Badania wytrzymałości na odrywanie połączeń

156
!"!#$! %&'()&*!+,-.$ #! ,"(&%!#$/ 0,+1.)/2 34/5,%&.6777
Dariusz £UBKOWSKI
Instytut In¿ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników
ul. M. Sk³odowskiej-Curie 55, 87-100 Toruñ
Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych:
klejowych...
tworzywo polimerowe/metal
W niniejszej pracy omówiono wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych:
tworzywo polimerowe/metal. Przeprowadzone badania wykazuj¹ istotny wp³yw sposobu przygotowania powierzchni elementów ³¹czonych, jak równie¿ rodzaju u¿ytego do konstytuowania
po³¹czenia kleju na wytrzyma³oœæ tych po³¹czeñ.
S³owa kluczowe: po³¹czenia klejowe, uk³ad tworzywo polimerowe/metal, w³aœciwoœci mechaniczne, wytrzyma³oœæ na odrywanie
Investigation of tear-off properties of adhesive joints: polymer material/metal. The
results of testing tear-off properties of adhesive joints: polymer material/metal have been presented in this paper. The investigation concerning tear-off tests showing the considerable influence
of surface preparation of elements to be assembled on joints strength have been carried out.
Keys words: adhesive joints, polymer material/metal system, mechanical properties, tear-off
strength
— równomierny rozk³ad naprê¿eñ w spoinie
Wstêp
klejowej,
Aktualnie projektowane rozwi¹zania konstrukcyjno-technologiczne, wymagaj¹ zastosowania nowych, coraz skuteczniejszych technik
³¹czenia ró¿nych rodzajów materia³ów. Jedn¹ z
nich, stanowi¹c¹ uzupe³nienie metod tradycyjnych takich, jak: spawanie, zgrzewanie, nitowanie, czy ³¹czenie za pomoc¹ œrub, jest technika
klejenia.
Po³¹czenia klejowe, w porównaniu do po³¹czeñ uzyskanych inn¹ technik¹ ³¹czenia, posiadaj¹ wiele zalet. Nale¿¹ do nich, jak podano w
literaturze [1,2], g³ównie:
— g³adkoœæ powierzchni i lekkoœæ konstrukcji,
w której wykorzystuje siê ten rodzaj po³¹czenia,
— mo¿liwoœæ ³¹czenia ze sob¹ materia³ów o
ró¿nych w³aœciwoœciach fizykochemicznych, w ró¿nych wzajemnych konfiguracjach np. tworzywo polimerowe i metal,
— du¿a odpornoœæ po³¹czenia na dzia³anie
atmosfery i agresywnych substancji chemicznych,
— bardzo dobre w³aœciwoœci elektroizolacyjne,
— du¿a wytrzyma³oœæ zmêczeniowa,
— niski koszt wykonania po³¹czenia,
— prosta technologia ³¹czenia.
W wyniku powy¿szego, tego typu po³¹czenia znajduj¹ zastosowanie w wielu dziedzinach
techniki, m.in. w przemyœle lotniczym, kosmicznym oraz w medycynie (zastosowanie po³¹czeñ opisywanych w niniejszej pracy dotyczy
g³ównie endoprotez).
Po³¹czenia klejowe nara¿one s¹ na ró¿nego
rodzaju obci¹¿enia. Nale¿¹ do nich g³ównie obci¹¿enia odrywaj¹ce, œcinaj¹ce i oddzieraj¹ce.
Dzia³anie tych si³ wi¹¿e siê bezpoœrednio z ró¿norodnoœci¹ uszkodzeñ, jakim ulegaj¹ po³¹czenia (g³ównie na skutek przekroczenia naprê¿eñ
dopuszczalnych). Z analizy warunków pracy
po³¹czenia klejowego oraz danych przedstawionych w literaturze [1-6] wynika, ¿e podlegaj¹ one z³o¿onemu stanowi obci¹¿eñ, przy czym
dominuj¹ce s¹ obci¹¿enia odrywaj¹ce i oddzieraj¹ce.
W niniejszej pracy skupiono siê g³ównie na
po³¹czeniach klejowych obci¹¿onych si³ami odrywaj¹cymi.
