment odpowiadaj¹cy
maksymalnemu wype³nieniu kana³u œlimaka tworzywem sta³ym jest krytyczny z punktu widzenia wartoœci
podstawowych charakterystyk procesu uplastyczniania
przy wtryskiwaniu i ma decyduj¹ce znaczenie dla takich
procesów, jak: kszta³towanie siê profili ciœnienia i temperatury na d³ugoœci œlimaka, pobór mocy przez œlimak,
wielkoœæ momentu obrotowego œlimaka czy wydajnoœæ
uplastyczniania.
1. Zmienne ciœnienie uplastyczniania
W pierwszej czêœci badañ zmieniano ciœnienie uplastyczniania w uk³adzie uplastyczniaj¹cym wtryskarki. Pozosta³e parametry procesu utrzymywano na sta³ym poziomie, tj. prêdkoœæ obrotowa œlimaka v = 240 obr/min,
czas postoju œlimaka w po³o¿eniu tylnym tp = 20s oraz
temperatura cylindra Tb = 230°C.
Na rysunku 3 przedstawiono porównanie profili ciœnienia i temperatury na d³ugoœci œlimaka dla ciœnienia
uplastyczniania równego odpowiednio 4.5, 10 oraz 16
MPa.
Porównanie modelowych i pomiarowych profili ciœnienia wskazuje na ró¿nice rzêdu 20% w maksimum wartoœci ciœnienia. Model wyznacza zbyt niskie wartoœci ciœnienia w tym obszarze. Z kolei ekstrapolacja krzywej doœwiadczalnej ciœnienia w kierunku mniejszych numerów
zwojów wskazuje, i¿ w pocz¹tkowej czêœci œlimaka model nieco zawy¿a wartoœci ciœnienia. Porównanie charakterystyk profili ciœnienia dla innych polimerów daje zró¿nicowane wyniki – dla LDPE model przeszacowuje war-
111
toœci ciœnienia na praktycznie ca³ej d³ugoœci œlimaka przy
ró¿nicach ciœnieñ rzeczywistym i prognozowanym
w miejscu jego maksimum rzêdu 20%, natomiast dla
HDPE i POM oba profile ciœnienia wykazuj¹ dobr¹ zgodnoœæ (ró¿nice ok. 2%) niezale¿nie od ustawionego ciœnienia uplastyczniania.
Generalnie, widoczna jest zale¿noœæ ró¿nic w przebiegu profili ciœnienia od lepkoœci, a tym samym od wskaŸnika MFR. Dla LDPE Malen E FABS 23D022 – polimeru
charakteryzuj¹cego siê wiêksz¹ lepkoœci¹ w stanie p³ynnym, a tym samym mniejszym wskaŸnikiem MFR (p. tab.
2), model przeszacowuje wartoœæ ciœnienia. Z kolei dla PP
typu Moplen HP548R, który ma du¿¹ wartoœæ MFR,
a wiêc niewielk¹ lepkoœæ, model niedoszacowuje wartoœæ
ciœnienia. Dla polimerów HDPE i POM, dla których MFR
jest rzêdu 10, model wyznacza poprawne wartoœci ciœnieñ na ca³ej d³ugoœci œlimaka. Problem ten bêdzie jeszcze
przedmiotem dalszych analiz w celu poprawy zgodnoœci
przewidywanego przez model profilu ciœnienia z wartoœciami doœwiadczalnymi.
Porównanie profili temperatury wskazuje na dobr¹
zgodnoœæ wartoœci przewidywanych przez model z rzeczywistym zachowaniem uk³adu uplastyczniaj¹cego
wtryskarki przy ró¿nicach rzêdu 2-3°C, praktycznie niezale¿nie od wartoœci ciœnienia uplastyczniania. Porównanie profili temperatury dla innych polimerów daje, podobnie jak w przypadku ciœnienia, ró¿ne rezultaty. Dla
polimerów HDPE i POM ró¿nice w profilach temperatury s¹ rzêdu 8-10°C, natomiast dla LDPE ró¿nice te s¹
wiêksze i siêgaj¹ 15-18°C. Model w ka¿dym przypadku
przeszacowuje wartoœci temperatur. W rzeczywistoœci
nie obserwuje siê du¿ych wzrostów temperatur polimeru
w cylindrze wtryskarki. Niezale¿nie od rodzaju polimeru
Rys. 3. Porównanie profili ciœnienia (na górze) i temperatury (na dole) w procesie wtryskiwania polipropylenu przy ró¿nych ciœnieniach uplastyczniania
112
Rys. 4. Porównanie ró¿nych charakterystyk uplastyczniania podczas wtryskiwania polipropylenu przy ró¿nych ciœnieniach uplastyczniania
oraz parametrów procesu, wzrost ten wynosi zawsze
ok. 2-6 °C.
Widaæ, i¿ ró¿nice w profilach temperatury, podobnie
jak ró¿nice profili ciœnienia, maj¹ odniesienie do lepkoœci
i ró¿nice te s¹ tym wiêksze, im wiêksza jest lepkoœæ stopionego polimeru. Problem ten bêdzie jeszcze przedmiotem dalszych badañ w celu poprawy zgodnoœci wskazañ
temperatur tworzywa przez model z wartoœciami temperatur zmierzonymi na wtryskarce.
Na rys. 4 przedstawiono porównanie innych modelowych charakterystyk procesu uplastyczniania PP przy
wtryskiwaniu z wartoœciami zmierzonymi doœwiadczalnie
na stanowisku badawczym przy zmieniaj¹cym siê ciœnieniu uplastyczniania. Widaæ dobr¹ zgodnoœæ profili teoretycznych i doœwiadczalnych przy ró¿nicach iloœciowych
nie przekraczaj¹cych 20%. Zwraca uwagê dobre przewidywanie przez model dynamiki zmian procesu przy zmieniaj¹cym siê ciœnieniu uplastyczniania, czego obrazem s¹ podobne kszta³ty obu krzywych. Model wyznacza nieco za
ma³e wartoœci mocy pobranej przez œlimak, momentu obrotowego œlimaka oraz czasu rotacji œlimaka. Poniewa¿
wydajnoœæ uplastyczniania maleje z czasem rotacji œlimaka, zatem przy niedoszacowaniu czasu rotacji, model równoczeœnie przeszacowuje wydajnoœæ uplastyczniania.
2. Zmienna prêdkoœæ obrotowa œlimaka
przeprowadzono dla piêciu ró¿nych prêdkoœci obrotowych œlimaka, przedstawionych w tab. 3.
Porównanie teoretycznych i doœwiadczalnych profili
ciœnienia dla zmieniaj¹cych siê prêdkoœci obrotowych œli-
maka da³o wyniki bardzo podobne do przedstawionych
na rys. 4 (przy podobnych ró¿nicach wartoœci siêgaj¹cych
20%) i st¹d nie bêd¹ przedstawiane. Porównanie profili
temperatury przedstawiono na rys. 5. Naniesiono na nim
tylko wartoœci temperatur dla najmniejszej oraz najwiêkszej stosowanej prêdkoœci obrotowej œlimaka, gdy¿ dla
poœrednich prêdkoœci uzyskano wyniki mieszcz¹ce siê
pomiêdzy wynikami dla prêdkoœci granicznych. Z rysunku 5 wynika, i¿ model wskazuje poprawnie wartoœæ temperatury tworzywa dla mniejszych prêdkoœci œlimaka,
natomiast dla prêdkoœci wiêkszych przeszacowuje wartoœci temperatur tworzywa o ok. 5-7°C. Przeszacowanie
to wynika prawdopodobnie ze zbyt du¿ej modelowej
wartoœci ciep³a generowanego w wyniku tarcia lepkiego
przy wiêkszych wartoœciach prêdkoœci obrotowej œlimaka. Analogiczne zale¿noœci obserwuje siê dla innych
przebadanych polimerów.
Porównanie innych charakterystyk procesu uplastyczniania przy wtryskiwaniu PP dla zmieniaj¹cych siê
prêdkoœci obrotowych œlimaka przedstawiono na rys. 6.
Widaæ, i¿ model generalnie w sposób poprawny jakoœciowo wyznacza te charakterystyki przy maksymalnych ró¿nicach iloœciowych nie przekraczaj¹cych 25%. Zastanawia niewielki szacowany wzrost momentu obrotowego
œlimaka w porównaniu z wiêkszym wzrostem momentu
obserwowanym na wtryskarce. Problem ten bêdzie jeszcze w przysz³oœci analizowany.
3. Zmienny czas postoju œlimaka
przeprowadzono dla piêciu ró¿nych czasów postoju œli-
113
Rys. 5. Porównanie profili temperatury w procesie wtryskiwania polipropylenu przy ró¿nych prêdkoœciach obrotowych œlimaka
Rys. 6. Porównanie ró¿nych charakterystyk uplastyczniania podczas wtryskiwania polipropylenu przy ró¿nych prêdkoœciach obrotowych œlimaka
Rys. 7. Porównanie profili temperatury w procesie wtryskiwania polipropylenu przy ró¿nych czasach postoju œlimaka
114
Rys. 8. Porównanie ró¿nych charakterystyk uplastyczniania podczas wtryskiwania polipropylenu dla ró¿nych czasów postoju œlimaka
maka w po³o¿eniu tylnym, przedstawionych w tab. 3. Porównanie profili ciœnienia dla zmieniaj¹cych siê czasów
postoju da³o wyniki analogiczne do przedstawionych na
rys. 4, przy podobnych ró¿nicach wartoœci teoretycznych
i doœwiadczalnych siêgaj¹cych 20%, st¹d dane te nie bêd¹
tutaj przedstawiane. Porównanie profili temperatury
przedstawiono na rys. 7. Uwzglêdniono na nim tylko
wartoœci temperatur dla najmniejszego oraz najwiêksze-
go czasu postoju œlimaka, gdy¿ dla poœrednich czasów
uzyskano wyniki le¿¹ce pomiêdzy wynikami dla czasów
granicznych. Widaæ, i¿ model wskazuje poprawnie temperaturê tworzywa dla d³u¿szych czasów postoju. Dla
krótkich czasów cyklu, a wiêc i krótkich czasów postoju
œlimaka ró¿nice temperatur przewidywanych i rzeczywistych PP s¹ znaczne i wynosz¹ 8-12°C. W trakcie badañ, dla krótkich czasów cyklu wyraŸnie widoczny by³
Rys. 9. Porównanie profili ciœnienia (na górze) i temperatury (na dole) w procesie wtryskiwania polipropylenu dla ró¿nych temperatur cylindra
wp³yw nasuwaj¹cego siê szybko tworzywa ch³odniejszego, z pocz¹tkowej czêœci cylindra do dalszych jego czêœci
i wyraŸnie ni¿sza temperatura stopionego materia³u na
prawie ca³ej d³ugoœci cylindra od temperatury samego
cylindra o ok. 5-8°C. Model nie przewiduje takiego przebiegu procesu, zak³adaj¹c minimaln¹ temperaturê warstewki tworzywa przy cylindrze równ¹ temperaturze cylindra od momentu rozpoczêcia stapiania materia³u.
Problem ten równie¿ bêdzie wymaga³ korekty w modelu.
Na rys. 8 przedstawiono porównanie ró¿nych charakterystyk procesu uplastyczniania dla zmiennych czasów
postoju œlimaka w po³o¿eniu tylnym w zakresie 8–50 s.
Widaæ, i¿ czas rotacji nie wp³ywa w znacz¹cy sposób na
takie charakterystyki jak: moc pobrana przez œlimak, moment obrotowy œlimaka czy czas rotacji œlimaka. Uwidacznia siê tu jedynie oczywisty, znacz¹cy wp³yw czasu
postoju, zwi¹zanego z czasem cyklu na wydajnoœæ uplastyczniania. Œrednie ró¿nice w wartoœciach zmierzonych
doœwiadczalnie i wyznaczonych z modelu nie przekraczaj¹ 20% za wyj¹tkiem wydajnoœci uplastyczniania,
gdzie dla krótkich czasów cyklu wynosz¹ ponad 40%.
4. Zmienna temperatura cylindra
W ostatniej czêœci badañ w uk³adzie uplastyczniaj¹cym wtryskarki zmieniano temperaturê cylindra Tb,
tzn. na obu strefach grzejnych wtryskarki ustawiano tê
sam¹ wartoœæ temperatury, zgodnie z tabel¹ 3. Pozosta³e
parametry procesu wtryskiwania utrzymywano na sta³ym poziomie.
Na rys. 9 przedstawiono porównanie profili ciœnienia
i temperatury dla ró¿nych temperatur cylindra równych
115
odpowiednio 200, 215 oraz 230°C. Widaæ, i¿ dla ni¿szych
temperatur cylindra model znacznie przeszacowuje wartoœæ ciœnienia, podczas gdy dla wy¿szych temperatur
trend jest przeciwny. Zachowanie takie mo¿e mieæ przyczynê w opisywanej wczeœniej silnej zale¿noœci wyznaczanej wartoœci ciœnienia od lepkoœci stopionego polimeru. Analizuj¹c profil temperatury widaæ, i¿ model lepiej
przewiduje wartoœci temperatur tworzywa dla wy¿szych
temperatur cylindra. Przy ni¿szych temperaturach procesu ró¿nice w profilach teoretycznym i doœwiadczalnym
rosn¹, osi¹gaj¹c dla temp. 200°C wartoœci rzêdu 10°C.
Przyczyn¹ tych ró¿nic mo¿e byæ, opisywany powy¿ej
przy zmiennym czasie postoju problem przyjêcia temperatury stopionego tworzywa w warstewce przy œciance
cylindra równej temperaturze cylindra, podczas gdy na
rys. 9 obserwujemy, szczególnie dla Tb=200°C, wartoœci
temperatury stopionego PP ni¿sze od Tb.
Na rys. 10 zaprezentowano porównanie charakterystyk teoretycznych i doœwiadczalnych procesu uplastyczniania przy wtryskiwaniu PP dla ró¿nych temperatur cylindra Tb w zakresie 200-260°C. Widaæ brak wp³ywu Tb na
wydajnoœæ uplastyczniania oraz spodziewany spadek
mocy pobranej przez œlimak wraz ze wzrostem temperatury cylindra. Obserwuje siê równie¿ nieznaczny wzrost
czasu rotacji œlimaka dla zwiêkszaj¹cych siê wartoœci Tb
(w badaniach zaobserwowano wyst¹pienie w tym zakresie Tb niewielkiego minimum dla 215°C). Natomiast moment obrotowy œlimaka wyznaczany jest przez model
w sposób nieprawid³owy; dla zmieniaj¹cej siê temperatury cylindra widaæ spadek, a nastêpnie wzrost momentu
obrotowego. Bli¿sza analiza tego problemu wykaza³a
wystêpowanie pewnych niestabilnoœci numerycznych
Rys. 10. Porównanie ró¿nych charakterystyk uplastyczniania podczas wtryskiwania polipropylenu dla ró¿nych temperatur cylindra
116
przy wyznaczaniu wartoœci momentu obrotowego dla
zmieniaj¹cej siê temperatury Tb. Zagadnienie to bêdzie
przedmiotem dalszych badañ i korekt w modelu.
Podsumowanie
W pracy przeanalizowano proces uplastyczniania polipropylenu przy ró¿nych parametrach zmiennych, a nastêpnie porównano wartoœci charakterystyk uplastyczniania z charakterystykami wyznaczonymi przez model
komputerowy. Stwierdzono, ¿e model poprawnie wyznacza dynamikê zmian procesu uplastyczniania przy
zmieniaj¹cych siê parametrach wejœciowych procesu,
a œrednie rozbie¿noœci iloœciowe pomiêdzy charakterystykami teoretycznymi a doœwiadczalnymi nie przekraczaj¹ 25%.
Model komputerowy wymaga jeszcze zmian w kierunku poprawy zgodnoœci wyznaczanych charakterystyk
z charakterystykami pracy rzeczywistej jednostki uplastyczniaj¹cej wtryskarki. Zmiany te powinny obejmowaæ
przede wszystkim modyfikacje metod:
1. Wyznaczania ciœnienia na d³ugoœci œlimaka,
2. Wyznaczania profilu temperatury,
3. Obliczania wydajnoœci uplastyczniania,
4. Wyznaczania momentu obrotowego œlimaka.
Wykonane badania pozwoli³y w kilku przypadkach
na ustalenie potencjalnych Ÿróde³ i przyczyn rozbie¿noœci
danych teoretycznych i doœwiadczalnych, co u³atwi
wprowadzenie stosowanych korekt w istniej¹cym modelu symulacyjnym.
Projekt zosta³ sfinansowany ze œrodków Narodowego Centrum
Nauki, nr wniosku N N519 651840.
Bibliografia
[1] Wilczyñski K. i in., Model komputerowy procesów wyt³aczania
i wtryskiwania, Technical Transactions Mechanics, 2009, 1-M,
367.
[2] Steller R., Iwko J.: Modelowanie procesu uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu: I – za³o¿enia oraz strefa transportu
tworzywa sta³ego, Polimery, 2008, 11/12, 836.
[3] Steller R., Iwko J.: Komputerowa symulacja procesu uplastyczniania polimerów podczas wtryskiwania. Cz. 1, D¹¿¹c do optimum, PlastNews, 2009, 5, 72.
[4] Iwko J., Steller R.: Komputerowa symulacja procesu uplastyczniania polimerów podczas wtryskiwania. Cz. 2, Teoria a praktyka,
PlastNews, 2009, 6, 42.
[5] Steller R., Iwko J.: Modelowanie procesu uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu: II – strefa stapiania, Polimery, 2011,
1, 51.
[6] Iwko J., Steller R., Doœwiadczalna weryfikacja komputerowego
modelu procesu uplastyczniania polimerów przy wtryskiwaniu
czêœæ 1. Stanowisko badawcze, Przetwórstwo Tworzyw, w druku.
Badania wp³ywu czynników technologicznych na parametry fotometryczne lampy samochodowej typu CHMSL
117
Boles³aw KARWAT, Dariusz G£OWIÑSKI, Emil STAÑCZYK
Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Robotyki
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica w Krakowie
Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
E-mail: [email protected]. [email protected], [email protected]
Badania wp³ywu czynników technologicznych na parametry fotometryczne
lampy samochodowej typu CHMSL
Streszczenie: W pracy podjêto problem oceny wp³ywu jakoœci wykonania gniazd form wtryskowych oraz dok³adnoœci monta¿u soczewki zewnêtrznej z obudow¹ na parametry fotometryczne (natê¿enie œwiat³a) systemu optyczno-œwietlnego lampy typu CHMSL, ang. Center High-Mounted Stop Lamp. Analizuj¹c literaturê z tej dziedziny
mo¿na zauwa¿yæ niszê w badaniach dotycz¹cych dok³adnoœci monta¿u oraz wp³ywu czynników technologicznych
na parametry fotometryczne lamp samochodowych. Autorzy przedstawili szczegó³owe badania wykonane zgodnie
z norm¹ E/ECE/324 Europejskiej Komisji Gospodarczej. Przeprowadzone badania umo¿liwi³y zweryfikowanie
dotychczasowej wiedzy na temat wp³ywu ró¿nych czynników technologicznych na jakoœæ wykonania trzeciej lampy
stopu oraz okreœlenie podstawowych parametrów, dziêki którym mo¿na poprawiæ bezpieczeñstwo uczestników ruchu drogowego.
S³owa kluczowe: fotometria, tworzywa sztuczne, lampy samochodowe, zgrzewanie ultradŸwiêkowe.
STUDY OF THE IMPACT OF TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE PHOTOMETRIC PARAMETERS
OF CHMSL AUTOMOTIVE LAMPS
In this study, assessment of the impact of the workmanship of injection mould cavities and of the precision of external lens and housing installation on the photometric parameters (light intensity) of the lighting system of
a CHMSL lamp, or Center High-Mounted Stop Lamp, was undertaken. Analysis of the literature concerning this
field shows a niche in studies involving precision of installation and the impact of technological factors on the photometric parameters of automotive lamps. The authors have presented detailed tests performed in accordance with
standard E/ECE/324 of the European Economic Commission. These tests made it possible to verify current knowledge on the impact of various technological factors on the workmanship of the third stop lamp and to determine basic parameters thanks to which the safety of travellers on the road can be improved.
1. Wprowadzenie
Zmniejszenie liczby wypadków oraz kolizji drogowych to wyzwania, które stawiane s¹ przed konstruktorami samochodów, a przede wszystkim przed tworz¹cymi prawo o ruchu drogowym. Wprowadzanie innowacyjnych rozwi¹zañ, nowych systemów, ci¹g³e udoskonalanie istniej¹cych uk³adów to dzia³ania podejmowane
przez koncerny motoryzacyjne, których celem jest zwiêkszenie bezpieczeñstwa ruchu drogowego. Bezpoœredni
wp³yw na szybkoœæ reakcji kierowców, a co za tym idzie
na zwiêkszenie poziomu bezpieczeñstwa ma widocznoœæ
pojazdów innych uczestników ruchu drogowego.
Odpowiednio wczesna reakcja kierowcy na zaistnia³e
zagro¿enie mo¿e przyczyniæ siê do uratowania ¿ycia lub
zdrowia. Czynnikiem maj¹cym wp³yw na iloœæ wypadków i kolizji drogowych, szczególnie w trudnych warunkach atmosferycznych oraz po zapadniêciu zmroku jest
natê¿enie œwiat³a emitowane przez systemy oœwietlenia.
W pracach [3, 5, 9, 10] przedstawiono wp³ywy ró¿nych
parametrów na dzia³anie systemu optycznego pojazdów.
W artyku³ach [4, 6, 7, 11, 12] mo¿na znaleŸæ badania
wp³ywu zastosowanych Ÿróde³ œwiat³a, szczególnie diod
LED na dzia³anie systemu oœwietlenia zewnêtrznego pojazdów, a co za tym idzie na bezpieczeñstwo uczestników
ruchu drogowego.
W pracy [8] przedstawiono wyniki badañ wp³ywu
parametrów procesu wtrysku tj. ciœnienia docisku, czasu
docisku, prêdkoœci wtrysku oraz konstrukcji poszczególnych elementów konstrukcyjnych i ich ustawienia wzglêdem siebie na parametry fotometryczne lampy CHMSL.
Artyku³ zawiera analizê wp³ywu dok³adnoœci wykonania gniazd formy wtryskowej oraz parametrów procesu monta¿u soczewki zewnêtrznej z obudow¹ na parametry fotometryczne lampy CHMSL.
Celem przeprowadzonych badañ by³o zweryfikowanie dotychczasowej wiedzy na temat procesu wytwarzania oraz okreœlenie wp³ywu parametrów procesu monta¿u i dok³adnoœci wykonania form wtryskowych na parametry fotometryczne badanej lampy.
2. Budowa lampy samochodowej typu CHMSL
Lampa CHMSL w Polce okreœlana jako trzecia lampa
stopu po raz pierwszy zosta³a wprowadzona w USA i Kanadzie w 1986 roku. W Europie obowi¹zek stosowania
tych lamp zosta³ wprowadzony dopiero w 1998 roku. Zadaniem tej lampy jest dodatkowe ostrze¿enie pojazdów
poprzedzaj¹cych o wykonywanym manewrze hamowania.
Do badañ u¿yto lampê typu CHMSL, której elementy
sk³adowe przedstawiono na rysunku 1.
118
Rys. 1. Budowa lampy typu CHMSL, gdzie: 1 – soczewka zewnêtrzna, 2 – uszczelnienie, 3 – soczewka Fresnela, 4 – p³ytka PCB z diodami LED,
5 – obudowa
ród³em œwiat³a w badanej lampie s¹ diody LED
umieszczone na p³ytce PCB, ang. Printed Circuit Board.
Konstrukcjê zewnêtrzn¹ lampy stanowi soczewka zewnêtrzna, wytwarzana w procesie wtrysku tworzywa termoplastycznego PMMA oraz obudowa, wytwarzana
w procesie wtrysku tworzywa PC-ABS. Oba elementy
³¹czone s¹ poprzez zgrzewanie ultradŸwiêkowe. Odpowiedzialnoœæ za równomierne rozszczepienie œwiat³a
spoczywa na elemencie optycznym, który sk³ada siê z kilku sk³adowych: odwróconej soczewki Fresnela, w³aœciwej soczewki oraz soczewek poduszkowych umieszczonych po zewnêtrznej czêœci elementu.
3. Opis programu badañ i toru pomiarowego
Jednym z podstawowych parametrów fotometrycznych lamp jest natê¿enie emitowanego œwiat³a. W przemyœle motoryzacyjnym dla lamp grupy S3, do której zaliczana jest badana lampa wartoœæ natê¿enia œwiat³a mierzona jest zgodnie z norm¹ E/ECE/324 Europejskiej Komisji Gospodarczej w osiemnastu punktach siatki pomiarowej [13]. Na rysunku 2 przedstawiono tablicê rozk³adu
natê¿enia zaczerpniêt¹ z normy E/ECE/324.
Punkty pomiarowe umieszczone s¹ na siatce o podzia³ce 5° k¹towych, w zakresie dla wspó³rzêdnej poziomej +/- 10° oraz dla wspó³rzêdnej pionowej +10°/-5°.
Schemat toru pomiarowego przedstawiono na rysunku 3. Pomiary natê¿enia œwiat³a wykonano urz¹dzeniem
o nazwie goniofotometr GO-H1400. Urz¹dzenie to posiada ruchome ramiê, na którym montuje siê badan¹ lampê.
Ramiê umo¿liwia zmianê po³o¿enia w ten sposób by oœ
badanej lampy mog³a zajmowaæ ka¿d¹ z wymaganych
pozycji odpowiadaj¹cych punkom pomiarowym okreœlonych w normie. W sk³ad toru pomiarowego wchodzi
równie¿ nieruchomy czujnik pomiarowy SP 30 S0T-GO,
aparatura kontrolno-pomiarowa oraz system informatyczny wyposa¿ony w aplikacje, która opracowuje wyniki pomiarów. Dla lamp CHMSL odleg³oœæ pomiêdzy
Ÿród³em œwiat³a, a nieruchomym czujnikiem wynosi 25
metrów.
Aby ograniczyæ wp³yw zak³óceñ zewnêtrznych oraz
zapewniæ odpowiednie warunki tor pomiarowy zosta³
umieszczony w podziemnym tunelu badawczym, którego œciany pokryte s¹ farb¹ absorbuj¹c¹ promieniowanie
odbite.
Przeprowadzone badania umo¿liwi³y pomiar wartoœci natê¿enia œwiat³a w osiemnastu punktach siatki pomiarowej. Na rysunku 4 przedstawiono przyk³adowy raport
wygenerowany po zakoñczeniu badañ. Dla ka¿dego
punktu wartoœæ zmierzona powinna zawieraæ siê w zakresie pomiêdzy wartoœci¹ minimaln¹ a maksymaln¹
natê¿enia œwiat³a.
Rys. 2. Punkty pomiarowe dla lampy CHMS
119
Rys. 5. Opis przyk³adowego punktu pomiarowego
Rys. 3. Schemat toru pomiarowego, gdzie: 1 – goniofotometr
GO-H1400, 2 – ruchome ramiê, 3 – badana lampa, 4 – czujnik pomiarowy SP 30 S0T-GO
Na rysunku 5 przedstawiono opis przyk³adowego
punktu pomiarowego, dla którego przyjêto oznaczenia:
1 – po³o¿enie punktu, 2 – zmierzona wartoœæ natê¿enia
œwiat³a w cd, 3 – wartoœci minimalna i maksymalna natê¿enia œwiat³a w cd, 4 – wartoœæ poni¿ej dopuszczalnego
minimum, 5 – wartoœæ w akceptowalnym zakresie parametrów fotometrycznych.
Rys. 4. Przyk³adowy raport wygenerowany po zakoñczeniu badañ
120
4. Wp³yw zmian parametrów konstrukcyjnych systemu
optycznego na natê¿enie emitowanego œwiat³a
Celem badañ by³o okreœlenie wp³ywu zmian wymiarów badanego systemu optycznego na natê¿enia œwiat³a
emitowanego przez lampê CHMSL. Geometria systemu
optycznego, czyli odleg³oœci pomiêdzy poszczególnymi
elementami ustala wartoœci ogniskowych optycznych,
które wp³ywaj¹ na za³amanie i rozszczepienie promieniowania. Badanie zmian wymiarów geometrycznych jest
o tyle istotne, i¿ tworzenie konstrukcji lampy obarczone
jest ryzykiem wynikaj¹cym z metody ³¹czenia. Po³¹czenie
obudowy lampy z soczewk¹ zewnêtrzn¹ realizowane jest
poprzez zgrzewanie ultradŸwiêkowe, czyli proces polegaj¹cy na wprawianiu w drgania mechaniczne o czêstotliwoœci oko³o 20kHz jednego z dwóch spajanych elemen-
Rys. 6. Przekrój soczewki zewnêtrznej
tów. Podczas tego procesu dwa ³¹czone elementy umieszcza siê tak, by spajane powierzchnie styka³y siê ze sob¹.
Pozycjonowanie realizowane jest jedynie poprzez odpowiednie ukszta³towanie ³¹czonych powierzchni (krawêdzi), co jest metod¹ nietrwa³¹ i stwarzaj¹c¹ ryzyko wyst¹pienia przemieszczeñ zgrzewanych powierzchni podczas samego procesu przygotowywania do operacji
zgrzewania. Dodatkowym zagro¿eniem jest sam proces
zgrzewania w trakcie, którego nastêpuje wzajemne przetapianie siê dwóch elementów pod wp³ywem wibracji,
które to przy nieprawid³owo dobranych parametrach
procesu mog¹ powodowaæ zmianê po³o¿enia k¹towego
lub te¿ liniowego soczewki zewnêtrznej. Przyk³ad jednej
z takich sytuacji zosta³ przedstawiony na rysunku 7, na
którym mo¿na zauwa¿yæ wyraŸn¹ zmianê k¹ta szyby
wzglêdem konstrukcji ca³ej lampy.
W drugim przypadku nie pokazanym na ilustracji
wymuszono zmianê po³o¿enia szyby w osi pionowej.
Podczas badañ wp³ywu deformacji k¹towej zmieniano
k¹t po³o¿enia szyby wzglêdem soczewki Fresnela oraz
Rys. 7. Widok zmian geometrycznych
Ÿród³a œwiat³a, wymuszaj¹c 4 ró¿ne po³o¿enia, odpowiednio +7°; +11° w prawo oraz – 7°; –11° w lewo. Wyniki
pomiarów przedstawiono na rysunku 8.
Wymuszenie po³o¿enia do skrajnie badanych wartoœci k¹tów –11° i +11°, spowodowa³o znaczne pogorszenie
natê¿enia emitowanego œwiat³a w obu przypadkach, a¿
do poziomu poni¿ej akceptowalnego minimum dla wiêkszoœci z mierzonych punktów.
Takie odchylenie spowodowa³o rozproszenie promieniowania przez soczewki poduszkowe znajduj¹ce siê po
wewnêtrznej czêœci soczewki zewnêtrznej. Wyniki pomiarów dla skrajnych punktów s¹ zbli¿one do wartoœci
nominalnych, a znacznie os³abione w œrodkowym zakresie spektrum. Wynika to z niesymetrycznoœci soczewek
poduszkowych, co zosta³o przedstawione na rysunku 6,
która jest wymagana w zwi¹zku z niesymetryczn¹ propagacj¹ œwiat³a, zakres +10° do –5° od osi poziomej lampy.
Analiza wyników dla wartoœci k¹tów odchylenia +7°
i –7° wskazuje, ¿e dla przypadku pierwszego wartoœci natê¿enia pogarszaj¹ siê dla wiêkszoœci z punktów, pokazuj¹c jednak zbie¿noœæ z wymaganiami dla skrajnych punktów. Przypadek dla k¹ta –7° wykazuje zale¿noœæ odwrotn¹ tzn. zmiana p³aszczyzny spowodowa³a poprawê wyników.
Wnioskiem wynikaj¹cym z przeprowadzonej analizy
jest po pierwsze, wskazanie na mo¿liw¹ korektê po³o¿enia soczewki wzglêdem obudowy oraz zalecenie dodatkowej kontroli przemieszczenia szczególnie w kierunku
lewym jako bardziej negatywnie wp³ywaj¹cego na parametry fotometryczne lampy CHMSL.
Zbadano równie¿ wp³yw zmiany odleg³oœci soczewki
zewnêtrznej wzglêdem Ÿród³a œwiat³a w osi pionowej
(zak³adaj¹c zerowe odkszta³cenie k¹towe). Przeprowadzone badania przedstawione na rysunku 9 wykaza³y, ¿e
zmniejszenie odleg³oœci o 0,5 mm powoduje spadek natê¿enia œwiat³a w ka¿dym z mierzonych punktów. Kolejne
zmniejszenie tej odleg³oœci powoduje dalsze pogorszenie
wyników.
Badania potwierdzi³y, ¿e zachowanie sta³ej odleg³oœci
pomiêdzy soczewk¹ zewnêtrzn¹ a Ÿród³em œwiat³a ma istotny wp³yw na parametry fotometryczne lampy. Kluczo-
121
Rys. 8. Natê¿enie œwiat³a w funkcji zmian geometrycznych systemu optycznego
we w tej sytuacji okazuje siê odpowiednie dobranie i stabilne utrzymywanie parametrów procesu zgrzewania,
szczególnie czasy zgrzewania i ciœnienia docisku, które
mog¹ powodowaæ g³êbsze lub te¿ nie symetryczne przetopienie tworzyw podczas procesu zgrzewania, a to powoduje zmianê wartoœci ogniskowych optycznych, które
jak wykaza³y przeprowadzone badania wp³ywaj¹ na emisje promieniowania œwietlnego.
5. Wp³yw dok³adnoœci odwzorowania wyprasek
(precyzja wykonania gniazd w formie wtryskowej)
W ramach przeprowadzonych badañ przeanalizowano równie¿ wp³yw precyzji wykonania gniazd w formach
wtryskowych na jakoœæ wyprasek soczewki zewnêtrznej,
a w efekcie wp³yw na natê¿enie emitowanego œwiat³a
przez badan¹ lampê CHMSL.
122
Rys. 9. Natê¿enie œwiat³a w funkcji zmian geometrycznych systemu optycznego
Ze wzglêdu na nieuniknion¹ niedoskona³oœæ prowadzenia procesu wtryskiwania, dok³adnoœæ wykonania
formy musi byæ wiêksza ni¿ dok³adnoœæ wyprasek. Bardzo istotna jest jakoœæ wykonania zarówno kana³ów
przep³ywowych jak równie¿ gniazd formuj¹cych [1]. Na
rysunku 10 przedstawiono model formy wtryskowej
dwugniazdowej do wytwarzania soczewki zewnêtrznej
wykonany w programie Catia V5.
Badania przeprowadzono dla 2 ró¿nych zestawów
matryc dedykowanych do formy wtryskowej u¿ywanych
do wytwarzania soczewek zewnêtrznych. Zestawy matryc pochodzi³y od ró¿nych producentów. Podczas procesu walidacji obydwu zestawów narzêdzi przeprowadzanego w tych samych warunkach tzn. ta sama wtryskarka,
identyczny zestaw parametrów, stwierdzono znaczne
ró¿nice w wartoœci parametrów fotometrycznych. Przeprowadzona analiza wykaza³a ró¿nice w precyzji odwzorowania pryzm znajduj¹cych siê na matrycach wtryskowych. Pryzmy te odpowiadaj¹ za kszta³t obszaru soczewek poduszkowych. Zmierzona ró¿nica zosta³a okreœlona dopiero podczas skanowania powierzchniowego wykonanego dla obu matryc. Na rysunku 11 przedstawiono
przekrój soczewki zewnêtrznej, a na rysunku 12 odwzorowanie przekroju pojedynczego kszta³tu soczewki poduszkowej, gdzie lini¹ niebiesk¹ przedstawiono poprawny zarys, a lini¹ pomarañczow¹ zarys niepoprawnie wykonany. Tolerancja wykonania obróbki powierzchniowej
by³a rzêdu 0,25 mm, zamiast wymaganego +/– 0,05 mm.
123
Ró¿nica w zarysie jest obserwowalna na ca³ym obrysie
badanego kszta³tu. Zmierzona œrednia ró¿nica w wartoœci natê¿enia œwiat³a by³a na poziomie 15% w stosunku do
matrycy wykonanej zgodnie z wymogami techniczno-technologicznymi dla tych narzêdzi. Kluczowym
wnioskiem z tych badañ by³o, okreœlenie wp³ywu precyzji wykonania matryc na parametry fotometryczne kompletnej lampy oraz sformu³owaniem zalecenia obowi¹zkowego skanowania powierzchni krytycznych elementów form wtryskowych jako standardowej operacji kontrolno-pomiarowej przed wdro¿eniem do produkcji.
6. Podsumowanie
Rys. 10. Forma wtryskowa dwugniazdowa do wytwarzania soczewki
zewnêtrznej
Rys. 11. Przekrój soczewki zewnêtrznej
W artykule przedstawiono wyniki badañ wp³ywu
dok³adnoœci monta¿u soczewki zewnêtrznej z obudow¹
oraz jakoœci wykonania gniazd form wtryskowych na
parametry fotometryczne lampy typu CHMSL.
Jednym z istotnych czynników maj¹cym wp³yw na
poziom bezpieczeñstwa ruchu drogowego jest natê¿enie
œwiat³a emitowane przez systemy oœwietlenia. Dobór optymalnych wartoœci parametrów œwietlnych ma ogromne
znaczenie dla zredukowania liczby kolizji i wypadków
drogowych. Wp³yw na te parametry ma wiele czynników
miêdzy innymi: luminacja klosza, wielkoœæ powierzchni
œwietlnej [10], stopieñ zabrudzenia [9], parametry procesu wtrysku wykonania soczewki zewnêtrznej [8], bezw³adnoœæ Ÿród³a œwiat³a [3], zastosowane Ÿród³o œwiat³a
itp. Na podstawie przeprowadzonych badañ stwierdzono równie¿ istotn¹ zale¿noœæ po³o¿enia soczewki zewnêtrznej wzglêdem Ÿród³a œwiat³a. Wp³yw ten do tej pory
g³ównie postrzegany by³ jako krytyczny dla zewnêtrznych wymiarów lamp. Niezwykle wa¿n¹ obserwacj¹
by³o równie¿ wykazanie wiêkszego ni¿ oczekiwany
wp³ywu jakoœci wykonania form wtryskowych. Przeprowadzone pomiary pozwoli³y ustaliæ nowe wytyczne do
kontroli jakoœci wykonania form wtryskowych w ramach, których rekomenduje siê wykonanie skanowania
powierzchniowego form dedykowanych dla elementów
krytycznych na przyk³ad takich jak soczewka zewnêtrzna.
W praktyce istnieje bardzo wiele czynników wp³ywaj¹cych na jakoœæ finalnego produktu. Aby znaleŸæ rozwi¹zanie optymalne, nale¿y przebadaæ wszystkie parametry, co w wielu przypadkach jest albo nie mo¿liwe,
albo nieop³acalne. Czêsto rozwi¹zanie suboptymalne jest
rozwi¹zaniem zadowalaj¹cym, dlatego ustalenie, które
z czynników badanych nale¿y uwzglêdniæ w dalszych
etapach doskonalenia produktu, a które mo¿na pomin¹æ
jest kluczowe [2].
Na podstawie wykonanych badañ mo¿na ustaliæ podstawowe parametry, dziêki którym mo¿na wp³ywaæ na
fotometriê systemu optycznego, a co za tym idzie na poziom bezpieczeñstwa uczestników ruchu drogowego.
Literatura
1.
Rys. 12. Zarys pojedynczego kszta³tu soczewki poduszkowej
Boci¹ga E., Jaruga T.: Wtryskiwanie precyzyjne. Teka Kom.
Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. – OL PAN, 2008, 7-12
124
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Bogucki M., St¹czek P.: Zastosowanie metody najwiêkszego
spadku w optymalizacji procesu wtryskiwania. Eksploatacja
i Niezawodnoœæ – Maintenance and Reliability 2003;
2:18-20.
Boguta A., Ostrowski S., Ozimek H.: Energooszczêdne
pó³przewodnikowe Ÿród³a œwiat³a stosowane w technice motoryzacyjnej. Przegl¹d Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 86,
2007; 7: 224-226.
Eichhorn K.: LEDs In Automotive Lighting. Light-Emitting
Diodes: Research, Manufacturing and Applications, Germany 2006.
Fekete J., Sik-Lanyi C., Schanda J.: Spectral discomfort glare
sensitivity investigations. Ophtalmic and Physiological Optics 2010; 2: 182-187.
Hofmann M., Byme M.: Comparison of LED Circuits. Techzone Magazine, Digi-Key, 2010; 44-49.
Kang B., Yong B., Park K.: Performance evaluations of LED
headlamps. International Journal of Automotive Technology
2010; 5:737-742.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Karwat B., G³owiñski D., Stañczyk E. Analysis of the influence
of factors on the photometry of the optical light system of chmsl car
lamps. Eksploatacja i Niezawodnoœæ – Maintenace and Reliability 2013; 4: 369-375
£ukasik M.: Uk³ad do oceny stopnia zabrudzenia powierzchni
przepuszczaj¹cych œwiat³o. Prace Instytutu Elektrotechniki,
zeszyt 234, 2008: 181-195.
Moæko W.: Analiza wp³ywu wartoœci luminancji i pola powierzchni œwietlnej klosza œwiat³a hamowania na widocznoœæ sygna³ów
œwietlnych. Transport Samochodowy, 2011; 1:87-97.
Ortega A.V., Silva I.N.: Neural network model for designing
automotive devices using SMD LED. International Journal of
Automotive Technology 2008; 2:203-210.
Silvak M., Schoettle B., Flannagan MJ.: Led headlamps: glare
and colour rendering. Lighting Research and Technology,
2004; 4: 295-305
The Long-Term Effectiveness of Center High Mounted Stop
Lamps In Passenger Cars and Light Trucks. NHTSA Technical
Report, March 1998, U.S Department of Transportation.
125
Badania porównawcze wytrzyma³oœci na œcinanie klejowych po³¹czeñ zak³adkowych stali 316L po „szokach termicznych”
Mariusz K£ONICA, Józef KUCZMASZEWSKI
Politechnika Lubelska, Wydzia³ Mechaniczny, Katedra Podstaw In¿ynierii Produkcji
e-mail: [email protected], [email protected]
Badania porównawcze wytrzyma³oœci na œcinanie klejowych po³¹czeñ
zak³adkowych stali 316L po „szokach termicznych”
Streszczenie. W pracy przedstawiono badania porównawcze wytrzyma³oœci statycznej na œcinanie zak³adkowych
po³¹czeñ klejowych wykonanych ze stali 316L. Badania mia³y charakter porównawczy i dotyczy³y po³¹czeñ klejowych poddanych zmiennym obci¹¿eniom cieplnym oraz po³¹czeñ niepoddanych takim szokom. Po³¹czenia klejowe
s¹ coraz czêœciej stosowanym sposobem ³¹czenia w odpowiedzialnych maszynach i urz¹dzeniach eksploatowanych
w warunkach zmiennych obci¹¿eñ termomechanicznych. Technika klejenia, dziêki postêpowi w dziedzinie chemii
materia³ów adhezyjnych, ci¹gle siê rozwija. Analizowano wyniki badañ wytrzyma³oœci statycznej na œcinanie,
uzyskanej dla ró¿nych sposobów przygotowania materia³u do operacji klejenia. Uzyskane wyniki z przeprowadzonych badañ opracowano statystycznie z zachowaniem w³aœciwych standardów naukowych. Zakres badañ obejmowa³ stosunkowo krótki cykl zmêczeniowy, wynosi³ on 200 cykli przy zakresie zmiennoœci -40 °C ÷ +60 °C. Celem
g³ównym badañ by³o sprawdzenie podatnoœci po³¹czeñ na zmiany wytrzyma³oœci pod wp³ywem zmêczenia cieplnego.
COMPARATIVE RESEARCHES OF SHEARING STRENGTH OF SINGLE-LAP ADHESIVE BONDED
JOINTS 316L STEEL AFTER „THERMAL SHOCK”
Summary. The article presents results of comparative research of shearing strength of 316L steel single-lap adhesive
bonded joints. Adhesive bonding is increasingly being applied as structural joining technique in highly reliable machines and appliances operating in the circumstances of variable thermomechanical loads. The bonding technology,
thanks to a progress in the adhesive materials chemistry is continuously developing. Results of static shearing
strength of single-lap adhesive bonded joints for different variations of material preparing were analyzed. The obtained results of the conducted research have been elaborated statistically with respect to the appropriate scientific
standards. The range of research covered relatively short fatigue cycle, that is 200 cycles in range of temperatures
between -40°C and +60°C. Determining the susceptibility of joints to changes of durability by the influence of the
thermal fatigue was the main aim of investigations.
eksploatacjê po³¹czeñ jest wci¹¿ analizowany a efekty
obarczone pewnym ryzykiem. Wynika to z wielu czynników wp³ywaj¹cych na wytrzyma³oœæ adhezyjn¹ i kohezyjn¹ takich po³¹czeñ. Prezentowana praca jest elementem wzbogacaj¹cym kapita³ wiedzy w tym obszarze.
1. WSTÊP
Po³¹czenia adhezyjne s¹ czêsto stosowane w klejeniu
i uszczelnianiu konstrukcji mechanicznych. Jest to zwi¹zane z wieloma zaletami klejów i po³¹czeñ klejowych. Jak
wiadomo, dobre efekty klejenia zale¿¹ w du¿ym stopniu
od zastosowanej technologii przygotowania powierzchni,
a w³aœciwie warstwy wierzchniej ³¹czonych materia³ów
[1-3]. Z regu³y technologie te majê „rozwijaæ” powierzchniê w znaczeniu geometrycznym oraz ukonstytuowaæ odpowiedni stan energetyczny warstwy wierzchniej [5-8].
Zainteresowanie konstruktorów po³¹czeniami klejowymi, jako po³¹czeniami eksploatowanymi w warunkach
obci¹¿eñ termomechanicznych wynika z ci¹g³ego postêpu w in¿ynierii klejów oraz wzrostu kapita³u wiedzy na
temat ich wytrzyma³oœci, powoduje to wzrost zaufania
do niezawodnoœci takich po³¹czeñ.
Problem zmêczenia cieplnego po³¹czeñ klejowych
i skutków tego zmêczenia na d³ugotrwa³¹, bezpieczn¹
2. METODYKA BADAÑ
Próbki u¿yte do badañ zosta³y wykonane ze stali 316L
o wymiarach 25×100×1,5 mm. W celu rozwiniêcia powierzchni geometrycznej oraz usuniêcia warstwy fizysorpcyjnej czêœæ badanych próbek poddano obróbce mechanicznej narzêdziem nasypowym o ziarnistoœci P320
w czasie 30 sekund. Wszystkie próbki oczyszczono œrodkiem odt³uszczaj¹cym Loctite 7061. W tabeli 1 przedstawiono sk³ad chemiczny stali 316L, tabelê opracowano na
podstawie certyfikatu materia³u.
W tabeli 2 przedstawiono wybrane w³aœciwoœci stali
316L, opracowane na podstawie certyfikatu materia³u.
Tabela 1. Sk³ad chemiczny stali 316L (wg certyfikatu materia³u)
Stal 316L
Pierwiastek
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
N
Wartoœæ, %
0,011
0,54
1,03
0,040
0,001
10,18
16,71
2,05
0,020
126
Tabela 2. Wybrane w³aœciwoœci stali 316L (wg certyfikatu materia³u)
Stal 316L
Wytrzyma³oœæ na
Umowna granica
Twardoœæ
rozci¹ganie Rm [MPa] plastycznoœci Rp0,2 [MPa]
[HV]
592
290
148
Do pomiarów k¹ta zwil¿ania na badanej powierzchni
stali 316L oraz do wyznaczenia wartoœci swobodnej energii powierzchniowej SEP zastosowano goniometr PGX.
U¿yte ciecze do pomiarów k¹ta zwil¿ania by³y nanoszone na badan¹ powierzchniê w sposób automatyczny, w
postaci kropli o sta³ej objêtoœci 4 μl, przez mechanizm goniometru. Przyjêto nastêpuj¹ce wartoœci swobodnej energii powierzchniowej cieczy pomiarowych oraz ich sk³adowych polarnej i dyspersyjnej: swobodna energia powierzchniowa wody gw=72,8 [mJ/m2], sk³adowa polarna
swobodnej energii powierzchniowej wody g p w =51,0
[mJ/m2], sk³adowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej wody gdw=21,8 [mJ/m2], swobodna energia
powierzchniowa dijodometanu gd=50,8 [mJ/m2], sk³adowa polarna swobodnej energii powierzchniowej dijodometanu gpd=2,3 [mJ/m2], sk³adowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej dijodometanu g d d =48,5
[mJ/m2]. Pomiar k¹ta zwil¿ania zarówno wod¹ destylowan¹ jak i dijodometanem by³ wykonany minimum dziesiêæ razy na ka¿dej z badanych próbek. Pomiary odbywa³y siê na p³ycie pomiarowej po uprzednim sprawdzeniu
poziomu za pomoc¹ poziomicy optycznej, w temperaturze otoczenia wynosz¹cej (20-22)°C i wilgotnoœci wzglêdnej (40–45)%.
Do pomiaru chropowatoœci u¿yto profilografometru
firmy Taylor Hobson Surtronic3+. D³ugoœæ odcinka elementarnego dobrano na podstawie literatury [4]. Profile
opracowano w programie TalyProfile Lite.
Z tak przygotowanego materia³u wykonano próbki,
jako jednozak³adkowe po³¹czenie klejowe. Gruboœæ warstwy kleju gk=0,1 mm, pozosta³e wymiary przedstawiono
na rysunku 1.
W badaniach wykorzystano klej Hysol 9484 oraz klej
Hysol 3421 firmy Loctite utwardzony w temperaturze
otoczenia wynosz¹cej 20-22°C, przy wilgotnoœci wzglêdnej 35÷40%. Wartoœæ ciœnienia jednostkowego wywieranego na powierzchni próbek w procesie klejenia wynosi³a
0,2 MPa. Czas utwardzania ustalono na poziomie 120 godzin. W tabeli 3 przedstawiono wybrane w³aœciwoœci
u¿ytych klejów w stanie utwardzonym.
Tabela. 3. Wybrane w³aœciwoœci kleju Hysol 9484 oraz Hysol
3421 w stanie utwardzonym [9, 10]
Hysol 9484
Hysol 3421
Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie
(ASTM D882), N/mm2
W³aœciwoœci fizyczne
15
28
Wyd³u¿enie (ASTM D882), %
50
6
Modu³ sprê¿ystoœci (ASTM D882),
N/mm2
161
963
Twardoœæ (ASTM D1706), Shore D
55
70-80
Temperatura zeszklenia Tg (ASTM
E1640-99), °C
30
55
Czêœæ próbek wykonanych, jako jednozak³adkowe
po³¹czenie klejowe, zarówno dla kleju Hysol 9484 jak i dla
kleju Hysol 3421, poddano cyklicznym obci¹¿eniom cieplnym. Po³¹czenia klejowe poddano 200 cyklom zmiennej temperatury (szoki termiczne) w komorze szoków termicznych. Minimaln¹ temperaturê ustawiono na poziomie minus 40°C, a maksymaln¹ równ¹ plus 60°C. Czas
kondycjonowania próbek w ka¿dej temperaturze wynosi³
15 minut nie wliczaj¹c czasu stabilizacji temperatury.
Badania wytrzyma³oœciowe na œcinanie jednozak³adkowych po³¹czeñ klejowych zosta³y przeprowadzone na
maszynie wytrzyma³oœciowej Zwick/Roell Z 150, zgodnie
z norm¹ DIN EN 1465. Prêdkoœæ trawersy podczas próby
niszcz¹cej wynosi³a 2 mm/minutê, a odleg³oœæ uchwytów
przy pozycji startowej wynosi³a 85 mm.
Warto zauwa¿yæ, ¿e zastosowane kleje s¹ stosunkowo
„elastyczne” w stanie utwardzonym, przy czym ró¿nica
wartoœci wspó³czynnika sprê¿ystoœci pod³u¿nej dla u¿ytych klejów by³a relatywnie bardzo du¿a. Uznano, ¿e dla
celów prowadzonych badañ bêdzie to korzystne, przypuszczalnie dla klejów „sztywnych” w stanie utwardzonym efekt zmêczenia bêdzie bardziej widoczny.
Rys. 1. Próbka jednozak³adkowa – schemat po³¹czenia klejowego
127
3. WYNIKI BADAÑ
W tabeli 4 przedstawiono uœrednione wyniki wartoœci
swobodnej energii powierzchniowej SEP stali 316L przed
i po obróbce mechanicznej narzêdziem nasypowym
ten jest na poziomie 22%. Wartoœæ sk³adowej dyspersyjnej
SEP pozostaje na tym samym poziomie, natomiast sk³adowa polarna SEP wzrasta ponad dwukrotnie po obróbce
mechanicznej. Wzrost ten mo¿e byæ spowodowany usuniêciem warstwy wierzchniej utworzonej na materiale
Tabela 4. Wartoœci swobodnej energii powierzchniowej SEP i jej sk³adowe dla stali 316L
316L przed obróbk¹ mechaniczn¹
SEP
[mJ/m2]
316L po obróbce mechanicznej
Sk³adowa polarna
SEP [mJ/m2]
Sk³adowa dyspersyjna SEP [mJ/m2]
SEP
[mJ/m2]
Sk³adowa polarna
SEP [mJ/m2]
Sk³adowa dyspersyjna SEP [mJ/m2]
Wartoœæ œrednia
50,2
6,4
43,8
61,3
15,2
46,1
Odchylenie standardowe
1,1
1,8
1,5
1,2
1,4
1,4
Tabela 5. Profile chropowatoœci powierzchni stali 316L
Materia³
Profil
µm
2
1
316L przed obróbk¹ mechaniczn¹
0
-1
-2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
2
2.5
3
3.5 mm
µm
2
1
316L po obróbce mechanicznej
0
-1
-2
0
0.5
o ziarnistoœci P320 wraz z obliczonym odchyleniem standardowym. W tabeli zestawiono równie¿ sk³adowe SEP:
sk³adow¹ polarn¹ SEP oraz sk³adow¹ dyspersyjn¹ SEP.
Na uwagê zas³uguje wzrost wartoœci swobodnej energii powierzchniowej dla stali 316L po obróbce mechanicznej narzêdziem nasypowym o ziarnistoœci P320 w stosunku do wartoœci SEP przed obróbk¹ mechaniczn¹. Wzrost
1
3
3.5 mm
w warunkach ekspozycji, mog¹ to byæ warstewki tlenkowe i zaadsorbowane sk³adniki otoczenia (zanieczyszczenie). Obliczanie SEP wykonano po to, aby okreœliæ poprawnoœæ przygotowania powierzchni do klejenia.
W tabeli 5 zestawiono profile chropowatoœci powierzchni próbek ze stali 316L przed obróbk¹ mechaniczn¹ narzêdziem nasypowym o ziarnistoœci P320 oraz po obrób-
Rys. 2. Naprê¿enie œcinaj¹ce uzyskane w badaniach eksperymentalnych dla próbek wykonanych ze stali 316L przed obróbk¹ mechaniczn¹
128
Rys. 3. Przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych (klej Hysol 9484) dla stali 316L przed obróbk¹
mechaniczn¹ oraz przed szokami termicznymi
ce mechanicznej narzêdziem nasypowym. Przed wykonaniem pomiarów powierzchnie próbek oczyszczono
oraz odt³uszczono œrodkiem odt³uszczaj¹cym Loctite
7061. Warto zwróciæ uwagê, obserwuj¹c profile nierównoœci, ¿e obróbka mechaniczna narzêdziami nasypowymi skutecznie rozwija analizowan¹ powierzchniê.
Dla próbek wykonanych ze stali 316L po obróbce mechanicznej narzêdziem nasypowym o ziarnistoœci P320
zauwa¿ono charakterystyczne zag³êbienia przedstawiaj¹ce kinematyczno-geometryczne odwzorowanie narzêdzia.
Na rysunku 2 przedstawiono uœrednione wartoœci
naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych uzyskane w badaniach eksperymentalnych dla stali 316L przed obróbk¹ mechaniczn¹.
Jako miarê rozrzutu przyjêto odchylenie standardowe. Na podstawie przeprowadzonych badañ oraz
analizy stwierdzono, ¿e obci¹¿enie cieplne (szoki termiczne) jednozak³adkowego po³¹czenia klejowego powoduje zwiêkszenie rozrzutów uzyskanych wyników
badañ zarówno dla kleju Hysol 9484 jak i dla kleju Hysol 3421. Dla kleju Hysol 3421 uzyskano o 25% wiêksze
naprê¿enia œcinaj¹ce w stosunku do próbek wykonanych przy u¿yciu kleju Hysol 9484 – próbki przed zmêczeniem cieplnym.
Na rysunku 3 przedstawiono przyk³adowe przebiegi
naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych z wykorzystaniem kleju Hysol 9484 dla
stali 316L przed obróbk¹ mechaniczn¹ oraz przed zmêczeniem cieplnym.
Rys. 4. Przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych (klej Hysol 9484) dla stali 316L przed obróbk¹
mechaniczn¹ oraz po szokach termicznych
129
Rys. 5. Naprê¿enie œcinaj¹ce uzyskane w badaniach eksperymentalnych dla próbek wykonanych ze stali 316L po obróbce mechanicznej
Rysunek 4 przedstawia przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych z wykorzystaniem kleju Hysol 9484 dla stali 316L
przed obróbk¹ mechaniczn¹, po zmêczeniu cieplnym.
Rysunki 3, 4 oraz 6 i 7 przedstawiaj¹ fragment raportu
generowanego przez interfejs programowy maszyny
wytrzyma³oœciowej Zwick/Roell Z 150. Opis osi x na
przedstawionych rysunkach (wyd³u¿enie w mm) odnosi
siê do przemieszczenia trawersy.
Na podstawie przeprowadzonych badañ oraz analizy
uzyskanych wyników stwierdzono, ¿e wyd³u¿enie (przemieszczenie trawersy) przy zniszczeniu jednozak³adkowych po³¹czeñ klejowych (klej Hysol 9484) dla stali 316L
przed obróbk¹ mechaniczn¹ po szokach termicznych
wzros³o o oko³o 15% w stosunku do próbek przed szokami termicznymi.
Rysunek 5 przedstawia uœrednione wartoœci naprê¿eñ
œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych uzyskane w badaniach eksperymentalnych dla stali
316L po obróbce mechanicznej.
Po przeprowadzonej analizie uzyskanych wyników
badañ stwierdzono, w przypadku kleju Hysol 9484, spadek wartoœci œredniej naprê¿enia œcinaj¹cego po zmêczeniu cieplnym w stosunku do próbek przed zmêczeniem
cieplnym, spadek ten wynosi³ oko³o 30%.
Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych z wykorzystaniem kleju Hysol 9484
Rys. 6. Przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych (klej Hysol 9484) dla stali 316L po obróbce
mechanicznej oraz przed szokami termicznymi
130
Rys. 7. Przyk³adowe przebiegi naprê¿eñ œcinaj¹cych w jednozak³adkowych po³¹czeniach klejowych (klej Hysol 9484) dla stali 316L po obróbce
mechanicznej oraz po szokach termicznych
dla stali 316L po obróbce mechanicznej oraz przed i po
zmêczeniu cieplnym.
Na podstawie przeprowadzonych badañ stwierdzono znacznie wiêksze rozrzuty w wartoœciach wyd³u¿enia (przemieszczenie trawersy) przy zniszczeniu
jednozak³adkowych po³¹czeñ klejowych (klej Hysol
9484) dla stali 316L po obróbce mechanicznej i po szokach termicznych w stosunku do próbek przed szokami termicznymi. Rozrzut ten mieœci³ siê w przedziale
(0,4-0,83) mm.
4. WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badañ mo¿na sformu³owaæ nastêpuj¹ce, wa¿niejsze wnioski:
1. Stwierdzono wzrost wartoœci swobodnej energii
powierzchniowej dla stali 316L po obróbce mechanicznej
narzêdziem nasypowym o ziarnistoœci P320 w stosunku
do wartoœci SEP przed obróbk¹ mechaniczn¹, wzrost ten
wynosi³ ok. 22%.
2. Interesuj¹cy jest ponad dwukrotny wzrost sk³adowej polarnej SEP po obróbce mechanicznej narzêdziem
nasypowym o ziarnistoœci P320 w stosunku do próbek
przed obróbk¹ mechaniczn¹.
3. Z obserwacji profili chropowatoœci powierzchni
wynika, ¿e obróbka mechaniczna narzêdziami nasypowymi skutecznie rozwija analizowan¹ powierzchniê.
4. Na podstawie przeprowadzonych badañ oraz analizy uzyskanych wyników stwierdzono, ¿e obci¹¿enie
cieplne jednozak³adkowego po³¹czenia klejowego powoduje zwiêkszenie rozrzutów uzyskanych wyników badañ
zarówno dla kleju Hysol 9484 jak i dla kleju Hysol 3421.
5. Dla próbek wykonanych ze stali 316L po obróbce
mechanicznej w przypadku kleju Hysol 9484 stwierdzono spadek wartoœci œredniej naprê¿enia œcinaj¹cego po
zmêczeniu cieplnym w stosunku do próbek przed zmêczeniem cieplnym, spadek ten wynosi³ oko³o 30%.
6. Badania te wymagaj¹ kontynuacji, zarówno dla
potwierdzenia uzyskanych wyników jak te¿ rozszerzenia
o wp³yw innych zmiennych niezale¿nych.
Literatura:
[1] Blicharski M.: In¿ynieria powierzchni. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 2009.
[2] Godzimirski J.: Wytrzyma³oœæ doraŸna konstrukcyjnych po³¹czeñ klejowych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002.
[3] Godzimirski J., Komorek A.: Trwa³oœæ zmêczeniowa zak³adkowych i czo³owych po³¹czeñ klejowych. Przegl¹d Mechaniczny
nr 12/2008, s. 40 – 44.
[4] Humienny Z. (red.): Specyfikacje Geometrii Wyrobów (GPS) –
wyk³ad dla uczelni technicznych. Oficyna wydawnicza PW,
2001, s. 540.
[5] K³onica M., Kuczmaszewski J.: Badania porównawcze wytrzyma³oœci na œcinanie zak³adkowych po³¹czeñ klejowych po oczyszczaniu mechanicznym i ozonowaniu. Technologia i Automatyzacja Monta¿u 4/2011, s. 45-48.
[6] K³onica M., Kuczmaszewski J., Ozonek J.: Ocena porównawcza w³aœciwoœci energetycznych warstwy wierzchniej stopu tytanu. In¿ynieria materia³owa. Nr 5 (171) 2009 s. 396-399.
[7] Kuczmaszewski J.: Fundamentals of metal-metal adhesive joint
design. Politechnika Lubelska. Oddzia³ PAN w Lublinie,
2006.
[8] ¯enkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstw wierzchniej
tworzyw wielkocz¹steczkowych. WNT, Warszawa 2000.
[9] Karta technologiczna produktu firmy Loctite – Hysol 9484
z dnia lipiec 2003 roku.
[10] Karta technologiczna produktu firmy Loctite – Hysol 3421
z dnia 24 styczeñ 2003 roku.
Wp³yw rodzaju poliuretanu na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu o strukturze IPN na bazie ¿ywicy epoksydowej
131
1, Anita
1,
Marcin KOSTRZEWA
KOSTRZEWA,1*Mohamed
, MohamedBAKAR,
BAKARAnita
BIA£KOWSKA,
BIA£KOWSKAZbigniew
PAWELEC, Jowita SZY2
1
MAÑSKA
Zbigniew PAWELEC , Jowita SZYMAÑSKA
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu, WMTiW, Katedra Technologii Materia³ów Organicznych
Instytut Technologii Eksploatacji, Zak³ad Technologii Proekologicznych, Radom
1
2
Wp³yw rodzaju poliuretanu na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu o strukturze
IPN na bazie ¿ywicy epoksydowej
Streszczenie. Praca zawiera wyniki badañ nad modyfikacj¹ ¿ywicy epoksydowej przez zastosowanie dodatku poliuretanów otrzymanych z MDI lub PMDI oraz polioksypropylenotriolu (Rokopol 1003) w celu otrzymania kompozytów o strukturze IPN i osnów materia³ów kompozytowych o poprawionych w³aœciwoœciach wytrzyma³oœciowych. Poliureatany by³y dodawane w iloœci 5-20% wag., dla otrzymanych w ten sposób materia³ów oznaczono
w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe: udarnoœæ, wspó³czynnik krytycznej intensywnoœci naprê¿eñ (KC), odpornoœæ na
trójpunktowe zginanie. Badania wykaza³y, ¿e dodatek 10% wag. poliuretanu otrzymanego z PMDI i polioksypropylenotriolu (Rokopol 1003) do ¿ywicy epoksydowej pozwalaj¹ uzyskaæ materia³ o znacznie poprawionych w³aœciwoœciach mechanicznych.
EFFECT OF POLYURETHANE TYPE ON MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITES BASED ON
EPOXY RESIN WITH IPN STRUCTURE
Summary. The present work investigates epoxy resin/polyurethane systems with IPN structure as composite as
well as for composite matrix preparation. Polyurethanes (PUR) were synthesized from MDI or PMDI with the
same polyol – polyoxypropylenetriol (Rokopol 1003). Composites containing 5-20% of polyurethane were prepared
and tested. The mechanical properties of the obtained composites were characterized by means of impact strength,
critical stress intensity factor (KC), flexural stress and strain at break as well as flexural modulus composite and
energy at break. It was concluded that 10% of PMDI based PUR is sufficient to obtain composite material with significantly improved mechanical properties.
1. WSTÊP
Badania nad technologi¹ polimerów przez wiele lat
by³y ukierunkowane na odkrywaniu nowych monomerów i otrzymywaniu z nich nowych polimerów. Obecnie
jednak prowadzone jest wiele prac nad modyfikacj¹ istniej¹cych ju¿ polimerów np.: przez tworzenie uk³adów
polimerów: dwu- i wielosk³adnikowych. Takie „mieszaniny polimerowe” mog¹ byæ traktowane jako materia³
kompozytowy lub stanowiæ osnowy do produkcji kompozytów. Kompozyty posiadaj¹ wiele zalet w porównaniu z polimerami bazowymi i kopolimerami. Odpowiedni dobór komponentów pozwala na zwiêkszenie wytrzyma³oœci mechanicznej, stabilnoœci, ognioodpornoœci oraz
polepszenie w³aœciwoœci elektrycznych [1].
Interesuj¹ce wydaj¹ siê uk³ady typu IPN, czyli przenikaj¹cych siê sieci polimerowych. Jednak idealne struktury IPN nie wystêpuj¹. Mo¿na w nich zaobserwowaæ fragmenty kopolimerów szczepionych, a tak¿e wi¹zania kowalencyjne, które wystêpuj¹ miêdzy sieciami. Miêdzy
niektórymi sieciami wystêpuj¹ tak¿e wi¹zania wodorowe, asocjacje jonowe czy wspólne domeny krystaliczne
[2]. Czêsto uk³ady polimerów s¹ niemieszalne, dlatego
podczas syntezy IPN zachodzi mikroseparacja. W wyniku jej tworzy siê uk³ad dwufazowy. Ka¿da faza zbudowana jest z jednego rodzaju polimeru tworz¹cego sieæ.
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badañ nad
uk³adami ¿ywica epoksydowa – poliuretan. Poliuretany
s¹ grup¹ polimerów o najbardziej wszechstronnych w³aœ-
ciwoœciach. Charakteryzuj¹ siê dobr¹ elastycznoœci¹, nawet przy du¿ej twardoœci, wyj¹tkow¹ odpornoœci¹ na
rozdzieranie i œcieranie oraz odpornoœci¹ chemiczn¹ i na
promieniowanie UV. W³aœciwoœci poliuretanów zale¿ne
s¹ od wielkoœci i rodzaju segmentów elastycznych
i sztywnych, iloœci wi¹zañ wodorowych, stopnia spl¹tania ³añcuchów oraz wzajemnej orientacji segmentów.
Z tych wzglêdów podejmowane s¹ próby zastosowania
ich jako modyfikatory polimeryczne m.in. do ¿ywic epoksydowych.
Harani i wspó³pracownicy badali przy³¹czenie poliuretanu (oligoester zakoñczony fragmentem diizocyjanianu toluilenu – TDI) do ¿ywicy epoksydowej (EP). Stopieñ przereagowania grup -NCO zbadano metod¹ FTIR.
Badania pokaza³y, ¿e udarnoœæ EP sieciowanej poliamin¹
by³a 3-krotnie wiêksza ni¿ udarnoœæ niezmodyfikowanej
¿ywicy. ¯ywica zawieraj¹ca 40 % mas. PUR i dodatkowo
sieciowana zwi¹zkami hydroksylowymi posiada³a udarnoœæ 7 razy wiêksz¹ od niezmodyfikowanej ¿ywicy [3].
Zwiêkszyæ stopieñ przereagowania ¿ywicy z poliuretanem mo¿na stosuj¹c inne grupy reaktywne ni¿ grupy
izocyjanianowe. Wang i Chen modyfikowali prepolimery
uretanowe wprowadzaj¹c do nich hydroksylowe, aminowe lub bezwodnikowe. Przy 15 % zawartoœci poliuretanu
(PUR) uzyskano 5-krotny wzrost udarnoœci w odniesieniu do EP nie zmodyfikowanej i PUR z grupami –OH,
2-krotny wzrost udarnoœci dla PUR z grupami odpowiedniego bezwodnika oraz 3-krotny wzrost udarnoœci dla
PUR z grupami NH2 [4].
132
Marcin KOSTRZEWA, Mohamed BAKAR, Anita BIA£KOWSKA, Zbigniew PAWELEC, Jowita SZYMAÑSKA
Tabela 1. Sk³ad poliuretanu oraz czas jego ¿elowania (w temp. 5–10 °C)
Izocyjaniany [g]
Poliol [g]
Toluen [cm3]
PUR-MDI/R1003
50
15,17
4
0,1
15
PUR-PMDI/R1003
50
21,25
-
0,1
45
Typ poliuretanu
Pokropski wraz z wspó³pracownikami prowadzi³ badania nad wzajemnymi oddzia³ywaniami pomiêdzy ¿ywic¹ epoksydow¹ i poliuretanami. Stwierdzili, ¿e na
morfologiê, w³aœciwoœci mechaniczne i termiczne produktów maj¹ wp³yw: stosunek masowy ¿ywicy epoksydowej do poliuretanu, ciê¿ar cz¹steczkowy sk³adnika
uretanowego oraz stopieñ szczepienia miêdzy dwiema
sieciami polimerowymi [5, 6].
Bakar i wspó³pracownicy zmodyfikowali ¿ywicê epoksydow¹ poliuretanem o ró¿nym indeksie izocyjanianowym. Badania te wykaza³y, ¿e ze wzrostem zawartoœci
poliuretanu wzrasta udarnoœæ, jak równie¿, ¿e ¿ywice zawieraj¹ce poliuretan (INCO = 1,03) zakoñczony grupami
–NCO wykaza³y te¿ wiêksz¹ udarnoœæ, poniewa¿ ³añcuchy poliuretanu z ¿ywic¹ po³¹czone by³y nie tylko przez
fizyczne spl¹tanie, ale tak¿e przez wi¹zania miêdzy grupami NCO z hydroksylowymi i aminowymi [7].
Cassidy i wspó³pracownicy badali dwusk³adnikowe
przenikaj¹ce siê sieci polimerowe (IPN) zbudowane z poliuretanu i ¿ywicy epoksydowej. W badaniach tych otrzymano kompozyty z wysokim modu³em sprê¿ystoœci bez
u¿ycia nape³niaczy, które zwiêksza³yby lepkoœæ i tym samym utrudnia³y przetwórstwo [8].
Pan i wspó³pracownicy zajmowali siê okreœleniem
wp³ywu prepolimerów PUR opartych na MDI i HDMI na
w³aœciwoœci ¿ywicy epoksydowej. Wykazali, ¿e wraz ze
wzrostem stê¿enia modyfikatorów w kompozycji spada
temperatura zeszklenia, stabilnoœæ termiczna. Poprawia
siê wytrzyma³oœci na rozci¹ganie i œcinanie [9].
Zespó³ pod kierownictwem Ma bada³ reakcje sieciowania pomiêdzy ¿ywic¹ epoksydow¹ a prepolimerem
uretanowym w obecnoœci zablokowanych grup NCO za
pomoc¹ polioksypropylenodiaminy. Okaza³o siê, ¿e aromatyczne izocyjaniany takie jak MDI czy TDI, przyspieszaj¹ proces sieciowania ¿ywicy w porównaniu do np.
HDI. Dodatek izocyjanianów zwiêksza tak¿e gêstoœæ
usieciowania, przez co zmieniaj¹ siê w³aœciwoœci termiczne uzyskanych materia³ów. Ponadto zauwa¿ono, ¿e w³aœciwoœci mechaniczne otrzymanych materia³ów zale¿a³y
od zastosowanego izocyjanianu [10].
2. CZÊŒÆ EKSPERYMENTALNA
2.1. Surowce
Do przygotowania kompozytów zastosowano: ma³ocz¹steczkow¹ ¿ywicê epoksydow¹ Epidian 5 (Œrednia
M.cz. ok. 400g/mol, lepkoœæ (25°C) max 30000 mPa·s, gêstoœæ (20 °C) 1,17 g/cm3, Liczba epoksydowa 0,490-0,520
ml/100g, „Organika Sarzyna” Polska), Utwardzacz – Z1
(trietylenotetraamina, gêstoœæ (20°C) 0,979-0,985 g/cm3
„Organika Sarzyna” Polska), MDI – diizocyjanian difenylometanu (M.cz.=250,3 g/mol; temperatura topnienia =
Katalizator [cm3]
Czas ¿elowania [min]
39,5°C, temperatura wrzenia = 210°C (7 hPa) „Sigma-Aldrich” Niemcy), PMDI – polimeryczny MDI (M.cz. =
250,3-778 g/mol, temperatura wrzenia ³ 210°C (7 hPa),
lepkoœæ = 150 mPa·s, gêstoœæ (20°C) 1,8 g/cm3, „BorsodChem” Czechy), poliol – Rokopol 1003 (polioksypropylenotriol, M.cz. = 1000 g/mol, LOH=129,53, „PCC Rokita”,
Brzeg Dolny, Polska), katalizator – Dilaurynian dibutylocyny (gêstoœæ: 1,05 g/cm3, M.cz.= 631,55 g/mol, „Merck”,
Niemcy), rozpuszczalnik – Toluen, gêstoœæ: 0,87 g/cm3,
M.cz. = 92,14 g/mol, „Lach-Ner”, Czechy)
2.2. Przygotowanie kompozytu
Synteza poliuretanu. W celu otrzymania poliuretanu
do zlewki wprowadzono odpowiedni¹ iloœæ poliolu i katalizatora. Po wymieszaniu dodano odpowiedni¹ iloœæ
diizocyjanianu. Nastêpnie sk³adniki mieszano dok³adnie
przez 5 minut. Ze wzglêdu na krótki czas reakcji izocyjanianu i Rokopolu w temperaturze pokojowej podczas
mieszania stosowano ch³odzenie przy pomocy wody do
temperatury 5–10 °C. Tak przygotowane poliuretany dodawano do ¿ywicy epoksydowej. W przypadku stosowania MDI (sta³y w temperaturze pokojowej), diizocyjanioan by³ rozpuszczany w toulenie i w tej postaci dodawany
do poliolu. PMDI (ciek³y w temperaturze pokojowej) by³
dodawany bezpoœrednio do Rokpolu.
Iloœæ PMDI/MDI wyliczono ze wzoru (1):
I × GR × LOH × m
(1)
mNCO = NCO
MKOH × 1000
gdzie: INCO – indeks izocyjanianowi (równy 1,05); GR –
gramorównowa¿nik MDI/PMDI; LOH – liczba hydroksylowa poliolu (równa 129,5); m – masa poliolu – Rokopolu
1003; M – masa molowa KOH (56,1 g/mol), f – funkcyjnoœæ
PMDI/MDI (f PMDI=3; f MDI=2).
Kompozycja ¿ywica epoksydowa – poliuretan. W zlewce
umieszczono odpowiedni¹ iloœæ ¿ywicy epoksydowej do
Tabela 2. Sk³ad kompozycji
Symbol
kompozycji
¯ywica
epoksydowa [g]
Utwardzacz
[g]
Poliuretan
[g]
Zawartoœæ
poliuretanu [%]
EP0
89,3
10,7
–
0
EP-5%PUR-MDI
84,8
10,2
5
5
EP-10%PUR-MDI
80,4
9,6
10
10
EP-15%PUR-MDI
75,9
9,1
15
15
EP-20%PUR-MDI
71,4
8,6
20
20
EP-5%PUR-PMDI
84,8
10,2
5
5
EP-10%PUR-PMDI
80,4
9,6
10
10
EP-15%PUR-PMDI
75,9
9,1
15
15
EP-20%PUR-PMDI
71,4
8,6
20
20
Wp³yw rodzaju poliuretanu na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu o strukturze IPN na bazie ¿ywicy epoksydowej
której dodawano przygotowany poliuretan. Kompozycje
mieszano przy u¿yciu homogenizatora ultradŸwiêkowego Hielscher 200 UP (amplituda 100 % – 240 μm, sonotroda S3) przez 20 minut. Po ostygniêciu do kompozycji dodawano stechiometryczn¹ iloœæ utwardzacza i wylewano
do 10-gniazdowych form pokrytych œrodkiem antyadhezyjnym. Kompozyty utwardzano 24 h w temperaturze
pokojowej, a nastêpnie dotwarzano przez 3 h w 80 °C.
W ten sposób przygotowano próbki zawieraj¹ce 5–20 %
PUR. Sk³ad kompozycji zestawiono w tabeli 2.
3. REZULTATY I DYSKUSJA WYNIKÓW
Oznaczone czasy ¿elowania kompozycji wykaza³y, ¿e
dla EP-5%PUR-MDI i EP-10%PUR-MDI czasy te by³y
zbli¿one do czystej ¿ywicy epoksydowej i wynosi³y oko³o
60 minut. Natomiast kompozycje z zawartoœci¹ 15 % i
20 % PUR-MDI/R1003 mia³y d³u¿szy czas ¿elowania wynosz¹cy oko³o 90 min. By³o to spowodowane dodatkiem
toluenu, który umo¿liwi³ rozpuszczenie MDI. W przypadku dodatku PUR-PMDI/R1003 zaobserwowano, ¿e
czas ¿elowania kompozycji mala³ wraz ze wzrostem tego
rodzaju modyfikatora (odpowiednio od 55 minut dla 5%
PUR-PMDI/R1003 do 20 min dla 20% dodatku
PUR-PMDI) w porównaniu do czasu ¿elowania niezmodyfikowanej ¿ywicy epoksydowej (65 min). Skrócenie
czasu ¿elowania mog³o byæ spowodowane reakcj¹ pomiêdzy wolnymi grupami izocyjanianowymi obecnymi
w poliuretanie i grupami hydroksylowymi z ¿ywicy
epoksydowej, jak równie¿ pomiêdzy grupami -NCO
i aminowymi utwardzacza. Tworzenie tego typu wi¹zañ
pozwala na utworzenie struktury IPN z wi¹zaniami miêdzysieciowymi. Ten typ struktury powinien byæ widoczny w postaci wzmocnienia otrzymanych kompozytów.
