24_KWIATKOWSKI Dariusz_PO FORM

Dariusz KWIATKOWSKI
Politechnika Częstochowska
Instytut Przetwórstwa Polimerów i Zarządzania Produkcją
E-mail: [email protected]
WPŁYW RODZAJU NAPEŁNIACZA NA ODPORNOŚCI
NA PĘKANIE KOMPOZYTÓW PA6
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu rodzaju napełniacza
w kompozytach poliamidu 6 na wartość współczynnika intensywności napręŜeń.
Jako miarę odporności na pękanie przyjęto krytyczną wartość współczynnika
intensywności napręŜeń KQ. Do badań uŜyto poliamidu 6 o nazwie firmowej
RESTRAMID oraz kompozytów na osnowie tego znanego tworzywa
termoplastycznego z włóknem szklanym lub talkiem. Kompozyt z maksymalnymi
zawartościami włókna szklanego lub talku tj. 25 % został wytworzone za pomocą
wytłaczarki dwuślimakowej na przemysłowej linii produkcyjnej w firmie
POLIMARKY w Rzeszowie. Pozostałe kompozyty o zawartości włókna szklanego
lub talku 5, 10, i 15 % wytworzono za pomocą wtryskarki firmy KRAUSS MAFFEI
KM 65-160 C4 poprzez dodanie do kompozytów z maksymalnymi zawartościami
napełniaczy odpowiedniej ilości PA6. Próbki do badań odporności na pękanie typu
SENB (Single Edge Notch Bend) wykonano metodą wtryskiwania przy uŜyciu formy
wtryskowej dwugniazdowej. Badania odporności na pękanie przeprowadzono
przy uŜyciu maszyny wytrzymałościowej Inspekt Desk 20 firmy Hegewald & Peschke
wyposaŜonej w uchwyt do trójpunktowego zginania. Przedstawiono graficznie wpływ
róŜnych napełniaczy na wartość współczynnika intensywności napręŜeń
KQ w kompozytach PA6.
IFLUENCE OF FILLER TYPE TO CRACK RESISTANCE OF PA6
COMPOSITES
Summary. The paper presents the results of the impact of the type of filler in the
composites of polyamide 6 on the value of stress intensity factor. As far as the fracture
toughness value of the assumed critical stress intensity factor KQ. Polyamide 6
RESTRAMID trade name and composites based on the well-known thermoplastic glass
fiber or talc were used in the study. Composite with a maximum content of glass fiber
or talc (25%) was produced by the twin screw extruder in the industrial production line
at the company POLIMARKY in Rzeszow. Other composites containing glass fiber
Wpływ rodzaju napełniacza ...
191
or talc 5, 10, and 15% were prepared by injection molding company KRAUSS MAFFEI
KM 65-160 C4 by adding to the composites with the maximum yields enough PA6
fillers. Samples for testing crack resistance SENB (Single Edge Notch Bend) was
performed by injection molding using a mold dual-socket. Fracture toughness tests were
carried out using a testing machine Inspekt Desk 20 Hegewald & Peschke equipped
to handle three - point bending. Graphically presents the impact of various fillers on the
stress intensity coefficient KQ PA6 in the composites.
1. WSTĘP
Wytrzymałość teoretyczna kompozytów polimerowych jest o wiele niŜsza
niŜ wytrzymałość oznaczona eksperymentalnie. RóŜnica ta jest uwarunkowana obecnością
w strukturze kompozytów polimerowych defektów, uwarunkowanych metodą otrzymania
tego kompozytu i defektów powstających w rezultacie wytwarzania próbki do badań.