Przetwórstwo Tworzyw 4 (lipiec – sierpieñ) 2009
157
!"!#$! %&'()&*!+,-.$ #! ,"(&%!#$/ 0,+1.)/2 34/5,%&.6777
Cel pracy
Maj¹c na uwadze stan literatury oraz potrzebê bli¿szego poznania niektórych w³aœciwoœci po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal, okreœlono cel pracy. Celem pracy jest
wyznaczenie wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal w zale¿noœci od sposobu przygotowania powierzchni elementów ³¹czonych oraz od rodzaju u¿ytego kleju.
Program, metodyka badañ
Aby osi¹gn¹æ za³o¿ony cel pracy, po przeprowadzeniu analizy literatury [1-12], zrealizowano badania obejmuj¹ce wyznaczenie wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych
tworzywo polimerowe/metal w zale¿noœci od
sposobu przygotowania powierzchni oraz od
rodzaju u¿ytego kleju.
Do badañ wykorzystano nastêpuj¹ce materia³y:
— cement chirurgiczny CEMEX ISOPLASTIC:
Klej I,
— cement chirurgiczny PALACOS R z GENTAMICIN: Klej II,
— cement chirurgiczny SURGICAL SIMPLEX
P: Klej III,
— elementy z polietylenu niskiej gêstoœci: typ
MALEN E,
— elementy z aluminium: typ PA6.
Oznaczanie wytrzyma³oœci na zginanie wykorzystanych w po³¹czeniach klejów przeprowadzono zgodnie z polsk¹ norm¹ [10]. Próbki
do badañ zosta³y wykonane zgodnie z metod¹
podan¹ we wczeœniejszej pracy [5] z wykorzystaniem trzech rodzajów cementów chirurgicznych oznaczonych odpowiednio: Klej I, II i III.
Oznaczanie twardoœci wykorzystanych
w po³¹czeniach klejów metod¹ wciskania kulki
przeprowadzono zgodnie z polsk¹ norm¹ [11].
Próbki do badañ wykonano z tych samych materia³ów, co przy badaniu wytrzyma³oœci na
zginanie. Mia³y one postaæ g³adkiej i p³askiej
p³ytki o wymiarach 50 × 50 × 4 [mm]. Powierzchnie próbek by³y wzglêdem siebie równoleg³e.
Badanie zosta³o przeprowadzone na twardoœciomierzu typu AS-111.
W przypadku badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal, elementy metalowe próbek podzielono na trzy grupy (A, B i C). Powierzchnie
robocze próbek grupy A przygotowano stosuj¹c toczenie wykañczaj¹ce, powierzchnie robocze próbek grupy B schropowacono papierem
œciernym o wielkoœci ziaren 60, natomiast na
powierzchniach roboczych grupy C naciêto za
pomoc¹ pilnika rysy w postaci „z¹bków”.
Przed przyst¹pieniem do klejenia powierzchnie
robocze czêœci metalowych zosta³y oczyszczone z zanieczyszczeñ oraz odt³uszczone benzyn¹
ekstrakcyjn¹ i acetonem.
Kszta³t i wymiary próbek do badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal pokazano na rysunku 1.
Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal
przeprowadzono nastêpuj¹co: po naniesieniu
kleju na odpowiednio przygotowane powierzchnie robocze, próbki umieszczano w specjalnym przyrz¹dzie klejarskim (fotografia 1) umo¿liwiaj¹cym uzyskanie odpowiedniej wartoœci
si³y docisku powierzchni ³¹czonych. Badania
wartoœci si³y odrywaj¹cej przeprowadzono z
Rys. 1. Kszta³t i wymiary próbki do badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo
polimerowe/metal: 1 – elementy z aluminium, 2 –
element z polietylenu niskiej gêstoœci, 3 – klej.
Przetwórstwo Tworzyw 4 (lipiec – sierpieñ) 2009
158
!"!#$! %&'()&*!+,-.$ #! ,"(&%!#$/ 0,+1.)/2 34/5,%&.6777
80
70
TwardoϾ kleju [N/mm 2 ]
60
50
40
74,62
30
59,83
20
33,85
10
Fot. 1. Przyrz¹d klejarski.