Utwardzone kompozycje poddano badaniom wytrzyma³oœciowym takim jak udarnoœæ (metoda Charpy’ego
z karbem 1 mm, wg. ISO 179, aparat Zwick 5012), odpornoœæ na propagacjê pêkniêcia (wspó³czynnik krytycznej
intensywnoœci naprê¿eñ – KC) jak równie¿ odpornoœci na
zginanie trójpunktowe (wg ISO 178, aparat Zwick/Roell
010). Wszystkie badania przeprowadzono w temperaturze pokojowej, stosuj¹c rozstaw podpór 60 mm na próbkach prostopad³oœciennych o wymiarach 100×10×40 mm.
Wyniki badañ zestawiono w tabelach 3 i 4 jako œrednie
arytmetyczne z 5 pomiarów.
Tabela 3. Udarnoœæ i KC kompozytów
Symbol kompozycji
Udarnoœæ, kJ/m2
KC, MPa·m1/2
EP
0,8±0,1
1,2±0,1
EP-5%PUR-MDI
1,3±0,1
1,3±0,1
EP-10%PUR-MDI
1,2±0,2
1,4±0,2
EP-15%PUR-MDI
1,6±0,2
1,9±0,2
EP-20%PUR-MDI
1,4±0,2
1,4±0,1
EP-5%PUR-PMDI
1,7±0,2
2,3±0,3
EP-10%PUR-PMDI
2,5±0,3
2,6±0,2
EP-15%PUR-PMDI
2,4±0,2
2,2±0,2
EP-20%PUR-PMDI
2,3±0,2
1,5±0,1
133
Z danych w tabeli 3 widaæ, ¿e dodatek otrzymanych
poliuretanów, niezale¿nie od sk³adu, powoduje poprawê
udarnoœci ¿ywicy epoksydowej (EP), dla której wynosi
ona 0,8 kJ/m2. W przypadku kompozycji zawieraj¹cych
PUR-MDI/R1003 mo¿na zauwa¿yæ, ¿e wartoœci tego parametru oscyluj¹ w granicach 1,2–1,4 kJ/m2. Jedynie kompozyt EP-15%PUR-MDI osi¹gn¹³ wyraŸnie wiêksz¹ wartoœæ, wynosz¹c¹ 1,7 kJ/m2. Natomiast modyfikacja ¿ywicy
epoksydowej poliuretanem otrzymanym z PMDI (kompozyty EP-PUR-PMDI) spowodowa³a znaczne polepszenie udarnoœci ¿ywicy epoksydowej. Wraz ze wzrostem
zwartoœci PUR-PMDI/R1003 wzrasta udarnoœæ kompozytów i osi¹ga maksimum przy 10 % wag. tego modyfikatora (kompozyt EP-10%PUR-PMDI, U=2,5 kJ/m2). Jest to
3-krotny wzrost wartoœci w porównaniu do czystej ¿ywicy. Przy wiêkszej iloœci tego typu poliuretanu mo¿na
zaobserwowaæ, ¿e udarnoœæ kompozytów obni¿a siê.
Odpornoœæ na pêkanie to parametr, który dla kompozytów, bêd¹cych zazwyczaj materia³ami konstrukcyjnymi, jest bardzo istotny. Parametr ten okreœla siê zwykle za
pomoc¹ oznaczenia krytycznego wspó³czynnika koncentracji naprê¿eñ – KC. Oznaczanie KC przeprowadzono na
aparacie Zwick Roel Z010 stosuj¹c metodê trójpunktowego zginania na próbkach z karbem o d³ugoœci 1 mm przy
prêdkoœci zginania – 5 mm/min. Wspó³czynnik KC obliczono zgodnie ze wzorem (2):
3 × F × S × a 0 ,5
(2)
KC =
×Y
2 × b × w2
gdzie: F – si³a pêkania, S – szerokoœæ rozstawu podpór, b –
gruboœæ próbki, w – szerokoœæ próbki, a – d³ugoœæ karbu,
Y – wspó³czynnik geometryczny.
Wyniki badañ umieszczone w tabeli 3 wykazuj¹, ¿e
wszystkie kompozycje z PUR wykaza³y wartoœci KC
wiêksze od wartoœci dla ¿ywicy niezmodyfikowanej, dla
której wynosi ona 1,2 MPa·m1/2. Spoœród kompozytów zawieraj¹cych PUR-MDI/R1003, najwiêksz¹ wartoœæ 1,9
MPa·m1/2, osi¹gn¹³ kompozyt EP-15%PUR-MDI. W przypadku kompozytów zawieraj¹cych PUR-PMDI/R1003
najwiêksz¹ wartoœæ dla KC równ¹ 2,6 MPa·m1/2 osi¹gn¹³
kompozyt EP-10%PUR-PMDI.
Nastêpnie otrzymane kompozyty podano badaniom
odpornoœci na 3-punktowe zginanie. Wyniki tych badañ
zestawiono w tabeli 4.
Z danych w tabeli widaæ, ¿e w przypadku kompozycji
z PUR-PMDI/R1003 kompozyty zawieraj¹ce 5-15 % tego typu
poliuretanu, wykazuj¹ wiêksze wartoœci naprê¿enia przy
zniszczeniu od wartoœci naprê¿enia dla czystej ¿ywicy. Maksymalny wzrost naprê¿enia odnotowano dla kompozytu
EP-10%PUR-PMDI (92 MPa). Jest ono wiêksze o 50% od wartoœci naprê¿enia dla czystej ¿ywicy (60 MPa). Natomiast
zastosowanie PUR-MDI/R1003 jako modyfikatora, najlepsze
rezultaty da³o tylko w przypadku kompozytu
EP-5%PUR-MDI, dla którego zanotowano wartoœæ naprê¿enia przy zniszczeniu na poziomie 80 MPa. Pozosta³e kompozyty z wiêksz¹ zawartoœci¹ tego poliuretanu wykaza³y wartoœci naprê¿enia przy zniszczeniu niewiele wy¿sze (10-20%)
od wartoœci dla niezmodyfikowanej ¿ywicy epoksydowej,
a tym samym s¹ one znacz¹co ni¿sze od wartoœci uzyskanych
dla kompozytów z PUR-PMDI/R1003.
134
Marcin KOSTRZEWA, Mohamed BAKAR, Anita BIA£KOWSKA, Zbigniew PAWELEC, Jowita SZYMAÑSKA
Tabela 4. Wyniki zginania 3-punktowego
Symbol kompozycji
Modu³ przy zginaniu,
GPa
Naprê¿enie przy
zniszczeniu, MPa
Odkszta³cenie
przy zniszczeniu, %
Energia zniszczenia
kJ/m2
EP
3,1±0,2
59,7±3,2
1,6±0,2
5,2±0,4
EP-5%PUR-MDI
2,9±0,3
80,2±4,5
2,8±0,3
8,1±0,5
EP-10%PUR-MDI
2,5±0,2
68,7±3,9
2,6±0,2
6,2±0,6
EP-15%PUR-MDI
2,2±0,2
75,1±4,2
2,9±0,3
6,8±0,7
EP-20%PUR-MDI
2,0±0,2
73,6±5,1
3,3±0,3
10,5±0,9
EP-5%PUR-PMDI
3,0±0,2
88,3±6,2
3,2±0,3
9,9±0,6
EP-10%PUR-PMDI
3,1±0,3
92,2±6,5
3,3±0,2
10,2±0,5
EP-15%PUR-PMDI
2,8±0,2
86,5±5,8
3,5±0,3
10,1±0,7
EP-20%PUR-PMDI
2,2±0,2
67,1±4,6
2,6±0,3
6,8±0,7
Na podstawie przedstawionych danych odkszta³cenia
przy zniszczeniu mo¿na zauwa¿yæ, ¿e dodatek poliuretanów, zarówno otrzymywanych z MDI jak i PMDI, powoduje wzrost odkszta³cenia w stosunku do czystej ¿ywicy
epoksydowej. Zwi¹zane jest to ze wzrostem elastycznoœci
kompozytu wynikaj¹cym z zawartoœci giêtkich segmentów polieterowych pochodz¹cych od poliuretanu.
Energia zniszczenia materia³u podczas trójpunktowego zginania okreœla iloœæ pracy potrzebn¹ do zniszczenia
materia³u. Jak widaæ z wartoœci przedstawionych w tabeli
4, generalnie mo¿na zauwa¿yæ, ¿e dodatek poliuretanu powoduje wzrost wartoœci energii zniszczenia w porównaniu
do niezmodyfikowanej ¿ywicy. Dla kompozytu zawieraj¹cego 5 %; 10 % lub 15 % PUR-PMDI/R1003 wartoœci energii s¹ powy¿ej 10 kJ/m2 i s¹ dwukrotnie wiêksze w porównaniu do czystej ¿ywicy. Tylko w przypadku kompozytu
zawieraj¹cego 20 % PUR-PMDI/R1003 nast¹pi³ wyraŸny
spadek wartoœci energii. W przypadku poliuretanu otrzymanego z MDI, tylko kompozyt o zawartoœci 20 %
PUR-MDI/R1003 wykaza³ wartoœæ energii zniszczenia na
poziomie 10,5 kJ/m2. Œwiadczy to, ¿e poliuretan na bazie
PMDI jest zdecydowanie wydajniejszym i efektywniejszym modyfikatorem dla ¿ywicy epoksydowej.
W przypadku zale¿noœci wartoœci modu³u przy zginaniu od zawartoœci i rodzaju modyfikatora poliuretanowego, widoczna jest tendencja do obni¿ania siê wartoœci modu³u wraz ze wzrostem zawartoœci modyfikatorów poliuretanowych w porównaniu do czystej ¿ywicy, dla której
modu³ wynosi 3,1 GPa. Tylko kompozyty EP-5%PUR-MDI
oraz zawieraj¹ce 5 i 10 % PUR-PMDI/ R1003 wykazuj¹
wartoœæ modu³u na poziomie wartoœci dla niezmodyfikowanej ¿ywicy. Zaobserwowany spadek wartoœci modu³u
przy wiêkszych zawartoœciach modyfikatorów jest spowodowany plastyfikuj¹cym dzia³aniem poliuretanów na
sztywn¹ i kruch¹ matrycê z ¿ywicy epoksydowej.
4. WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badañ wytrzyma³oœciowych kompozytów zawieraj¹cych 5–20 % poliure-
tanu poliaddycyjnego otrzymanego z MDI lub PMDI
oraz Rokopolu 1003 mo¿na stwierdziæ, ¿e dodatek poliuretanów do ¿ywicy epoksydowej powoduje wyraŸny
spadek kruchoœci kompozytu, potwierdzaj¹ to wy¿sze
wartoœci odkszta³cenia przy zniszczeniu oraz udarnoœci,
jak równie¿ spadek modu³u przy zginaniu.
Kompozyty zawieraj¹ce poliuretan PUR-PMDI/R1003
(PMDI+Rokopol 1003) wykazuj¹ znacznie lepsze w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe, co œwiadczy ¿e ten typ poliuretanu mo¿e byæ stosowany jako efektywny modyfikator
¿ywicy epoksydowej.
Dodatek poliuretanu PUR-PMDI/R1003 nie wiêkszy
ni¿ 10 % wag. jest wystarczaj¹cy, aby otrzymaæ kompozyt
o najlepszych w³aœciwoœciach mechanicznych, a zaobserwowany efekt wzmocnienia mo¿e byæ wynikiem utworzenia struktury IPN w uk³adzie ¿ywica epoksydowa/poliuretan.
BIBLIOGRAFIA
[1] Hatsuo I., Characterization of Composite Materials, (p.p.250),
ISBN 978-1-60650-193-1, Momentum Press, New York, USA
2010.
[2] Rabek J. F., Wspó³czesna wiedza o polimerach, PWN, Warszawa, 2009.
[3] Harani H., Fellahi S., Bakar M., Journal of Applied Polymer
Science, 1998, 70,2603.
[4] Wang H., Chen J., J. Appl. Polym. Sci., 1995, 57, 671.
[5] Pokropski T., Balas A., Polimery, 2003, 48, 9.
[6] Pokropski T., Balas A., Prace Naukowe Instytutu Technologii Organicznej i Tworzyw Sztucznych Politechniki Wroc³awskiej, Konferencje, Wroc³aw 2001.
[7] Bakar M., Duk R., Kostrzewa M., J. Reinf. Plast. Compos.
2009, vol 28, no 17, p 2107-2118.
[8] Cassidy E.F., Frisch H. L., Xiao H. X., Frisch K. C., Journal of
Elastomers and Plastics, 1984, 16, 84.
[9] Pan C.Y., QI., L.W., Liu Y., Eur. Polym., 1999, vol 35, no 10,
p 1813-1819.
[10] Ma C., Li M., Wu Y., Su Y., J. Apple. Polym. Sci, 1996, 62, 523.
135
Rozdzia³ mieszanin polipropylenu z polistyrenem na separatorze ig³owym
Krzysztof KRÓLIKOWSKI
KRÓLIKOWSKI,1,Kazimierz
KazimierzPISZCZEK
PISZCZEK1
Zak³ad Technologii Polimerów, Wydzia³ Technologii i In¿ynierii Chemicznej,
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
Streszczenie. Recykling materia³owy jest preferowan¹ form¹ zagospodarowania odpadów termoplastycznych tworzyw polimerowych. Nieroz³¹cznym etapem takiego recyklingu jest separacja na jednorodne frakcje materia³owe.
Proces ten jest niezbêdny ze wzglêdu na zró¿nicowane w³aœciwoœci odpadów tworzywowych. W pracy przedstawiono wyniki rozdzia³u mieszanin tworzyw polimerowych PP/PS na podstawie ró¿nicy w twardoœci. Zbadano wp³yw
prêdkoœci obrotowej oraz si³y nacisku igie³ na skutecznoœæ separacji. Zbadano wp³yw udzia³u masowego tworzyw
PP/PS na dok³adnoœæ oraz efektywnoœæ separacji.
SEPARATION OF POLYPROPHYLENE WITH POLYSTYRENE ON THE NEEDLE SEPARATOR
Abstract. Material recycling is a preferred form of thermoplastic polymer management. An inseparable stage of the
recycling involves separation into homogenous material fractions. The process is necessary due to diversified properties of plastic waste. This paper presents results of separation of PP/PS polymer plastic mixtures with respect to
differences in their hardness. The author tested influence of rotating speed and needle pressure force upon effectiveness of the separation. The author also tested the weight share of PP/PS plastics upon accuracy and effectiveness of
the separation.
1. Wprowadzenie
Recykling materia³owy (mechaniczny) jest preferowan¹ metod¹ zagospodarowania odpadów tworzyw polimerowych. W celu doprowadzenia odpadów do postaci
jednorodnego materia³u w procesie recyklingu materia³owego niezbêdne jest wykonanie szeregu operacji jednostkowych takich jak: oczyszczanie wstêpne, sortowanie,
rozdrabnianie, mycie, suszenie. Niew¹tpliwie najbardziej
k³opotliwym etapem jest sortowanie (separacja), w którym z mieszaniny wyodrêbniane s¹ oddzielne rodzaje
tworzyw. Koniecznoœæ prowadzenia tego procesu wynika
z niemieszalnoœci termodynamicznej wiêkszoœci par polimerów. Du¿a ró¿norodnoœæ tworzyw powoduje ci¹g³e
udoskonalanie obecnych metod oraz poszukiwanie nowych sposobów separacji. Zastosowanie tylko jednej
technologii rozdzia³u na ogó³ nie pozwala na dok³adne
rozdzielenie strumienia odpadów. Czêsto niezbêdne jest
wiêc ³¹czenie ró¿nych technik rozdzia³u. Technologie sortowania odpadów polimerowych uwzglêdniaj¹ce miejsce
powstawania i sposób pozyskiwania dzieli siê na: mechaniczne, rêczne, zautomatyzowane (dziêki zastosowaniu
zespo³u urz¹dzeñ rozpoznaj¹cych oraz wychwytuj¹cych
odpowiednie tworzywa z rozdzielanej mieszaniny) [1÷8].
Aby rozdzia³ mieszanin na poszczególne frakcje by³ mo¿liwy niezbêdne jest ich rozpoznawanie (identyfikacja)
podczas trwania procesu. Do najbardziej rozpowszechnionych metod rozdzia³u zalicza siê metody gêstoœciowe,
w których do identyfikacji wykorzystuje siê ró¿nice gêstoœci materia³ów polimerowych.
Now¹ technik¹ rozdzia³u odpadów tworzyw polimerowych jest sposób separacji, w którym wykorzystywane
s¹ ró¿nice twardoœci rozdzielanych tworzyw. Rozdzia³
mieszanin na poszczególne strumienie materia³owe odbywa siê w uk³adzie walców z³o¿onym z walca transportuj¹cego (dolnego) oraz przebijaj¹cego (górnego) [9].
Cz¹stki mieszaniny o mniejszej twardoœci wychwytywane s¹ przez specjalnie wyprofilowane ig³y zamontowane
na walcu górnym. Wychwycone cz¹stki s¹ odrywane
przez uk³ad zgarniaczy i kierowane do pojemnika. Tworzywa o wiêkszej twardoœci pozostaj¹ na walcu dolnym
i s¹ przenoszone do innego pojemnika. Si³ê nacisku igie³
przebijaj¹cych mo¿na regulowaæ metod¹ pneumatyczn¹.
Separator ig³owy cechuje krótki czas detekcji. Do identyfikacji tworzyw wykorzystywane s¹ ig³y, które jednoczeœnie realizuj¹ rozdzia³ mieszaniny. Urz¹dzenie jest nieczu³e na zanieczyszczenia powierzchniowe. Warunkiem skutecznego rozdzia³u jest doprowadzenie tworzywa w jednej warstwie, przy czym cz¹stki mieszaniny musz¹ byæ
luŸno rozmieszczone na taœmie transportera.
Celem niniejszej pracy by³o okreœlenie skutecznoœci
separacji modelowych mieszanin tworzyw polimerowych (mieszanina polipropylenu i polistyrenu) na podstawie ró¿nicy ich twardoœci z u¿yciem prototypowego
separatora ig³owego.
2. Czêœæ doœwiadczalna
2.1. Mieszaniny u¿yte do badañ
W przeprowadzanych badaniach wykorzystano nastêpuj¹ce materia³y: polipropylen (PP) o twardoœci 47°ShD
i polistyren (PS) o twardoœci 85°ShD oraz ich mieszaniny.
Cz¹stki rozdzielanych tworzyw mia³y postaæ nieregular-
Tab. 1. Sk³ad mieszanin, % wag.
Symbol
Sk³ad
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
PP
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PS
90
80
70
60
50
40
30
20
10
136
Krzysztof KRÓLIKOWSKI, Kazimierz PISZCZEK
nych p³ytek o wymiarach oko³o 18 × 18 mm powsta³ych
z pociêcia wyprasek o gruboœci 2 mm. Mieszaniny przygotowano poprzez mechaniczne wymieszanie PP i PS
w proporcjach przedstawionych w tabeli 1.
2.2. Metodyka badañ
Badania separacji prowadzono na prototypowym stanowisku badawczym przedstawionym na (rys. 1). Na
(rys. 2) przedstawiono walec rozdzielaj¹cy (górny) o
œrednicy 192 mm wyposa¿ony w trzy rzêdy igie³ z pneumatyczn¹ regulacj¹ si³y nacisku. Odleg³oœæ miêdzy ig³ami wynosi³a 14 mm, odleg³oœæ miêdzy rzêdami 12 mm.
ES =
mS
× 100%
mMS
(2)
gdzie: efektywnoœæ separacji sk³adnika S, mS – masa
sk³adnika S znajduj¹cego siê we frakcji z dominuj¹cym
udzia³em tego sk³adnika, mMS – masa sk³adnika S znajduj¹cego siê w mieszaninie poddawanej separacji.
Stosuj¹c mieszaninê M5 (50/50) okreœlono wp³yw si³y
nacisku igie³ przy sta³ej prêdkoœci obrotowej walców 12
obr·min-1 na dok³adnoœæ oraz efektywnoœæ separacji.
Okreœlono te¿ wp³yw prêdkoœci obrotowej walców przy
sta³ej sile nacisku igie³ wynosz¹cej 150 N/mm2. Wp³yw
udzia³u masowego tworzyw w mieszaninach PP/PS na
dok³adnoœæ oraz efektywnoœæ separacji badano stosuj¹c
sta³¹ si³ê nacisku igie³ 150 N/mm2 i sta³¹ prêdkoœæ obrotow¹ walców 12 obr·min-1.
3. Wyniki badañ
Wp³yw si³y nacisku igie³ na efektywnoœæ rozdzia³u PP
(EPP) i PS (EPS) przedstawiono na (rys. 3), a na dok³adnoœæ
rozdzia³u PP (DPP) i PS (DPS) przedstawiono na (rys. 4).
Stwierdzono, ¿e najwiêksz¹ efektywnoœæ a tak¿e dok³adnoœæ wynosz¹c¹ 100% dla obu sk³adników mieszaniny
uzyskano przy sile nacisku igie³ równej 150 N/mm2.
Wzrost si³y nacisku powoduje nieznaczne obni¿enie tej
Rys. 1. Prototypowy rozdzielacz ig³owy
Rys. 3. Wp³yw si³y nacisku igie³ na efektywnoœæ rozdzia³u PP (EPP) i PS
(EPS)
Rys. 2. Walec rozdzielaj¹cy
Mieszaninê (0,6 kg) wprowadzano do leja zasypowego
rozdzielacza i w³¹czano napêd urz¹dzenia. Po zakoñczonym teœcie wa¿ono otrzymane frakcje oraz, po rêcznym
wydzieleniu, udzia³ pozosta³oœci PS w PP i pozosta³oœci
PP w PS.
Jako kryteria oceny skutecznoœci rozdzia³u przyjêto
dok³adnoœæ i efektywnoœæ separacji opisane wzorami:
m
(1)
DS = S × 100%
mFS
gdzie: DS – dok³adnoœæ separacji sk³adnika S, mS – masa
sk³adnika S znajduj¹cego siê we frakcji z dominuj¹cym
udzia³em tego sk³adnika, mFS – ca³kowita masa frakcji
z dominuj¹cym udzia³em sk³adnika S;
oraz
Rys. 4. Wp³yw si³y nacisku igie³ na dok³adnoœæ rozdzia³u PP (DPP) i PS
(DPS)
137
wartoœci. Spowodowane jest to zaczepianiem twardszych
elementów PS na ig³ach walca rozdzielaj¹cego w wyniku
czego elementy o wiêkszej twardoœci przenoszone by³y
do pojemnika z mniej twardymi cz¹stkami PP.
Natomiast gdy wartoœæ si³y nacisku igie³ wynosi od
50–100 N/mm2 obserwuje siê ma³¹ dok³adnoœæ rozdzia³u
w przypadku frakcji PS. Z powodu niewystarczaj¹cej si³y
wywieranej przez ig³y cz¹stki PP o mniejszej twardoœci
nie by³y wychwytywane i w efekcie trafia³y do pojemnika
z PS. Wp³yw prêdkoœci obrotowej walców na efektywnoœæ rozdzia³u PP (EPP) i PS (EPS) przedstawiono na
(rys. 5), a na dok³adnoœæ rozdzia³u PP (DPP) i PS (DPS) na
(rys. 6).
Z zale¿noœci przedstawionych na (rys. 5 i 6) wynika,
¿e najwiêksz¹ dok³adnoœæ oraz efektywnoœæ separacji
mieszanin PP/PS uzyskano przy prêdkoœci obrotowej
12 obr·min-1. Dalszy wzrost prêdkoœci prowadzi do obni¿enia dok³adnoœci oraz efektywnoœci separacji. Prawdopodobnie spowodowane jest to drganiami powstaj¹cymi
na taœmie transportuj¹cej mieszaninê, co mo¿e skutkowaæ
nawarstwianiem rozdzielanych p³ytek tak, ¿e cz¹stki PP
o mniejszej twardoœci mog¹ byæ zas³oniête twardszymi
polistyrenowymi uniemo¿liwiaj¹c PP zaczepienie na ig³ach. Innym powodem mo¿e byæ zbyt szybkie przechodzenie igie³ po rozdzielanych elementach mieszaniny
Rys. 7. Wp³yw sk³adu mieszanin na dok³adnoœæ rozdzia³u PP (DPP) i PS
(DPS)
Rys. 8. Wp³yw sk³adu mieszanin na efektywnoœæ rozdzia³u PP (EPP)
i PS (EPS)
Rys. 5. Wp³yw prêdkoœci obrotowej walców na efektywnoœæ rozdzia³u
PP (EPP) i PS (EPS)
przez co niektóre jej sk³adniki nie trafia³y na ig³y rozdzielaj¹ce. Wp³yw sk³adu mieszanin na dok³adnoœæ i efektywnoœæ rozdzia³u przedstawiono na (rys. 7 i 8).
Z uzyskanych wyników separacji mieszanin PP/PS
o ró¿nych udzia³ach masowych wynika, ¿e dok³adnoœæ
oraz efektywnoœæ separacji praktycznie nie zale¿y od
sk³adu rozdzielanej mieszaniny. Oznaczone wartoœci
wskaŸników EPP, EPS oraz DPP i DPS ró¿ni¹ siê maksymalnie
o 0,7%. Warunkiem koniecznym do uzyskania skutecznego rozdzia³u jest zapewnienie pojedynczej warstwy tworzywa przekazywanej transporterem do uk³adu rozdzielaj¹cego separatora.
4. Podsumowanie
Rys. 6. Wp³yw prêdkoœci obrotowej walców na dok³adnoœæ rozdzia³u PP
(DPP) i PS (DPS)
Stwierdzono, ¿e do rozdzia³u mieszaniny dwóch polimerów o ró¿nej twardoœci mo¿na zastosowaæ separator
ig³owy. Uzyskane wyniki rozdzia³u mieszanin PS/PP dowodz¹ ogólnej poprawnoœci rozwi¹zañ konstrukcyjnych
prototypowego separatora ig³owego. Najwiêksz¹ dok³adnoœæ oraz efektywnoœæ separacji sk³adników mieszanin PS/PP uzyskano przy sile nacisku igie³ 150 N/mm2
oraz prêdkoœci obrotowej wynosz¹cej 12 obr·min -1. Wraz
ze wzrostem prêdkoœci obrotowej walców powy¿ej
12 obr·min -1 obserwuje siê nieznaczne zmniejszenie dok³adnoœci oraz efektywnoœci separacji. Zmienny udzia³
138
Krzysztof KRÓLIKOWSKI, Kazimierz PISZCZEK
masowy PP i PS w mieszaninach nie wp³ywa na efektywnoœæ oraz dok³adnoœæ rozdzia³u.
5.
Literatura
6.
1.
2.
3.
4.
Kijeñski J., B³êdzki A. K., Jeziórska R.: Odzysk i recykling materia³ów polimerowych, PWN, Warszawa 2011, 64-67.
Królikowski K., Piszczek K., ¯uk T.: Rozdzia³ mieszanin tworzyw polimerowych o ró¿nej twardoœci, In¿ynieria i Aparatura
Chemiczna, 2014, 2, 91-92.
Zinowicz Z., Go³êbiewski J., Œwiæ A.: Technologiczne problemy
zagospodarowania odpadów tworzyw polimerowych, Wydawnictwo Uczelniane, Lublin 2003, 201-206.
„Praca zbiorowa pod red. Koz³owski M., Rydarowski H.”:
Recykling odpadów polimerowych z elektroniki i pojazdów, WNT,
Warszawa 2012, 26-30.
7.
8.
9.
¯enkiewicz M., ¯uk T., Królikowski K.: Metody sortowania
odpadów tworzyw polimerowych, Przetwórstwo Tworzyw
2012, 6 (150), 692-698.
„Praca zbiorowa pod red. Koz³owski M.”: Podstawy recyklingu tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 1998, 409-418.
„Praca zbiorowa pod red. B³êdzki A. K.”: Recykling materia³ów polimerowych, WNT, Warszawa 1997, 36-40.
„Praca zbiorowa pod red. Koz³owski M.”: Recykling tworzyw
sztucznych w Europie, Wydawnictwo Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 2006, 138-140.
Królikowski K., Piszczek K., ¯uk T., Tomaszewska J.: Zg³oszenie patentowe, Sposób i urz¹dzenie do separacji mieszanin
tworzyw polimerowych, Urz¹d Patentowy RP nr P.405364,
2013.
Zastosowanie ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 jako osnowy w kompozytach magnetycznych
139
Marcin NABIA£EK
Politechnika Czêstochowska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji i Technologii Materia³ów
Zastosowanie ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 jako osnowy w kompozytach
magnetycznych
Streszczenie. W pracy przedstawiono przyk³adowe wyniki badañ w³aœciwoœci magnetycznych oraz struktury
kompozytów zbudowanych z ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 oraz amorficznego wype³niacza o w³aœciwoœciach
magnetycznych magnetycznie miêkkich. Na podstawie analizy badañ struktury wykonanych za pomoc¹ dyfraktometru rentgenowskiego mo¿na stwierdziæ, ¿e badane kompozyty posiada³y strukturê amorficzn¹, co w rezultacie
jest potwierdzeniem amorficznoœci metalicznego wype³niacza. Podstawowe parametry opisuj¹ce materia³ magnetycznie miêkkie, tj. magnetyczna polaryzacja oraz pole koercji w badanych kompozytach zmieniaj¹ siê w zale¿noœci
od iloœci diamagnetycznego lepiszcza lub frakcji stosowanego wype³niacza. W przypadku kompozytów magnetycznych ju¿ niewielka iloœæ diamagnetycznej ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 jest powodem gwa³townego pogorszenia parametrów magnetycznie miêkkich.
THE USE OF EPOXY RESIN EPIDIAN 100 AS MATRIX IN MAGNETIC COMPOSITES
Summary. The paper presents an example of the results of the magnetic properties and structure of composites
made of epoxy resin Epidian 100 and amorphous filler with magnetically soft magnetic properties. From the structure analysis made using the X-ray diffractometer can be concluded, that the examined composites had an amorphous structure, which in turn confirms the amorphous content of the filler metal. The basic parameters describing
the soft magnetic material, i.e. magnetic polarization and the coercive field in the studied composites vary depending
on the amount of binder or on diamagnetic fraction of the filler used. In the case of magnetic composites even a small
quantity of Epidian 100 diamagnetic epoxy resin causes rapid deterioration of soft magnetic parameters.
1. WPROWADZENIE
Materia³y kompozytowe stanowi¹ jedn¹ z najliczniejszych grup materia³ów, które stosowane s¹ z powodzeniem w wielu ga³êziach przemys³u [1, 2]. Kompozyty nale¿y klasyfikowaæ ze wzglêdu na ich sposób wytworzenia
i zastosowany wype³niacz [3]. Generalnie dzieli siê je na
trzy grupy: kompozyty warstwowe, kompozyty w³ókniste oraz kompozyty ziarniste [3, 4]. Ostatnia z tych grup
kompozytów daje mo¿liwoœæ wytworzenia tzw. kompozytów magnetycznych. Du¿¹ zalet¹ kompozytów proszkowych jest ich dobra formowalnoœæ, co daje mo¿liwoœæ
wytwarzania próbek zamkniêtych (np. toroidów).
W przypadku kompozytów magnetycznych istotnym
czynnikiem jest mo¿liwoœæ zamkniêcia obiegu strumienia
magnetycznego. W rdzeniach magnetycznych korzystnym jest upakowanie jak najwiêkszej iloœci wype³niacza
magnetycznego, który jest spajany przy u¿yciu ró¿nego
rodzaju ¿ywic [5, 6]. Maksymalna iloœæ magnetycznego
wype³niacza w kompozycie jest czynnikiem decyduj¹cym o jego dobrych w³aœciwoœciach magnetycznych,
a w szczególnoœci magnetycznie miêkkich. Dobrze przebadan¹ i nadaj¹c¹ siê jako lepiszcze kompozytów magnetycznych jest ¿ywica epoksydowa Epidan 100. ¯ywica ta
po wymieszaniu z acetonem i póŸniejszym jego odparowaniu dobrze wi¹¿e cz¹stki wype³niacza. W procesie
cieplno-chemicznego utwardzania nadawane s¹ kompozytowi jego w³aœciwoœci mechaniczne. W przypadku
kompozytów magnetycznych w³aœciwoœci mechaniczne
nie s¹ najbardziej istotne. W magnetycznych kompozytach proszkowych to w³aœciwoœci u¿ytkowe tj. przenikal-
noœæ, pole koercji, czy magnetyczna polaryzacja maj¹ najwiêksze znaczenie. Coraz czêœciej kompozyty magnetyczne proszkowe u¿ywane s¹ do budowy magnetowodów w urz¹dzeniach elektrycznych [7, 8]. ¯ywica epoksydowa Epidian 100 jest jedn¹ z wielu jakie mo¿na stosowaæ do spajania cz¹stek magnetycznego proszku. Innymi materia³ami spajaj¹cymi magnetyczne proszki, które
dobrze nadaj¹ siê do wytwarzania kompozytów magnetycznych s¹: Amicon SE 617, Araldit K-600, czy ¿ywica
Epoksydowa Epidian 101. Kompozyty proszkowe magnetyczne nale¿y dzieliæ ze wzglêdu na technologie ich
wykonania na: spieki oraz dielektromagnetyki i magnetodielektryki [9]. W zale¿noœci od oczekiwanych w³aœciwoœci metaliczny wype³niacz w kompozycie mo¿na odprê¿aæ lub doprowadziæ do jego nanokrystalizacji lub
krystalizacji. Od prawie 30 lat produkowane s¹ magnetowody kompozytowe spiekane na bazie ¿elazowego wype³niacza. W ostatnich kilkunastu latach wzros³o znacznie zainteresowanie kompozytami magnetycznymi typu
dielektromagnetyk. W dielektromagnetykach metaliczne
cz¹stki s¹ izolowane dielektrykiem w postaci ¿ywicy np.
Epidian 100, co znacz¹co wp³ywa na poprawê ich stratnoœci dieletrycznej i zwiêkszon¹ rezystywnoœæ. Niestety
dielektryczna otoczka cz¹stek magnetycznych wp³ywa
negatywnie na takie parametry jak magnetyczna polaryzacja nasycenia, przenikalnoœæ, czy pole koercji. W przypadku kompozytów z amorficznym wype³niaczem magnetycznym o w³aœciwoœciach magnetycznie miêkkich
mo¿na je stosowaæ przy szybkich cyklach przemagnesowania czego nie da³o siê wykonaæ dla spieków. Generalnie dla tego rodzaju kompozytów istnieje mo¿liwoœæ trój-
140
Marcin NABIA£EK
wymiarowego rozk³adu strumienia magnetycznego
w magnetowodzie, formowanie skomplikowanych
kszta³tów niewykonalnych z blach transformatorowych,
pominiêcie wielu procesów technologicznych podczas
wytwarzania magnetowodu, uzyskania du¿ych oszczêdnoœci w produkcji oraz ³atwego recyklingu. Obecnie kreowane jest d¹¿enie do globalnej miniaturyzacji, co sprzyja
rozwojowi magnetowodów kompozytowych. Nowoczesne urz¹dzenia specjalnego wykonania pracuj¹ przy du¿ych czêstotliwoœciach, co równie¿ jest czynnikiem wp³ywaj¹cym na gwa³towny rozwój magnetycznych kompozytów. Zgodnie z wprowadzonymi dyrektywami unijnymi odnoœnie recyklingu elementów elektrotechnicznych
kompozyty magnetyczne osi¹gnê³y przewagê w stosunku do komercyjnie wytwarzanych rdzeni magnetycznych.
W pracy przedstawiono przyk³adowe wyniki badañ
struktury oraz w³aœciwoœci magnetycznych dla próbek
kompozytów z magnetycznym wype³niaczem o strukturze amorficznej i ró¿nym udziale ¿ywicy epoksydowej
Epidian 100.
zrobiono dwadzieœcia prób przy sile nacisku 980,7 mN
i czasie 6 s. Skrajne wartoœci zosta³y odrzucone, a z pozosta³ych obliczono wartoœæ œredni¹. B³¹d pomiaru mieœci³
siê w zakresie ±12HV100.
Pomiary magnetyczne zale¿noœci M-H wykonano
w temperaturze pokojowej przy zastosowaniu magnetometru wibracyjnego firmy LakeShore 7301. Maksymalne
natê¿enie pola magnetycznego przy jakim pracuje u¿yty
w badaniach magnetometr wibracyjny to 2 T. Na podstawie analizy statycznych pêtli histerezy magnetycznej
wyznaczono takie parametry jak: pole koercji – Hc oraz
magnetyczn¹ polaryzacjê – µ0M.
3. WYNIKI BADAÑ
Rysunek 1 przedstawia obrazy dyfrakcji promieni
Röntgena dla badanych próbek kompozytów z metalicznym wype ³ ni a c z e m ze s t o pu amo rf i c z ne go
Fe61Co10Y8Mo1B20.
2. MATERIA£Y I METODYKA BADAÑ
Wytworzone kompozyty zbudowane by³y z metalicznego amorficznego wype³niacza oraz ¿ywicy epoksydowej Epidian 100. Udzia³ procentowy wype³niacza wynosi³ od 96% do 98% resztê stanowi³o lepiszcze Epidian 100.
Wstêpny wsad do wytworzenia amorficznych p³ytek
wykonano poprzez topienie ³ukowe sk³adników stopu.
Próbki
masywnych
s topów
amorficznych
Fe61Co10Y8Mo1B20 by³y wytwarzane za pomoc¹ aparatury
badawczej, w której wykorzystywana jest metoda zasysania ciek³ego stopu do miedzianej formy. Proces produkcyjny zarówno wlewków, jak i amorficznych p³ytek wykonano w atmosferze gazu ochronnego (argonu). Amorficzne p³ytki poddano procesowi niskoenergetycznego
rozkruszania w moŸdzierzu ceramicznym, w acetonie.
Nastêpnie po osuszeniu amorficzny proszek zosta³ przesiany na zestawie sit. Wyodrêbniono kilka frakcji proszków 25÷50 μm, 50÷100 μm oraz 100÷200 μm. Do dalszych
badañ wykorzystano proszki z frakcji 100÷200 μm. Wyselekcjonowane proszki wymieszano z ¿ywic¹ epoksydow¹
Epidian 100 przy udziale acetonu. Tak¹ mieszankê po
wstêpnym osuszeniu poddano prasowaniu w prasie hydraulicznej (5 MPa w czasie 30 s).
Strukturê kompozytów magnetycznych badano z wykorzystaniem dyfrakcji promieni rentgenowskich. U¿yty
w badaniach aparat rentgenowski firmy BRUKER (ADVANCED D8) wyposa¿ony by³ w lampê rentgenowsk¹ uzbrojon¹ w anodê miedzian¹ (l = 1,54056 Å). Badane próbki
naœwietlano promieniami Röntgena w zakresie k¹ta 2Q od
30° do 100° ze skokiem pomiarowym 0,02° i czasem pomiaru 5 s. Próbki umieszczono na obrotowym stoliku, a badania zrealizowano w temperaturze pokojowej.
Zdjêcia powierzchni próbek otrzymano za pomoc¹
mikroskopu metalograficznego DM2700 M firmy Leica.