W ostatnim przypadku najczęściej powstają defekty powierzchniowe. One są najbardziej
niebezpieczne. Przyczyna obniŜenia wytrzymałości próbki nie polega na tym, Ŝe defekt
zmniejsza jej przekrój poprzeczny rzeczywisty, a polega na tym, Ŝe w wierzchołku defektu
koncentrują się dodatkowe nadmierne napręŜenia wewnętrzne. Im bardziej ostry
jest wierzchołek defektu, tym większe jest napręŜenie. W ten sposób dochodzi do tworzenia
się lokalnych napręŜeń, duŜo większych od średniego napręŜenia przeliczonego na całą
powierzchnię przekroju badanej próbki. Początkiem zniszczenie badanej próbki jest z reguły
największy defekt, który staje się początkiem lokalnego rozchodzenia się pęknięcia
i rozerwania próbki, zanim jeszcze napręŜenie osiągnie wielkość wynikającą z sił spójności
występujących w danym kompozycie polimerowym [1-5].
Do waŜniejszych tworzyw termoplastycznych zaliczamy poliamid 6. Jest on polimerem
z grupy tworzyw konstrukcyjnych o stopniu krystaliczności wynoszącym od 30 do 50 %.
Obecność fazy krystalicznej powoduje wzrost wytrzymałość na rozciąganie, wysoki moduł
Younga, duŜą twardość i odporność na ścieranie. Występowanie giętkich makrocząsteczek w
obszarach bezpostaciowych zapewnia poliamidom korzystną udarność, wydłuŜenie,
odporność na cykle zmęczeniowe czy odp. Stosunkowo dobre właściwości mechaniczne
poliamidów moŜna zwiększyć poprzez dodanie napełniaczy, jak np. włókno szklane czy talk.
Kompozyty na osnowie poliamidu z włóknem szklanym cechuje bardzo wysoka sztywność,
podwyŜszona odporność na pełzanie czy wysoka stabilność wymiarowa [8]. Celem
niniejszych badań jest określenie wpływu rodzaju napełniacza na odporność na pękanie
poliamidu 6.
192
D. Kwiatkowski
Do modyfikacji fizycznej PA6 wytypowano dwa rodzaje napełniaczy:
•
napełniacz włóknisty w postaci włókna szklanego ciętego typu E,
•
napełniacz proszkowy, którego reprezentantem jest talk.
Odporność na pękanie oznaczono na podstawie współczynnika intensywności napręŜeń
WIN.
2. MATERIAŁY, APARATURA I METODYKA BADAŃ
Badaniom poddano kompozyty na osnowie polipropylenu o nazwie handlowej
RESTRAMID wyprodukowanego w firmie POLIMARKY.
Poliamid 6 modyfikowano fizycznie dwoma rodzajami napełniaczy:
•
napełniaczem włóknistym w postaci włókna szklanego ciętego typu E ze szkła
bezalkalicznego boro – glino - krzemowego o zawartości tlenków alkalicznych
poniŜej 1 %.
• napełniaczem proszkowym - talk.
Kompozyty z maksymalnymi zawartościami napełniaczy (włókno szklane cięte lub talk)
tj. 25 % zostały wytworzone za pomocą wytłaczarki dwuślimakowej na przemysłowej linii
produkcyjnej w firmie POLIMARKY w Rzeszowie. Pozostałe kompozyty o zawartości
włókna szklanego lub talku 5, 10 i 15 % wytworzono uŜywając wtryskarki firmy KRAUSS
MAFFEI KM 65-160 C4 dodając do kompozytów z maksymalnymi zawartościami
napełniaczy odpowiedniej ilości PA6.
Do wyznaczenia współczynnika intensywności napręŜeń stosuje się próbki trójpunktowo
zginane, oznaczane, jako SENB (Single Edge Notch Bend). Próbki typu SENB (rys. 1)
wykonano metodą wtryskiwania za pomocą formy wtryskowej, dwugniazdowej. Temperaturę
formy ustalano za pomocą termostatu WITTMANN Tempro Plus 140. Wymiary próbki SENB
muszą spełniać warunek płaskiego stanu odkształcenia PSO. Uznaje się, Ŝe warunek ten
zachodzi wówczas, gdy spełniona jest nierówność [6,7]:
(1)
w której:
B – szerokość próbki,
a – długość karbu,
W – wysokość próbki,
– współczynnik intensywności napręŜeń,
- granica plastyczności.
