Artykuł naukowy

MODYFIKACJA WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW
KONSTRUKCYJNYCH W ATMOSFERZE OZONU
Mariusz Kłonica
Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości energetycznych warstwy
wierzchniej stopu tytanu Ti6Al2Mo2Cr, stopu aluminium AlZn5,5MgCu oraz
poliamidu PA6. Porównano wartości swobodnej energii powierzchniowej po
odtłuszczaniu, szorstkowaniu płótnem ściernym o ziarnistości P = 320 i odtłuszczaniu
oraz ozonowaniu. Pracę zakończono wnioskami.
Słowa kluczowe: swobodna energia powierzchniowa, ozon, ozonowanie.
1. WSTĘP
Właściwości energetyczne warstwy wierzchniej materiałów konstrukcyjnych są bardzo ważną cechą
w konstytuowaniu właściwości połączeń adhezyjnych. Dotyczy to takich połączeń jak klejenie,
uszczelnianie, malowanie oraz lakierowanie. Swobodną energię powierzchniową materiałów
konstrukcyjnych najczęściej określa się metodą pośrednią poprzez pomiar kąta zwilżania cieczy
pomiarowych [1, 8]. Istotę oddziaływania pomiędzy ciałem stałym i cieczą opisuje równanie Younga [2, 9].
(1)
SV
SL
LV cos V
gdzie:
σSV- napięcie powierzchniowe na granicy faz ciało stałe – gaz,
σSL- napięcie powierzchniowe na granicy faz ciało stałe – ciecz,
σLV - napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz – gaz,
ΘV- równowagowy kąt zwilżania.
Metoda Owensa – Wendta jest jedną z najczęściej stosowanych do wyznaczania swobodnej energii
powierzchniowej [4, 6, 7]. Przyjęto, że swobodna energia powierzchniowa jest sumą dwóch składowych:
polarnej i dyspersyjnej, oraz że istnieje zależność między tymi wielkościami:
s
d
s
p
s
(2)
gdzie: symbol γ oznacza swobodną energię powierzchniową.
Silne właściwości utleniające ozonu [3, 5] sprawiają że, metoda ta może mieć szerokie zastosowanie
zarówno w przemyśle tworzyw polimerowych (szczególnie w biomedycynie), lotnictwie, przemyśle
metalurgicznym i ceramicznym. Ponadto w porównaniu z innymi metodami modyfikującymi warstwę
wierzchnią ozonowanie jest metodą stosunkowo prostą w wykonaniu, o niskich kosztach eksploatacji.
2. MATERIAŁY I METODYKA BADAŃ
Próbki wykonano ze stopu tytanu Ti6Al2Mo2Cr, stopu aluminium AlZn5,5MgCu oraz poliamidu
PA6 o wymiarach 25 x 100 mm. Przed przystąpieniem do pomiaru kąta zwilżania i wyznaczenia swobodnej
energii powierzchniowej dokonano rozwinięcia powierzchni geometrycznej przez szorstkowanie papierem
ściernym o ziarnistości P=320. Do pomiaru kąta zwilżania jako cieczy pomiarowych użyto wody
destylowanej i dijodometanu. Przyjęto następujące wartości stałych swobodnych energii powierzchniowych
cieczy pomiarowych oraz ich składowe polarna i dyspersyjna: w=72,8 [mJ/m2], pw=51,0 [mJ/m2], dw=21,8
[mJ/m2], d=50,8 [mJ/m2], pd=2,3 [mJ/m2], dd=48,5 [mJ/m2]. Ciecz pomiarową nanoszono na badaną
powierzchnie za pomocą mikropipety o stałej objętości 5 μl. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony
schemat stanowiska do pomiaru kąta zwilżania. Do obserwacji kropli i pomiaru kąta zwilżania stosowano
mikroskop stereoskopowy wraz z kamerą oraz oprogramowanie MicroScan v 1.3.
Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru kąta zwilżania: 1- mikroskop stereoskopowy z płynną regulacją ostrości,
2- kamera, 3- komputer z oprogramowaniem MicroScan v 1.3., 4- stolik pomiarowy [3]
Na rysunku 2 przedstawiono obraz naniesionej kropli cieczy pomiarowej wraz z zaznaczonym sposobem
pomiaru kąta zwilżania badanej próbki.
Rys. 2. Widok naniesionej kropli cieczy pomiarowej w oknie dialogowym programu MicroScan v 1.3. wraz
z zaznaczonym sposobem pomiaru kąta zwilżania [3]
Na rysunku 3 schematycznie przedstawiono stanowisko laboratoryjne do syntezy ozonu i modyfikacji
warstwy wierzchniej badanych próbek.