Badania mikrotwardoœci wykonano z u¿yciem mikrotwardoœciomierza FutureTech 740. Dla ka¿dej z próbek
Rys. 1. Obrazy dyfrakcji Röntgena uzyskane dla badanych próbek kompozytu z amorficznym wype³niaczem Fe61Co10Y8Mo1B20.o ró¿nej zawartoœci ¿ywicy Epidian 100
Przedstawione na rysunku 1 dyfraktogramy rentgenowskie dla uzyskanych próbek o ró¿nej zawartoœci ¿ywicy Epidian 100 s¹ podobne i sk³adaj¹ siê jedynie z szerokich maksimów. Maksima te s¹ typowe dla materia³ów
o strukturze amorficznej. Dla próbek amorficznych nie
ma mo¿liwoœci okreœlenia wzorca tak jak w przypadku
materia³ów krystalicznych. Dlatego przy u¿yciu dyfrakcji
promieni Röntgena dok³adne opisanie struktury dla materia³ów amorficznych nie jest mo¿liwe, a obserwowany
dyfraktogram rentgenowski stanowi jedynie potwierdzenie braku korelacji k¹towych w u³o¿eniu atomów oraz
periodycznoœci uk³adów atomów. Oznacza to, ¿e dla obserwowanych próbek oddzia³ywania miêdzy atomami
maj¹ charakter oddzia³ywañ bliskiego zasiêgu.
Na rysunku 2. zamieszczone s¹ zdjêcia struktury badanych kompozytów z widocznymi odciskami piramidek Vickersa.
Zastosowanie ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 jako osnowy w kompozytach magnetycznych
Rys. 2. Zdjêcia powierzchni badanych próbek z amorficznym wype³niaczem ze stopu Fe61Co10Y8Mo1B20 dla trzech analizowanych zawartoœci
¿ywicy Epidian 100 z widocznymi odciskami po teœcie mikrotwardoœci
Zawartoœæ ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 nie mia³a
wp³ywu na mikrotwardoœæ kompozytów z amorficznym
wype³niaczem ze stopu Fe61Co10Y8Mo1B20. Statyczne pêtle
histerezy magnetycznej uzyskane dla badanych kompozytów oraz próbki litej z a morficznego s topu
Fe61Co10Y8Mo1B20 przedstawione s¹ na rysunku 3.
Przedstawione na rysunku 3 statyczne pêtle histerezy
magnetycznej s¹ typowe jak dla materia³ów ferromagnetycznych o w³aœciwoœciach magnetycznie miêkkich. Mo¿na zauwa¿yæ, ¿e dla próbki amorficznej w³aœciwoœci magnetycznie miêkkie s¹ najlepsze: µ0Ms–1,17 T i Hc–42 A/m,
natomiast po dodaniu dielektrycznej ¿ywicy Epidian 100
dosz³o do ich gwa³townego pogorszenia. Przyczyn¹
wzrostu wartoœci pola koercji oraz zmniejszenia magnetycznej polaryzacji nasycenia jest wp³yw niemagnetycznego lepiszcza, które przedziela magnetyczne cz¹stki. W
tym przypadku magnetyczne oddzia³ywania wymienne
zostaj¹ os³abione i pomiêdzy cz¹stkami amorficznego
wype³niacza w wyniku ich rozdzielenia ¿ywic¹ Epidian
Rys. 3. Statyczne pêtle histerezy uzyskane dla badanych próbek z amorficznym wype³niaczem ze stopu Fe61Co10Y8Mo1B20 o trzech zawartoœciach ¿ywicy Epidian 100 oraz dla czystego stopu
141
142
Marcin NABIA£EK
100 dochodzi do zwiêkszenia udzia³u oddzia³ywañ dalekozasiêgowych w postaci oddzia³ywañ dipolowych.
Dane uzyskane z analizy statycznych pêtli histerezy magnetycznej zebrane zosta³y w tabeli 1.
Tabela 1. Dane uzyskane z analizy statycznych pêtli histerezy
zmierzonych dla badanych kompozytów z amorficznym wype³niaczem ze stopu Fe61Co10Y8Mo1B20 o zawartoœci ¿ywicy Epidian 100 od 2–4% i masywnego stopu amorficznego
Udzia³ % Epidian 100
μ0Ms [T]
Hc [A/m]
0%
1,17 (2)
42 (2)
2%
0,90 (2)
1343 (2)
3%
0,80 (2)
1092 (2)
4%
0,69 (2)
1134 (2)
4. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono wyniki badañ mikrostruktury oraz w³aœciwoœci magnetycznych kompozytów z³o¿on y c h z a m o r f i c z n e g o wy p e ³ n i a c z a z e s t o p u
Fe61Co10Y8Mo1B20 po³¹czonych lepiszczem z ¿ywicy epoksydowej Epidian 100. Na podstawie przeprowadzonych
badañ stwierdzono, ¿e udzia³ ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 w stosunku wagowym 2–4% nie ma wiêkszego
wp³ywu na wartoœæ HC i na podstawie przeprowadzonych badañ nie stwierdzono ¿adnej zale¿noœci: udzia³u
Epidian 100 na HC. Oczywistym jest jednak fakt, ¿e samo
dodanie ¿ywicy epoksydowej Epidian 100, która jest dielektrykiem wp³ywa na gwa³towny wzrost wartoœci pola
koercji. Obserwowany wzrost wartoœci pola koercji
zwi¹zany jest ze zmian¹ mechanizmu magnesowania badanych próbek, w których w wyniku dodania dielektryka
otaczaj¹cego poszczególne ziarna magnetyczne dosz³o
do konkurencji miêdzy bliskozasiêgowymi oddzia³ywaniami wymiennymi a dalekozasiêgowymi oddzia³ywaniami dipolowymi. W przypadku magnetycznej polary-
zacji nasycenia rozrzedzenie magnetycznej osnowy dielektryczn¹ ¿ywic¹ mia³o wp³yw na zmniejszenie momentu magnetycznego materia³u, co odzwierciedlone
zosta³o spadkiem wartoœci saturacji magnetycznej. Zale¿noœæ ¿ywicy Epidian 100 w kompozycie mia³a wp³yw na
wartoœæ μ0MS. Zaobserwowano, ¿e wraz ze wzrostem
udzia³u ¿ywicy epoksydowej Epidian 100 obserwowano
spadek magnetycznej polaryzacji nasycenia.
LITERATURA
[1] Posmyk A., Myalski J., Hybrid Composites With Ceramic Reinforcing Phase Modified By Solid Lubricants Destined For Vehicle
Subassemblies, Composites Theory and Practice, 13: 2 (2013)
135-140
[2] Leski A., Weso³owski M., Stefaniuk M., Evaluation Of Mobile,
Composite Airfield Mat, Composites Theory and Practice 12: 4
(2012)
[3] Œledziona J., Podstawy technologii kompozytów, Wyd. PŒl., Gliwice (1998)
[4] Boczkowski A., Kapuœciñski J., Puci³kowski K., Wojciechowski S., Kompozyty, Wyd. PW, Warszawa (2000)
[5] Nabia³ek M., W³aœciwoœci magnetyczne i mikrostruktura kompozytów wytworzonych na bazie amorficznego wype³niacza
Fe61Co10Y8Zr1B20 spajanego ¿ywic¹ epoksydow¹, Przetwórstwo
Tworzyw nr 1 (2014) 56–61
[6] Pietrusiewicz P., Nabia³ek M., Doœpia³ M., Bukowska A.,
Wp³yw wielkoœci frakcji proszku amorficznego Fe61Co10Y8W1B20
na w³aœciwoœci magnetyczne i mechaniczne kompozytu w osnowie
polimerowej, Przetwórstwo Tworzyw nr 1 (2014) 76–81
[7] Nowosielski R., Wys³ocki J.J., Wnuk I. i inni, Ferromagnetic
properties of polymer nanocomposites containing Fe78Si9B13
powder particles, Journal of Materials Processing Technology
162–163 (2005) 242–247
[8] Lachowicz H., Magnetyki amorficzne, Wiedza i ¯ycie 9 (1997)
[9] Janta T., Wêgliñski B., Wp³yw rodzaju dielektryku na w³aœciwoœci dielektromagnetyków, Kompozyty nr 3 (2003) 165–171
143
a), Patrycja
a), Józef
Ewa OLEWNIK-KRUSZKOWSKA*
OLEWNIK-KRUSZKOWSKA, a)Krzysztof
, Krzysztof
KOWALSKI,
KOWALSKIPatrycja
KASPERSKA,
KASPERSKA
Józef
RICHERT
RICHERTb)
Wydzia³ Chemii, Uniwersytet Miko³aja Kopernika w Toruniu,
Instytut In¿ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu
a)
b)
Wp³yw promieniowania UV na w³aœciwoœci mechaniczne polilaktydu
nape³nianego grafitem i szungitem
Streszczenie. Folie zawieraj¹ce polilaktyd jako osnowê polimerow¹ oraz szungit i grafit jako nape³niacze w iloœci
do 20%wag naœwietlano promieniowaniem UV-C (max 254nm) w odstêpach 50-godzinnych do 300 godzin. Wp³yw
iloœci i rodzaju nape³niacza na proces fotodegradacji analizowano przeprowadzaj¹c badania w³aœciwoœci mechanicznych zarówno wyjœciowych materia³ów jak i po ró¿nych czasach ekspozycji na UV. Pod uwagê brano nastêpuj¹ce
parametry: modu³ Younga, naprê¿enie zrywaj¹ce i odkszta³cenie przy zerwaniu. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, i¿ obecnoœæ grafitu podobnie jak i szungitu poprawia odpornoœæ kompozytów polilaktydowych na
dzia³anie promieniowania UV. Otrzymane wartoœci wskazuj¹, i¿ wprowadzenie grafitu w wiêkszym stopniu ekranuje dzia³anie UV ni¿ szungit.
EFFECT OF UV IRRADIATION ON MECHANICAL PROPERTIES OF POLYLACTIDE FILLED WITH
GRAPHITE AND SHUNGITE
Summary. Films consisting of polylactide as polymer matrix and graphite as well as shungite as fillers in an
amount up to 20%wt were irradiated with UV (254 nm) at intervals of 50-300 hours. Effect of quantity and type of
filler on photodegradation process was analyzed by examination mechanical properties of both the starting material
and the material after various times of exposure to UV irradiation. The following parameters were taken into
account: Young’s modulus, stress at break and strain at break. Based on obtained results it has been established that
the presence of graphite as well as shungite improves resistance of polylactide composites to UV radiation. Determined values indicate that the introduction of graphite into polymer matrix has got a more substantial UV screening
effect than the introduction of shungite.
1. WSTÊP
W celu poprawy parametrów wytrzyma³oœciowych,
zmniejszenia palnoœci czy zwiêkszenia barierowoœci polimeru wprowadza siê do osnowy polimerowej nape³niacz
uzyskuj¹c tym sposobem materia³ kompozytowy. Kompozyty s¹ to materia³y bêd¹ce po³¹czeniem co najmniej
dwóch nierozpuszczalnych siê w sobie faz, z których ka¿da odpowiada innemu podstawowemu materia³owi in¿ynierskiemu, zapewniaj¹cymi lepszy zespó³ w³asnoœci
i cech strukturalnych, od w³aœciwych dla ka¿dego z materia³ów sk³adowych oddzielnie [1]. Do najczêœciej stosowanych nape³niaczy nale¿¹ m.in. krzemiany, talk, tlenki
cynku, glinu, magnezu czy tytanu, ró¿nego rodzaju wêglany np. potasu lub wapnia, a tak¿e proszki metali, czy
wêgiel. Wœród stosowanych nape³niaczy spotyka siê równie¿ grafit i szungit [2]. Grafit jest znany jako jedna z odmian alotropowych wêgla o strukturze warstwowej,
w której ka¿da z warstw sk³ada siê z po³¹czonych ze sob¹
szeœciocz³onowych pierœcieni benzenowych. Ze wzglêdu
na ró¿nice w d³ugoœciach oraz si³ach wi¹zañ C-C w graficie zaobserwowano, i¿ wykazuje on anizotropiê w³aœciwoœci fizycznych [3]. Grafit jest materia³em po³yskliwym
i ³upliwym o czarnej lub czarno-szarej barwie. Nale¿y do
grupy materia³ów najbardziej odpornych na wysok¹ temperaturê. Do jego cech szczególnych nale¿y brak normalnej temperatury topnienia oraz uleganie bezpoœrednio
sublimacji w temperaturze oko³o 4000°C pod ciœnieniem
1 atmosfery. [4]. Ta odmiana alotropowa wêgla posiada
gêstoœæ oko³o 2,26 g/cm3, przewodzi ciep³o i pr¹d elektryczny oraz wykazuje twardoœæ w skali Mohsa na poziomie 1-2 (podczas gdy dla diamentu wynosi ona 10) [5].
Syntetyczny grafit otrzymuje siê w wyniku pirolizy antracytu, polimerów (poliimidów) i innych wêglowodorów w temperaturze powy¿ej 2000°C. W czystej postaci
jest jednym z najbardziej nieaktywnych chemicznie materia³ów. Jednak¿e obecnoœæ zanieczyszczeñ zarówno
w graficie naturalnym, jak i syntetycznym powoduje
wzrost jego aktywnoœci chemicznej.
Innym stosowanym nape³niaczem wêglowym jest
szungit, który jest postaci¹ poœredni¹ pomiêdzy antracytem a grafitem, zawieraj¹c¹ w sobie 30% wêgla, 57% krzemianów oraz 13% innych pierwiastków takich jak azot,
siarka, wodór, tlen, glin, ¿elazo czy magnez [6,7]. Z³o¿a
szungitu zosta³y odnotowane nieopodal jeziora Onega
w pó³nocno-zachodniej Rosji, a tak¿e w ska³ach wulkanicznych na Kamczatce oraz w pobli¿u Czelabiñska.
Szungit jest twardym minera³em o zwartej budowie
i czarnej barwie. Jego gêstoœæ, w zale¿noœci od odmiany
mieœci siê pomiêdzy 2,04 a 2,25 g/cm3. Ze wzglêdu na to,
i¿ w swojej strukturze szungit zawiera nanorurki oraz fulereny jego budowa jest mocno porowata. Szungit wykazuje równie¿ w³aœciwoœci przewodz¹ce oraz znaczn¹
wytrzyma³oœæ mechaniczn¹. Jego modu³ sprê¿ystoœci jest
najwy¿szy spoœród materia³ów wêglowych, wliczaj¹c
w to grafit. Rozpatruj¹c w³aœciwoœci szungitu pod wzglêdem reaktywnoœci obserwuje siê, i¿ jest on bardziej reaktywny ni¿ koks i jednoczeœnie bardziej odporny na proces
144
Ewa OLEWNIK-KRUSZKOWSKA, Krzysztof KOWALSKI, Patrycja KASPERSKA, Józef RICHERT
utleniania od grafitu. Pomimo tego, powierzchnia szungitu jest czêœciowo utleniona, przez co bardziej ch³onna
ni¿ powierzchnia grafitu [6,7].
Obecnoœæ wymienionych nape³niaczy wp³ywa na
strukturê, w³aœciwoœci mechaniczne i termiczne, ale mo¿e
równie¿ decydowaæ o procesach fotodegradacji osnowy
polimerowej.
W prezentowanej pracy omówiono wp³yw dwóch nape³niaczy: grafitu i szungitu na zmianê w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych kompozytów o osnowie polilaktydowej pod wp³ywem promieniowania UV.
Tabela 1. Sk³ad badanych materia³ów
Sk³ad badanych próbek (%wag)
Symbol
próbki
L
G
L
100
-
SH
-
LG5
100
5
-
LG10
100
10
-
LG20
100
20
-
LSH5
100
-
5
LSH10
100
-
10
LSH20
100
-
20
2. CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA
Analizê w³aœciwoœci mechanicznych przed i po ekspozycji na promieniowanie UV przeprowadzono dla
czystego polilaktydu (L) oraz polilaktydu nape³nionego
grafitem (G) lub szungitem (SH) w iloœci od 5 do 20%wag.
Sk³ad poszczególnych materia³ów oraz ich nazwy przedstawiono w tabeli 1.
Badanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie materia³ów
w kszta³cie wiose³ek przeprowadzono z wykorzystaniem
aparatu INSTRON 1193. Odpornoœæ na rozci¹ganie okreœlano zarówno dla materia³ów wyjœciowych, jak równie¿
poddanych naœwietlaniu promieniowaniem UV-C. Badanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przeprowadzano
w temperaturze pokojowej. Parametry pracy aparatu
przedstawia³y siê nastêpuj¹co:
– podzakres g³owicy 100 N,
– szybkoœæ robocza 5 mm/min,
– szybkoœæ powrotu 500 mm/min,
12,0
Modu³ Younga [GPa]
– zakres trawersy 10 mm,
– d³ugoœæ próbki 29 mm.
3. WYNIKI I DYSKUSJA
Ze wzglêdu na to, i¿ czysty polilaktyd bardzo szybko
degraduje pod wp³ywem promieniowania UV-C jego
w³aœciwoœci mechaniczne zosta³y zbadane jedynie przed
i do 1,5 godziny ekspozycji na promieniowanie UV. Dalsze naœwietlanie uniemo¿liwi³o pomiar w³aœciwoœci mechanicznych próbki L z powodu jej kruchoœci. Na rysunku 1 przedstawiono wartoœci modu³u Younga (E), naprê¿enia przy zerwaniu (sT) oraz odkszta³cenia przy zerwaniu (eT) dla czystego polilaktydu po ró¿nych czasach ekspozycji na UV.
Ekspozycja PLA na UV-C przez 1,5h spowodowa³a
obni¿enie modu³u Younga z 8,6 GPa do 7,1 GPa, naprê¿e-
Naprê¿enie przy zerwaniu *10 [MPa]
Odkszta³cenie przy zerwaniu [%]
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0
0,5
1
1,5
t [h]
Rys. 1. Zale¿noœæ modu³u Younga, naprê¿enia przy zerwaniu oraz odkszta³cenia przy zerwaniu w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nienape³nionego
145
14
LG5
LG10
LG20
12
E [GPa]
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
t [h]
200
250
300
Rys. 2. Zale¿noœæ modu³u Younga, w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego grafitem
50
LG5
45
LG10
LG20
40
35
sT [MPa]
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
t [h]
200
250
300
Rys. 3. Zale¿noœæ naprê¿enia przy zerwaniu w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego grafitem
nia zrywaj¹cego z 48 MPa do 11 MPa oraz wzglêdnego
odkszta³cenia blisko 10-krotnie. Uzyskane rezultaty potwierdzaj¹ fakt, i¿ promieniowanie UV-C charakteryzu-
j¹ce siê energi¹ oko³o 470 kJ/mol wywo³uje zrywanie silnych wi¹zañ C-C oraz C-H w strukturze polimeru prowadz¹c do jego degradacji [8].
146
4,5
LG5
4
LG10
LG20
3,5
3
eT [%]
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
50
100
150
t [h]
200
250
300
250
300
Rys. 4. Zale¿noœæ odkszta³cenia przy zerwaniu w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego grafitem
7
LSH5
LSH10
LSH20
6
E [GPa]
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
200
t [h]
Rys. 5. Zale¿noœæ modu³u Younga, w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego szungitem
Na rysunkach 2-4 przedstawiono wartoœci Modu³u
Younga (E), naprê¿enia przy zerwaniu (sT) oraz odkszta³cenia przy zerwaniu (eT) dla wyjœciowych próbek
LG5, LG10, LG20 oraz po ró¿nych czasach naœwietlania
promieniowaniem UV. Wprowadzenie do osnowy polilaktydowej ju¿ 5%wag grafitu poprawia odpornoœæ kom-
147
50
LSH5
45
LSH10
LSH20
40
sT [MPa]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
t [h]
200
250
300
Rys. 6. Zale¿noœæ naprê¿enia przy zerwaniu w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego szungitem
pozytu na promieniowanie UV. Zbadanie w³aœciwoœci
mechanicznych czystego PLA nie by³o mo¿liwe ju¿ po 2
godzinach naœwietlania podczas gdy próbki zawieraj¹ce
grafit badano nawet po 300h ekspozycji na UV.
W wyniku naœwietlania kompozytu LG5 przez 300h,
wartoœæ E zmniejszy³a siê z 9 GPa do 7 GPa, sT uleg³o obni¿eniu z 43 MPa do 14 MPa, natomiast odkszta³cenie
przy zerwaniu zmniejszy³o siê z 4% do 1,2%. Porównuj¹c
otrzymane wyniki dla czystego PLA oraz polilaktydu zawieraj¹cego 5%wag grafitu zaobserwowano, i¿ próbka
LG5 po 300h naœwietlania wykazywa³a podobne w³aœciwoœci mechaniczne, jak próbka L wystawiona na dzia³anie UV przez 1,5h. Wskazuje to na to, i¿ ju¿ 5% dodatek
nape³niacza w postaci grafitu znacznie poprawia odpornoœæ otrzymanego kompozytu na UV, co t³umaczy siê
efektem ekranuj¹cym wywo³anym obecnoœci¹ grafitu,
który w tym przypadku pe³ni rolê stabilizatora UV [9].
Analizuj¹c rezultaty otrzymane dla materia³ów zawieraj¹cych 10 i 20% wag grafitu obserwuje siê nieznaczne zmiany w przedstawionych na rysunkach 2-4 w³aœciwoœciach mechanicznych. Obecnoœæ grafitu w iloœci 10%
wag i wiêkszej skuteczniej chroni osnowê polimerow¹
przed promieniowaniem UV ni¿ zawartoœæ 5%wag.
Ponadto zaobserwowano, ¿e najwiêksze obni¿enie
wartoœci sT oraz eT dla badanych kompozytów LG mia³o
miejsce po pierwszych 50h naœwietlania. To sugeruje, i¿
w czasie degradacji na powierzchni materia³ów pozosta³a
warstwa ochronna w tym przypadku grafit, która utrudnia³a dyfuzjê tlenu w g³¹b kompozytów. Potwierdzeniem
powy¿szego stwierdzenia s¹ mniejsze zmiany wartoœci
sT i eT w dalszych czasach naœwietlania.
Warto wspomnieæ, i¿ spadek parametrów takich jak E,
sT i eT z wyd³u¿eniem czasu naœwietlania zarówno dla L,
jak równie¿ dla wszystkich kompozytów œwiadczy dodatkowo o tym, i¿ promieniowanie UV nie powoduje procesów sieciowania, a jedynie degradacjê polimeru [10].
Na rysunkach 5-7 przedstawiono wartoœci modu³u
Younga (E), naprê¿enia przy zerwaniu (sT) oraz odkszta³cenia przy zerwaniu (eT) dla wyjœciowych próbek
LSH5, LSH10, LSH20 oraz po ró¿nych czasach ekspozycji
na promieniowanie UV. Podobnie jak w przypadku PLA
nape³nianego grafitem materia³y zawieraj¹ce szungit
okaza³y siê znacznie bardziej odporne na dzia³anie promieniowanie ultrafioletowego typu C ni¿ czysty polilaktyd, ale jednoczeœnie s³absze ni¿ kompozyty PLA-grafit.
W przypadku PLA z 5-procentowym nape³nieniem szungitem analiza w³aœciwoœci mechanicznych by³a mo¿liwa
do 100 godzin ekspozycji na UV, w tym czasie modu³
Younga uleg³ obni¿eniu o 35%, odkszta³cenie przy zerwaniu o blisko 60%, natomiast naprê¿enie przy zerwaniu
uleg³o obni¿eniu a¿ o ponad 80%.
W przypadku kompozytu zawieraj¹cego 10%wag
szungitu (LSH10) wszystkie analizowane parametry ulega³y obni¿eniu wraz z wyd³u¿eniem czasu ekspozycji
próbki na UV, podczas gdy materia³ zawieraj¹cy t¹ sam¹
iloœæ grafitu pozostawa³ stabilny w czasie badania. Dopiero 20-procentowa zawartoœæ szungitu w osnowie polilaktydowej spowodowa³a, i¿ materia³ ten utrzymywa³
w³aœciwoœci mechaniczne na podobnym poziomie podczas naœwietlania promieniowaniem UV-C.
Pomimo, i¿ dodatek nape³niaczy pocz¹tkowo pogarsza w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu w porównaniu
148
50
LSH5
45
LSH10
LSH20
40
sT [MPa]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
t [h]
200
250
300
Rys. 7. Zale¿noœæ odkszta³cenia przy zerwaniu w funkcji czasu naœwietlania polilaktydu nape³nionego szungitem
z czystym PLA, to jednak dzia³a on jako bariera przeciw
UV.
4. PODSUMOWANIE
— Wprowadzenie zarówno grafitu jak i szungitu do os—
—
nowy polilaktydowej znacz¹co wp³ywa na odpornoœæ
materia³ów na promieniowanie UV.
Stwierdzono, i¿ 20-procentowy dodatek nape³niacza
do osnowy polilaktydowej wystarcza do uzyskania
kompozytu, którego w³aœciwoœci nie ulegaj¹ znacznemu pogorszeniu w wyniku fotodegradacji.
Porównuj¹c wp³yw grafitu i szungitu na zmianê parametrów okreœlaj¹cych wytrzyma³oœæ kompozytów
o osnowie polilaktydowej pod wp³ywem promieniowania UV obserwujê siê, i¿ grafit w wiêkszym stopniu
poprawia odpornoœæ badanych materia³ów na promieniowanie o d³ugoœci 254 nm.
Projekt zosta³ sfinansowany ze œrodków Narodowego
Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/03/D/ST8/04126.
BIBLIOGRAFIA
[1] Dobrzañski L.A.: Materia³y in¿ynierskie i projektowanie materia³owe: Podstawy nauki o materia³ach i metaloznawstwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006.
[2] ¯enkiewicz M., Richert J., Rytlewski P., Richert A,: Comparative analysis of shungite and graphite effects on some properties of
polylactide composites. Polymer Testing, 2011, nr 30 s. 429 –
435.
[3] Rabek F.: Wspó³czesna wiedza o polimerach. Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 2008.
[4] Pierson H.O.: Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes. Properties, Processing and Applications. Noyes Publications, New Mexico 1994.
[5] Oczoœ K.E., D¹browski L.: GRAFIT – wytwarzanie, kszta³towanie i zastosowanie. Mechanik 2011, nr. 8-9, s. 635-645.
[6] Cascarini de Torre L.E., Fertitta A.E., Flores E.S., Llanos J.L,
Bottani E.J.: Characterization Of Shungite By Physical Adsorption of Gases. The Journal of the Argentine Chemical Society,
2004, nr 92, s. 51-58.
[7] Kwieciñska B., Pusz S., Kwieciñska M., Pilawa B.: Physical
properties of shungite”, International Journal of Coal Geology.
2010, nr. 71, s. 455 – 461.
[8] Kaczmarek H.: Efekty przyspieszania fotochemicznego rozk³adu
polimerów przez substancje ma³o- i wielkocz¹steczkowe, Wydawnictwo Uniwersytetu Miko³aja Kopernika, Toruñ 1998.
[9] Kaczmarek H.: Fotodegradacja polimerów, w Fotochemia polimerów. Teoria i zastosowanie, praca zbiorowa pod redakcj¹
J. P¹czkowskiego, Wydawnictwo Uniwersytetu Miko³aja
Kopernika, Toruñ 2003.
[10] Dzier¿a W., Czerniawski T.: W³aœciwoœci mechaniczne i termiczne polimerów. Wydawnictwo Uniwersytetu Miko³aja
Kopernika, Toruñ 2000.
Wp³yw zawartoœci osnowy polimerowej na w³aœciwoœci magnetyczne amorficznego proszku Fe 60Co10Y8W1B20
149
Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Marcin NABIA£EK*
NABIA£EK
Politechnika Czêstochowska, Wydzia³ In¿ynierii Produkcji i Technologii Materia³ów, Instytut Fizyki
Wp³yw zawartoœci osnowy polimerowej na w³aœciwoœci magnetyczne
amorficznego proszku Fe60Co10Y8W1B20
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badañ kompozytów sk³adaj¹cych z ferromagnetyka Fe61Co10Y8W1B20
wykazuj¹cego miêkkie w³aœciwoœci magnetyczne zwi¹zanego polimerem (Epidian 100) w proporcjach 2%, 3% i 4%
wag. Przeprowadzono badania struktury wykorzystuj¹c dyfrakcje promieni rentgenowskich. Na podstawie tych badañ wykazano ¿e proces mielenia jak i utwardzania Epidianu w nie wp³ywa na strukturê badanych kompozytów powoduj¹c jej krystalizacjê. W kolejnym etapie przeprowadzono badani magnetyczne wykorzystuj¹c magnetometr
wibracyjny (VSM). Pokazano, ¿e mo¿na sterowaæ w³aœciwoœciami poprzez odpowiednie dobranie zawartoœci osnowy polimerowej.
INFLUENCE OF POLYMER CONTENT ON THE MAGNETIC PROPERTIES OF THE Fe60Co10Y8W1B20
AMORPHOUS POWDERS
Summary. This paper presents results of research on the composites consisting of ferromagnetic Fe61Co10Y8W1B20
alloy exhibiting soft magnetic properties of bonded polymer (Epidian 100) in the proportion of 2%, 3% and 4% by
weight. Structure study was carried out using X-ray diffraction. This research have shown that the process of grinding and Epidianu hardening does not affect the structure of the composites causing its crystallization. In a next
step were studied by using a vibrating sample magnetometer (VSM). It is shown that the properties can be controlled through appropriate selection of the content of the polymer matrix.
1. WPROWADZENIE
Od wielu lat prowadzone s¹ badania, których celem jest znalezienie materia³ów funkcjonalnych
o strukturze amorficznej lub nanokrystalicznej posiadaj¹cych dobre w³aœciwoœci magnetycznie miêkkie.
Niestety klasyczne materia³y posiadaj¹ce dobre w³aœciwoœci magnetycznie miêkkie wystêpuj¹ zazwyczaj
w postaci cienkich taœm, co ogranicza ich zastosowanie, dlatego te¿ zaczêto szukaæ innych metod wytwarzania takich materia³ów np. poprzez wytwarzanie
z nich kompozytów [1].
Miêkkie magnetycznie materia³y kompozytowe sk³adaj¹ siê z cz¹stek magnetycznie miêkkich osadzonych
w diamagnetycznej osnowie polimerowej [2]. Na w³aœciwoœci zarówno fizyczne jak i chemiczne kompozytu sk³adaj¹cego siê z magnetycznego wype³niacza osadzonego
w osnowie polimerowej maj¹ wp³yw oddzia³ywania na
granicy faz ferromagnetycznego proszku i polimeru (ferryt-polimer) [3]. Badania kompozytów magnetycznych
pokazuj¹, ¿e mo¿na modelowaæ ich w³aœciwoœci poprzez
odpowiedni dobór zarówno ich sk³adników jak i parametrów ich wytwarzania [1, 4].
Ze wzglêdu na specyficzne w³aœciwoœci mechaniczne
kompozytów magnetycznych takie jak dobra plastycznoœæ i wytrzyma³oœæ [5], które s¹ typowe dla polimerów,
mo¿na wytworzyæ materia³ badañ o skomplikowanych
kszta³tach. Jednoczeœnie dobre w³aœciwoœci tych materia³ów pozwalaj¹ na ich zastosowanie w wielu dziedzinach
przemys³u.
W pracy przedstawiono wyniki badañ magnetycznych kompozytów sk³adaj¹cych siê z ferromagnetycznego proszku Fe61Co10Y8W1B20 osadzonego w osnowie poli-
merowej (Epidian 100) oraz wp³yw zawartoœci tego polimeru na w³aœciwoœci magnetyczne.
2. MATERIA£, APARATURA I METODYKA BADAÑ
W pracy przeprowadzone zosta³y badania kompozytów o ró¿nej zawartoœci materia³u wi¹¿¹cego w proporcjach 2%, 3% i 4% wag. Epidianu do amorficznego proszku o nominalnym sk³adzie Fe61Co10Y8W1B20. Amorficzne
cz¹stki proszku uzyskano metod¹ niskoenergetycznego
mielenia wczeœniej wytworzonej p³ytki o strukturze
amorficznej, nastêpnie przesiano przez zestaw sit i wyodrêbniono frakcje o wielkoœci cz¹stek z przedzia³u 100-200
µm. Tak przygotowany materia³ zosta³ wykorzystany to
wytworzenia kompozytów. Jako œrodek wi¹¿¹cy ferromagnetyczny proch zosta³ u¿yty Epidian 100 w proporcji
2 %, 3 % i 4 % wag. Z przygotowanej mieszaniny Epidianu i ferromagnetycznego proszku o frakcji 100-200 µm
wytworzono materia³ badañ w postaci pastylek o gruboœci 1 mm i œrednicy 5 mm. Pastylki uzyskiwano na prasie
pod ciœnieniem 5 MPa i czasie prasowania 30 s. Utwardzenie ¿ywicy odbywa³o siê w temperaturze 150°C przez
1h.
Strukturê badanych materia³ów w stanie wyjœciowym
(proszek), przed jak równie¿ po wytworzeniu kompozytów, badano za pomoc¹ dyfraktometru rentgenowskiego
(XRD) firmy BRUKER wyposa¿onego w lampê z anod¹
miedzian¹ o promieniowaniu charakterystycznym CuKa,
o d³ugoœci fali l = 1.54056 Å. Badania XRD wykonano
w zakresie k¹ta od 30° do 100° z krokiem pomiarowym
0,01° i czasie naœwietlania 2 s.
Pomiary magnetyczne tj. statycznych pêtli histerezy
magnetycznej, wykonano przy u¿yciu magnetometru
150
Pawe³ PIETRUSIEWICZ, Marcin NABIA£EK
wibracyjnego (VSM) firmy „LakeShore” pracuj¹cego
w zakresie pola magnetycznego do 2T. Na ich podstawie
wyznaczono magnetyzacjê nasycenia (µ0Ms) oraz wartoœæ
pola koercji (Hc).
Wykonano równie¿ pomiary gêstoœci próbek, na podstawie których wyznaczono objêtoœciowy udzia³ procentowy porów powietrza Vpor w wytworzonych pastylkach,
wykorzystuj¹c nastêpuj¹c¹ zale¿noœæ [6]:
r komp
r komp
(1)
- wstop
Vpor = 1 - wepid
r epid
r stop
gdzie: rkomp – gêstoœæ kompozytu, repid, rstop – kolejno gêstoœæ epidianu i gêstoœæ samego stopu, wepid, wstop – procentowe udzia³y masowe epidianu i stopu.
3. WYNIKI BADAÑ I ICH DYSKUSJA
Na rysunku 1 przedstawiono obrazy dyfrakcji promieni rentgenowskich uzyskanych dla kompozytów
o ró¿nej zawartoœci Epidianu jak i równie¿ dla materia³u
wyjœciowego w postaci p³ytki.
Jak mo¿na zauwa¿yæ na przedstawionych dyfraktogramach (Rys. 1) nie wystêpuj¹ ostre maksima charakterystyczne dla materia³ów krystalicznych, a jedynie szerokie maksimum odpowiadaj¹ce strukturze amorficznej.
Rys. 1. Obrazy dyfrakcji promieni rentgenowskich zarejestrowane dla
kompozytów w postaci a – p³ytki i ró¿nej zawartoœci Epidianu 100 b –
2%, c – 3%, d – 4%
Rys. 2. Statyczne pêtle histerezy magnetycznej zmierzone dla materia³u
w postaci a) p³ytki oraz dla kompozytów o ró¿nej zawartoœci Epidianu
100 b) 2%, c) 3%, d) 4%
Œwiadczy to o tym ¿e podczas zarówno niskoenergetycznego rozkruszania jak i podczas procesu utwardzania nie
dosz³o do krystalizacji badanych materia³ów.
Przedstawione na rysunku 2 statyczne pêtle histerezy
magnetycznej s¹ charakterystyczne dla materia³ów wykazuj¹cych miêkkie w³aœciwoœci magnetyczne. Mo¿na
równie¿ zaobserwowaæ, ¿e materia³ magnetyczny osadzony w osnowie polimerowej w porównaniu z materia³em wyjœciowym w postaci p³ytki, wykazuje gorsze w³aœciwoœci magnetycznie miêkkie. Z pomiarów tych wynika,
¿e oddzia³ywania na granicy faz polimer – materia³ magnetyczny odgrywaj¹ istotn¹ rolê w kreowaniu w³aœciwoœci magnetycznych.
Na rysunku 3 przedstawiono powiêkszone obszary
pêtli histerezy magnetycznej w pobli¿u pola koercji µ0Hc
odpowiadaj¹cemu natê¿eniu pola magnetycznego jakie
trzeba przy³o¿yæ aby rozmagnesowaæ badany materia³
jak i równie¿ w pobli¿u namagnesowania nasycenia µ0Ms.
Wyniki analizy statycznych pêtli histerezy magnetycznej zosta³y zestawione w Tabeli 1. Na ich podstawie
Rys. 3. Powiêkszone obszary statycznych pêtli histerezy magnetycznej w pobli¿u pola koercji (A) i namagnesowania nasycenia (B) dla próbek w postaci a) p³ytki oraz dla kompozytów o ró¿nej zawartoœci Epidianu 100 b) 2%, c) 3%, d) 4%
Wp³yw zawartoœci osnowy polimerowej na w³aœciwoœci magnetyczne amorficznego proszku Fe 60Co10Y8W1B20
mo¿na zauwa¿yæ, ¿e 1% zmiana zawartoœci osnowie polimerowej mia³a niedu¿y wp³yw na zmiany namagnesowania nasycenia µ0Ms. Zmiany te odbywa³y siê w granicy
b³êdu jej pomiaru. Natomiast mo¿na zauwa¿yæ zale¿noœæ
zmiany pola koercji Hc, które wraz z udzia³em zawartoœci
osnowy polimerowej mala³o.
Wykorzystuj¹c zale¿noœæ (1) wyznaczono procentowy udzia³ objêtoœciowy porów Vpor dla wytworzonych
kompozytów. Na podstawie danych obliczonych ze wzoru (1) mo¿na jednoznacznie stwierdziæ, ¿e nie wszystkie
cz¹stki wype³niacza zosta³y dok³adnie zwi¹zane polimerem Epidian 100.
Tab. 1. Zestawienie wyników dla kompozytów Fe60Co10Y8W1B20
w zale¿noœci od zawartoœci Epidianu 100
Zawartoœæ
Epidianu
µ0Ms [T]
0% (p³ytka)
2%
Hc [A/m]
rkomp [g/cm3]
Vpor [%]
1,19 (2)
24 (2)
7,51 (3)
0
0,78 (2)
2645 (2)
6,08 (3)
10,3 (3)
3%
0,88 (2)
2627 (2)
5,97 (3)
7,6 (3)
4%
0,83 (2)
2602 (2)
5,79 (3)
6,3 (3)
Analizuj¹c dane zestawione w Tabeli 1 mo¿na zauwa¿yæ równie¿ pewn¹ zale¿noœæ tj. wraz ze wzrostem porowatoœci wzrasta³o pole koercji Hc. Wartoœæ tego pola
w materia³ach magnetycznie miêkkich jest uzale¿niona
od wielu czynników ale jednym z najwa¿niejszych s¹ oddzia³ywania magnetyczne miêdzy momentami magnetycznymi (tzw. oddzia³ywania wymienne), wzrost porowatoœci prowadzi do zachwiania tych oddzia³ywañ, których rolê zaczynaj¹ przejmowaæ oddzia³ywania dipolowe. Ferromagnetyczna cz¹stka wype³niacza zostaje otoczona niemagnetyczn¹ ¿ywic¹ i porami, które oddzielaj¹
j¹ od pozosta³ych cz¹stek na odleg³oœæ uniemo¿liwiaj¹c¹
zachodzenie oddzia³ywañ wymiennych.
