61._WERNER Krzysztof WOJCIECHOWSKA Mariola _PO FORM

61._WERNER Krzysztof WOJCIECHOWSKA Mariola _PO FORM

Krzysztof WERNER, Mariola WOJCIECHOWSKA
Politechnika Częstochowska
Instytut Przetwórstwa Polimerów i Zarządzania Produkcją
e-mail: [email protected]
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I STRUKTURA WYPRASEK
WTRYSKOWYCH Z KOMPOZYTU POLIACETALU Z WŁÓKNEM
SZKLANYM
Streszczenie. Przeanalizowano wpływ zawartości włókna szklanego na właściwości
mechaniczne kompozytów na osnowie poliacetalu. Badaniom poddano kompozyty
o zawartości 10 i 30 % włókna szklanego. W celach porównawczych badano
też mechaniczne właściwości osnowy kompozytu. Dokonano analizy wpływu
temperatury i częstotliwości na moduł zachowawczy i tangens kąta stratności
mechanicznej metodą DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analaysis).
Przedstawiono również wyniki badań struktury wykonane za pomocą mikroskopu
optycznego. Otrzymane wyniki badań przedstawiono w postaci tabelarycznej
i graficznej.
MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE OF MOULDED PARTS
FROM POLIACETAL COMPOSITE WITH GLASS FIBRE
Summary. The effect of glass fibre addition on mechanical properties of polyacetal
composites has been examined. Poyacetal and its composites filled
with 10 and 30% of glass fibre have been tested. The research of mechanical properties
of composites matrix has been made in order to compare.Analysis the influence
of temperature and frequency on the conservative modulus and loss tangent has been
performed by the DMTA method. The results of microscope observations was also
representend. The results was presented in table and a graphic form.
502
1.
K. Werner, M. Wojciechowska
WSTĘP
Kompozyty na osnowie polimerów wzmacniane włóknami są efektem poszukiwań
nowych materiałów konstrukcyjnych, doskonalszych od dotychczas stosowanych.
Zastosowanie polimerów jako osnowy pozwoliło nadać kompozytom takich cech, jak:
lekkość, odporność na korozję, zdolność tłumienia drgań, dobrą izolacyjność elektryczną
i cieplną oraz łatwość kształtowania. Atrakcyjność tych cech przesądziła o zasięgu stosowania
kompozytów polimerowych - od konstrukcji silnie obciążonych, a lekkich, przez elementy
pracujące w warunkach nieznacznych obciążeń mechanicznych, do oprzyrządowania
produkcyjnego [1].
Najczęściej stosowanym napełniaczem włóknistym są włókna szklane. Charakteryzują
się one nie tylko niską ceną i łatwym dostępem, ale również małym wydłużeniem i wysokimi
wartościami modułu sprężystości oraz posiadają dobre właściwości dielektryczne. Włókna
szklane cechuje duża zwilżalność przez polimery, co umożliwia uzyskanie mocnego
połączenia na granicach międzyfazowych pomiędzy włóknem a polimerem [2,3].
Celem niniejszej pracy jest analiza właściwości mechanicznych oraz badania struktury
kompozytów na osnowie poliacetalu.
2.
MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Jako materiał do badań wykorzystano poliacetal (POM) o nazwie handlowej „Tarnoform
300” firmy „Azoty Tarnów” oraz kompozyty na jego osnowie zawierające 10 i 30 % włókna
szklanego typu E. Polimer ten miał następujące właściwości: temperaturę mięknienia
wg. Vicata równą 150 °C, masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) wynoszący
9 g/10min (w temperaturze 190 °C przy obciążeniu 2,16 kg).
Zgodnie z zaleceniami producenta tworzywo przed procesem wtryskiwania w postaci
granulatu poddano dwugodzinnemu suszeniu w temperaturze 100 °C, które przeprowadzono
w suszarce CABINET DRYER firmy „SHINI”.
Próbki do statycznej próby rozciągania o kształcie wiosełek o grubości 4 mm,
wytwarzano zgodnie z normą PN-EN ISO 527-2:1998 [4] metodą wtryskową. Do wykonania
próbek użyto wtryskarki KM65-160 C4 firmy „Krauss – Maffei”.
Właściwości mechaniczne i struktura wyprasek …
503
Warunki wtryskiwania były następujące:
• temperatura wtryskiwania 200 [°C],
• temperatura formy
80 [°C],
• ciśnienie docisku
70 [MPa],
• prędkość wtryskiwania
0,057 [mm/s],
• czas wtrysku
0,9 [s],
• czas docisku
28 [s],
• czas chłodzenia
10 [s].
Badanie wytrzymałości na rozciąganie przeprowadzono na standardowej maszynie
wytrzymałościowej Inspekt Desk 20 firmy „Hegewald & Peschke”.
W statycznej próbie jednoosiowego rozciągania określono wytrzymałość na rozciąganie
(σM), wydłużenie przy sile maksymalnej (εM) i wydłużenie przy zerwaniu (εB). Rozciąganie
zostało przeprowadzone z prędkością 5 mm/min.
Pomiary twardości metodą wciskania kulki przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN
ISO 2039-1:2004 [5] na twardościomierzu HPK 8411, używając próbek o grubości 4 mm.
Zastosowano kulkę o średnicy 5±0,025 mm oraz obciążenie wstępne 9,81 N i obciążenia
podstawowe 132 N i 358 N (z dokładnością ±1%). Twardość próbki określono obliczając
średnią arytmetyczną z pięciu pomiarów.