Rys. 3. Schemat stanowiska do procesu ozonowania: 1– koncentrator tlenu, 2 – przepływomierz z regulacją,
3 – generator ozonu, 4 – miernik stężenia ozonu, 5 – komora reakcyjna, 6 – destruktor ozonu, 7 – pompka ssąca
Przepływ ozonu podczas ozonowania próbek wynosił 0,90 dm3/min. Do pomiaru stężenia ozonu
użyto miernika ozonu Ozone ANALYZER BMT 964. Stężenie ozonu podczas ozonowania próbek
wykonanych ze stopu tytanu Ti6Al2Mo2Cr wynosiło 10 g/m3, natomiast dla próbek wykonanych ze stopu Al
oraz poliamidu PA6 stężenie ozonu wynosiło 7 g/m3.
3. WYNIKI BADAŃ
Wyniki pomiaru swobodnej energii powierzchniowej badanych próbek tytanu po szorstkowaniu
i odtłuszczaniu oraz po szorstkowaniu, odtłuszczaniu i ozonowaniu przedstawiono na rysunku 4.
65
γ, mJ/m2
60
55
50
45
40
0
1
czas ozonowania, h
3
Rys. 4. Wartość swobodnej energii powierzchniowej stopu tytanu w funkcji czasu ozonowania
Wyniki pomiaru swobodnej energii powierzchniowej badanych próbek stopu aluminium
AlZn5,5MgCu po szorstkowaniu i odtłuszczaniu oraz po szorstkowaniu, odtłuszczaniu i ozonowaniu
przedstawiono na rys. 5.
60
γ, mJ/m2
55
50
45
40
0
10
czas ozonowania, min.
20
Rys. 5. Wartość swobodnej energii powierzchniowej stopu aluminium AlZn5,5MgCu w funkcji czasu ozonowania
Wyniki pomiaru swobodnej energii powierzchniowej badanych próbek PA6 po szorstkowaniu oraz
po szorstkowaniu i ozonowaniu zestawiono na rysunku 6.
65
60
γ, mJ/m2
55
50
45
40
0
10
czas ozonowania, min.
30
Rys. 6. Wartość swobodnej energii powierzchniowej poliamidu PA 6 w funkcji czasu ozonowania
Po zmierzeniu kątów zwilżania na próbkach poddanych ozonowaniu zauważono znaczący wzrost
swobodnej energii powierzchniowej. W każdej serii znajdowało się pięć badanych próbek.
4. ANALIZA WYNIKÓW I WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy ich wyników można sformułować następujące
wnioski o charakterze ogólnym.
1. Wartość swobodnej energii powierzchniowej uzyskana zarówno poprzez obróbkę mechaniczną
i odtłuszczanie jak też obróbkę mechaniczną, odtłuszczanie i ozonowanie wskazują na możliwość
rezygnacji z typowego procesu trawienia jako sposobu aktywacji energetycznej stopu tytanu.
2. Uzyskane wartości swobodnej energii powierzchniowej, badanego stopu aluminium, pozwalają na
stosowanie w procesach inżynierii powierzchni technologii w których wykorzystuje się zjawisko adhezji
(klejenie, nakładanie powłok, uszczelnianie).
3. Uwzględniając silnie „dezynfekujące” właściwości ozonu należy przypuszczać, że nawet niewielki
wzrost wartości swobodnej energii powierzchniowej może mieć ważne znaczenie dla wytrzymałości
długotrwałej połączeń adhezyjnych poliamidu PA6.
5. LITERATURA
1. Chibowski E. – Gonzalez-Caballero F.: Interpretationofcontact angle hysteresis. Jurnal of Adhesion
Science and Technology. 11 (1993) 1195-1209
2. Jańczuk B. – Białopiotrowicz T.: Swobodna energia powierzchniowa niektórych polimerów. Polimery.
32 1987, 269-271
3. Kłonica M. – Kuczmaszewski J. – Ozonek J.: Ocena porównawcza właściwości energetycznych warstwy
wierzchniej stopu tytanu. Inżynieria materiałowa 5/2009
4. Kuczmaszewski J.: Fundamentals of metal-metal adhesive joint design. Politechnika Lubelska. Oddział
PAN w Lublinie, 2006
5. Ozonek J. – Fijałkowski S.: Energetyczne i procesowe aspekty produkcji i zastosowań ozonu
w technice., Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007
6. Rudawska A. – Kuczmaszewski J.: Surface free energy of zinc coating after finishing treatment. Material
Science, Vol 24, No. 4, 2006
7. Shalel-Levanon S. – Marmur A.: Validity and accuracy in evaluating surface tension of solids by
additive approaches. Journal of Colloid and Interface Science 262 (2003) 489-499
8. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstw wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT,
Warszawa 2000
9. Żenkiewicz M.: Porównawcza ocena niektórych metod obliczania swobodnej energii powierzchniowej
aktywowanej folii polietylenowej. Polimery 33, 1988, 328-331