4. WNIOSKI
Wytworzone kompozyty posiada³y strukturê amorficzn¹, co potwierdzi³y badania rentgenowskie. 1% zmiana zawartoœci osnowy polimerowej mia³a niedu¿y
wp³yw na zmiany namagnesowania nasycenia µ0Ms.
151
Natomiast wartoœæ pola koercji Hc mala³a wraz ze zwiêkszaniem zawartoœci polimeru i obni¿aniem porowatoœci
w kompozycie. Wyznaczenie porowatoœci w badanych
próbkach pozwoli³o stwierdziæ, ¿e im wiêksza zawartoœæ
polimeru w kompozycie tym mniejszy jest udzia³ procentowy tych porów, czyli mniejsza iloœæ przestrzeni wype³nionych powietrzem.
Podsumowuj¹c mo¿na stwierdziæ, ¿e pomimo negatywnego wp³ywy osnowy polimerowej na w³aœciwoœci
magnetycznie miêkkie, warto badaæ amorficzne materia³y w osnowie polimerowej o ró¿nej zawartoœci tego polimeru. Jak wskazuj¹ wyniki badañ zamieszczonych w niniejszej pracy jest mo¿liwoœæ sterowania parametrami
magnetycznymi kompozytów z cz¹stkami amorficznymi
poprzez dobór odpowiedniej iloœci osnowy polimerowej.
LITERATURA
[1] Nowosielski R., Wys³ocki J.J., Wnuk I., Sakiewicz P., Gramatyka P., Ferromagnetic properties of polymer nanocomposites containing Fe78Si9B13 powder particles, Journal of Materials Processing Technology 162–163 (2005) s. 242-247.
[2] Valko L., Bucek P., Dosoudil R., Usakova M., Magnetic properties of ferrite-polymer composites, Journal of Electrical Engineering, 54 (2003) s. 100-103.
[3] Slama J., Vicen R., Krivosik P., Gruskova A., Dosoudil R.,
Magnetic permeability study of composite magnetopolymers,
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 196-197
(1999) s. 359-361.
[4] Nowosielski R., Soft magnetic polymer-metal composites consisting of nanostructural Fe-basic powders, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 24
(2007) s. 68-77.
[5] Dobrzañski L.A., Drak M., W³asnoœci magnetyczne i mechaniczne materia³ów kompozytowych o osnowie polimerowej
wzmacnianych cz¹stkami magnetycznie twardymi Nd-Fe-B,
Achievements in Mechanical and Materials Engineering,
12th International Scientific Conference AMME 2003, s.
215-218.
[6] Doœpia³ M., Szota M., Nabia³ek M., OŸga K., Wp³yw rodzaju
matrycy polimerowej na w³asnoœci magnetyczne magnesów wi¹zanych, Przetwórstwo Tworzyw 6 (2011) s. 438-441.
152
Ryszard PILAWKA, Honorata M¥KA, Dagmara BOSAK
Ryszard PILAWKA*,
PILAWKA, Honorata
HonorataM¥KA,
M¥KA,Dagmara
DagmaraBOSAK
BOSAK
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Instytut Polimerów
Badanie procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z nanonape³niaczami
wêglowymi
Streszczenie. Przedstawiono wyniki badañ procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z ró¿n¹ zawartoœci¹
nanorurek i grafenu. Proces ten obserwowano œledz¹c zmiany ciep³a w³aœciwego za pomoc¹ ró¿nicowej kalorymetrii
skaningowej (DSC) oraz lepkoœci (reometr naprê¿eniowy ARES). Proces sieciowania kompozycji epoksydowych obserwowany metod¹ DSC przebiega podobnie jak kompozycji bez nanododatków, natomiast dla krzywych reologicznych zauwa¿a siê odmienny przebieg zale¿noœci lepkoœci od temperatury w zakresie od 325 do 425K. Opisane sposoby œledzenia procesu sieciowania mo¿na wykorzystaæ do okreœlenia stopnia przereagowania, a nastêpnie obliczenia
energii aktywacji. Dane obliczone z krzywych reologicznych opisuj¹ w³aœciwy proces sieciowania.
REASEARCH ON CURING PROCESS OF EPOXY RESIN COMPOSITION WITH CARBON NANOFILLERS
Summary. The results of curing process of epoxy composition with different carbon nanofillers: nanotubes and graphene have been presented. Using differential scanning calorimetry and stress rheometry ARES (viscosity changes)
allowed to determine activation energy. The crosslinking process of epoxy resin composition containing mixture of
carbon nanofillers: nanotubes and graphene observed by DSC is similar to curing process of composition without
nanoparticles. For rheological curves is noted different phenomena: in the range 325 to 425K is observed for filled
composition increase of composition viscosity. Described methods for tracking of crosslinking process can be used to
calculate reaction rate and determination of activation energy, data calculated from the rheological curves describe
of proper crosslinking process.
1. WSTÊP
¯ywice epoksydowe s¹ zaliczane do materia³ów konstrukcyjnych. Wprowadzenie nanonape³niaczy wêglowych znacznie poprawia przewodnictwo elektryczne, jak
równie¿ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ [1, 2].
W artykule okreœlono wp³yw wprowadzenia hybrydowych nanonape³niaczy wêglowych (mieszanin nanorurek i grafenu) na proces sieciowania, energiê aktywacji
procesu sieciowania kompozycji epoksydowych. Proces
ten okreœlono wstêpnie poprzez wyznaczenie parametrów charakterystycznych procesu (entalpia utwardzania, pocz¹tek procesu sieciowania – DSC oraz punkt ¿elowania – reometr naprê¿eniowy typu ARES). Ponadto wyznaczono energiê aktywacji metodami Ozawy, z przybli¿eniem Doyla [3] i Friedmanna [4].
W metodzie Ozawy za³o¿ono, ¿e sta³a reakcji A jak
i energia aktywacji Ea s¹ niezale¿ne od stopnia przereagowania a [5, 6].
a
da
A T
æ -E ö
(1)
= ò expç a ÷ dT
f (a ) = ò
0 ( 1 - a )n
b T0
è RT ø
gdzie f(a) to funkcja stopnia konwersji, b – szybkoœæ
ogrzewania, n – rz¹d reakcji.
Zale¿na od stopnia przereagowania lub temperatury
funkcja wyra¿ona równaniem (1) nie jest mo¿liwa do rozwi¹zania analitycznie, dostêpne s¹ natomiast metody
aproksymacji, które wykorzystuj¹ dane pomiarowe lub
ich pochodne uzyskane np. metod¹ DSC. Po sca³kowaniu
równania (1) otrzymujemy m.in. równanie Ozawy:
AEa
E
(2)
log f ( a ) = log
- log b + p a
R
RT
gdzie p – jest wspó³czynnikiem proporcjonalnoœci.
Wykorzystuj¹c przybli¿enie Doyle’a dla log(Ea/RT)
w przedziale 20<Ea/RT<60, równanie (2) przyjmuje postaæ:
AEa
E
(3)
log f ( a ) = log
- log b - 2.315 - 0.4567 a
R
RT
Z nachylenia prostej logb vs 1/T mo¿na obliczyæ energiê aktywacji (-0.4567Ea/R).
Po obliczeniu energii aktywacji wyznacza siê sta³¹ reakcji z punktu przeciêcia osi Y zgodnie z równaniem (4):
E
log A = log b + log Ea + 0.434 a - log R - 2 log T (4)
RT
Innym przybli¿eniem równania (1) jest proponowane
przez Friedmana równanie (5) [4]:
Ea
é da ù
æ da ö
(5)
ln ç
÷ = ln êb ú = ln A + nln( 1 - a ) RT
ë dT û
è dt ø
Energiê aktywacji wyznacza siê z nachylenia prostej
Ea ln(da/dt) vs 1/T. Ponadto sta³¹ reakcji wyznacza siê
przy u¿yciu prostej Ea/RT0 vs ln(1 – a), gdzie T0 oblicza siê
dla ln(bda/dT) = 0.
Oprócz znanego sposobu wyznaczania stopnia przereagowania z ca³ki powierzchni piku procesu sieciowania
(DSC), autorzy proponuj¹ now¹ metodê obliczania a
z krzywych reologicznych wg wzoru (6) [7, 8], która jest
niezgodna z ustaleniami ICTAC [9]:
a (t , T ) =
ht ,T - hmin
hmax - hmin
(6)
gdzie h(t,T) jest wyznaczon¹ lepkoœci¹, hmin minimaln¹ lepkoœci¹ (pocz¹tek procesu sieciowania), hmax jest maksymaln¹ lepkoœci¹ (dla a = 1).
153
Badanie procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z nanonape³niaczami wêglowymi
2. CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA
1,4
2.1. Materia³y i metody badañ
3. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE
Proces sieciowania kompozycji epoksydowych zawieraj¹cych nanonape³niacze wêglowe rozpoczyna siê
w oko³o 10K wy¿szych temperaturach ni¿ porównywanej
mieszaniny bez nanonape³niaczy (Rys. 1).
Krzyw¹ reologiczn¹ kompozycji bez nanododatków
mo¿na podzieliæ na 3 obszary: (i) spadku lepkoœci
zwi¹zanego z ogrzewaniem próbki w zakresie odpowiednio: od 303 do 420K; (ii) w³aœciwy proces utwardza-
6
10
5
10
E6_1BI
E6_1BI_0.5CNT
E6_1BI_0.4CNT_0.1GnX
4
Lepkoœæ [Pas]
wzrost lepkoœci
3
10
2
10
III obszar
1
II obszar
10
0
I obszar
10
-1
10
300
350
400
450
500
550
600
Temperatura [K]
Rys. 1. Krzywe reologiczne procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z nanonape³niaczami
Przep³yw ciep³a [W/g]
1,0
Badano proces sieciowania kompozycji epoksydowych, których sk³adnikami by³y: ¿ywica epoksydowa
Epidian 6 – E6 (Z.Ch. Organika-Sarzyna), nanonape³niacze wêglowe: nanorurki wêglowe Nanocyl NC7000
(CNT, Nanocyl S.A. Belgia) i grafen xGnP (GnX, XG
Sciences, Inc., USA) dodawane odpowiednio w iloœci
0,5 CNT; 0,4 CNT+0,1 GnX; 0,3 CNT i 0,2 GnX (% wag.)
oraz 1-butyloimidazol (1BI, 98%, Sigma-Aldrich) dodawany w iloœci 2,0 cz. wag. przypadaj¹cych na 100 cz. wag.
¿ywicy epoksydowej. Nanonape³niacze dyspergowano
przez 2 godziny w matrycy epoksydowej przy u¿yciu
sondy ultradŸwiêkowej UP 200S firmy Hielscher GmbH.
Badanie procesu sieciowania przeprowadzono metod¹
skaningowej kalorymetrii ró¿nicowej DSC przy u¿yciu
aparatu Q-100 firmy TA Instruments (USA), przy szybkoœciach ogrzewania 1, 2, 5 i 10K/min w zakresie temp.
273-653K oraz badaj¹c zmiany lepkoœci pos³uguj¹c siê
reometrem naprê¿eniowym ARES (Rheometrics Scientific) z szybkoœci¹ ogrzewania 1, 2, 5 i 10 K/min w zakresie
temp. 303-593K (uk³ad p³ytka – p³ytka, p³ytki pomiarowe
o œrednicy 40 mm, odleg³oœæ pomiêdzy p³ytkami 1 mm).
Dodatkowo wyznaczono lepkoœæ kompozycji w temperaturze 298K przy u¿yciu reometru ARES.
10
E6_1BI
E6_1BI_0.5CNT
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
250
300
350
400
450
500
550
600
Temperatura [K]
Rys. 2. Wykres DSC procesu sieciowania kompozycji epoksydowych
z nanonape³niaczami
nia 420-450K; (iii) sta³ej lepkoœci usieciowanego materia³u
(powy¿ej 450K).
Krzywe reologiczne procesu sieciowania materia³ów
z nanonape³niaczami ró¿ni¹ siê znacznie od zale¿noœci
lepkoœci od temperatury obserwowanej dla czystej ¿ywicy Epidian 6. W zakresie temperatur od 325 do 425K zauwa¿a siê wzrost lepkoœci obserwowany dla mieszanin
epoksydowych z dobrze zdyspergowanym nanonape³niaczem [10].
Krzywe DSC odznaczaj¹ siê zbli¿onym przebiegiem
niezale¿nie od zawartoœci nanorurek wêglowych i grafenu w mieszaninie. Proces sieciowania kompozycji rozpoczyna siê w temperaturze oko³o 355K, najwiêksz¹ szybkoœæ tego procesu odczytuje siê dla temperatury oko³o
430K.
W tabeli 1 zestawiono lepkoœæ kompozycji w temperaturze 298K oraz parametry charakterystyczne procesu
sieciowania: (temperatura pocz¹tku procesu – Ti, temperatura maksymalnego efektu procesu sieciowania Tp,
entalpia DH i punkt ¿elowania).
Najmniejsz¹ lepkoœci¹ charakteryzuje siê materia³ bez
nanododatku. Zwiêkszenie zawartoœci nanorurek/nanonape³niaczy znacznie podwy¿sza wartoœæ tego parametru np. dla mieszaniny zawieraj¹cej 0,5% wag. Nanocylu
7000 blisko 10-ciokrotnie.
Wartoœci parametrów charakterystycznych s¹ do siebie zbli¿one, nie obserwuje siê wp³ywu nanonape³niaczy
na temperaturê pocz¹tku, temperaturê maksymalnego
efektu egzotermicznego, entalpiê procesu i punkt ¿elowania (Tab. 1).
Porównuj¹c wartoœci parametrów charakterystycznych mo¿na wysnuæ wstêpne wnioski, ¿e przebieg krzywych zale¿noœci energii aktywacji od stopnia przereagowania powinny mieæ zbli¿ony przebieg (Rys. 3 i 4).
Krzywe zale¿noœci energii aktywacji od stopnia przereagowania (dla równania Ozawy z przybli¿eniem Doyle’a) mo¿na podzieliæ na 2 przedzia³y (Rys. 3a): (i) niewielkiego spadku energii aktywacji dla stopnia przereagowania od 0,1 do 0,7-0,8 (przy czym koniec tego zakresu
przesuwa siê w kierunku wiêkszych a wraz ze wzrostem
154
Ryszard PILAWKA, Honorata M¥KA, Dagmara BOSAK
Tabela 1. Parametry charakterystyczne procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z nanonape³niaczami
Lepkoœæ (298K) [Pa·s]
Ti [K]
Tp [K]
DH [J/g]
E6_BI2
Akronim
15,6 ± 0,3
377,5
407,0
333,9
Punkt ¿elowania [K]
428,3
E6_05CNT
153,7 ± 0,5
376,5
405,7
334,4
428,0
E6_04CNT_01GnX
114,2 ± 0,4
377,7
406,8
329,9
428,4
E6_03CNT_02GnX
76,5 ± 0,2
377,7
408,4
339,6
428,3
Rys. 3. Energia aktywacji wyznaczona na podstawie krzywych DSC
odpowiednio: a) równanie Ozawy; b) Friedmana
Rys. 4. Energia aktywacji wyznaczona na podstawie krzywych reometrycznych odpowiednio: a) równanie Ozawy; b) Friedmana
zawartoœci nanorurek wêglowych); (ii) znacznego wzrostu Ea, przy czym najwiêksze zmiany obserwuje siê dla
kompozycji zawieraj¹cej 0,5% wag. nanorurek Nanocyl
7000.
Podobne zale¿noœci i zmiany energii aktywacji obserwuje siê dla wartoœci obliczonych wg metody Friedmana
(Rys. 3b). W tym przypadku obserwuje siê niewielki spadek Ea dla stopnia przereagowania od 0,1 do 0,5-0,6;
a nastêpnie znaczny wzrost tego parametru (znacznie
wiêkszy ni¿ dla wyników uzyskanych wg równania Ozawy), szczególnie dla najwiêkszej zawartoœci nanorurek.
Na uwagê zas³uguj¹ nieoczekiwanie wysokie wartoœci Ea
dla a=0,05, zjawisko to jest zwi¹zane z wysokimi wartoœciami lepkoœci w przedziale temperatur do 80°C (dla
a<0,1). Znaczne wartoœci energii aktywacji dla stopnia
przereagowania powy¿ej 0,9 zwi¹zane s¹ z wiêkszymi
barierami przestrzennymi w usieciowanym materiale.
Zupe³nie inny przebieg zale¿noœci Ea od a dla stopni
przereagowania powy¿ej 0,6-0,8 obserwuje siê dla danych otrzymanych na podstawie krzywych reologicznych. Wartoœci energii aktywacji dla a poni¿ej 0,4 s¹ porównywalne do uzyskanych na podstawie diagramów
DSC. W odró¿nieniu od Ea obliczonych na podstawie danych z krzywych DSC nie obserwuje siê wzrostu energii
aktywacji dla stopni przemiany wiêkszych ni¿ 0,6-0,8 niezale¿nie od u¿ytej metody obliczeniowej. Natomiast dla a
powy¿ej 0,75 zauwa¿yæ mo¿na znaczny spadek tego
parametru. Zjawisko to mo¿na wyt³umaczyæ zupe³nie
Badanie procesu sieciowania kompozycji epoksydowych z nanonape³niaczami wêglowymi
odmiennymi sposobami wyznaczania stopnia przereagowania: w przypadku DSC w czasie sieciowania brane s¹
pod uwagê wszystkie zachodz¹ce reakcje od tworzenia
adduktu imidazolu i grupy epoksydowej poprzez w³aœciwe sieciowane, a¿ do zakoñczenia tego procesu, natomiast krzywe reologiczne opisuj¹ wzrost lepkoœci
zwi¹zany z w³aœciwym procesem sieciowania i ewentualnie zakoñczenia procesu sieciowania [11].
4. WNIOSKI
Proces sieciowania kompozycji ¿ywic epoksydowych
zawieraj¹cych mieszaniny nanonape³niaczy wêglowych:
nanorurek i grafenu obserwowanych metod¹ DSC przebiega podobnie jak kompozycji bez nanododatków, natomiast dla krzywych reologicznych zauwa¿a siê odmienny przebieg zale¿noœci lepkoœci od temperatury w zakresie od 325 do 425K.
Opisane sposoby œledzenia procesu sieciowania mo¿na wykorzystaæ do obliczenia stopnia przereagowania,
a nastêpnie wyznaczenia energii aktywacji, przy czym
dane obliczone z krzywych reologicznych opisuj¹ w³aœciwy proces sieciowania.
155
BIBLIOGRAFIA
[1] Lee H., Neville K., Epoxy Resins: Their Applications And
Technology. Literary Licensing, LLC, 2012.
[2] Pascault J. P., Williams R. J. J., Epoxy Polymers: New Materials and Innovations, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co., 2010.
[3] Ozawa T., Bull. Chem. Soc. Jpn 1965;38:1881-86.
[4] Friedman H.L., J. Polym. Sci. Part C Polym. Symp. 1964, 6,
183-95.
[5] Day M., Cooney J.D., Wiles D.M., J. Appl. Polym. Sci. 1989,
38, 323-37.
[6] Chow W.S., Grishchuk S., Burkhart T., Karger-Kocsis J.,
Thermochimica Acta. 2012, 543, 172–7.
[7] Pilawka R., M¹ka H., Zg³oszenie patentowe P 403 260, 2013.
[8] Pilawka R., Kowalska J., Czech Z., Polish Journal of Chemical Technology 2013, 15(4), 1-6.
[9] Vyazovkin S., Burnham A. K., Criado, J. M., Pérez-Maqueda
L. A., Popescu C., Sbirrazzuoli N., Thermochim. Acta 2011,
520, 1-19.
[10] Paszkiewicz S., Pilawka R., Ros³aniec Z.: Advances in Manufacturing Science and Technology, 2012, 36, 67-78.
[11] M¹ka H., Spychaj T., Pilawka R., Ind. Eng. Chem. Res., 2012,
51 (14), 5197-206.
156
Andrzej PUSZ, Ma³gorzata SZYMICZEK
Andrzej PUSZ*,
PUSZ, Ma³gorzata
Ma³gorzataSZYMICZEK
SZYMICZEK
Politechnika Œl¹ska, Wydzia³ Mechaniczny Technologiczny, Katedra Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
* Adres do korespondencji: [email protected]
Pomiary w³asnoœci cieplnych kompozytów metod¹ quasistacjonarn¹
Streszczenie. W³asnoœci cieplne kompozytów maj¹ istotne znaczenie w diagnostyce metodami termowizyjnymi
i ocenie stopnia destrukcji. Spoœród znanych metod pomiaru przewodnoœci cieplnej i ciep³a w³aœciwego metody stacjonarne pozwalaj¹ na bezpoœredni pomiar w odró¿nieniu od niestacjonarnych. Zak³adaj¹c liniow¹ zale¿noœæ ciep³a
w³aœciwego i przewodnoœci cieplnej od temperatury mo¿liwy jest pomiar metod¹ quasistacjonarn¹. W artykule
przedstawiono zasady i wyniki pomiaru przewodnoœci cieplnej i ciep³a w³aœciwego kompozytów poliestrowo-szklanych.
MEASUREMENTS OF THERMAL PROPERTIES OF COMPOSITES BY QUASI-STATIONARY
Summary. Thermal properties of composites are important in the diagnosis of thermographic methods and assessing the degree of destruction. Among the known methods of measuring thermal conductivity and specific heat of
the stationary method allows the direct measurement as opposed to non-stationary. Assuming a linear dependence
of specific heat and thermal conductivity on temperature can be measured by quasi-stationary. The article presents
the principles and results of the measurement of thermal conductivity and specific heat of the polyester – glass composite.
1. WSTÊP
W³asnoœci cieplne laminatów maj¹ istotne znaczenie
w wielu metodach diagnostyki, a szczególnie termowizyjnej. Ich zmiana pozwala okreœliæ stopieñ degradacji
materia³u, a co za tym idzie utratê w³asnoœci wytrzyma³oœciowych. Szczególnie dobr¹ miar¹ jest przewodnoœæ
cieplna. Pojawienie siê szczelin pomiêdzy wzmocnieniem
a osnow¹ poci¹ga za sob¹ spadek przewodnoœci cieplnej,
a dynamika tych zmian jest na tyle du¿a, ¿e s¹ one jednoznacznie identyfikowalne. Metody identyfikacji termowizyjnej opieraj¹ siê na pomiarze dynamiki zmian temperatury na powierzchni laminatu. Zmiany te mo¿na opisaæ
równaniem Fouriera-Kirchoffa w stanie nieustalonym.
Prócz przewodnoœci cieplnej znana musi byæ równie¿ pojemnoœæ cieplna laminatu, gdy¿ w stanie nieustalonym
o przep³ywie ciep³a decyduje dyfuzyjnoœæ cieplna.
W tych warunkach niezbêdny staje siê pomiar pojemnoœci cieplnej lub ciep³a w³aœciwego [1-3].
Znanych jest wiele metod pomiaru wspomnianych
w³asnoœci cieplnych. Wszystkie one bazuj¹ na regularnych
kszta³tach próbek: p³ycie, walcu lub kuli opisuj¹c przep³yw
ciep³a w stanie ustalonym lub nieustalonym. W przypadku
badania pow³ok cylindrycznych kszta³t próbki nie tylko
nie jest p³aski, ale równie¿ musi mieæ okreœlone wymiary i
stan np. powierzchni ze wzglêdu na inne badania np. wytrzyma³oœciowe. Stwarza to dodatkowe problemy metrologiczne i wymusza konstrukcjê aparatury dedykowanej dla
danego kszta³tu próbki. W takim przypadku najprostszym
rozwi¹zaniem jest stosowanie zasad fizycznych pomiaru.
W artykule przedstawiono konstrukcjê aparatury
oraz procedury pomiaru ciep³a w³aœciwego i przewodnoœci cieplnej na aparaturze skonstruowanej specjalnie
do okreœlonego kszta³tu próbek. Próbki mia³y kszta³t
fragmentu pow³oki cylindrycznej.
Metodê okreœlono jako quasistacjonarn¹, ze wzglêdu
na to, ¿e stan ustalony wyznaczany by³ z krzywej narostu
temperatury w pomiarze przewodnoœci cieplnej, a w pomiarach ciep³a w³aœciwego z ró¿nicy temperatury pomiêdzy powierzchniami izotermicznymi próbki.
2. BADANIA W£ASNE
Celem pracy by³o okreœlenie wp³ywu degradacji starzeniowo-zmêczeniowej na wybrane w³asnoœci cieplne, tj.
ciep³o w³aœciwe i wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej. Badania prowadzono na specjalnie przygotowanym stanowisku opieraj¹cym siê na zasadzie pomiaru fizycznego.
Materia³em badawczym by³y próbki (Rys. 1) wyciête
z rur poliestrowo-szklanych wykonanych metod¹ nawijania. Rury te poddano degradacji starzeniowo-zmêczeniowej prowadzonej w zadanych warunkach – œrodowiskowych i obci¹¿eniowych. Próbki wycinano z obszaru
œrodkowego pow³ok kompozytowych o najwiêkszym odkszta³ceniu.
Rys. 1. Próbka wyciêta z rury poliestrowo-szklanej do badañ wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej
157
nagrzewnica
elektryczna
strumieñ
ciep³a
próbka
termopary
izolator
termiczny
Rys. 2. Zasada pomiaru ciep³a w³aœciwego metod¹ dynamiczn¹
2.1. Stanowisko badawcze
Tabela 1. Wspó³czynniki strat uk³adu grzejnego
Charakterystyki cieplne próbek wyznaczono metod¹
dynamiczn¹. Model zak³ada³ liniowy rozk³ad temperatury na przekroju próbki, oraz stykow¹ wymianê ciep³a pomiêdzy próbk¹ a elementem grzejnym. Zasadê pomiaru
przedstawiono na rysunku 2.
Ciep³o generowane przez grza³kê nagrzewa próbkê.
Na obu powierzchniach próbki znajduj¹ siê termopary
rejestruj¹ce temperaturê. Grza³ka zasilana jest pr¹dem
o znanej mocy. Wszystkie parametry procesu rejestrowane s¹ przez uk³ad pomiarowy, którego schemat blokowy
przedstawiono na rysunku 3a oraz widok stanowiska
pomiarowego na rysunku 3b.
Istotnym etapem przygotowañ by³o cechowanie stanowiska, które przeprowadzono dla trzech wartoœci napiêcia zasilaj¹cego: 2, 3, 4 V [5,6]. Pomiar polega³ na rejestracji zmian temperatury uk³adu nagrzewaj¹cego i mocy
zasilania dla izolatora termicznego. Przyk³adowy wykres
zmian temperatury przedstawiono na rysunku 4. Na tej
podstawie wyznaczono wspó³czynnik strat, który zestawiono w tabeli 1.
a)
Moc [W]
Czas [s]
T1
T2
DTs
K [J/°C]
0,7091
68
29,83
27,1
2,73
17,66256
1,62
50
32,52
27,83
4,69
17,27079
2,985
29
32,81
27,39
5,42
15,9714
Do dalszy obliczeñ przyjêto wartoœæ œredni¹ wyznaczonego wspó³czynnika start 16,97 J/°C. Ze wzglêdu na
to, ¿e styk próbki z uk³adem grzewczym nie jest idealny,
wystêpuj¹ spadki temperatury na obu powierzchniach
pomiarowych, w kolejnym etapie okreœlono spadek temperatury na styku próbki z grza³k¹. Wartoœæ œrednia
spadku temperatury wynosi oko³o 3,975°C.
Pomiary zasadnicze prowadzono dla próbek nagrzewanych do wyrównania temperatury na górnej i dolnej
powierzchni badanej próbki. Temperaturê kontrolowano
na termometrach elektronicznych. Po wyrównaniu siê
temperatury, uruchamiano oprogramowanie i rejestrowano temperatury pocz¹tkowe. Nastêpnie uruchamiano zasilacz stabilizowany. Nagrzewanie próbki trwa³o do
chwili wzrostu temperatury na dolnej powierzchni prób-
b)
termometry
elektroniczne
PC + karta A/D
blok pomiarowy
zasilacz
stabilizowany
Rys. 3. Schemat blokowy a) i widok stanowiska pomiarowego b)
158
40
33
temperatura górna
temperatura dolna
38
32
temperatura C
0
0
temperatura C
36
31
30
29
34
32
30
28
28
27
26
0
5
10
15
20
25
30
0
10
czas, s
20
30
40
50
60
czas, s
Rys. 4. Zale¿noœæ zmian temperatury uk³adu grzejnego od czasu nagrzewania
Rys. 5. Zmiany temperatury górnej i dolnej podczas nagrzewania
próbki
ki o ok. 0,1 do 0,2°C, a nastêpnie wy³¹czano nagrzewanie.
Wszystkie dane pomiarowe – moc i temperatura – by³y
rejestrowane online w czasie pomiaru. Krok czasowy pomiaru wynosi³ 1s. Na rysunku 5 przedstawiono przyk³adowy wykres zmiany temperatury.
gdzie:
P – moc zasilania nagrzewnicy,
t – czas nagrzewania.
Ciep³o wnikaj¹ce w próbkê wynosi [2]:
Qp = m · c · DT/2
(3)
gdzie:
m – masa próbki,
c – ciepo w³aœciwe,
DT – ró¿nica temperatury na powierzchni próbki.
Ze wzglêdu na przyjêcie liniowego rozk³adu temperatury na przekroju wartoœæ œrednia wynosi 1/2 temperatury
na powierzchniach próbki.
Ciep³o poch³aniane przez uk³ad nagrzewaj¹cy mo¿na
okreœliæ podczas kalibrowania uk³adu bez próbki. Rejestruj¹c moc, czas nagrzewania oraz przyrost temperatury
uk³adu nagrzewaj¹cego podczas cechowania uk³adu
ciep³o w³asne uk³adu nagrzewaj¹cego mo¿na okreœliæ ze
wzoru [2]:
2.2. Pomiary ciep³a w³aœciwego
Ciep³o w³aœciwe wyznaczono z bilansu cieplnego,
który okreœlono jako [2]:
Qe = Qp + Qs,
(1)
gdzie:
Qe – ciep³o generowane w nagrzewnicy,
Qp – ciep³o wnikaj¹ce w próbkê,
Qs – ciep³o w³asne uk³adu nagrzewaj¹cego
Ciep³o generowane przez uk³ad nagrzewaj¹cy mo¿na
okreœliæ znaj¹c moc i czas dzia³ania nagrzewnicy, czyli [2]:
(2)
Qe = P · t
Tabela 2. Gêstoœæ i ciep³o w³aœciwe próbek
Liczba
cykli
200000
18000
7500
10000
Nr prób.
D³. [mm]
Szer. [mm]
Grub. [mm]
Masa [g]
Gêstoœæ
[g/cm3]
Ciep³o w³.
[J/gK]
NII_1
99,3
19,9
6,58
23,86
1,83503
1,86776
NII_2
100,6
20,15
6,5
22,21
1,68563
1,73961
Œrednia
C·r
1,802
2,93233
3,42738
NII_3
100,4
20,2
6,9
24,07
1,72005
1,79865
3,09377
NIV_1
100,7
21,1
7,7
28,77
1,75848
1,41906
2,49539
NIV_2
100,4
20,3
7,3
27,27
1,83287
1,58758
NIV_3
100,5
20,4
7,4
25,69
1,69331
1,37443
2,32733
NV_1
100,6
20,3
6,8
24,84
1,78875
1,68744
3,0184
NV_2
100,5
20,4
6,6
23,73
1,75371
1,81512
NV_3
100,4
20,8
6,9
25,31
1,75649
1,36571
2,39886
NVI_1
100,4
21,5
6,4
24,70
1,78791
1,69815
3,03613
NVI_2
100,3
19,8
6,5
22,95
1,77788
1,72136
NVI_3
100,4
20,9
7,3
25,70
1,67776
1,52938
Szk³o
120
20,6
7,8
47,00
2,43756
0,84491
1,406
1,62276
1,64963
2,90984
3,1832
3,06038
2,56594
2,05952
159
(4)
gdzie:
Ps – moc elektryczna,
ts – czas nagrzewania,
DTs – ró¿nica temperatury rejestrowana podczas cechowania uk³adu.
Wartoœæ w nawiasie mo¿na uznaæ jako sta³¹ przyrz¹du i oznaczaj¹c jako K straty w³asne uk³adu pomiarowego. Z podanych zale¿noœci mo¿na wyznaczyæ ciep³o
w³aœciwe próbki.
Pomiary wykonano na 12 próbkach oznaczonych wg
tabeli. Jako próbkê kontroln¹ wykorzystano kszta³tkê
szklan¹. W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarów
ciep³a w³aœciwego i gêstoœci.
40
Temperatura [°C]
Qs = (Ps · ts / DTs) · DT
35
30
25
20
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Czas [s]
2.3. Pomiar wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej
Rys. 6. Wykres temperatury na powierzchni od strony grza³ki dla piêciu
próbek wyciêtych z rury po 20·10 3 cykli
Pomiary wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej przeprowadzono na stanowisku przedstawionym na rysunku
3 na próbkach wyciêtych z rur w kierunku równoleg³ym
do osi rury z ka¿dej po piêæ sztuk – Rys.1. Dodatkowo
jednak zamontowano jedn¹ termoparê, a pomiar temperatury by³ uœredniany z trzech wartoœci. Ze wzglêdu na
proces wytwarzania gruboœæ próbek wykazywa³a odchy³ki na d³ugoœci, z tego wzglêdu do wyznaczania
wspó³czynnika przewodnoœci przyjmowano œredni¹
z piêciu pomiarów.
W celu zapewnienia odpowiedniego przylegania powierzchnie próbek laminatu poliestrowo-szklanego pokrywano z obu stron warstw¹ pasty termoprzewodz¹cej
na bazie srebra AG Silver
Nale¿y pamiêtaæ o tym, i¿ elementy aparatu pomiarowego nie przylegaj¹ idealnie do siebie. Chropowatoœæ
i nierównoœæ ich powierzchni uniemo¿liwia idealn¹ wymianê ciep³a, gdy¿ stykaj¹ siê tylko na jej czêœci. Z tego
wzglêdu na aparacie pomiarowym wystêpuj¹ spadki
temperatury a¿ w czterech miejscach: na dwóch warstwach silikonu, a tak¿e w szczelinach pomiêdzy grza³k¹
a próbk¹ oraz pomiêdzy próbk¹ a ch³odnic¹.
Uwzglêdniaj¹c zale¿noœci spadku temperatury na
próbce, przewodnoœæ mo¿na obliczyæ ze wzoru [2]:
dP
(5)
l=
ADTrz
gdzie:
l – przewodnoœæ cieplna próbki [W/mK],
d – gruboœæ próbki [m],
A – powierzchnia próbki, przez któr¹ przeprowadzane jest ciep³o [m2],
DTrz – rzeczywista ró¿nica miêdzy temperatur¹ doln¹
a górn¹ [°C].
Wyniki badañ analizowano w programie Origin Pro
7.5. Znaj¹c moc strat, oraz temperaturê rzeczywist¹ wyznaczono ró¿nicê temperatur. Na rysunku 6 przedstawiono przyk³adowy wykres wzrostu temperatury nagrzewa-
Rys. 7. Wykres zmian obliczeniowej wartoœci wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej dla próbki wyciêtej z rury po 20·10 3 cykli
Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej [W/mK]
160
ku badanego materia³u z elementami grzejnymi jak i technologii wytwarzania próbek
0,25
0,20
3. WNIOSKI
0,15
0,10
0,05
0,00
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
Liczba cykli
Rys. 8. Zale¿noœæ wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej od liczby cykli
zmêczeniowych
nej powierzchni (górna) próbki podczas pomiaru. S¹ to
próbki wyciête z rury po 20·103 cykli zmêczeniowych. Jak
widaæ temperatura roœnie a¿ do momentu jej ustabilizowania. Rzeczywist¹ ustabilizowan¹ temperaturê górn¹
mo¿na wyznaczyæ za pomoc¹ aproksymacji wykresu
funkcj¹ ekspotencjaln¹ o jednym wyrazie znacz¹cym tak
jak by³o to przeprowadzone podczas cechowania stanowiska.
Przyk³adowe wyniki pomiaru zmian wspó³czynnika
przewodnoœci cieplnej w czasie przedstawiono na rysunku 7. Uzyskane dane aproksymowano funkcj¹ ekspotencjaln¹ trzeciego stopnia, której asymptota stanowi³a wartoœæ wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej.
Wykresy zale¿noœci wyznaczonych wartoœci wspó³czynnika przewodnoœci cieplnej od liczby cykli przedstawiono na rysunku 8. Widoczny jest spadek wspó³czynnika przewodnictwa cieplnego opisano funkcj¹: y =
A+B1X+B2X2+B3X3, gdzie A = 1,9949, B1 = -6,47989E-7, B2 = –
8,97806E-12, B3 = 5,68669E-17 a wspó³czynnik korelacji R =
0,82053.
Jak mo¿na zaobserwowaæ wraz ze wzrostem liczby
cykli wspó³czynnik przewodnictwa cieplnego zmniejsza
siê, co jest spowodowane m.in. pojawiaj¹cymi siê wadami, bêd¹cymi efektem degradacji przede wszystkim zmêczeniowej. Obserwowany rozrzut wyznaczonych wspó³czynników przewodnictwa cieplnego jest wynikiem sty-
Na podstawie przeprowadzonych badañ mo¿na
stwierdziæ, ¿e:
— Wartoœæ ciep³a w³aœciwego nie jest uzale¿niona od
liczby cykli zmêczeniowych, a jedynie od jakoœci próbek wyciêtych z kompozytu poliestrowo-szklanego.
— Wspó³czynnik przewodnictwa cieplnego zmniejszy³
siê wraz z postêpuj¹cym procesem degradacji starzeniowo-zmêczeniowej. Jest to wynikiem pojawiaj¹cych
siê mikrowad, w pocz¹tkowym etapie, prowadz¹cych
do delaminacji.
— Miar¹ degradacji starzeniowo-zmêczeniowej w badanym zakresie mo¿e byæ wspó³czynnik przewodnictwa cieplnego wra¿liwy na zmiany strukturalne bêd¹ce efektem procesu eksploatacji.
— Dla pe³nego zobrazowania wp³ywu procesu degradacji na prezentowane w³asnoœci cieplne nale¿a³oby poszerzyæ obszar badañ m.in. o wyznaczanie charakterystyk wytrzyma³oœciowych.
LITERATURA:
[1] Wiêcek B., De Mey G., Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK 2011.
[2] Sk³adzieñ J,: Termodynamika i termokinetyka, Wydawnictwo Politechniki Œl¹skiej, Gliwice 1985.
[3] Kostowski E., Przep³yw ciep³a. Wydawnictwo Politechniki
Œl¹skiej. Gliwice 2006.
[4] Oleskowicz-Popiel C., Wojtkowiak J., Eksperymenty w wymianie ciep³a. Wydawnictwo Politechniki Poznañskiej,
2004.
[5] Pusz A., Szymiczek M., Michalik K., Wp³yw starzenia cieplnego na przewodnoœæ ciepln¹ laminatów epoksydowo-szklanych. Polimery i kompozyty konstrukcyjne. Wydawnictwo Logos Press. Cieszyn 2010. s. 319-326.
[6] Pusz A., Michalik K., Szymiczek M., Za³o¿enia konstrukcyjne i metodologiczne konstrukcji aparatu do pomiaru w³asnoœci cieplnych laminatów wzmocnionych w³óknem szklanym. Polimery i kompozyty konstrukcyjne. Wydawnictwo
Logos Press. Cieszyn 2009. s. 76-85.
Incremental calculation of sequence distribution of isotactic poly(isobutyl acrylate) and poly( sec-butyl acrylate)
161
3, N.
4 and
M. SIO£EK
SIO£EK,1,2M.