Wpływ rodzaju napełniacza ...
193
Przed pomiarami odporności na pękanie badanych kompozytów naleŜy wykonać
przedpęknięcie zmęczeniowego, którego zadaniem jest maksymalne wyostrzenie wierzchołka
szczeliny. NajwaŜniejszymi ustaleniami norm w tym zakresie jest to, aby długość
przedpęknięcia nie była mniejsza od 1, 5 mm [6,7].
Rys. 1. Próbka do badań odporności na pękanie typu SENB
Fig. 1. The test sample for crack resistance type SENB
Jako miarę odporności na pękanie przyjęto krytyczną wartość współczynnika
intensywności napręŜeń KQ. Wartość współczynnika intensywności napręŜeń KQ obliczono
wykorzystując równanie [1÷5]:
(2)
w którym:
PQ - siła krytyczna [N],
Y - funkcja podatności,
B - grubość próbki [m],
W - wysokość próbki [m].
Występująca w liczniku funkcja podatności Y moŜe być obliczona na podstawie stosunku
wymiarów: długości szczeliny i wysokości próbki (a/W). Dla próbki SENB [1-5]:
(3)
Wyznaczenie krytycznej wartości obciąŜenia PQ polega na umieszczeniu na uzyskanym
wykresie siły w funkcji przemieszczenia siecznej, pochylonej o 5% w stosunku do wcześniej
wyznaczonej stycznej do wykresu. Miejsce przecięcia siecznej z wykresem wyznacza siłę PQ
NaleŜy teŜ pamiętać o sprawdzeniu wartości dopuszczalnej nieliniowości wykresu oraz
ilorazu siły PQ w stosunku do siły maksymalnej Pmax, tak by ta ostatnia nie przewyŜszała
krytycznej o więcej niŜ 10% [6, 7]. Badania odporności na pękanie przeprowadzono
194
D. Kwiatkowski
za pomocą maszyny wytrzymałościowej Inspekt Desk 20 firmy Hegewald & Peschke
wyposaŜonej w uchwyt do trójpunktowego zginania. Widok maszyny wraz z zamocowaną
próbką SENB przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Widok maszyny wytrzymałościowej wraz z uchwytem do trójpunktowego zginania
Fig. 2. The view of testing machine with a handle to three - point bending
3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
Na rysunku 3a moŜna zauwaŜyć, iŜ w miarę zwiększenia odkształcenia próbki rośnie
wartość napręŜenia. Dzieje się tak aŜ próbka osiągnie odkształcenie 0, 036, wtedy próbka
z PA6_25GF wykazuje maksymalną napręŜenie 140 MPa. Po osiągnięciu maksymalnego
napręŜenia dalsze zwiększanie odkształcenia nie powoduje zwiększenia wartości napręŜenia,
lecz jego gwałtowne zmniejszenie się. Podobnie jest dla próbek PA6 modyfikowanych
talkiem. Próbka wykonana z kompozytu PA6 z 25% zawartością talku osiaga maksymalne
napręŜenie 52 MPa, lecz przy większej wartości odkształcenia tj. 0,058 (rys. 3b). Na rys. 4.
przedstawiono zaleŜność krytycznej wartości współczynnika intensywności napręŜeń KQ
od zawartości włókna szklanego ciętego w poliamidzie 6. W miarę zwiększenia zawartości
włókna szklanego ciętego w kompozycie PA6 wartość współczynnika intensywności
napręŜeń KQ ulega podwyŜszeniu. Wartość krytycznego współczynnika intensywności
Wpływ rodzaju napełniacza ...