0
II
III
Rodzaj kleju
45
Rys. 3. Twardoœæ poszczególnych rodzajów kleju
metod¹ wciskania kulki.
40
35
0,7
30
25
46,24
20
15
40,74
34,51
10
5
0
I
II
III
Rodzaj kleju
Rys. 2. Wytrzyma³oœæ na zginanie stosowanych w
badaniach klejów z wykorzystaniem aparatu typu
Dynstat.
wykorzystaniem maszyny wytrzyma³oœciowej
typu FP 10 (prod. niemieckiej).
Wyniki badañ
Wyniki badañ wytrzyma³oœci klejów na zginanie z wykorzystaniem aparatu typu Dynstat
przedstawiono na rysunku 2.
Wyniki badañ twardoœci poszczególnych rodzajów kleju metod¹ wciskania kulki przedstawiono na rysunku 3.
Wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie
po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal w przypadku ró¿nych sposobów
Wytrzyma³oœæ po³¹czenia klejowego
na odrywanie [MPa]
Wytrzyma³oœæ kleju na zginanie [MPa]
I
50
0,6
0,5
0,4
0,617
0,3
0,498
0,2
0,1
0,01
0
A
B
C
Grupa próbek dla kleju I
Rys. 4. Zale¿noœæ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal od
sposobu przygotowania powierzchni do klejenia: A –
grupa próbek o powierzchni roboczej po toczeniu
wykañczaj¹cym, B – grupa próbek o powierzchni
roboczej schropowaconej papierem œciernym, C –
grupa próbek z naniesionymi rysami w postaci „z¹bków”.
przygotowania powierzchni dla kleju I przedstawiono na rysunku 4.
Do dalszych badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal (przy u¿yciu klejów II i III) wytypowano grupê próbek B o powierzchniach schropowa-
Przetwórstwo Tworzyw 4 (lipiec – sierpieñ) 2009
159
Wytrzyma³oœæ po³¹czenia klejowego
na odrywanie [MPa]
!"!#$! %&'()&*!+,-.$ #! ,"(&%!#$/ 0,+1.)/2 34/5,%&.6777
1,8
1,6
1,4
1,2
1
1,642
0,8
1,453
0,6
0,4
0,2
0,617
0
I
II
III
Rodzaj kleju
Rys. 5. Zale¿noœæ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal dla
próbek grupy B (powierzchnia schropowacona papierem œciernym).
conych papierem œciernym, dla której uzyskano
najkorzystniejsze rezultaty podczas badañ po³¹czeñ wykonanych przy u¿yciu kleju I.
Wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie
po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal dla grupy próbek B przy zastosowaniu wszystkich trzech rodzajów klejów (I, II, III)
przedstawiono graficznie na rysunku 5.
Na histogramach (rys. 2-5) zaprezentowano
wartoœci œrednie z badañ stanowi¹ce œrednie
arytmetyczne 10 oznaczeñ.
Wnioski koñcowe
Na podstawie uzyskanych rezultatów badañ
oraz dokonanych rozwa¿añ w³asnych mo¿na
sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski koñcowe
o charakterze ogólnym:
1. Sposób przygotowania powierzchni elementów przed ³¹czeniem ma istotny wp³yw
na wytrzyma³oœæ na odrywanie po³¹czeñ
klejowych tworzywo polimerowe/metal.
2. Rodzaj zastosowanego kleju ma istotny
wp³yw na wytrzyma³oœæ na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal. Wynika to m.in. z ró¿nej wytrzyma³oœci na zginanie poszczególnych klejów
oraz z ró¿nic w ich twardoœci, co stwierdzono podczas realizacji badañ.
3. Na mechanizm konstytuowania i niszczenia
po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal maj¹ tak¿e wp³yw czynniki zwi¹zane z powsta³ym uk³adem tworzywo polimerowe/klej/metal, jak równie¿ zjawiska
fizykochemiczne zachodz¹ce podczas
utwardzania kleju. Jednak szczególnie w
warunkach produkcyjnych s¹ to zjawiska
bardzo z³o¿one i niejednoznaczne.