, M.
PASICH,
PASICHN.
HENZEL
HENZEL
and
M. M.
MATLENGIEWICZ
MATLENGIEWICZ1
Institute of Chemistry, Department of Materials Chemistry and Technology, Silesian University,
ul. Szkolna 9, 40-006 Katowice, Poland
2 Synthos S.A, ul. Chemików 1, 32-600 Oœwiêcim, Poland
3 Institute for Engineering of Polymer Materials and Dyes, Paint and Plastics Department,
ul. Chorzowska 50A, 44-100 Gliwice, Poland
4 Silesian University of Technology, Institute of Electronics, ul. Akademicka 16, 44-100 Gliwice, Poland
1
Incremental calculation of sequence distribution of isotactic poly(isobutyl
acrylate) and poly(sec-butyl acrylate)
SUMMARY. The microstructure characterization of two butyl acrylate homopolymers poly(isobutyl acrylate),
PiBuA and poly(sec-butyl acrylate), PsBuA, prepared by anionic polymerization, was investigated by 13C NMR
spectroscopy. It was found that the carbonyl signal in the 100 MHz 13C NMR spectra of both homopolymers was
sensitive to configurational effects and provided sufficient resolution to perform detailed analysis of sequence distribution at the triad/pentad level. The line assignments can be verified by spectral simulation based on incremental
calculation of the chemical shifts of individual sequences.
INKREMENTALNE OBLICZENIA ROZK£ADU SEKWENCJI DLA IZOTAKTYCZNEGO POLI(AKRYLANU IZOBUTYLU) I POLI(AKRYLANU sec-BUTYLU)
Streszczenie. Wykorzystuj¹c spektroskopiê 13C NMR przeprowadzono charakterystykê mikrostrukturaln¹ dwóch
homopolimerów akrylowych, poli(akrylanu izobutylu), PiBuA, oraz poli(akrylanu sec-butylu), PsBuA, uzyskanych na drodze polimeryzacji anionowej. Stwierdzono, ¿e sygna³ karbonylowy obydwu homopolimerów jest czu³y
na efekty konfiguracyjne, a rozdzielczoœæ sygna³u C=O pozwala na analizê rozk³adu sekwencji na poziomie triad
i pentad konfiguracyjnych. Przypisanie sygna³ów zosta³o zweryfikowane przez komputerow¹ symulacjê widma
opart¹ na inkrementalnych obliczeniach przesuniêæ chemicznych poszczególnych sekwencji
INTRODUCTION
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is
a very powerful method for characterizing stereochemical structure of polymers because the chemical shifts are
substantially affected by configurational influences. In
the case of acrylic polymers, the carbonyl signal in the
13C NMR spectra has been found to be very sensitive to
configurational differences in the macromolecular chain.
Microstructural effects in the chains of acrylic homo and
copolymers can be observed by means of 13C NMR spectroscopy for practically every signal in the spectrum of
such systems, however the carbonyl signal is one of the
most interesting since it is present in all acrylic structures
and provide information about the odd sequences [1]. Detailed analysis of sequence distribution can be performed
if we can assign individual lines in the spectrum to respective sequences. The method adopted here was based
on the calculation of line intensities for different sequences according to Bernoulli or Markov statistics on one
hand, and on the other, the chemical shifts for respective
sequences were calculated by a separately developed incremental method. Using these data, the carbonyl signal
was simulated. The method of incremental calculation of
chemical shifts of the individual lines in the carbonyl signal of the 13C NMR spectra has been developed for a copolymer of methyl methacrylate and ethyl acrylate [2] and
was then positively applied to similar calculations for
methyl methacrylate homopolymer, PMMA [3]. In our
pervious paper we presented microstructural characteri-
zation via b-CH2 signals of four butyl acrylate homopolymers: poly(n-butyl acrylate) (PnBuA), poly(isobutyl acrylate) (PiBuA), poly(sec-butyl acrylate) (PsBuA) and poly(tert-butyl acrylate) (PtBuA), obtained by free radical
polymerization in solution yielding predominantly syndiotactic chains [4]. In this paper we focused on carbonyl
signal of two butyl acrylates, poly(isobutyl acrylate),
PiBuA and poly(sec-butyl acrylate), PsBuA where the polymer chains should have predominantly isotactic configuration.
EXPERIMENTAL
The samples of isotactic poly(isobutyl acrylate) and
poly(sec-butyl acrylate) were prepared by anionic polymerization initiated by n-butyllithium (2.5 M in hexane). The monomer/solvent (hexane) weight ratio
was 1/2.5 and the monomer/initiator molar ratio was
1/50. The polymerization was carried out at -80 °C for
3 h. After reaction the polymer was precipitated from
methanol–water mixture and vacuum dried at 80 °C to
constant weight [5].
The 100 MHz 13C NMR spectra were recorded with a
Bruker AM 400 spectrometer at 40 °C, using sample concentration of 10% (w/w) in deuterated chloroform, benzene and acetone as solvents. Good signal to noise ratio was
obtained for about 12000 scans, with a 4 s delay.
Simulations of the NMR spectra were performed
using our own software written in the Matlab environment (Math Works, Inc.).
162
M. SIO£EK, M. PASICH, N. HENZEL and M. MATLENGIEWICZ
RESULTS AND DISCUSSION
Figure 1 shows the 100 MHz 13C NMR signals of the
carbonyl carbons recorded in three deuterated solvent:
CDCl3, C6D6 and acetone-d6 for PiBuA and PsBuA homopolymers. Comparing the spectra in the three deuterated
solvents we see that there is no significant difference in
splitting for both homopolymers, however, the effect of
solvent is visible as a significant shift of the band position.
For all carbonyl signals we observe a clear separation into
three groups of signals which come from the individual
configurational triads with further splitting into pentads.
Table 1. Triad probabilities for isotactic poly(isobutyl acrylate),
PiBuA, and poly(sec-butyl acrylate), PsBuA, acquired from the
integration of a-CH signals
Triads
PiBuA
PsBuA
rr
0.544
0.340
rm
0.404
0.520
mm
0.052
0.140
For PiBuA homopolymer the most dominant signal is
the mmmm pentad indicating high isotacticity of the chain
while for PsBuA the chain is not so predominantly isotactic. For both homopolymers the triad probabilities can be
calculated from the methine backbone carbon signal,
a-CH, at about 44 ppm by simple integration of the well
resolved triads. It can be therefore concluded that both
homopolymers are predominantly isotactic, moreover,
isotacticity calculated for PiBuA is visibly higher than
that for PsBuA (Table 1).
Respective probabilities for Bernoullian and first-order Markov probabilities can be then readily calculated
from these triads and used to verify the propagation statistics by simulation of the carbonyl signal splitting (Table
3 and Table 4). As can be seen for such triad distribution
of a predominantly isotactic chain, there is no significant
difference between Bernoullian and first-order Markov
statistics, hence, there is no need to differentiate them.
The chemical shifts of individual pentads have been calculated based on the incremental method assuming additive influence of the neighboring units [1]. The influence
of the neighboring monomeric units closest to the central
unit is described as a increments, and the effect of subsequent units is described by b increments. Therefore, for
example, the position of rmrr pentad can be calculated as:
drmrr = d0 + am + ar + bmr + brr
where r and m stand for racemic and meso diad, respectively.
The values of corresponding increments determined
in this manner are listed in Table 2.
PiBuA
PsBuA
CDCl3
C6D6
acetone-d6
175
174
173
172 ppm
175
174
173
Figure 1. Carbonyl region of the 100MHz 13C NMR spectra of PiBuA and PsBuA in CDCl3 C6D6 and acetone-d6
172 ppm
163
Table 2. Values of a and b increments (in ppm) used to calculate
the chemical shifts of carbonyl signals in configurational sequences of isotactic poly(isobutyl acrylate), PiBuA, recorded in
CDCl3.
d0 = 174.300
Table 4. Probabilities of configurational pentads of isotactic
poly(isobutyl acrylate), PiBuA, in C6D6 calculated according to
Bernoulli and first-order Markov statistics
PiBuA pentad
Bernoulli
First-order
Markov
Chemical
shifts [ppm]
am = -0.060
ar = +0.215
rrrr
0.0006
0.0001
174.68
bmm = +0.060
brr = -0.025
rrrm
0.0013
0.0005
174.73
brm = +0.025
mrrm
0.0065
0.0045
174.78
rmrr
0.0013
0.0009
174.37
rmrm
0.0130
0.0144
174.42
bmr = -0.060
Table 3. Probabilities of configurational pentads of isotactic
poly(isobutyl acrylate), PiBuA, in CDCl3 calculated according
to Bernoulli and first-order Markov statistics
174.49
0.1431
174.54
0.0065
0.0069
174.06
rmmm
0.1340
0.1378
174.18
mmmm
0.6903
0.6832
174.30
Bernoulli
rrrr
0.0003
0.0004
174.68
rrrm
0.004
0.005
174.73
mrrm
0.013
0.014
174.78
rmrr
0.004
0.004
174.37
rmrm
0.027
0.026
174.42
mmrr
0.027
0.028
174.49
0.170
0.0086
0.1340
rmmr
PiBuA pentad
0.174
0.0130
Chemical
shifts [ppm]
First-order
Markov
mmrm
mmrr
mmrm
Table 5. Chemical shift corrections for mr-centered triad of
PiBuA in CDCl3 and C6D6
Sequences
Homopolymers
rmrm
mmrr
mmrm
chemical shift
174.37
174.42
174.49
174.54
shift correction
+0.54
+0.13
+0.06
-0.09
chemical shift
173.18
173.20
173.35
173.37
shift correction
+0.18
+0.16
-0.17
-0.12
174.54
rmmr
0.013
0.013
174.06
rmmm
0.174
0.172
174.18
mmmm
0.564
0.567
174.30
The sequence probabilities and line positions can be
used as starting parameters to calculate the spectrum of
the carbonyl region. Simulation of the C=O signals utilizing these values gave good results except for the pentads
with central mr triad. Such discrepancy can be explained
CDCl3
C6D6
mr
rmrr
in terms of differences of chain conformation of various
sequences. Therefore it was necessary to apply slight corrections for some of these lines which are summarized in
Table 5 for both solvents CDCl3 and C6D6. After applying
a)
c)
b)
d)
Figure 2. Simulation of the carbonyl signals of PiBuA in deuterated chloroform at the pentad level a) chemical shifts obtained solely by incremental
method b) with correction for mr triad (using Bernoulli statistic with 1Hz line width) c) using Bernoulli statistic with 3Hz line width d) using
First-order Markov statistic with 1Hz line width
164
M. SIO£EK, M. PASICH, N. HENZEL and M. MATLENGIEWICZ
a)
c)
b)
d)
Figure 3. Simulation of the carbonyl signals of PiBuA in deuterated benzene at the pentad level a) chemical shifts obtained solely by incremental
method b) with correction for mr triad (using Bernoulli statistic with 1Hz line width) c) using Bernoulli statistic with 3Hz line width d) using
First-order Markov statistic with 1Hz line width
the corrections and matching the line width with experimental spectra good agreement between simulated and
experimental spectra was obtained. In this case it is
enough to simulate the spectrum at the pentad level because individual signals of longer sequences are not observed.
For PsBuA homopolymer the simulation of the C=O
signals utilizing the sequence probabilities and line posi-
tions gave quite good results except for the pentads with
central mr triad, like in the previous case. However, the
general shape of the simulated spectrum is very similar to
the experimental one. Therefore it was sufficient to apply
only slight corrections (Table 6) to some of these lines.
Moreover, we see that there is also a discrepancy in the
number of lines and their intensity, which can be explained in terms of further splitting into heptad lines. Finally,
a)
c)
b)
d)
Figure 4. Simulation of the carbonyl signals of PsBuA in deuterated chloroform using Bernoulli statistic with correction for mr triad a) at the pentad
level with 1Hz line width b) at the pentad level with 3Hz line width c) at the heptad level with 1Hz line width d) at the heptad level with 3Hz line
width
165
the spectra simulated at pentad level with splitting of
some lines into heptads show very good accordance with
the experimental data.
account splitting into heptads only for some selected pentads can significantly augment the agreement of the simulated spectra with the experimental ones.
Table 6. Chemical shift corrections for mr-centered pentads of
PsBuA
REFERENCES
Sequences
Homopolymer
PsBuA
mr
rmrr
rmrm
mmrr
mmrm
chemical shift
174.08
174.05
174.24
174.21
shift correction
+0.30
+0.90
+0.02
-
CONCLUSIONS
The microstructural characterization of poly(isobutyl
acrylate), PiBuA, and poly(sec-butyl acrylate), PsBuA, can
be performed by means of 13C NMR spectroscopy, focusing on the carbonyl signal region of the spectrum. Application of Bernoulli statistics to describe the probabilities
of sequence distribution and incremental calculation of
chemical shifts of the individual sequences can be used to
positively simulate the carbonyl signal at the pentad level
for both homopolymers having predominantly isotactic
chain. In the case of PsBuA it can be seen that some pentads exhibit further splitting into heptad lines. Taking into
[1] Matlengiewicz M. „Microstructure Analysis of Acrylate-Methacrylate Copolymers by 13C NMR Spectroscopy”;
Chapter in Encyclopedia of Analytical Chemistry. edited by R.
A. Meyers, Chichester, UK; John Wiley & Sons. Ltd. (2011),
Suppl. Vols. S1-S3. pp 725-738
[2] Nguyen G., Nicole D., Swistek M., Matlengiewicz M. and
Wiegert B. „Sequence distribution of the methyl methacrylate-ethyl acrylate copolymer by 13C NMR spectroscopy”;
Polymer, 38, 3455–3461 (1997)
[3] Nguyen G., Matlengiewicz M. and Nicole D. „Incremental
method for determination of sequence distribution of poly(methyl methacrylate) by 13C NMR spectroscopy”; Analysis, 27, 847–853 (1999)
[4] Matlengiewicz M., Sio³ek M. „Analysis of b-CH2 signals in
13C NMR Spectra to Determine Microstructure of Poly(Butyl
Acrylates)”, Advances in Plastics Technology, APT’13, Sosnowiec, 8-10.10.2013
[5] Quinting R., Cai R. „High-Resolution NMR Analysis of the
Tacticity of Poly(n-butyl methacrylate)”, Macromolecules, 27,
6301 (1994)
166
Mariusz SKOMRA, Grzegorz FIC, Wies³aw BACZA
Politechnika Rzeszowska, Wydzia³ Chemiczny
Wykorzystanie metod sztucznej inteligencji w komputerowej symulacji
degradacji polimerów
Streszczenie. Zbadano skutecznoœæ systemu CSB do komputerowej symulacji procesów degradacji polistyrenu
w ró¿nych œrodowiskach. Stwierdzono koniecznoœæ rozszerzenia bazy wiedzy o nowe transformacje ukierunkowane
na symulacjê produktów jego przemian.
USING METHODS OF THE ARTIFICIAL INTELLIGENCE IN THE COMPUTER SIMULATION OF POLYMERS DEGRADATION
Summary. A effectiveness of the CSB system was examined for the computer simulation of degradation processes of
the polystyrene in various environments. A need for the extension of the knowledge base was stated for new transformations directed at the simulation of products of his transformations.
stratu – przyk³adem mo¿e byæ tutaj reakcja wolnorodnikowej autooksydacji.
1. WSTÊP
Istotnym problemem zwi¹zanym z polimerami s¹
procesy ich starzenia oraz analiza powstaj¹cych w ich
wyniku produktów. W celu komputerowego wspomagania badañ w tym zakresie mo¿na wykorzystaæ ró¿ne
programy CAOS (Computer Assisted Organic Synthesis),
a szczególnie te, które s¹ zorientowane na komputerowe
prognozowanie produktów przemian organicznych [1].
W pracy przedstawiono wyniki badañ, których g³ównym
celem by³o sprawdzenie przydatnoœci zastosowania
programu CSB (Chemical Sense Builder) [2] do przewidywania produktów degradacji polistyrenu (PS).
1.1. Degradacja polimerów
Degradacja to proces, w którym zachodzi rozerwanie
³añcucha polimerowego pod wp³ywem reakcji chemicznych co doprowadza do zmian w³aœciwoœci fizycznych
i w efekcie pogorszenia w³aœciwoœci materia³u [3]. Ze
wzglêdu na rodzaj czynnika wywo³uj¹cego degradacjê
proces ten mo¿na podzieliæ na: starzenie (wywo³any
czynnikami fizycznymi), korozjê (czynnikami chemicznymi) oraz starzenie atmosferyczne (czynnikami atmosferycznymi). Ze wzglêdu na sposób inicjowania wyró¿nia siê degradacjê: (i) chemiczn¹ – wywo³an¹ czynnikami
chemicznymi, (ii) termiczn¹ – wywo³an¹ wp³ywem podwy¿szonej temperatury, (iii) biologiczn¹ – wywo³an¹
dzia³aniem enzymów produkowanych przez mikroorganizmy, (iv) radiacyjn¹ – wywo³an¹ promieniowaniem a,
b, g czy X, (v), mechaniczn¹ – wywo³an¹ rozci¹gaj¹cym
dzia³aniem si³ oraz (vi) fotochemiczn¹ – wywo³an¹ absorpcj¹ promieniowania UV.
Zazwyczaj w procesie starzenia polimerów dochodzi
do jednoczesnej degradacji wielu typów, np. dzia³ania
promieniowania, tlenu i innych czynników atmosferycznych czy te¿ ciep³a, si³ mechanicznych i tlenu. Dodatkowo procesy degradacji mog¹ zachodziæ jednoetapowo lub
wieloetapowo, gdy produkty powsta³e w jednym etapie
s¹ zdolne do reagowania z kolejnymi cz¹steczkami sub-
1.2. Degradacja polistyrenu
Powodem sta³ego wzrostu produkcji termoplastycznego polistyrenu jest ³atwoœæ jego formowania, dobra odpornoœæ chemiczna, dobre w³aœciwoœci dielektryczne, ³atwoœæ barwienia oraz przeŸroczystoœæ. Ponadto jest on odporny termicznie i mo¿na go wielokrotnie przetwarzaæ
bez pogorszenia w³aœciwoœci. Ze wzglêdu na szerokie
zastosowanie PS nara¿ony jest g³ównie na dwa rodzaje
degradacji – fotodegradacjê oraz degradacjê termiczn¹.
W wyniku absorpcji promieniowania UV mo¿e dojœæ do
pêkniêcia ³añcucha g³ównego, oderwania atomu wodoru
lub oderwania pierœcienia fenylowego, a nastêpnie,
w wyniku reakcji z tlenem, mog¹ powstaæ ró¿nego typu
rodniki nadtlenkowe. Proces degradacji termicznej polega na rozerwaniu wi¹zania wêgiel-wêgiel, a powsta³e
w ten sposób fragmenty struktury mog¹ ulegaæ dalszym
przemianom w kierunkach tworzenia kolejnych rodników, oligomerów oraz zwi¹zków ma³ocz¹steczkowych.
Mo¿liwe s¹ tak¿e reakcje przegrupowania atomu wodoru
z jednego meru PS do wolnego rodnika w innym [4].
1.3. Program CSB
Opracowany w Zak³adzie Informatyki Chemicznej
Politechniki Rzeszowskiej, multimodelowy i ucz¹cy siê,
program CSB umo¿liwia symulacjê przemian chemicznych przebiegaj¹cych z udzia³em jednego, dwóch, trzech
lub czterech substratów. Zaimplementowano w nim cztery ró¿ne modele symulowania reakcji chemicznych:
1. Model matematyczny Ugiego-Dugundjego (model
UD) [5], który wykorzystuje 64 ró¿ne transformacje,
reprezentuj¹ce uogólnione i odpowiednio sformalizowane reakcje chemiczne. Zastosowanie tego modelu
umo¿liwia prognozowanie dowolnych typów reakcji
chemicznych oraz stwarza mo¿liwoœci odkrycia nowych mechanizmów i produktów przemian. G³ówn¹
167
Wykorzystanie metod sztucznej inteligencji w komputerowej symulacji degradacji polimerów
jego wad¹ jest generowanie bardzo du¿ych przestrzeni rozwi¹zañ, obejmuj¹cych zarówno przemiany realne, ale równie¿ i znaczn¹ liczbê produktów przemian,
których prawdopodobieñstwo rzeczywistego przebiegu jest niewielkie.
2. Model zdrowego rozs¹dku [6], w którym na model
UD na³o¿ono regu³y wynikaj¹ce z wiedzy chemicznej,
ogranicza powstaj¹c¹ przestrzeñ rozwi¹zañ, szczególnie w zakresie eliminacji czêœci rozwi¹zañ nierealnych.
3. Model podobieñstwa [7], którego stosowanie skutkuje jeszcze wiêksz¹ eliminacj¹ prognoz nierealnych
z chemicznego b¹dŸ termodynamicznego punktów
widzenia. Wykorzystuje on wyniki nadzorowanego
2. METODOLOGIA BADAÑ
Program CSB zosta³ opracowany dla prognozowania
produktów przemian zachodz¹cych z udzia³em zwi¹zków ma³ocz¹steczkowych. St¹d te¿ pierwszym problemem, jaki nale¿a³o rozwi¹zaæ, by³o opracowanie sposobu
reprezentacji struktury polimeru. Przyjêto, ¿e odpowiednim rozwi¹zaniem bêdzie tutaj fragment zbudowany
z czterech s¹siednich merów. Dalsze fragmenty polimeru
reprezentowane s¹ przez symbole $1 i $2 (Rys. 1). W celu
reprezentacji œrodowiska chemicznego, w którym przebiegaj¹ procesy degradacji, jako dodatkowe substraty w
niektórych symulacjach przyjêto cz¹steczki wody lub/oraz tlenu.
Rys. 1. Zestaw substratów stosowany w symulacjach komputerowych z wykorzystaniem CSB. Kolejnoœæ atomów zosta³a ustalona przez CSB za pomoc¹ algorytmu kanonizacji struktury. Dziêki temu kolejnoœæ atomów i wi¹zañ jest standaryzowana niezale¿nie od pocz¹tkowych wartoœci.
uczenia programu, podczas którego u¿ytkownik
wprowadza znane i poprawne dane (tu reakcje chemiczne), zaœ program je uogólnia i formu³uje automatycznie transformacje (typu korelacji przyczynowo-skutkowych), które nastêpnie stosuje podczas
predykcji produktów dla zbiorów substratów podobnych do tych, jakie by³y obiektami uczenia.
4. Model empiryczny [8], który wykorzystuje w swoim
dzia³aniu wy³¹cznie wiedzê zdeponowan¹ w bazie
danych. Gwarantuje tym samym bardzo wysokie
prawdopodobieñstwo zajœcia wygenerowanych przemian w rzeczywistoœci, lecz jednoczeœnie ca³kowicie
eliminuje z przestrzeni rozwi¹zañ nieznane dot¹d
mechanizmy.
Wygenerowanie przez CSB produktów przemian chemicznych dla konkretnego zestawu substratów wymaga
uprzedniej realizacji wielu cz¹stkowych etapów, w których stosowane s¹ zaawansowane metody sztucznej inteligencji. Nie wdaj¹c siê tutaj w szczegó³ow¹ dyskusjê tych
zagadnieñ warto wspomnieæ o niektórych, kolejno realizowanych etapach analizy topologicznej struktury, takich
jak: identyfikacja wszystkich pierœcieni wystêpuj¹cych
w strukturze, rozpoznanie uk³adów pierœcieni, identyfikacja uk³adów aromatycznych oraz sprawdzenie czy
w strukturach substratów wystêpuj¹ konkretne podstruktury, których obecnoœæ determinuje reaktywnoœæ
chemiczn¹ okreœlonych wi¹zañ i atomów.
Do symulacji reakcji u¿yto dwóch modeli – modelu
UD oraz zdrowego rozs¹dku. Zosta³o to podyktowane
tym, i¿ oprócz opisanych wczeœniej ró¿nic miêdzy tymi
modelami, model zdrowego rozs¹dku dokonuje transformacji struktur substratów bazuj¹c tylko i wy³¹cznie na
miejscach reaktywnych rozpoznanych automatycznie
przez algorytmy CSB, zaœ w modelu UD u¿ytkownik ma
nad nimi pe³n¹ kontrolê – mo¿e wprowadzaæ listê miejsc
reakcji odpowiedni¹ dla celu przetwarzania.
3. SYMULACJE KOMPUTEROWE
W 1-szym etapie badañ [9], przy zastosowaniu standardowego zestawu 64 transformacji CSB wykonano 33
symulacje, spoœród których w 12 jako substrat wykorzystano pojedynczy ³añcuch PS, w 10 PS i wodê, w 3 PS i tlen,
a w pozosta³ych ró¿ne ich kombinacje (np. PS+PS,
PS+H2O+H2O). Poszczególne symulacje ró¿ni³y siê równie¿ sposobem okreœlania miejsc reakcji: (i) symulacje
przebiegaj¹ce wy³¹cznie dla zestawów miejsc reakcji rozpoznanych przez algorytmy CSB (ii) symulacje, w których dodatkowo uwzglêdniono miejsca reakcji zorientowane na otrzymanie konkretnych produktów starzenia
PS opisanych w literaturze. Otrzymane produkty przemian PS podzielono na trzy kategorie:
— (zbiór A) produkty opisane w literaturze [4] i wygenerowane przez CSB (11 zwi¹zków)
168
Rys. 2. Zbiór odtworzonych przez CSB znanych produktów degradacji PS – produkty te s¹ opisane w literaturze i zosta³y wygenerowane przez CSB.
— (zbiór B) produkty opisane w literaturze, ale nie wy-
generowane przez CSB (15 zwi¹zków),
— (zbiór C) produkty wygenerowane przez CSB, ale nieopisane we literaturze.
W 2-gim etapie badañ, po przeanalizowaniu przyczyn zawodnoœci CSB, tj. niemo¿noœci odtworzenia 15 produktów stwierdzono, ¿e przyczyn¹ takiego stanu rzeczy jest
brak w CSB odpowiednich transformacji. W celu poprawy skutecznoœci CSB zaprojektowano i zaimplementowano 8 nowych transformacji dla modu³u generatora reakcji CSB (Tab. 1).
Nastêpnie powtórzono ponownie cykl zrealizowanych w 1-szym etapie symulacji komputerowych. Stwierdzono, ¿e modyfikacja bazy wiedzy CSB poprawi³a skutecznoœæ prognozowania produktów starzenia PS – zbiór
A liczy³ teraz 19 zwi¹zków (Rys. 2), zaœ zbiór B 7 zwi¹zków (Rys. 3).
Tab. 1. Uproszczone schematy nowych transformacji dla generatora reakcji CSB
Lp.
Schemat transformacji
1
A-B-C + D-E + F-G + H-I àA-G + H-B-D +E-F + C-I
2
A-B-C + D-E + F-G +:H-I +J-KàA-I + J-B-D + C-K +
+ E-G + F=H
3
A-B-C-D + E-F-G + H-I à A-C-H + D-I + E-G + F=B
4
A-B-C +:D-E +:F-G + H-I + J-K àA-C + D=B-J + G-E +
+ K-H + I=F
5
A-B + C-:D-E + F-GàA-D=F + B-E + G-C
6
A-B:-C + D-E + F-G: + H-I + J-K àA-K + D=B-J + C-E +
+ F-I + G=H
7
A-B:-C + D-E + :F-G + H-I àA-C E-B=D + F=I + G-H
8
A-B + C-D-E + F-G + H-IàA-F + G-D-H + B-I + C-E
Rys. 3. Zbiór nieodtworzonych przez CSB znanych produktów degradacji PS – produkty te s¹ opisane w literaturze, lecz CSB ich nie wygenerowa³.
169
Wykorzystanie metod sztucznej inteligencji w komputerowej symulacji degradacji polimerów
Rys. 4. Niektóre produkty degradacji PS wygenerowane przez CSB
i nieopisane w literaturze. Podano te¿ obliczone przez CSB wartoœci
zmian entalpii hipotetycznych przemian w których by powsta³y
[kcal/mol].
4. DYSKUSJA WYNIKÓW
W drugim cyklu symulacji program CSB wykaza³
zdolnoœæ do odtworzenia 19 z 26 znanych produktów
degradacji polistyrenu. Brak mo¿liwoœci odtworzenia 7
pozosta³ych zwi¹zków jest spowodowany tym, ¿e do ich
wygenerowania koniecznym by³oby zaimplementowanie
w CSB zbyt z³o¿onych transformacji. Przyk³adowo, aby
w jednym etapie symulacji wygenerowaæ strukturê
9,10-dihydroantracenu nale¿a³oby zastosowaæ transformacjê operuj¹c¹ a¿ na 15 miejscach inicjowania reakcji:
A-B-C-D + :E-F + G-H + I-J + K-L:-M + N-O-P Q-R +
+ S-T + U-V à A-D + V-C=E + C-R + G-F + H-Q +
+ M-I + J-L=O-T + N-P + K-B + S-U
Stwierdzono jednak, ¿e wszystkie te produkty, dla
których CSB okaza³ siê zawodny mo¿na uzyskaæ stosuj¹c
nastêpczy cykl dwóch symulacji komputerowych.
Wszystkie znane z literatury produkty degradacji PS
zosta³y wygenerowane przez CSB przy zastosowaniu
modelu UD. Stwierdzono zatem nieprzydatnoœæ modelu
zdrowego rozs¹dku do symulacji tego typu przemian
(przyczyny: brak rozpoznania odpowiednich zestawów
miejsc reakcji oraz zbyt du¿a restrykcyjnoœæ algorytmów
kontroluj¹cych przebieg symulacji komputerowej).
W wyniku komputerowej symulacji procesów degradacji PS program CSB wygenerowa³ (w ró¿nych symulacjach) wiele produktów nieopisanych w literaturze (Rys.
4). Aktualnie, realnoœæ tych prognoz mo¿na jedynie oceniaæ analizuj¹ obliczone przez program wartoœci zmian
entalpii poszczególnych reakcji. Z tego punktu widzenia,
realnymi produktami degradacji PS mog¹ siê okazaæ 2-fenylo-1,2,3,4-tetrahydronaftalen (DH = -2 kcal/mol) oraz
1,3-difenylocyklopentan (DH = 4 kcal/mol). Pozosta³e
zwi¹zki z tej grupy produktów wygenerowanych przez
CSB, bior¹c pod uwagê wysoce endotermiczny charakter
przemian, w których by powstawa³y oraz maksymaln¹
temperaturê pracy PS (60-65 °C [10]), wydaj¹ siê ma³o
prawdopodobne.
5. PODSUMOWANIE
Wstêpne próby zastosowania programu CSB do komputerowego symulowania procesów degradacji polime-
170
rów pokaza³y, ¿e mimo jego zaprojektowania do innych
celów mo¿e on znaleŸæ zastosowanie i w tej dziedzinie.
Potwierdzi³y one jego skutecznoœæ poprzez wygenerowanie produktów opisanych w literaturze przemian chemicznych, a tak¿e da³y podstawê do dalszych laboratoryjnych analiz tych procesów celem weryfikacji produktów wygenerowanych przez CSB, a nieopisanych w literaturze.
Jednak¿e, aby program CSB móg³ byæ w pe³ni wykorzystywany do symulowania procesów degradacji polimerów koniecznym jest wzbogacenie jego baz danych
o nowe schematy transformacji oraz algorytmy automatycznego wyboru zestawów miejsc reaktywnych. Metoda
ich manualnego projektowania i wskazywania jest czasoi pracoch³onna. Jednym z rozwi¹zañ tego problemu mo¿e
siê okazaæ zaimplementowanie nowego algorytmu uczenia maszynowego – tzw. modelu ko³a reakcji. Jego istot¹
bêdzie rozpatrywanie przemiany zarówno na poziomie
centrum reakcji jak i jego bli¿szego i dalszego s¹siedztwa,
którego zakres bêdzie regulowany przez u¿ytkownika.
Dziêki temu bêd¹ mog³y zostaæ tworzone transformacje
ró¿ni¹ce siê poziomem szczegó³owoœci – od bardzo
uogólnionych do bardzo szczegó³owych. Takie podejœcie
powinno zaowocowaæ rozszerzeniem obszarów mo¿liwych zastosowañ CSB, w tym równie¿ znaczn¹ popraw¹
skutecznoœci prognozowania produktów degradacji ró¿nych polimerów.
BIBLIOGRAFIA
[1] Todd M., Computer-aided organic synthesis, Chemical Society
Reviews, 2005, 34, 3, 247-266
[2] Nowak G., Fic G., Machine Learning Approach to Discovering
Cascade Reaction Patterns. Application to Reaction Pathways
Prediction, Journal of Chemical Information and Modeling,
2009, 49, 6, 1321-1329
[3] Rabek J.F., Podstawy fizykochemii polimerów, Wydawnictwo
Politechniki Wroc³awskiej, 1977, 96-115
[4] Krauze M., Trzeszczyñski J., Dziêcio³ M., Wp³yw temperatury
i rodzaju atmosfery na rozk³ad termiczny polistyrenu, Polimery,
2003, 10, 701-708
[5] Fic. G., Nowak G., Extended Concept of Reaction Generators in
CSB System, Computers & Chemistry, 1998, 22, 1,141-146
[6] Nowak G., Fic G., Implementation of Commonsense Reasoning
in Organic Reaction Prediction System CSB, Computers& Chemistry, 1998, 22,1,147-152
[7] Fic G., Nowak G., Implementation of similarity model in the
CSB system for chemical reaction predictions, Computers &
Chemistry, 2001, 25, 2, 177-186
[8] Fic G., Nowak G., Multimodelowy system do symulacji reakcji
chemicznych, w: Bobrowski L., Bogacz R. (red.), Symulacja
w badaniach i rozwoju, PTSK, Warszawa, 2000, 120-130
[9] Bacza W., Komputerowe projektowanie produktów procesów starzenia polimerów, Praca dyplomowa, Politechnika Rzeszowska, 2009
[10] Polystyrene Specifications, http://www.boedeker.com/polyst_p.htm, dostêp 11.12.2014
171
W³aœciwoœci mechaniczne wyrobów wytworzonych technologi¹ FDM
Zenon TARTAKOWSKI, Katarzyna MYD£OWSKA
Zak³ad Tworzyw Polimerowych, Instytut In¿ynierii Materia³owej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
w Szczecinie, Al. Piastów 19, 70-310 Szczecin, [email protected]
Streszczenie: Modelowanie uplastycznionym tworzywem pozwala na wytworzenie elementów o skomplikowanej
konstrukcji geometrycznej bez dodatkowego oprzyrz¹dowania. Mo¿liwoœæ manipulowania wieloma parametrami
procesu oraz kompozytowy charakter wytwarzanych czêœci powoduje problemy z przewidzeniem ich w³aœciwoœci.
W niniejszej pracy przedstawiono badania wybranych w³aœciwoœci mechanicznych wyrobów wytworzonych technologi¹ FDM z PLA(poli(kwasu mlekowego)). Badano wp³yw temperatury i prêdkoœci druku oraz temperatury sto³u drukuj¹cego na udarnoœæ, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie oraz twardoœæ. Wyniki porównano z w³aœciwoœciami
próbek uzyskanych poprzez wtryskiwanie.
S³owa kluczowe: szybkie prototypowanie, FDM, w³aœciwoœci mechaniczne, PLA
MECHANICAL PROPERTIES OF THE ELEMENTS PRODUCED BY THE FDM TECHNIQUE
Abstract: Fused deposition modeling allows to produce elements with complicated geometrical structure without
any additional equipment. The ability to manipulate multiple parameters of the process and the composite nature of
the manufactured parts causes problems with predicting their properties. In this paper the results of the research on
PLA elements manufactured using FDM technique are presented. The effect of specific process parameters, namely:
printing temperature, printing speed, and bed temperature on their mechanical properties such as impact strength,
tensile strength, and toughness were investigated. Moreover, a comparison of mechanical properties with injected
samples was conducted.
Keywords: rapid prototyping, FDM, mechanical properties, poly(lactid acid)
Czêœæ teoretyczna
Technologia FDM jest to jedna z metod szybkiego prototypowania i wytwarzania, pozwalaj¹ca na wydrukowanie trójwymiarowych obiektów o dowolnie skomplikowanej geometrii na podstawie modelu CAD 3D. Materia³
w postaci sta³ej, ¿y³ki (ang. filament), o okreœlonej œrednicy (1,75 mm; 3 mm) z ustalon¹ i regulowan¹ prêdkoœci¹
podawany jest do g³owicy wyt³aczaj¹cej, z której poprzez
dyszê (œrednica 0,3÷0,7 mm) w stanie uplastycznionym
jest wyt³aczany na stó³ roboczy [1]. Przebieg procesu
przedstawiono na rys. 1.
Ze wzglêdu na intensywny rozwój technologii FDM
dostêpnych jest wiele rozwi¹zañ konstrukcyjnych
urz¹dzeñ drukuj¹cych. Rozró¿niæ mo¿na drukarki jednooraz dwug³owicowe, które umo¿liwiaj¹ wytwarzanie elementów z dwóch materia³ów, w tym jeden stanowi mate-
Rys. 1. Schemat procesu druku w technologii FDM [2]
ria³ konstrukcyjny, a drugi podporowy. Elementami ruchomymi w drukarkach FDM, poruszaj¹cymi siê
w osiach X, Y, Z mog¹ byæ stó³ drukuj¹cy oraz g³owica.
Najczêstszym, rozwi¹zaniem jest g³owica poruszaj¹ca siê
w osiach X i Y oraz stó³ poruszaj¹cy siê w osi Z. Filament
podawany jest w sposób ci¹g³y do g³owicy, z okreœlon¹
prêdkoœci¹, uzale¿nion¹ od geometrii wyrobu oraz parametrów druku. Prêdkoœæ podawania regulowana jest za
pomoc¹ rolkowego systemu napêdzanego silnikiem krokowym. Do istotnych parametrów drukarki zaliczane s¹:
wielkoœæ sto³u roboczego, œrednica dyszy, œrednica filamentu, minimalna gruboœæ pojedynczej warstwy, mo¿liwoœæ do³¹czania dodatkowych elementów. Stó³ roboczy
drukarki jest podgrzewany, z mo¿liwoœci¹ regulacji temperatury w zale¿noœci od rodzaju stosowanego do druku
filamentu.
Do stosowanych w druku FDM materia³ów nale¿¹:
ABS (akrylonitryl-butadien-styren), PLA (poli(kwas mlekowy)), poliamid (PA), poliwêglan (PC), polifenylosulfony (PPSF/PPSU), polieteroimid (PEI), polipropylen (PP)
[3]. Wykorzystywane s¹ równie¿ materia³y kompozytowe jak np. Laywood-3D, bêd¹cy mieszank¹ materia³u polimerowego oraz m¹czki drzewnej i Laybrick, czyli kompozyt polistyrenu i nape³niaczy mineralnych. Spoœród
wymienionych materia³ów na uwagê zas³uguje PLA, biodegradowalny, semikrystaliczny polimer. Do zalet PLA
zalicza siê: wysoki modu³ sprê¿ystoœci przy rozci¹ganiu,
odpornoœæ na dzia³anie promieniowania UV, nisk¹ palnoœæ i wydajnoœæ dymów [4]. Elementy wykonane z PLA
charakteryzuj¹ siê niewielkim skurczem, co jest spowodowane szybkim procesem ch³odzenia, uniemo¿liwiaj¹cym wytworzenie struktur krystalicznych w polimerze.