195
napręŜeń KQ dla PA6 wynosi około 3,44
, a przy maksymalnej zawartości włókna
szklanego wartość KQ wzrosła do 7,3
. Modyfikacja fizyczna polegająca
na dodaniu do osnowy poliamidowej 25% włókien szklanych spowodowała zwiększenie
odporności na pękanie o 47%. Inaczej jest w przypadku kompozytów PA6 z talkiem. W miarę
zwiększenia zawartości talku w kompozycie PA6 wartość WIN KQ ulega podwyŜszeniu
do pewnego udziału tego napełniacza proszkowego tj. do około 10%. Po przekroczeniu tej
zawartości talku wartość współczynnika intensywności napręŜeń ulega zmniejszeniu. Wartość
współczynnika
intensywności
napręŜeń
dla
PA6
wynosi
około
a przy maksymalnej zawartości talku wartość WIN wynosi 3,72
wartość WIN 4,25
a)
3,44
,
. Maksymalną
zanotowano przy 10% zawartości talku.
160
140
120
σ, MPa
100
80
60
40
20
0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
ε
b)
60
50
σ, MPa
40
30
20
10
0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
ε
Rys. 3. ZaleŜność napręŜenia od odkształcenia dla kompozytu PA6: a) z 25% zawartością włókna
szklanego ciętego, b) z 25% zawartością talku
Fig. 3. Dependence of stress on strain PA6 composite: a) with 25% glass fiber content of cut, b) with
25% talc content
196
D. Kwiatkowski
Rys. 4. ZaleŜność wspólczynnika intensywności napręŜeń KQ od zawartości napełniacza:
1 – kompozyty PA6 z włóknem szklanym, 2 – kompozyty PA6 z talkiem.
Fig. 4. Dependence of stress intensity factor KQ on the content of filler: 1 - PA6 composites with
glass fiber, 2 - PA6 composites with talc
4. WNIOSKI KOŃCOWE
Wraz ze zwiększeniem zawartości włókna szklanego w osnowie poliamidowej moŜna
zaobserwować zwiększenie się wartości współczynnika intensywności napręŜeń KQ. Wartość
krytycznego współczynnika intensywności napręŜeń KQ dla PA6 wynosi około
3,44
, zaś przy maksymalnej zawartości włókna szklanego wartość KQ wzrosła
do 7,3
. Modyfikacja fizyczna polegająca na dodaniu do osnowy PA6 włókien
szklanym spowodowała zwiększenie się odporności na pękanie. Inaczej jest w przypadku
napełnienia osnowy poliamidowej talkiem. W miarę wzrostu zawartości talku w kompozycie
PA6 wartość współczynnika intensywności napręŜeń ulega podwyŜszeniu do pewnego
udziału tego napełniacza proszkowego tj. do około 10%. Po przekroczeniu tej zawartości
talku wartość WIN ulega zmniejszeniu. Zastępowanie tworzyw polimerowych
ich kompozytami stwarza szerokie moŜliwości podwyŜszania odporności na pękanie tych
materiałów. Modyfikowanie fizyczne kompozytów polimerowych pod tym kątem wymaga
jednak szczegółowej analizy zjawisk występujących w skali mikro w procesach zniszczenia
tych materiałów.
Wpływ rodzaju napełniacza ...
197
BIBLIOGRAFIA
1. Bochenek A.: Elementy mechaniki pękania. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej,
1998.
2. German J.: Podstawy mechaniki pękania. Politechnika Krakowska, Kraków 2001.
3. Neimitz A.: Mechanika pękania. PWN, 1998.
4. Erdogan F.: Fracture mechanics. International Journal of Solids and Structures. 37 (2000),
171-183.
5. Anderson T.L.: Fracture mechanics. Fundamentals and applications. CRC Press, 1995.
6. Norma PN-87/H-04335. Metoda badania odporności na pękanie w płaskim stanie
odkształcenia.
7. ASTM D5045-93. Plain – Strain Fracture Toughness and Strain Energy Release Rate
of Plastics Materials.
8. Sikora R.: Tworzywa wielkocząsteczkowe - Rodzaje, właściwości i struktura.
Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1991.