Niniejsze opracowanie stanowi jedynie pewien
wycinek pracy badawczej prowadzonej w zakresie szeroko pojêtego badania wytrzyma³oœci
po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal, jednak bior¹c pod uwagê uzyskane
rezultaty badañ mo¿na przyj¹æ, ¿e postawione
cele pracy zosta³y osi¹gniête. Pomimo obiecuj¹cych wyników badañ, uzyskane rezultaty nale¿y traktowaæ jako wstêpne, wymagaj¹ce dalszego kontynuowania z udzia³em innych rodzajów klejów i innych metod badawczych. Dalsze
badania w tym temacie nale¿a³oby prowadziæ
m.in. w kierunku opracowania innych metod
zwiêkszania wytrzyma³oœci tego typu po³¹czeñ
klejowych, a tak¿e mo¿liwoœci szerszego ich
wykorzystania.
Literatura
[1] Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych, WE, Warszawa 1993.
[2] Praca zbiorowa pod redakcj¹ R. Sikory: Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych – podstawy logiczne, formalne i terminologiczne. Wydawnictwo
Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006.
[3] Kuczmaszewski J.: Podstawy konstrukcyjne i technologiczne oceny wytrzyma³oœci po³¹czeñ metali.,
Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin
1995.
[4] £ubkowski D., Zimniak J.: Badania wybranych
w³aœciwoœci mechanicznych po³¹czeñ adhezyjnych: metal–laminat. In¿ynieria i Aparatura Chemiczna, 2006, nr 3s, str. 45-47.
[5] £ubkowski D.: Badania po³¹czeñ klejowych w endoprotezach stawu biodrowego. Przetwórstwo
Tworzyw, 2008, nr 5, str. 129-132.
[6] ¯enkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocz¹steczkowych, WNT, Warszawa 2000.
Przetwórstwo Tworzyw 4 (lipiec – sierpieñ) 2009
160
!"!#$! %&'()&*!+,-.$ #! ,"(&%!#$/ 0,+1.)/2 34/5,%&.6777
[7] Instrukcja kleju CEMEX ISOPLASTIC.
[8] Instrukcja kleju PALACOS R z GENTAMICIN.
[9] Instrukcja kleju SURGICAL SIMPLEX P.
[10] PN-72/C-04243: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie
wytrzyma³oœci na zginanie za pomoc¹ aparatu –
typ Dynstat.
[11] PN-93/C-89030/01: Tworzywa sztuczne. Oznaczenie twardoœci. Metoda wciskania kulki.
[12] Broniewski T., Kapko J., P³aczek W., Thomalla J.:
Metody badañ i ocena w³aœciwoœci tworzyw
sztucznych, WNT, Warszawa 2000.
Panu prof. dr. hab. in¿. Joachimowi Zimniakowi
z Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego
w Bydgoszczy sk³adam serdeczne podziêkowania za
pomoc i cenne wskazówki udzielone w trakcie realizacji badañ
AUTOR
ZAMÓWIENIE
na prenumeratê czasopisma „PRZETWÓRSTWO TWORZYW” w 2009 r.
Instytut In¿ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu
Oddzia³ Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach
Redakcja czasopisma „Przetwórstwo Tworzyw”
44-100 Gliwice, ul. Chorzowska 50 A
tel.: 0 32/231-90-41 do 42 wew. 31 lub 24, fax: 0 32/231-26-74, e-mail: [email protected]
data: .....................................
NIP lub REGON ........................
.............................................
Nazwa i adres odbiorcy (zamawiaj¹cego)
Niniejszym zamawiamy prenumeratê roczn¹ czasopisma „PRZETWÓRSTWO TWORZYW”
w roku 2009 w cenie 252,- z³ za jeden komplet (6 numerów) w liczbie ............ /egz.
Fakturê oraz egzemplarze wydawnictwa prosimy przesy³aæ na adres .........................
..........................................................................................................................
.
Upowa¿niamy Was do wystawienia faktury VAT bez naszego podpisu.
..........................
G³. Ksiêgowy
................................
Prezes / Dyrektor
Przetwórstwo Tworzyw 4 (lipiec – sierpieñ) 2009