Powoduje to niewielk¹ tendencjê do odkszta³ceñ w wyni-
172
Rys. 2. Tworzenie po³¹czenia miêdzy s¹siednimi œcie¿kami wyt³aczanego tworzywa: 1) ³¹czenie powierzchni, 2) rozwój po³¹czenia, 3) dyfuzja
makrocz¹steczek i tworzenie obszaru miêdzyfazowego [7]
ku naprê¿eñ. Ponadto PLA nie wymaga wysokiej temperatury druku w porównaniu z ABS czy PA, ani podwy¿szonej temperatury sto³u roboczego. W czasie druku nie
nastêpuje wydzielanie nieprzyjemnego zapachu ani
szkodliwych substancji.
Dla wiêkszoœci u¿ytkowników istotnym jest uzyskanie wyrobów o odpowiednich parametrach wytrzyma³oœciowych. Wp³yw na wytrzyma³oœæ wyrobów wytworzonych technologi¹ FDM maj¹: w³aœciwoœci materia³u,
temperatura druku (temperatura dyszy drukuj¹cej),
prêdkoœæ druku (prêdkoœæ przemieszczania siê g³owicy
w trakcie wyt³aczania materia³u), orientacja modelu
w przestrzeni roboczej, stopieñ i sposób wype³nienia,
gruboœæ warstwy oraz warstw wierzchnich [5]. Tworzenie wi¹zania pomiêdzy osadzanymi w³óknami umo¿liwia energia cieplna uplastycznionego materia³u. Molekularne wi¹zania pomiêdzy s¹siednimi w³óknami powstaj¹
w wyniku dyfuzji termicznej. Pierwszym etapem tego
procesu jest utworzenie powierzchni kontaktu, nastêpnie
cz¹steczki dyfunduj¹ pomiêdzy wyt³aczanymi w³óknami
tworz¹c strefê miêdzyfazow¹, a w wyniku obni¿enia temperatury powstaje trwa³e po³¹czenie. G³ównym czynnikiem maj¹cym wp³yw na jakoœæ wytwarzanego po³¹czenia, a tym samym wytrzyma³oœæ powstaj¹cych czêœci ma
temperatura wyt³aczania. W obni¿onej temperaturze
ruchliwoœæ ³añcuchów makrocz¹steczek jest niewystar-
czaj¹ca, by wytworzyæ wytrzyma³e po³¹czenie. Procesy
zachodz¹ce pomiêdzy poszczególnymi wstêgami wyt³aczanego tworzywa, prowadz¹ce do powstania trwa³ego
po³¹czenia miêdzy nimi, zosta³y przedstawione na rys. 2
[6, 7].
Powstaj¹ce elementy wykazuj¹ charakter kompozytowy, sk³adaj¹ siê z w³ókien polimerowych, wi¹zañ wystêpuj¹cymi miêdzy nimi oraz pustych przestrzeni [7]. Kierunek u³o¿enia w³ókien w kolejnych warstwach jest obrócony o 90°. Charakterystyczny dla wyrobów wytworzonych technologi¹ FDM przekrój przedstawiono na rys. 3.
Rozwój technologii FDM i mo¿liwoœæ wykorzystania
jej do tworzenia rzeczywistych elementów wywo³uje koniecznoœæ okreœlenia w³aœciwoœci mechanicznych wyrobów wytworzonych t¹ technologi¹. Przedstawiona powy¿ej charakterystyka procesów fizycznych, towarzysz¹cych powstawaniu elementów w technologii FDM,
wskazuje na dominuj¹cy wp³yw parametrów termicznych na w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. Dla wyrobów
wytworzonych z ABS istnieje obszerna literatura opisuj¹ca ich w³aœciwoœci [9, 10], zaœ niewystarczaj¹ca jest wiedza w tym zakresie dotycz¹ca elementów wytwarzanych
z PLA. W publikacji przedstawiono wp³yw parametrów
druku, w tym prêdkoœci i temperatury druku oraz temperatury sto³u roboczego na w³aœciwoœci mechaniczne wyrobów wytworzonych w technologii FDM oraz ich porównanie z w³aœciwoœciami elementów wytworzonych
technologi¹ wtrysku.
Czêœæ doœwiadczalna
1. Materia³ badawczy
Rys. 3. Przekrój poprzeczny próbki wytworzonej technologi¹ FDM
z ABS [8]
Materia³em badawczym jest filament wytworzony
z PLA firmy Plastspaw o œrednicy 1,75±0,05 mm, barwy
niebieskiej, o gêstoœci 1,24 g/cm3. Materia³ ten scharakteryzowano poprzez okreœlenie wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia (MVR). Z materia³u wytworzono próbki do badañ
w technice druku 3D przy u¿yciu maszyny firmy Omni3D, Rapcraft 1.3. Wykonano beleczki do badañ udarnoœci metod¹ Charpy’ego oraz wiose³ka do badañ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie. Próbki wytwarzane by³y przy
nastêpuj¹cych parametrach:
— stopieñ wype³nienia próbek: 50%,
— k¹t orientacji: 30°,
— wysokoœæ warstwy: 0,2 mm,
173
— gruboœæ œcian zewnêtrznych: 0,5 mm,
— temperatura druku: 200°C, 210°C, 220°C,
— prêdkoœæ wydruku: 10 mm/s, 20 mm/s, 30 mm/s,
— temperatura sto³u: 23±1°C (temperatura otoczenia,
stó³ niepodgrzewany), 50°C, 70°C.
Oprócz próbek drukowanych z 50% stopniem wype³nienia wytworzono równie¿ próbki referencyjne o 100%
stopniu wype³nienia (temperatura druku: 210°C, temperatura sto³u: 70°C, prêdkoœæ druku 20 mm/s). Wymienione powy¿ej próbki poddano badaniom pozwalaj¹cym
okreœliæ wp³yw temperatury druku, temperatury sto³u
oraz prêdkoœci druku na wybrane w³aœciwoœci mechaniczne: udarnoœæ, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie i twardoœæ.
Dodatkowo wytworzono próbki metod¹ wtrysku z tego samego materia³u, celem oceny w³aœciwoœci materia³u
Ÿród³owego. Wtrysku dokonano przy nastêpuj¹cych parametrach: temperatura formy: 25°C, temperatura wtrysku 180°C, ciœnienie wtrysku 75 MPa.
Rys. 4. Przebieg zamian wartoœci MVR PLA w zale¿noœci od temperatury i obci¹¿enia
2. Metodyka badañ
Pomiar objêtoœciowego wskaŸnika szybkoœci p³yniêcia (MVR) przeprowadzono przy u¿yciu plastometru
obci¹¿nikowego firmy MeltFlow T. Q Ceast 6841/048.
Pomiar przeprowadzono dla obci¹¿eñ: 1,2; 2,16; 3,36 kg
w zakresie temperatur 200°C, 210°C, 220°C.
Udarnoœæ wyznaczono za pomoc¹ m³ota Charpy’ego.
Wykorzystano m³ot o energii uderzenia wynosz¹cej 0,5 J,
kierunek badania krawêdziowy.
Badania wytrzyma³oœciowe zosta³y wykonane przy
u¿yciu maszyny wytrzyma³oœciowej Instron 3366, przy
prêdkoœci 50 mm/s, w temperaturze 22±1°C. Wyznaczone
zosta³y: wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, modu³ Younga
oraz wyd³u¿enie przy zerwaniu.
Twardoœæ wyznaczono metod¹ Shore’a. Zastosowano
wg³êbnik zaostrzony na koñcu (typ D).
Wszystkie badania zosta³y przeprowadzone zgodnie
z normami PN-EN ISO.
Rys. 5. Zale¿noœæ udarnoœci od temperatury i prêdkoœci druku (temperatura sto³u: 50°C, stopieñ wype³nienia: 50%, gruboœæ warstwy:
0,2 mm, k¹t orientacji: 30°)
3. Wyniki badañ
Objêtoœciowy wskaŸnik szybkoœci p³yniêcia (MVR)
okreœlono w celu scharakteryzowania w³aœciwoœci przetwórczych materia³u. Na podstawie wyników badañ
przedstawionych na rys. 4 stwierdzono, ¿e wraz ze
wzrostem temperatury oraz obci¹¿enia wzrasta MVR.
Poni¿ej przedstawiono w postaci graficznej wybrane
wyniki badañ, pozwalaj¹ce okreœliæ wp³yw parametrów
druku na w³aœciwoœci mechaniczne wyrobów. S¹ to wyniki uœrednione otrzymane z 3 próbek dla ka¿dego badania.
Na rys. 5 przedstawiono przebieg zmian udarnoœci
dla próbek wydrukowanych na podgrzewanym stole
(Ts=50°C) dla ró¿nych temperatur i prêdkoœci druku.
Jak widaæ na wykresie udarnoœæ próbek roœnie wraz
ze wzrostem temperatury druku oraz maleje wraz ze
wzrostem prêdkoœci. Analogiczne wartoœci udarnoœci
otrzymano dla próbek drukowanych na stole podgrzanym do 70°C oraz o temperaturze 23°C. Œrednia wartoœæ
Rys. 6. Prze³om próbki poddanej badaniom udarnoœci (temperatura
druku: 220°C, prêdkoœæ druku 10 mm/s, temperatura sto³u: 70°C, stopieñ wype³nienia: 50%, gruboœæ warstwy: 0,2 mm, k¹t orientacji: 30°)
udarnoœci próbek wynios³a 5,59 kJ/m2. Najwy¿sz¹ wartoœæ udarnoœci odnotowano dla próbek wydrukowanych
na stole, którego temperatura wynosi³a 70°C, przy prêd-
174
Rys. 9. Próbka poddana próbie statycznego rozci¹gania (temperatura
druku: 220°C, prêdkoœæ druku 10 mm/s, temperatura sto³u: 70°C, stopieñ wype³nienia: 50%, gruboœæ warstwy: 0,2 mm, k¹t orientacji: 30°)
Rys. 7. Porównanie udarnoœci próbek wytworzonych technologi¹ FDM
i wtryskiwanych
koœci druku 10 mm/s i temperaturze druku wynosz¹cej
220°C (9,14 kJ/m2). Przekrój próbki po badaniu udarnoœci
Porównanie udarnoœci próbek o 50% stopniu wype³nienia wytworzonych w technologii FDM z próbkami
o 100% wype³nieniu oraz wykonanymi technologi¹
wtrysku przedstawiono na rys. 7.
Udarnoœæ próbek wytworzonych technologi¹ FDM
przy 100% wype³nieniu – 9,22 kJ/m2 by³a nieznacznie ni¿sza ni¿ próbek wtryskiwanych (9,88 kJ/m2). Próbki uzyskane przy 50% wype³nieniu charakteryzowa³y siê udarnoœci¹ ni¿sz¹ o oko³o 40% w porównaniu do próbek
wtryskiwanych.
Przebieg zmian wytrzyma³oœci na rozci¹ganie (Rm)
próbek wydrukowanych na stoliku roboczym bez podgrzewania przedstawiono na rys. 8.
Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie maleje wraz ze wzrostem prêdkoœci druku oraz zwiêksza siê wraz ze wzrostem
temperatury druku (temperatury uplastyczniania materia³u). Najwy¿sz¹ wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie
uzyskano dla próbek wytworzonych przy temperaturze
220°C, prêdkoœci 10 mm/s i temperaturze sto³u 70°C
(43,77 MPa).
Œrednia wartoœæ wyd³u¿enia przy zerwaniu próbek
wytworzonych technologi¹ FDM o wype³nieniu 50%,
orientacji 30° wynios³a 1,95%, a modu³u Younga 2180
MPa. Próbki wydrukowane z PLA wykazuj¹ niewielkie
wyd³u¿enie przy zerwaniu, podczas rozci¹gania pêkaj¹
w sposób charakterystyczny dla materia³ów kruchych.
Zdjêcie próbki po badaniu wytrzyma³oœci na rozci¹ganie
Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie próbek o 50% i 100%
stopniu wype³nienia wytworzonych w technologii FDM
oraz próbek wtryskiwanych przedstawiono na rys. 10.
Œrednia wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie próbek o 50% stopniu wype³nienia wytworzonych technologi¹ FDM wynosi³a 30,14 MPa, co stanowi 60% wytrzyma³oœci próbek wtryskiwanych. Ró¿nicê wartoœci mo¿na
zmniejszyæ poprzez dobór optymalnych parametrów
wytwarzania. Podwy¿szenie temperatury druku z 200°C
do 220°C powoduje lepsze po³¹czenie pomiêdzy wyt³aczanymi w³óknami, w wyniku lepszego przenikania siê
³añcuchów makrocz¹steczek i tworzenie wytrzymalszego
obszaru miêdzyfazowego. Ni¿sze w³aœciwoœci mechaniczne spowodowane s¹ inn¹ struktur¹ materia³u, ni¿sz¹
Rys. 8. Zale¿noœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie od temperatury (temperatura sto³u: 23±1°C, stopieñ wype³nienia: 50%, gruboœæ warstwy:
0,2 mm, k¹t orientacji: 30°)
Rys. 10. Porównanie w³aœciwoœci mechanicznych próbek wytworzonych technologi¹ FDM i wtryskiwanych
175
Rys. 11. Wp³yw temperatury i prêdkoœci druku na twardoœæ próbek
wytrzyma³oœci¹ obszarów miêdzyfazowych miêdzy
s¹siednimi w³óknami. Próbki wytworzone technologi¹
FDM o 50% stopniu wype³nienia maj¹ efektywnie mniejsz¹ powierzchniê przekroju poprzecznego, ni¿ wtryskiwane, ze wzglêdu na wystêpowanie pustych przestrzeni
pomiêdzy w³óknami. Próbki o 100% wype³nieniu, w których liczba pustych obszarów jest znacznie mniejsza, wykazuj¹ wy¿sz¹ wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie oraz udarnoœæ, które s¹ nieznacznie ni¿sze ni¿ dla próbek wtryskiwanych.
Porównanie twardoœci próbek wykonanych w druku
FDM i technologi¹ wtrysku przedstawiono na rys. 9.
Twardoœæ próbek zmienia siê w zakresie 38÷75°Sh, przy
czym mniejsz¹ twardoœæ wykazuj¹ próbki drukowane
z wiêksz¹ prêdkoœci¹. Twardoœæ wtryskiwanej próbki
by³a porównywalna z wartoœciami osi¹ganymi dla tych
wytwarzanych technologi¹ FDM i wynios³a 75,5°Sh.
rozci¹ganie, nie ma z kolei wp³ywu na wartoœæ twardoœci.
Wiêksza temperatura druku powoduje lepsz¹ adhezjê
miêdzy poszczególnymi warstwami tworzywa, co jest
g³ówn¹ przyczyn¹ poprawy w³aœciwoœci mechanicznych
próbek. Wy¿sze wartoœci twardoœci, wytrzyma³oœci na
rozci¹ganie i udarnoœci mo¿na uzyskaæ równie¿ zmniejszaj¹c prêdkoœæ druku z 30 mm/s do 10 mm/s. W³aœciwoœci mechaniczne próbek wtryskiwanych s¹ nieznacznie
wy¿sze ni¿ wytwarzanych technologi¹ FDM. Potwierdza
to mo¿liwoœæ zast¹pienia elementów wytwarzanych tradycyjnymi technologiami, jak wtryskiwanie, elementami
drukowanymi w przypadku kiedy jakoœæ powierzchni
nie ma znaczenia. Jednak ze wzglêdu na nisk¹ szybkoœæ
wytwarzania znajdzie to zastosowanie jedynie w przypadku produkcji jednostkowej.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wnioski
7.
Temperatura druku ma znacz¹cy wp³yw na w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe wyrobów wytworzonych technologi¹ FDM. W przypadku PLA zwiêkszenie temperatury z 200°C do 220°C powoduje wzrost odpornoœci na
udarnoœæ oraz w niewielkim stopniu wytrzyma³oœci na
8.
Andrzejewski J., Górski F., Wichniarek R., Wp³yw orientacji
czêœci na wytrzyma³oœæ modeli z ABS wytwarzanych technik¹
modelowania uplastycznionym tworzywem polimerowym, Przetwórstwo Tworzyw 5/2012, str. 428-435.
http://reprap.org/, dostêp dnia: 25.01.2014 r.
Grimm T. A., Fused deposition modelling: a technology evaluation.
Duda A., Penczek S., Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza,
w³aœciwoœci i zastosowania, Polimery 48, nr 1, 2003
Renaud J. E., Rodriguez J. F., Thomas J. P., Maximizing the
strength of fused-deposition ABS plastic parts, 10th Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings, Austin, 1999, str.
335-342.
Ahn D.i in., Representation of surface roughness in fused deposition modeling, Journal of Materials Processing Technology,
209/2009, str. 5593-5600.
Li L., Sun Q., Gu P., Modeling of Bond Formation Between Polymer Filaments in the Fused Deposition Modeling Process, Journal of Manufacturing Processes, Vol. 6/No. 2, 2004, str.
170-178.
Ahn S. H.i in., Anisotropic material properties of fused deposition
modeling ABS, Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, str.
248-257.
176
Aneta TOR-ŒWI¥TEK, Weronika SAWA, Lenka MARKOVIÈOVÁ
Aneta TOR-ŒWI¥TEK
TOR-ŒWI¥TEK,1,Weronika
WeronikaSAWA,
SAWA,Lenka
LenkaMARKOVIÈOVÁ
MARKOVIÈOVÁ2
Politechnika Lubelska, Katedra Procesów Polimerowych
20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36
[email protected]
2 University of ilina, Department of Material Engineering
010 26 ilina, Univerzitná 1
[email protected]
1
Chropowatoœæ i morfologia wyt³aczanych kompozycji polimerowych
nape³nionych proszkiem ¿elaza
Streszczenie. W pracy przedstawiono badania chropowatoœci powierzchni poli(chlorku winylu) nape³nionego
proszkiem ¿elaza oraz jego morfologiê. Badania wykonano przy u¿yciu metody profilowania liniowego. Badaniom
poddano wyt³oczyny w postaci taœmy modyfikowane proszkiem ¿elaza w iloœci 0%, 1,2%, 1,8%, 2,4% oraz 3%.
Podczas pomiaru okreœlano parametry charakteryzuj¹ce powierzchniê wyt³oczyny Ra, Ry, Rm, Rz, Sm i S.
GEOMETRICAL STRUCTURE OF EXTRUDED POLYMERIC COMPOSITIONS FILLED WITH IRON
POWDER
Summary. The paper presents research of geometrical structure of poly(vinyl chloride) surface filled with iron powder. Research were done with the use of linear profile method. Extrudate with the form of tape modified with iron
powder in amount 0%, 1,2%, 1,8%, 2,4% and 3% was studied. During the measurement characteristic parameters
of extrudate surface was obtained such as Ra, Ry, Rm, Rz, Sm i S.
WPROWADZENIE
Stosowane obecnie kompozycje polimerowe s¹ wytwarzane z tworzyw zawieraj¹cych ró¿nego rodzaju
dodatki pomocnicze. W³aœciwoœci oraz struktura tych
materia³ów uzale¿nione s¹ od dodanych sk³adników,
ich mieszalnoœci i dozowania. Du¿¹ rolê odgrywa równie¿ zastosowana metoda przetwórstwa, umo¿liwiaj¹ca otrzymanie wytworów o jednorodnej, homogenicznej strukturze i powtarzalnych w³aœciwoœciach [6,
9, 10].
Do najczêœciej stosowanych modyfikatorów zalicza
siê nape³niacze proszkowe takie jak talk, kreda, baryt czy
proszki metali. Dodawane do tworzyw polimerowych
tworz¹ kompozycje o nowych w³aœciwoœciach mechanicznych, dielektrycznych, termicznych, chemicznych
oraz przetwórczych [5, 11, 13].
Do nieregularnoœci powierzchni wytworów wyt³aczanych zalicza siê przede wszystkim: zmiany zarysu
kszta³tu, falistoœæ powierzchni, a tak¿e jej chropowatoœæ.
Przyczyny powstawania nierównoœci powierzchni podczas wyt³aczania mog¹ byæ ró¿ne. Ka¿da z nich ma swój
charakterystyczny kszta³t, przebieg, czy te¿ czêstotliwoœæ
wystêpowania.
Podczas wytwarzania elementów z tworzyw wa¿nym
czynnikiem jest dokonanie pomiaru i oceny struktury geometrycznej, poniewa¿ poszczególne wytwory mog¹ byæ
Ÿród³em powstawania drgañ i szumów [1]. Bior¹c pod
uwagê dokumenty normalizacyjne mo¿na dostrzec cztery grupy parametrów profilu powierzchni. S¹ to miêdzy
innymi: parametry pionowe, parametry amplitudowe,
parametry poziome, parametry mieszane.
Struktura geometryczna powierzchni, to pojêcie, które stosuje siê do okreœlenia wszystkich nierównoœci po-
wierzchni, powsta³ych w wyniku przeprowadzenia procesu technologicznego poszczególnych elementów maszyn i urz¹dzeñ. Z dostêpnych danych wynika, ¿e du¿a
czêœæ braków produkcyjnych ma swoje pod³o¿e w wadach powierzchniowych. S¹ to przede wszystkim ubytki
spowodowane uszkodzeniami mechanicznymi takimi
jak:. korozja, pêkniêcia zmêczeniowe, zu¿ycia œcierno-korozyjne i inne [1, 12].
Struktura geometryczna poszczególnych elementów
uwarunkowana jest kszta³tem, rozmiarem, a tak¿e rozmieszczeniem wg³êbieñ i wzniesieñ, które z kolei s¹ œladami po przeprowadzonym procesie wytwarzania. Dokonuj¹c pomiaru rzeczywistej powierzchni, uzyskujemy
przybli¿ony jej obraz. Powierzchnia geometryczna za³o¿ona przez konstruktora i powierzchnia rzeczywista badanego elementu zasadniczo siê od siebie ró¿ni¹. S¹ to
przede wszystkim ró¿nice wystêpuj¹ce w zarysach
kszta³tu, czy te¿ innych nierównoœciach powierzchni.
Sk³adaj¹ siê na nie falistoœæ i chropowatoœæ. Na ca³ej powierzchni elementu b¹dŸ tylko na jego wycinku dokonywany jest pomiar i ocena zarysów kszta³tu. Dokonuj¹c takiego pomiaru bierze siê pod uwagê jedn¹ liniê albo kilka
linii zarysu powierzchni w przekrojach prostopad³ych do
rzeczywistej powierzchni. Pomiar i ocena struktury geometrycznej poszczególnych wytworów ma bardzo du¿e
znaczenie. Chodzi tu g³ównie o te elementy, które podczas eksploatacji mog¹ zostaæ uznane za Ÿród³o drgañ
i szumów. Bardzo wa¿nym czynnikiem, maj¹cym wp³yw
na powstawanie takich drgañ i szumów s¹ b³êdy wykonawcze zarysu ich powierzchni czynnych, na które sk³adaj¹ siê odchy³ki kszta³tu a tak¿e nierównoœci powierzchni, takie jak falistoœæ i chropowatoœæ. Efektem przeprowadzonego procesu technologicznego produkcji poszczególnych wytworów s¹ w³aœciwoœci struktury geome-
177
Chropowatoœæ i morfologia wyt³aczanych kompozycji polimerowych nape³nionych proszkiem ¿elaza
trycznej, która jest decyduj¹cym czynnikiem zwi¹zanym
z jakoœci¹ i eksploatacj¹ otrzymanego wyrobu [1, 14].
Wyró¿nia siê wiele metod pomiaru struktury geometrycznej powierzchni. Najwa¿niejsze z nich to metoda
profilowania liniowego, metoda topografii przestrzennej
oraz metoda zintegrowanego obszaru [2, 3, 4].
Metoda profilowania liniowego polega na pomiarze
topografii powierzchni. W ten sposób otrzymujemy profile topograficzne z(x). Dziêki niej mo¿liwe jest otrzymanie dwuwymiarowego wykresu lub profilu nierównoœci,
jako danych pomiarowych. Otrzymane w takiej postaci
dane mo¿na równie¿ przedstawiæ matematycznie za pomoc¹ funkcji wysokoœci z(x) [7, 8].
Metoda topografii przestrzennej jest metod¹ pomiaru
powierzchni. Otrzymujemy w niej topograficzny obraz
powierzchni. Przede wszystkim mo¿na go zaprezentowaæ w postaci matematycznej, tj. funkcji wysokoœci z(x,y)
dwóch zmiennych niezale¿nych (x,y). Do metod wykorzystywanych przy metodzie topografii przestrzennej zalicza siê miêdzy innymi: profilometriê stykow¹ ostrzem
odwzorowuj¹cym, interferometriê z przesuniêciem fazy,
profilometriê optyczn¹ ró¿nicow¹. Przy zastosowaniu
metod, które wykorzystuj¹ obraz topografii powierzchni,
do których mo¿emy zaliczyæ zestaw równoleg³ych profili
z(x), wa¿ne jest to aby zadbaæ o dok³adnoœæ pomiaru powolnego ruchu wzd³u¿ osi z(y).
Metoda zintegrowanego obszaru nale¿y do metod,
które zajmuj¹ siê mierzeniem reprezentatywnego obszaru powierzchni. Dziêki temu uzyskuje siê wyniki w postaci cyfrowej. Zale¿¹ one przede wszystkim od w³asnoœci
obszaru zintegrowanego struktury geometrycznej powierzchni. Przyrz¹dy stosowane przy tej metodzie to
miêdzy innymi: narzêdzia, w których stosuje siê techniki
skaterometrii ca³kowitej, skaterometrii k¹towej, czy te¿
pojemnoœci p³ytki równoleg³ej.
Rys. 1. Wygl¹d ogólny próbek badawczych zawieraj¹cych proszek ¿elaza w iloœci: 1 – 0%, 2 – 1,2%, 3 – 1,8%, 4 – 2,4%, 5 – 3%.
powierzchni. W badaniach wykorzystano metodê profilowania liniowego. Do badañ struktury geometrycznej
powierzchni próbek wykorzystano profilometr TR-200
(rys. 2). Jest to urz¹dzenie stykowe wyposa¿one w g³owicê pomiarow¹ zakoñczon¹ sond¹, odwzorowuj¹c¹ profile
liniowe badanych próbek. Pomiary przeprowadzono
zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 4287:1999.
4
3
2
1
CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA
Proces wyt³aczania kompozycji polimerowej typu polimer-metal przeprowadzono w linii technologicznej
wyt³aczania kszta³towników wyposa¿onej w wyt³aczarkê jednoœlimakow¹ T32-25, g³owicê wyt³aczarsk¹ do wytwarzania kszta³townika w postaci taœmy, urz¹dzenie
ch³odz¹ce i urz¹dzenie odbieraj¹ce. Proces prowadzono
przy szybkoœci obrotowej œlimaka równej 70 obr/min.
Modyfikacji poddano poli(chlorek winylu) plastyfikowany Alfavinyl GFM/4-31-TR w postaci granulatu. Proces
prowadzono w temperaturze poszczególnych stref uk³adu uplastyczniaj¹cego wynosz¹cych odpowiednio: 110,
120, 130, 140 °C. Temperatura g³owicy wyt³aczarskiej wynosi³a 150 °C, a czynnika ch³odz¹cego waha³a siê w zakresie 18 ±2°C. Tworzywo modyfikowano proszkiem ¿elaza
o nastêpuj¹cej strukturze uziarnienia: 0,045 mm (98%)
i 0,150 mm (2%). Proszek ¿elaza dodawano do tworzywa
w iloœci 0%, 1,2%, 1,8%, 2,4% oraz 3%. W ramach prowadzonego procesu wyt³aczania otrzymano taœmê o wymiarach: szerokoœæ 15,5 mm i gruboœci 2 mm (rys. 1).
Badaniom poddano warstwê wierzchni¹ otrzymanych próbek w celu okreœlenia zamian chropowatoœci
Rys. 2. Wygl¹d stanowiska badawczego do pomiaru chropowatoœci
powierzchni
W ramach prowadzonych badañ wykonano badania
mikroskopowe powierzchni otrzymanych próbek oraz
ich przekroju poprzecznego. Obserwacje przeprowadzono w œwietle odbitym przy u¿yciu mikroskopu Nikon
ECLIPSE LV100ND, wyposa¿onego w kamerê DS-U3
oraz oprogramowanie NIS-Elements AR 4.20.00.
WYNIKI BADAÑ
W ramach prowadzonych pomiarów struktury geometrycznej wykonano rejestracjê oraz wizualizacjê powierzchni piêciu badanych próbek PVC modyfikowanego proszkiem ¿elaza. W wyniku tych pomiarów otrzymano profile chropowatoœci dla wybranych zawartoœci
178
a)
Original
Filtered
b)
Original
Filtered
c)
Original
Filtered
Rys. 3. Profile chropowatoœci dla PVC zawieraj¹cego proszek ¿elaza w iloœci: a - 0%, b - 1,2%, c - 3%
179
Rys. 4. Zale¿noœæ parametrów chropowatoœci Ra i Rz od zawartoœci proszku ¿elaza w tworzywie
Rys. 5. Zale¿noœæ parametrów chropowatoœci Rt, Ry oraz Rm od zawartoœci proszku ¿elaza w tworzywie
proszku ¿elaza w kompozycjach (rys. 3) natomiast uœrednione wyniki badañ chropowatoœci przedstawiono w tabeli 1.
Tab. 1. Wyniki badañ chropowatoœci powierzchni PVC modyfikowanego proszkiem ¿elaza
Zawartoœæ
¿elaza, %
R a,
µm
Ry,
µm
Rm ,
µm
Rt,
µm
S,
mm
R z,
µm
Sm ,
mm
0
0,319 1,340 0,655 2,259 0,2000 0,642 0,6666
1,2
0,373 1,440 0,503 2,240 0,0714 0,766 0,2222
1,8
0,584 2,687 1,268 5,179 0,1818 1,186 0,3076
2,4
0,693 2,563 1,840 6,519 0,3636 1,368 0,6666
3
0,890 4,943 2,967 12,15 0,2500 1,907 0,3636
Na podstawie otrzymanych wyników pomiaru chropowatoœci oraz badañ mikroskopowych powierzchni
wyt³oczyn mo¿na stwierdziæ, ¿e dodanie nape³niacza w
postaci proszku ¿elaza skutkuje znacz¹c¹ zmian¹ chropowatoœci powsta³ej powierzchni. Zaobserwowano stopniowe zwiêkszanie wartoœci parametrów opisuj¹cych chropowatoœæ œrednio o 22% dla parametru Ra, 23% dla Rz
oraz 39% dla Rm. Dodanie proszku ¿elaza w iloœci 3%
spowodowa³o wzrost chropowatoœci powierzchni wzglêdem nienape³nionej próbki dwukrotny dla parametru Ra,
trzykrotny dla Ry i Rz oraz piêciokrotny dla Rt. Obserwacje mikroskopowe powierzchni oraz przekroju poprzecznego otrzymanej wyt³oczyny umo¿liwi³y przeprowadzenie analizy rozk³adu dodanego nape³niacza.
Przeprowadzona analiza wykaza³a nierównomierny rozk³ad dodanego nape³niacza w poli(chlorku wi-
180
a)
b)
c)
d)
Rys. 6. Morfologia struktury próbek poli(chlorku winylu) nape³nionego proszkiem ¿elaza (przekrój poprzeczny próbek) w iloœci: a) 1,2%, b) 1,8%,
2,4%, d) 3%
nylu). Wraz ze zwiêkszaniem dozowania proszku ¿elaza w wyt³aczanym tworzywie widoczne jest osadzanie
siê wiêkszych cz¹stek ¿elaza na powierzchni wyt³oczyny (rys. 6).
powatoœci powierzchni nast¹pi³y podczas zwiêkszenia
dozowania proszku oraz osadzania siê wiêkszych cz¹stek
nape³niacza na powierzchni wyt³oczyny.
Literatura
PODSUMOWANIE
1.
Modyfikacja tworzyw polimerowych ró¿nego rodzaju œrodkami pomocniczymi niesie za sob¹ wiele zmian
pocz¹wszy od przebiegu procesu przetwórstwa, w³aœciwoœci fizycznych otrzymanych wytworów, a¿ po ich morfologiê i w³aœciwoœci powierzchniowe wytwarzanych
wytworów. Analiza zmian w³aœciwoœci tak modyfikowanych tworzyw ma istotne znaczenie z punktu widzenia
mo¿liwoœci zastosowania kompozycji polimerowej. Dodanie proszku ¿elaza do poli(chlorku winylu) w procesie
wyt³aczania spowodowa³o równie¿ zmianê w³aœciwoœci
fizycznych takich jak wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie czy
gêstoœæ jak równie¿ znacz¹co wp³ynê³o na strukturê
otrzymanej powierzchni. Du¿e znaczenie ma wielkoœæ
cz¹stek dodanego nape³niacza. Najwiêksze zmiany chro-
2.
3.
4.
5.
Adamczak S.: Pomiary geometryczne powierzchni. Zarysy
kszta³tu, falistoœæ i chropowatoœæ., Wydawnictwo Naukowo-techniczne, Warszawa 2008.
EN ISO 4287:1997: Geometrical Product Specifications
(GPS) – Surface Texture: Profile Method – Terms, definitions
and surface texture parameters.
EN ISO 4287:1998: Geometrical Product Specifications
(GPS) – Surface Texture: Profile Method – Terms, definitions
and surface texture parameters.
EN ISO 25178-6:2010: Geometrical product specifications
(GPS). Surface texture. Areal. Classification of methods for
measuring surface texture.
Gnatowski A.: Wp³yw rodzaju nape³niacza na w³aœciwoœci
wybranych mieszanin polimerowych. Kompozyty (Composites) 2005, 5, 2, 63-68.
6.
Praca zbiorowa pod redakcj¹ K. Wilczyñskiego: Wybrane
zagadnienia przetwórstwa tworzyw sztucznych, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011
7. PN-EN ISO 4287:1999: Struktura geometryczna powierzchni: Metoda profilowa.
8. PN ISO 4288:1997: Wymagania geometryczne wyrobu
(GPS). Struktura geometryczna powierzchni: Metoda profilowa – Zasady i procedury oceny struktury geometrycznej
powierzchni.
9. Rabek J.F.: Wspó³czesna wiedza o polimerach. Wydawnictwo PWN, Warszawa 2008.
10. Stasiek J.: Wyt³aczanie Tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane., Bydgoszcz 2007.
11. Tasdemir M., Gulsoy H.O.: Mechanical properties of polymers filled with iron powder. International Journal of Poly-
181
meric Materials and Polymeric Biomaterials 2008, 57, 3,
258-265.
12. Tor-Œwi¹tek A., Sikora J.W.: Analiza wp³ywu modyfikacji
Poli(chlorku winylu) mikrosferami na strukturê geometryczn¹ wyt³oczyny. Przemys³ Chemiczny 2013, 92, 4,
538-541.
13. Tor-Œwi¹tek A.: Characteristic of physical structure of poly(vinyl chloride) extrudate modified with microspheres.
Polimery 2012, 57, 7-8, 577-580.
14. Wieczorowski M., Cellary A., Chajda J.: Przewodnik po pomiarach nierównoœci powierzchni czyli o chropowatoœci
powierzchni i nie tylko. Politechnika Poznañska. Poznañ
2003.
182
£ukasz WIERZBICKI
£ukasz WIERZBICKI
Katedra Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Politechnika Œl¹ska
Gradientowe kompozyty epoksydowe nape³niane stopem Wood’a
Streszczenie. Artyku³ opisuje funkcjonalne polimerowe materia³y gradientowe podstawowe techniki ich wytwarzania oraz wyniki badañ wybranych charakterystyk fizycznych. W badaniach wykorzystano stop Wood’a oraz ¿ywicê epoksydow¹ (Epidian 6) sieciowan¹ trietylenotetraamin¹ (utwardzacz Z1). Wykonane kompozyty zawiera³y
nominalnie 20, 40, 60 i 80 % stopu Wood’a. Próbki wykonano metod¹ odlewania grawitacyjnego w formach umo¿liwiaj¹cych sedymentacjê sk³adników kompozytu. Nastêpnie przedstawiono wyniki badañ wytrzyma³oœci warstw
o ró¿nej zawartoœci procentowej nape³niacza.
GRADED EPOXY COMPOSITES FILLED WITH WOOD’S ALLOY
Summary. The article describes the functional polymeric graded materials and their basic manufacturing techniques and the results of selected physical characteristics. In the research Wood’s alloy and epoxy resin (Epidian 6) cured with triethylenetetraamine (Z1 hardener) were used. Composites were made with nominally 20, 40, 60 and 80%
by weight contents of the Wood’s alloy. The samples were made using gravity casting to the forms which allow to sedimentation of the components of composite. Next results of strength of the layers with different percentages of filler
are presented.
1. WSTÊP
Materia³y gradientowe to interesuj¹ca grupa materia³ów, której g³ówn¹ zalet¹ jest mo¿liwoœæ uzyskania okreœlonych w³asnoœci zmieniaj¹cych siê w sposób ci¹g³y na
przekroju materia³u [1]. Kompozyty polimerowe, zarówno
laminaty, jak i nape³niane tworzywa polimerowe mo¿na
traktowaæ, jako uk³ady odwzorowuj¹ce, istniej¹ce w przyrodzie, uk³ady spe³niaj¹ce ró¿ne funkcje mechaniczne.
Równie¿ istnienia struktur gradientowych mo¿na dopatrzyæ siê w przyrodzie [2]. Czêsto przytaczanymi przyk³adami jest budowa ³odygi zbó¿, bambusa czy te¿ ludzkich
koœci. St¹d dziwi fakt, ¿e jako wyró¿niona grupa materia³ów in¿ynierskich, materia³y gradientowe zaistnia³y dopiero, od 1972, kiedy to M.B. Bever i P.E. Devez po raz pierwszy przedstawili koncepcjê materia³ów gradientowych [3].
Od tego czasu naukowcy zaczêli zwracaæ uwagê na
gradientow¹ budowê istniej¹cych materia³ów oraz coraz
czêœciej projektowaæ celowy gradient struktury lub w³asnoœci.
Polimerowe materia³y gradientowe (Polymeric Gradient Materials – PGMs) s¹, co najmniej dwusk³adniko-
wymi kompozytami, sk³adaj¹cymi siê z osnowy, któr¹
stanowi tworzywo polimerowe, i nape³niacza. Udzia³ nape³niacza ulega zró¿nicowaniu na przekroju materia³u.
Rozpatruj¹c tworzywa polimerowe nape³niane cz¹stkami
mo¿na rozró¿niæ, co najmniej trzy struktury kompozytowe (Rys. 1).
Typowym kompozytem gradientowym jest materia³
charakteryzuj¹cy siê struktur¹ jak na rysunku 1c. Charakterystyczny dla takiego materia³u jest ci¹g³y rozk³ad nape³niacza w osnowie. Ze wzglêdu na charakter, u¿ywanych do wytwarzania kompozytów gradientowych, metod i technologii, niektórzy autorzy [4] uznaj¹, ¿e struktura warstwowa (Rys. 1b) te¿ mo¿e byæ podstaw¹ kompozytu gradientowego. Konieczne jest jednak zastrze¿enie,
¿e poszczególne warstwy z³o¿one s¹ z tych samych materia³ów osnowy i nape³niacza, a proces wytwarzania zapewnia chemiczne i fizyczne po³¹czenie osnów s¹siaduj¹cych warstw.
Polimerowe kompozyty gradientowe mo¿na wytwarzaæ przy wykorzystaniu wiêkszoœci technologii przetwórstwa tworzyw m. in. prasowania, odlewania, natryskiwania czy nanoszenia pow³ok polimerowych [1].
Rys. 1. Przyk³ady struktur kompozytowych. a) struktura rozproszona równomiernie (dyspersyjna), b) struktura warstwowa (laminatowa), c) struktura gradientowa
183
W pracy podjêto próbê wykonania kompozytu gradientowego, w którym osnowê stanowi ¿ywica epoksydowa, a nape³niaczem jest stop niskotopliwy. Zmierzona
gêstoœæ stopu Wood’a wynosi 9,58 g/cm3, natomiast u¿ytej
(Epidian 6) – 1,18 g/cm3. Dziêki, tej blisko dziewiêciokrotnej, ró¿nicy w ciê¿arze w³aœciwym mo¿liwe jest wykonanie kompozytu gradientowego w oparciu o metodê odlewnia grawitacyjnego (swobodnego).
Nape³nianie tworzyw polimerowych materia³ami
metalicznymi stosowane jest w celu poprawy ich w³asnoœci magnetycznych, elektrycznych, cieplnych czy trybologicznych [5-8]. Wp³yw stopów niskotopliwych na te
w³asnoœci, jest rzadko opisywany w literaturze.
Stopy niskotopliwe to grupa stopów wielosk³adnikowych, o temperaturze topnienia zawartej w przedziale od
kilkudziesiêciu do oko³o 400°C. Dominuj¹cymi, w sk³adzie
stopu, pierwiastkami s¹: bizmut, cyna i o³ów. Inne dodatki
stopowe to kadm, srebro a w przypadku stopów o bardzo
niskiej temperaturze topnienia stosowany jest drogi ind.
Stopy posiadaj¹ce nisk¹ temperaturê topnienia, nie
zawieraj¹ce indu, to stop Wooda (temperatura topnienia
to 70°C), stop Lipowitz’a (80°C), Newtona (96°C) oraz
stop Lichtenberga (92°C) [9].
Takiego typu nape³niacze kompozytów polimerowych, korzystnie modyfikuj¹ w³asnoœci elektryczne
i cieplne, powoduj¹c wzrost przewodnoœci [10,11]. Badania takich materia³ów maj¹ okreœliæ wp³yw stopu niskotopliwego na w³asnoœci u¿ytkowe kompozytu nape³nianego takim stopem.
Zastosowanie nape³niaczy o du¿ym ciê¿arze w³aœciwym pozwala na wytwarzanie „ciê¿kich kompozytów
polimerowych”. Kompozyty takie znajduj¹ zastosowanie
w precyzyjnym umiejscowieniu œrodka ciê¿koœci pojazdów i maszyn, czy w os³onach przed polem elektromagnetycznym [12]. Zalet¹ stosowania stopów niskotopliwych w porównaniu do nape³niaczy w formie proszków
metali, jest mo¿liwoœæ ich przetwarzania w stanie p³ynnym w podobnym do tworzyw polimerowych zakresie
temperatur.
— odmierzono odpowiednie iloœci sk³adników (Tabela
1),
— stop Wood’a ogrzano w suszarce laboratoryjnej,
—
—
—
—
w temperaturze 120°C a¿ do ca³kowitego stopienia.
Zabieg ten stosowano by przetopiæ nie tylko stop, ale
tak¿e trudniej topliwe tlenki na powierzchni stopu,
stop przelano do stalowej zlewki z p³aszczem grzewczym, w którym przep³ywa³ olej silikonowy o temperaturze 90°C. Cyrkulacja oleju oraz jego temperatura
by³a wymuszona prac¹ ultratermostatu,
stop z ¿ywic¹ wymieszano za pomoc¹ tarczy dyspersyjnej – typu z, na mieszalniku wysokoobrotowym
Dispermat LC30 produkcji VMA-GETZMANN
GMBH. Prêdkoœæ obwodowa mieszania wynosi³a
21,5 m/s, czas mieszania to 15 minut,
do mieszaniny epidianu 6 i stopu Wooda, po och³odzeniu, dodano utwardzacz Z1 i wymieszano,
gotow¹ mieszaninê odlano do form szklanych, formuj¹cych próbki na kszta³t walców o œrednicy 10 mm
i wysokoœci 55 mm,
Rys. 2. Zdjêcie przyk³adowej próbki
2. BADANIA
— próbki utwardzono w suszarce laboratoryjnej, w tem-
Eksperyment wykonano na ¿ywicy epoksydowej Epidian 6 usieciowanej utwardzaczem Z1 (trietylenotetraamina) produkcji „Organika-Sarzyna”, nape³nionej stopem Wooda produkowanym przez firmê „Innovator”
z Gliwic. Próbki badawcze przygotowano wed³ug nastêpuj¹cej procedury:
— powierzchniê swobodn¹ uzyskanych próbek badaw-
peraturze 24°C w czasie 24 godzin,
—
czych, poddano szlifowaniu w celu usuniêcia zastyg³ego menisku,
odlane walce pociêto na piêæ warstw, uzyskuj¹c próbki badawcze o œrednicy 10 mm i wysokoœci 10 mm
(Rys. 2.).
Tabela 1. Obliczone proporcje sk³adników w zale¿noœci od stê¿enia
Stê¿enie wagowe
(% stopu Wood’a)
Stê¿enie
objêtoœciowe
(% stopu Wood’a)
Stop
¯ywica
Utwardzacz
Stop
¯ywica
80
32,06
8,25
15,13
2,35
62,21
14,07
1,53
60
15,02
6,18
30,26
4,7
29,1
17,6
1,92
40
7,29
4,12
45,38
7,04
14,15
19,2
2,09
20
2,86
2,06
60,51
9,38
5,56
20,11
2,19
Objêtoœciowo [cm3]
Masowo [g]
Utwardzacz
184
£ukasz WIERZBICKI
Rys. 3. Porównanie gêstoœci uzyskanych próbek z teoretyczn¹ (idealn¹) krzyw¹ gêstoœæ-udzia³ wagowy stopu
Rys. 4. Zale¿noœæ wytrzyma³oœci od udzia³u wagowego stopu w kompozycie
Nastêpnie zmierzono œredni¹ gêstoœæ próbek w celu
okreœlenia przebiegu sedymentacji. Badanie by³o przeprowadzone na wadze analitycznej Ohaus Adventure
Pro, z wykorzystaniem dedykowanej przystawki do badania gêstoœci. Po zwa¿eniu próbki w wolnym powie-
trzu, wa¿ono próbkê zanurzon¹ w cieczy immersyjnej.
Na podstawie ró¿nic masy w dwóch oœrodkach, oprogramowanie wagi oblicza³o gêstoœæ próbki. Jako ciecz wykorzystano wodê demineralizowan¹ o znanej gêstoœci w
temperaturze badania.
185
Rys. 5. Zale¿noœæ modu³u Younga od udzia³u wagowego stopu w kompozycie
Wyniki pomiaru gêstoœci poszczególnych próbek zestawiono z rozk³adem teoretycznym gêstoœci kompozytu,
który jest zobrazowany na wykresie (Rys. 3) ci¹g³a lini¹,
co da³o podstawê okreœlenia œredniego wagowego udzia³u nape³niacza w próbkach.
Badania gêstoœci wykaza³o, ¿e nastêpuje sedymentacja nape³niacza charakteryzuj¹ca siê gradientowym rozk³adem. Celem zbadania wp³ywu tego efektu na rozk³ad
w³asnoœci wytrzyma³oœciowych wykonano badania statycznej próby œciskania (PN-EN ISO 604) na maszynie
wytrzyma³oœciowej, Zwick/Roell Z020. Na rysunku 4
przedstawiono zale¿noœæ wytrzyma³oœci na œciskanie od
udzia³u procentowego stopu w kompozycie dla wszystkich badanych próbek. W podobny sposób analizowano
uzyskane wartoœci modu³u Younga (Rys. 5).
Jak mo¿na zaobserwowaæ na wykresach (Rys. 4,5), dla
próbek o tych samych nominalnych udzia³ach komponentów, zachodzi spadek wartoœci modu³u i wytrzyma³oœci wraz ze wzrostem rzeczywistego udzia³u stopu
w kompozycie.
Porównuj¹c s¹siaduj¹ce serie próbek mo¿na zauwa¿yæ, ¿e w niektórych przypadkach, uzyskuje siê zbli¿one
wartoœci, szczególnie modu³u Younga, mimo ró¿nych
rzeczywistych udzia³ów stopu w kompozycie. Zjawisko
to wynika prawdopodobnie, z ró¿nych wielkoœci cz¹stek
stopu w poszczególnych próbkach kompozytu. Badania
zamieszczone w publikacji [13] dowodz¹, ¿e wraz ze
wzrostem udzia³u stopu w ¿ywicy, podczas mieszania
sk³adników kompozytu, spada œrednica cz¹stek stopu.
Nale¿y w tym miejscu przypomnieæ, ¿e oba sk³adniki
mieszane s¹ jako ciek³e. St¹d wielkoœæ cz¹stek jest œciœle
uzale¿niona od warunków zachodz¹cych podczas mieszania, co zosta³o dowiedzione we wczeœniejszych pracach [13,14].
Uzyskane wyniki porównano wzglêdem wartoœci
maksymalnych uzyskanych dla ka¿dej nominalnej serii
próbek. Wyniki zmian procentowych przedstawiono
w tabeli 2.
Tabela 2. Porównanie rozrzutu wartoœci
Nominalny udzia³ wagowy
stopu w kompozycie
Gêstoœæ
Najwiêksza zmiana
procentowa
Wytrzywzglêdem wartoœci ma³oœæ
maksymalnej
Modu³ E
20%
40%
60%
80%
21,81
17,54
13,43
1,15
5,24
5,82
4,03
9,20
30,46
62,31
27,89
29,70
Wraz z wzrostem nominalnego udzia³u procentowego stopu w kompozycie, nastêpuje spadek gradientu gêstoœci. Dla pozosta³ych w³asnoœci trudno wysun¹æ tak jednoznaczne wnioski.
3. WNIOSKI
Przedstawione wyniki badañ dowodz¹, ¿e stop niskotopliwy – w tym przypadku stop Wooda – mo¿e pe³niæ
role nape³niacza kompozytów gradientowych odlewanych swobodnie (grawitacyjnie). Rozrzut wartoœci modu³u Younga i wytrzyma³oœci wynika z zachodz¹cej pod-
186
£ukasz WIERZBICKI
czas sieciowania sedymentacji. Zastanowienie budzi nieci¹g³oœæ zale¿noœci modu³u Younga od udzia³u wagowego (Rys. 5), która œwiadczy o koniecznoœci analizy wp³ywu innych, do tej pory nieanalizowanych czynników.
Wydaje siê, ¿e istotny wp³yw na gradient rozk³adu nape³niacza mog¹ mieæ warunki mieszania podczas, którego kszta³tuje siê wielkoœæ i rozk³ad cz¹stek stopu niskotopliwego.
Analizuj¹c zmiany wartoœci gêstoœci, wytrzyma³oœci
i modu³u Younga dla poszczególnych próbek mo¿na jednoznacznie stwierdziæ, ¿e uda³o siê uzyskaæ kompozyt
o gradientowym rozk³adzie cz¹stek stopu.
Nastêpstwem przeprowadzonych badañ bêdzie rozszerzenie programu badañ o wiêksz¹ iloœæ próbek badawczych obejmuj¹cych inne udzia³y sk³adników kompozytów oraz o analizê wp³ywu warunków mieszania na
uzyskane gradienty w³asnoœci.
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
LITERATURA
[1] Stabik J., Szczepanik M., Opornoœæ powierzchniowa kompozytów epoksydowo wêglowych odlewanych odœrodkowo, Przetwórstwo Tworzyw 2013 R. 19, nr 1 (151), 46-53.
[2] Rozmus M., Cermetalowe materia³y gradientowe, Materia³y Ceramiczne 4/2006, 142-147.
[3] Bever M.B. & Devez P.E., Mater. Sci. Eng., 10(1972) 1-8.
[4] Dobrzañski L.A., Kloc-Ptaszna A., Matula G., Torralba J.M.,
Structure and properties of gradient tool materials with the
highspeed steel matrix, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 24/2 (2007) 47-50.
[5] Stabik J., Dybowska A., Pluszyñski J., Szczepanik M., Suchoñ £., Magnetic induction of polymer composites filled
[11]
[12]
[13]
[14]
with ferrite powders, Archives of Materials Science and
Engineering 41/1 (2010) 13-20.
Nowosielski R., Soft magnetic polymer-metal composites
consisting of nanostructural Fe-basic powders, Journal of
Achievements in Materials and Manufacturing Engineering
24/1 (2007) 68-77.
Konieczny J., Dobrzañski L. A., Wys³ocki J. J., Przyby³ A.,
Magnetycznie miêkkie materia³y kompozytowe polimer-cz¹stki proszku stopu Co68Fe4Mo1Si13,5B13,5, Kompozyty
(Composites) 6(2006)2, 81-84.
Stabik J., Wierzbicki £., Epoxy resins and low melting point
alloy composites, Archives of Materials Science and Engineering 48/1 (2011) 5-11.
Wierzbicki £., Stabik J., Kompozyty epoksydowe nape³niane stopem Wood’a, International Scientific Conference on
the Contemporary Achievements in Mechanics, Manufacturing and Materials Science CAM3S’2011 (2011) 81.
Wierzbicki £., Pusz A., Thermal conductivity of the epoxy
resin filled by low melting point alloy, Archives of Materials
Science and Engineering 61/1 (2013) 22-29.
Wierzbicki £., Wp³yw stopu Lipowitz’a na opornoœæ elektryczn¹ ¿ywicy epoksydowej Przetwórstwo Tworzyw 4
(153)/19, 414-417.
Lo J., Hoa S.V., Design, Manufacturing and Applications of
Composites: Proceedings of the Sixth Joint Canada-Japan
Workshop on Composites, DEStech Publications, Inc, 2006.
Wierzbicki £., Stabik J., Structure of epoxy-low melting alloys composites. Proceedings of the IV International Conference on Science and Education, Goa, 2013, s. 24-26.
Stabik J., Wierzbicki £., Influence of low melting point alloy
on strength properties of epoxy resin, Archives of Materials
Science and Engineering 60/1 (2013) 13-23.
187
Sposoby ograniczania poziomu ha³asu w zak³adach produkcyjnych
Mariola WOJCIECHOWSKA, Monika MARGOL, Dariusz KWIATKOWSKI
Politechnika Czêstochowska, Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Technologii Mechanicznych,
Zak³ad Przetwórstwa Polimerów, al. Armii Krajowej 19c, 42-201 Czêstochowa
Streszczenie: Ha³as bêd¹cy jednym z najpowszechniejszych zagro¿eñ dla zdrowia cz³owieka w miejscu pracy przyczynia siê do wielu zaburzeñ funkcjonalnych systemu cz³owieka. W tym celu stosuje siê ró¿nego rodzaju zabezpieczenia przed ich szkodliwym ha³asem. W artykule przedstawiono metody oraz materia³y stosowane w celu wyciszania pomieszczeñ przemys³owych.
WAYS TO NOISE REDUCTION OF PRODUCTION PLANTS
Abstract: Noise which is one of the most common threats to human health. Workplace contributes to many functional disorders of human system. For this purpose, various types of protection against harmful noise. The paper presents the methods and materials used to mute the industrial premises.
Redukcja ha³asu
Œrodki ochrony indywidualnej
Redukcja ha³asu jest najskuteczniejsza, gdy jest prowadzona na etapie: planowania procesu produkcyjnego
lub jego modernizacji, planowania pomieszczeñ pracy
i budynków oraz zakupów nowych maszyn i urz¹dzeñ.
Metody ograniczania ha³asu w miejscu pracy mo¿na
podzieliæ na trzy grupy:
— eliminacja lub ograniczanie ha³asu u Ÿród³a – metoda
czynna,
oraz metody bierne
— stosowanie œrodków ochrony indywidualnej,
— stosowanie œrodków ochrony zbiorowej lub zmian
organizacji pracy.
Jednym ze sposobów zmniejszenia szkodliwego oddzia³ywania ha³asu s¹ œrodki ochrony indywidualnej s³uchu. Stosowane s¹ one we wszystkich przypadkach, gdy
poziom ha³asu w otoczeniu danego stanowiska roboczego jest wiêkszy od poziomu dopuszczalnego, a równoczeœnie wszystkie inne sposoby zmniejszania tego poziomu s¹ trudne do zastosowania.
Ochrony takie stosuje siê równie¿ wtedy, gdy dany
ha³as wystêpuje stosunkowo rzadko lub te¿, gdy pracownik obs³uguj¹cy dane ha³aœliwe urz¹dzenie musi wchodziæ do pomieszczenia, w którym siê ono znajduje, jedynie na krótki okres (np. do pomieszczenia, w którym jest
hamowany silnik).
Ochronniki s³uchu – sprzêt ochrony osobistej stosowany przez u¿ytkownika w celu zabezpieczenia narz¹du
s³uchu przed niepo¿¹danymi skutkami dzia³ania ha³asu.
Ochronniki s³uchu mog¹ zawieraæ urz¹dzenia elektroniczne s³u¿¹ce do komunikacji lub urz¹dzenia przeznaczone do aktywnej redukcji poziomu dŸwiêku, pod ochronnikiem przy b³onie bêbenkowej ucha [1].
Wk³adki przeciwha³asowe – ochronnik s³uchu noszony w zewnêtrznym przewodzie s³uchowym albo w
ma³¿owinie usznej, zamykaj¹cy wejœcie do zewnêtrznego
przewodu s³uchowego [2].
Wk³adki jednokrotnego u¿ycia – wk³adki przeciwha³asowe formowane przez u¿ytkownika ze specjalnej
drobnow³óknistej waty przeciwha³asowej lub materia³u
plastycznego, przeznaczone do jednokrotnego u¿ycia.
Wk³adki wielokrotnego u¿ycia – elastyczne lub
sztywne wk³adki przeciwha³asowe, przeznaczone do
wielokrotnego u¿ycia; mog¹ byæ dociskane do ma³¿owin
usznych za pomoc¹ sprê¿yny dociskowej [1].
Zalet¹ wk³adek jest to, ¿e s¹ lekkie i nie utrudniaj¹
równoczesnego u¿ywania innego sprzêtu ochronnego jak
he³m, maska czy okulary.
Nauszniki przeciwha³asowe – ochronnik s³uchu
sk³adaj¹cy siê z dwóch czasz t³umi¹cych dociskanych do
ma³¿owin usznych albo do g³owy, ca³kowicie zakrywaj¹cy ma³¿owiny uszne; czasze mog¹ byæ dociskane do
Eliminacja zagro¿enia poprzez jego redukcjê
u Ÿród³a powstania
Redukcja ha³asu u Ÿród³a jego powstawania, mo¿e
byæ realizowana poprzez:
— wybór i stosowanie procesów technologicznych o ma³ej emisji ha³asu,
— zmianê warunków pracy maszyny,
— wybór i stosowanie maszyn (zarówno typów, jak i egzemplarzy) o ma³ej emisji ha³asu,
— modernizacjê lub wymianê czêœci sk³adowych maszyny,
— odpowiedni¹ konserwacjê sprzêtu w miarê zu¿ycia
czêœci i zmian poziomu ha³asu.
Obowi¹zek producenta dotycz¹cy deklarowania wartoœci
ha³asu emitowanego przez maszyny i urz¹dzenia (certyfikacja maszyn i urz¹dzeñ niezbêdna do oceny zgodnoœci
z wymogami bezpieczeñstwa i ochrony zdrowia) wynika
m.in. z Dyrektywy tzw. maszynowej 2006/42/WE wprowadzonej do prawa polskiego Rozporz¹dzeniem Ministra Gospodarki z 21 paŸdziernika 2008 r. w sprawie
zasadniczych wymagañ dla maszyn.
Deklaracja zgodnoœci urz¹dzenia z wymogami okreœlonymi w dyrektywie, jest potwierdzeniem, ¿e urz¹dzenie podlegaj¹ce ograniczeniu emisji ha³asu, nie przekracza emisji dopuszczalnej dla danego typu urz¹dzeñ.
188
g³owy za pomoc¹ sprê¿yny dociskowej lub specjalnego
urz¹dzenia przymocowanego do he³mu ochronnego lub
do innego sprzêtu [3].
He³m przeciwha³asowy jest zbudowany w formie
skorupy os³aniaj¹cej du¿¹ czêœæ g³owy; w jej wnêtrzu
zamocowane s¹ [4]:
– wiêŸba do mocowania na g³owie,
– nauszniki przeciwha³asowe.
Œrodki ochrony zbiorowej
Urz¹dzenia ochrony zbiorowej s¹ kolejnym œrodkiem
ograniczania zagro¿eñ. Powinny byæ one uwzglêdniane
zarówno na etapie projektowania systemów i urz¹dzeñ
przemys³owych, jak i ich u¿ytkowania.
Zadaniem œrodków ochrony zbiorowej jest minimalizacja energii akustycznej docieraj¹cej do œrodowiska,
w którym znajduj¹ siê ludzie np. przez zamianê postaci
tej energii na ciep³o lub stworzenie bariery pomiêdzy
Ÿród³em ha³asu i miejscem obecnoœci ludzi.
Rys. 2. Przyk³ad ekranu akustycznego [7]
tzw. cieñ akustyczny, czyli obszar, do którego dochodz¹
tylko fale ugiête na krawêdziach ekranu, co oznacza, ¿e
obserwator nie jest nara¿ony na bezpoœredni wp³yw ha³a-
Rys. 1. Techniczne œrodki ochrony przed ha³asem i uzyskiwane wielkoœci redukcji ha³asu [5]
Do najczêœciej stosowanych uk³adów redukcji ha³asu
zaliczamy: m.in.: ekrany i os³ony akustyczne, t³umiki akustyczne (ró¿nych typów), obudowy dŸwiêkoch³onno-izolacyjne, przemys³owe kabiny dŸwiêkoizolacyjne, materia³y
i poch³aniacze dŸwiêkoch³onne, wibroizolacje, itd.
Dobór odpowiednich metod redukcji ha³asu nie jest
mo¿liwy bez szczegó³owej znajomoœci procesu i cyklu
technologicznego.
Przyk³ad zastosowania ró¿nych œrodków technicznych i uzyskiwanej w wyniku ich zastosowania redukcji
ha³asu pokazano na rysunku 1.
Ekrany i os³ony akustyczne
Podstawowym celem ekranu akustycznego jest stworzenie miejsc, do których fale akustyczne nie docieraj¹
bezpoœrednio ze Ÿród³a dŸwiêku. Za ekranem powstaje
Rys. 3. Przyk³ad obudowy dŸwiêkoch³onno-izolacyjnej stosowanej
w hali produkcyjnej [8]
189
su [6]. Przyk³ad ekranu akustycznego przedstawiono na
rysunku 2.
Rozró¿nia siê ekrany i os³ony miejscowe znajduj¹ce
siê na poszczególnych mechanizmach maszyny oraz
kompleksowe na ca³ej maszynie. Os³ony miejscowe charakteryzuj¹ siê prostsz¹ budow¹ konstrukcyjn¹ oraz ³atwiejsz¹ obs³ug¹, jednak w porównaniu do os³on kompleksowych nie gwarantuj¹ maksymalnego wyciszenia.
Wad¹ os³on kompleksowych jest ich wielkoœæ – powiêkszaj¹ gabaryty maszyn i utrudniaj¹ dostêp do mechanizmów maszyny. Przyk³ad ekranu akustycznego zobrazowano na rysunku 3.
T³umiki akustyczne
Zmniejszenie ha³asu w przewodach, w których odbywa siê przep³yw powietrza lub gazu (instalacje wentylacyjne, uk³ady wlotowe i wylotowe maszyn przep³ywowych, np. sprê¿arek, dmuchaw, turbin, silników spalinowych) mo¿na uzyskaæ przez zastosowanie t³umików
akustycznych. Nowoczesne konstrukcje t³umików akustycznych nie powoduj¹ strat mocy maszyny. Polegaj¹ one
na stworzeniu du¿ego oporu przep³ywom nieustalonym,
powoduj¹cym du¿¹ ha³aœliwoœæ, przy równoczesnym
przepuszczaniu bez d³awienia strumieni ustalonych,
dziêki którym odbywa siê transport powietrza lub gazu.
Do znanych t³umików tego typu nale¿¹ t³umiki refleksyjne, czyli akustyczne filtry falowe oraz t³umiki absorpcyjne zawieraj¹ce materia³ dŸwiêkoch³onny [9].
Obudowy dŸwiêkoch³onno-izolacyjne
„Obudowa dŸwiêkoch³onno-izolacyjna, reprezentuj¹ca bierny œrodek ograniczania ha³asu, stanowi czêsto jedyn¹ mo¿liwoœæ zmniejszenia wypromieniowywania
dŸwiêku pochodz¹cego od aktywnych akustycznie maszyn lub ich czêœci. Jej szczególne znaczenie polega na tym,
¿e ju¿ w bezpoœrednim pobli¿u Ÿróde³ ha³asu zostaje obni¿ony jego poziom, co umo¿liwia równie¿ ochronê blisko
usytuowanych miejsc pracy (…)”. W zale¿noœci od typu
i zasady dzia³ania maszyny, spe³nianej przez ni¹ funkcji,
realizowanego na niej procesu technologicznego oraz wymagañ dotycz¹cych potrzebnej izolacyjnoœci akustycznej
mo¿na wyró¿niæ cztery rodzaje konstrukcji obudów [10]:
– fragmentaryczne,
– czêœciowo – zamkniête,
– ca³kowicie – zamkniête,
– zintegrowane.
Najczêœciej u¿ywane s¹ pierwsze trzy rodzaje obudów. Ich funkcja prowadzi do ograniczenia ha³asu emitowanego przez oryginalne korpusy maszyn i urz¹dzeñ,
a tak¿e nieos³oniête wêz³y funkcjonalne maszyn. Obudowy takie tworz¹ w pewnym sensie drugi pomocniczy
korpus maszyny.
Kabiny dŸwiêkoizolacyjne
Kabiny dŸwiêkoizolacyjne ochraniaj¹ pracowników
przed ha³asem panuj¹cym w pomieszczeniu przemys³o-
Rys. 4. Przyk³ad kabiny dŸwiêkoizolacyjnej [12]
wym. S¹ stosowane najczêœciej, gdy w pomieszczeniu
znajduje siê bardzo du¿o urz¹dzeñ emituj¹cych ha³as.
Obudowywanie tych urz¹dzeñ wi¹za³oby siê z wysokimi
kosztami. Kabiny maj¹ zastosowanie równie¿ wtedy, gdy
w pomieszczeniach przemys³owych pracuje niewielka
liczba osób, a praca ich zwi¹zana jest g³ównie z kontrol¹
maszyn (rys. 4) [11].
Wymagania techniczne stawiane kabinom dŸwiêkoszczelnym zale¿¹ od ich przeznaczenia i dotycz¹:
— wymiarów kabiny,
— ch³onnoœci akustycznej kabiny,
— skutecznoœci akustycznej,
— ogrzewania, klimatyzacji, wentylacji, odpornoœci
ogniowej,
— oœwietlenia, wyposa¿enia w instalacjê elektryczn¹,
telefoniczn¹ itp.,
— widocznoœci z kabiny,
— warunków zdrowotnych.
Nieodpowiednio dobrane wymiary kabiny mog¹ mieæ
wp³yw na powstanie niekorzystnych zjawisk rezonansowych, a co siê z tym wi¹¿e wystêpowanie wy¿szych poziomów ciœnienia akustycznego we wnêtrzu kabiny
w stosunku do otoczenia.
Materia³y i poch³aniacze dŸwiêkoch³onne
Materia³y i poch³aniacze dŸwiêkoch³onne nale¿¹ do
grupy technicznych œrodków architektonicznych o znaczeniu wyciszaj¹cym. Materia³ami dŸwiêkoch³onnymi s¹
materia³y porowate oraz o strukturze w³óknistej maj¹ce
zdolnoœæ aktywnego poch³aniania fal akustycznych –
we³ny mineralne, wszelkiego typu materia³y w³ókiennicze, waty uniwersalne oraz ró¿nego typu p³yty œcienne
porowate (m.in. styropian). Miar¹ okreœlaj¹c¹ stopieñ absorpcji fal akustycznych jest wspó³czynnik poch³aniania,
który jest zale¿ny od porowatoœci materia³u, wielkoœci
porów i gruboœci warstwy materia³u.
Ze wzglêdu na ma³¹ masê jednostkow¹, porowat¹
strukturê oraz wysoki wspó³czynnik poch³aniania energii
akustycznej najlepszym materia³em dŸwiêkoszczelnym
190
Rys. 5. Konstrukcja kasetonowych stropów podwieszanych [13]
jest we³na mineralna o gruboœci od 20–60 mm. Materia³y
tego typu uk³ada siê na powierzchniach p³askich poziomych i pionowych – sufity, œciany, pod³ogi.
Wiêksz¹ efektywnoœæ w poch³anianiu dŸwiêku wykazuj¹ ustroje dŸwiêkoszczelne okreœlane równie¿ mianem
poch³aniaczy. Stanowi¹ je wszelkiego rodzaju rezonatory,
z³o¿one ustroje perforowane i szczelinowe, p³yty membranowe drgaj¹ce oraz bry³y przestrzenne. Jednym z rozwi¹zañ konstrukcyjnych poch³aniaczy dŸwiêkoch³onnych s¹ kasetonowe stropy podwieszane, szczególnie stosowane w wiêkszych pomieszczeniach powy¿ej 500 m3
(rys. 5)
Trudnoœci¹ napotykan¹ w zak³adach przetwórczych
jest wibroizolacja maszyn i urz¹dzeñ stosowanych do
przetwórstwa polimerów w³óknotwórczych. Rozwi¹zania
konstrukcyjne tych maszyn opieraj¹ siê na ma³ej sztywnoœci korpusu maszyny, co w konsekwencji powoduje wiêksze
drgania, przekoszenia, przesuniêcia oraz niekontrolowane
ruchy poszczególnych elementów i segmentów maszyn.
W maszynach przêdzalniczych, w których wystêpuj¹ ró¿ne wielkoœci w ugiêciach œcian noœnych istnieje ryzyko skoszenia wa³ków kalandruj¹cych i wzrost si³y tarcia w ³o¿yskach. Wad¹ w stosowaniu wibroizolacji jest wzrost amplitudy drgañ poziomych maszyny.
WNIOSKI
Wibroizolacja maszyn i urz¹dzeñ przetwórczych
Spoœród wielu metod ograniczania ha³asu emitowanego przez maszyny i urz¹dzenia przetwórcze wyró¿nia
siê równie¿ metodê wibroizolacji, polegaj¹ca na ograniczaniu wielkoœci si³ dynamicznych typu udarowego o
ma³ej czêstotliwoœci przenoszonych z maszyny na pod³o¿e, co w efekcie skutkuje zmniejszeniem drgañ pod³o¿a.
W przypadku pracy maszyn wolnoobrotowych stosuje
siê wibroizolatory w postaci sprê¿yn stalowych po³¹czonych niekiedy z t³umikiem wiskotycznym zapewniaj¹cym lepsz¹ efektywnoœæ w minimalizacji drgañ (rys. 6).
Wyj¹tkowo mo¿na równie¿ stosowaæ urz¹dzenia wibroizolacyjne pneumatyczne oraz hydrauliczne.
Problem ha³asu wystêpuj¹cego we wspó³czesnej gospodarce sprawia wiele trudnoœci w prawid³owym funkcjonowaniu pracowników w zak³adach produkcyjnych.
Przyczynia siê to do wielu schorzeñ na tle zdrowotnym.
Dlatego te¿ tak wa¿ny jest dobór optymalnych œrodków
w postaci wszelkiego rodzaju ochronnych konstrukcji takich jak ekrany akustyczne czy kabiny dŸwiêkoch³onne
b¹dŸ te¿ ró¿nego typu materia³ów jak wata szklana
i we³na mineralna. Bardzo dobrym poch³aniaczem
dŸwiêku s¹ ró¿nego rodzaju panele kasetonowe wykonane ze styropianu pe³ni¹ce rolê jako elementy w konstrukcjach sufitów podwieszanych.
Rys. 6. Przyk³ady wibroizolatorów z t³umikiem wiskotycznym [14]
191
Poziom ha³asu mo¿na zmniejszaæ b¹dŸ eliminowaæ
równie¿ poprzez odpowiednie zastosowanie napêdu
typu activeDrive. Napêd ten oparty jest na wysokowydajnym silniku z kontrolowan¹ czêstotliwoœci¹ po³¹czonym
z pomp¹ hydrauliczn¹. Dynamiczna regulacja mocy
w zale¿noœci od wymagañ cyklu zapewnia maksymaln¹
efektywnoœæ – wykorzystuje siê tyle mocy, ile potrzeba
w danej sekwencji cyklu. Takie rozwi¹zanie stosuje siê ju¿
w fazie koncepcyjnej prac nad konstrukcj¹ urz¹dzenia, co
pozwala na ograniczenie zu¿ycia energii o 30–60% oraz
dwukrotn¹ redukcjê emitowanego ha³asu [9].
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
LITERATURA
1.
2.
3.
PN-92/M-35200 Dopuszczalne poziomy dŸwiêku w pomieszczeniach obiektów energetycznych.
http://www.akustyczne.pl/index_eio.php#ekranco.
PN-EN 352-2:2005 Ochronniki s³uchu. Wymagania ogólne.
Czêœæ 2: Wk³adki przeciwha³asowe.
12.
13.
14.
Koradecka D.: Bezpieczeñstwo pracy i ergonomia, tom 2, CIOP,
Warszawa 1999.
Zawieski W. M.: Ocena ryzyka zawodowego. Tom 1 – Podstawy
metodyczne, CIOP – PIB, Warszawa 2004.
http://www.akustyczne.pl/index_eio.php#ekranco.
www.plastics.pl
www.akusyka.zgo.pl
Engel Z., Sikora J.: Obudowy dŸwiêkoch³onno-izolacyjne. Podstawy projektowania i stosowania, AGH, Kraków 1998.
Koradecka D.: Bezpieczeñstwo pracy i ergonomia, tom 1, CIOP,
Warszawa 1999.
http://eko-techmot.com.pl/index.php?action=strona&id=9&lang=pl.
komag.eu
tempus-halas.pl
Materia³y informacyjne firmy GERB Vibration Control Systems
192
INSTRUCTIONS FOR AUTHORS
„MANUFACTURING OF POLYMERS” is a scientific and technical journal; it publishes
peer-reviewed articles in the field of wider issues of polymeric materials, their processing and
treatment as well as the machines, tools and equipment for processing. The journal also publishes information related to the industry of polymers in organizational, marketing, market,
and economic aspects.
The content
For the journal, one can submit articles that are the result of original research and scientific works and reviewed articles. The content presented in the article submitted for publication in the journal should correspond to the contemporary state of knowledge; the article
should be compact and transparent. The material submitted for publication should be original with particular emphasis on clear and logical order, maintaining an appropriate scientific
level coupled with an accessible presentation of the content. It can not violate the law on
copyright and related laws, the Law on Industrial Property and good conduct.
Concepts and terms used in this publication should meet the accuracy standards of terminology and the units used should conform to the SI structure (Système International
d’Unités).
The article submitted for publication should consist of:
• the full name of the author (or authors), information on the location of their work and
contact e-mail address, the first of these authors is treated as the Principal author,
• the title in Polish and in English,
• summaries in Polish and English (not exceeding 150 words)
• keywords in English and in Polish (at least 3, not more than 5)
• text of the article,
• illustration in the form of drawings, diagrams, graphs, or photographs with descriptions
in English and in Polish,
• a list of literature cited in this publication.
Formal requirements
Author/authors should submit the article to the editor in electronic form, by e-mail or
traditional mail on CD/DVD. In both cases, they should send the name and surname of the
author and their contact address. In case of more authors, the name and contact address of
the main author should be provided.
The text of the article should be made in the format „doc” or „docx” and written in Times
New Roman font size 12 in A4 format with 1.5 line spacing. The text must be adjusted or align
with the left and right margins assuming: 1 cm right, 3 cm left. The volume of a single article
should not exceed 10 pages. If the article is longer than 10 pages it may be divided into parts
printed in consecutive issues of “Manufacturing of Polymers”.
It is recommended to divide articles into parts which each bearing a subtitle. Each paragraph should begin indented 1.25 cm.
The text does not use underlining, words with increased distance between the letters
(the so-called. „Exploded printing”) or a different font than afore mentioned. Abbreviation
or acronym used in the text should be developed in brackets if they are not obvious. Formulas, equations, illustrations, and tables are placed in the text according to the following rules:
• Mathematical formulas can be submitted using the equation editor compatible with the
format of the document (not allowed to insert mathematical equations in the form of
so-called. „Images”), the mathematical formula should always give an explanation of the
symbols.
• Chemical formulas and equations are recommended to perform with an appropriate
editor compatible with the format of the document. Both the mathematical and chemical
formulas should be marked with subsequent Arabic numerals in brackets on the right side of
the formula. The Greek alphabet is allowed in mathematical and chemical formulas.
• Drawings, diagrams, charts and photographs should be indicated as „Fig.” and marked
with subsequent Arabic numerals. They should be of such size to be readable, no less than
300 × 420 pixels in „jpg”, „bmp” or „png”, they can be monochrome or colour in RGB. They
should be marked in the text in brackets with consecutive Arabic numerals, also brought out
to the left margin. It is required to attach these drawings as separate files in an electronic
form to article.
In the case of graphs, they are allowed to be presented a compatible format with the format of the document and in the format of the corresponding drawings („jpg”, „bmp”,
„png”) In the second case, the name of the program with which the drawings were created
should be mentioned.
• Tables should be signed as „Tab.” along with subsequent Arabic numerals.
Drawing and tables should be listed on separate pages with their numbers, titles, and
information about their source, if they have been taken from other sources.
The article submitted for publishing should end with a complete numbered list of the literature used and cited in the article in order of appearance in the text. The numbers of the
quoted texts should be placed in square brackets, e.g. [2, 4, 8] or [3 ÷ 9].
In the case of citations from books the following information should be provided in the
same order:
• the name of the author (authors’ names), initial of the name (initials), in the case of
a collective work the surname of the editor should be given, followed by the initial of the
name, the information „collective work edited under ...”
• the full title of the work in the original (in italics),
• the name of the publisher, place and year of publication, page number (page numbers)
on which the information is cited.
In cases citation of journals, the following information should be given in the following
order:
• the main author’s surname, initial of the name of the main author, co-author or postscript „and others” in the case of more than three authors,
• title of the original article (in italics),
• the title of the journal and year of publication, no. of the volume, no. of the booklet,
page numbers on which the article is.
In the case of patent citations the following information should be given in the following
order:
• the name of the creator (the names of contributors), initial (initials) of the first
name(s),
• the word „patent” or „patent application”, the title of the patent or patent application in
the original (in italics),
• the country and the number of the patent or patent application, the year of notification
or provided protection.
In the case of article citations from web pages the following information should be given
in order:
• the surname of the author (authors’), initial of the name (initials)
• the title of the original article (in italics),
• the address of websites, where the article is, the date (day, month and year) of use of
the article.
As far as possible, all publications should be described DOI number. Materials and information in advertising or for advertising should not be treated as literature sources.
General Notes
By submitting an article for publication the author declares that it was not and will not be
published in the same form in another journal.
The author is responsible for the content of the submitted article and originality. By submitting an article for publication the author also states, that article does not infringe any
copyright and intellectual property rights of third parties. The principal author further states
that the rights of co-authors of the article are respected.
Each article is subjected to review and after obtaining a favourable opinion of the reviewer or reviewers will be published. The reviewer’s comments are forwarded to the author,
who is asked to respond to them. Editors reserve the right to editorial publications of submitted texts, making cuts, making the necessary changes in terminology, correcting manifested
errors, as well as supplementing the list of references.

Numer 2/15 PDF - IMPIB Gliwice

Transkrypt

Podobne dokumenty

W tym dniu w krwiobusie będzie mo¿na równie¿ zidentyfikować się

town-twinning 2006 - Consulenti al Quadrato

Administrator sieci informatycznej

plakat kanal

Guayabera - tropikalny, latynoski smoking