Badania właściwości dynamicznych przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 67211:2006 [6], przy wykorzystaniu dynamicznego analizatora mechanicznego DMA 242 firmy
„Netzsch”. Próbki w kształcie prostopadłościanów o wymiarach 58 x 10 x 4 mm, wycięte
z próbek „wiosełkowych” do statycznej próby rozciągania, zginano trójpunktowo
z częstotliwością
f = 1 i 10 Hz. Badania prowadzono w zakresie temperatury
od 23 do 150 °C, przy szybkości grzania 3 °C/min. Ten zakres temperatury odpowiadał
zakresowi temperatury użytkowania wyrobów wykonanych z badanych materiałów
polimerowych.
Badania struktury próbek przeprowadzono za pomocą mikroskopu optycznego.
Obserwacje mikrostruktury prowadzono przy powiększeniach 400x w świetle
spolaryzowanym za pomocą mikroskopu firmy NIKON ECLIPSE E200. Preparaty stosowane
do obserwacji miały postać ścinków o grubości 15 µm, wycinanych prostopadle do kierunku
przepływu tworzywa.
504
K. Werner, M. Wojciechowska
3. WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań właściwości wytrzymałościowych wyznaczonych w próbie statycznego
rozciągania oraz twardości kompozytów i materiału osnowy zestawiono w tabeli 1. Dane
zawarte w tej tabeli wskazują, że wytrzymałość na rozciąganie i twardość kompozytu
są większe niż niemodyfikowanego poliacetalu. Wzrost wytrzymałości na rozciąganie
i trwałości uzyskano dzięki wprowadzeniu wytrzymałych, sztywnych, a zarazem kruchych
włókien do miękkiej, plastycznej osnowy. Włókna szklane charakteryzują się małym
wydłużeniem, co potwierdza spadek wydłużenia badanych próbek przy sile maksymalnej
i zerwaniu wraz ze wzrostem zawartości napełniacza.
Tabela 1
Właściwości mechaniczne poliacetalu (POM) i jego kompozytów
Materiał
Wytrzymałość
na rozciąganie
MPa
Wydłużenie przy
sile
maksymalnej %
Wydłużenie
przy zerwaniu
%
Twardość
HK
MPa
POM
58,8
12,6
56,6
145
POM + 10% WS
90
8,3
8,4
171
POM + 30% WS
115,5
4,8
4,9
204
Pomiary właściwości dynamicznych stanowią uniwersalną metodę badań zachowania
się materiałów pod wpływem wymuszeń dynamicznych sinusoidalnie zmiennych [7].
Otrzymane przebiegi zmian składowej zachowawczej modułu Younga, tzw. modułu
zachowawczego E’ i tangensa kąta stratności mechanicznej tgδ w zależności od temperatury
i zawartości napełniacza dla POM i jego kompozytów z włóknem szklanym (WS)
przedstawiono na rysunku 1.
Właściwości mechaniczne i struktura wyprasek …
505
Rys.1. Przebieg zmian wartości modułu zachowawczego E’ (krzywa ciągła i punktowa) i tangensa
kąta stratności mechanicznej tgδ w funkcji temperatury dla: a) POM, b) POM+10% WS,
c) POM+30% WS
Fig.1. The run of the storage modulus E’ (red continuous curve and punctual) and loss tangent tgδ
as a function of temperature for: a) POM, b) POM+10% GF, c) POM+30% GF
506
K. Werner, M. Wojciechowska
Z rysunku 1 widać, że charakter zmian modułu zachowawczego w funkcji temperatury
jest porównywalny dla obydwu częstotliwości. W zakresie odkształceń sprężystych
stwierdzono niewielki wpływ temperatury na moduł zachowawczy E’ kompozytów
poliacetalu z włóknem szklanym.
Wprowadzenie włókien do polimerowej osnowy powoduje znaczny wzrost modułu
zachowawczego E’ i wyraźne obniżenie wartości tgδ. Wartość modułu zachowawczego
w przypadku kompozytu zawierającego 30% włókien szklanych jest prawie czterokrotnie
wyższa od modułu zachowawczego poliacetalu. Świadczy to o zwiększeniu sztywności
materiału i efektywnej roli włókien wzmacniających badane kompozyty.
Wybrane wyniki badania mikrostruktury z przeprowadzonych obserwacji
mikroskopowych przedstawiono na rysunku 2.
Rys.2. Mikrostruktury: a) POM, b) POM +10% WS, c) POM +30% WS, pow. 400x
Fig.2. Microstructure of: a) POM, b) POM +10% GF, c) POM +30% GF, magn. 400x
Określenie wielkości sferolitów występujących w polimerowej osnowie badanych
kompozytów jest trudne z uwagi na rozmycie obrazu i jego zniekształcenie spowodowane
obecnością włókien szklanych. Uniemożliwia to dokładniejsze przyjrzenie się powstającym
strukturom krystalicznym.
Właściwości mechaniczne i struktura wyprasek …
507
Krystality powstają w dużej ilości w całej objętości próbki, ale nie mają one dużych
rozmiarów. Znaczący wpływ na to mają włókna szklane, których zawartość w masie próbki
ogranicza rozrost sferolitów.
Zmiany jakie dokonały się w strukturze badanych materiałów mają wpływ
na właściwości mechaniczne – tabela 1.
4. WNIOSKI
Na podstawie przestawionych wyników badań można sformułować następujące
stwierdzenia i wnioski:
• Stosowanie napełniacza w postaci włókien szklanych pozwala na polepszenie
właściwości mechanicznych wyprasek. Zmianie ulegają podstawowe właściwości
mechaniczne – zwiększa się twardość i wytrzymałość na rozciąganie.
• Wprowadzenie włókna szklanego do tworzywa powoduje wyraźne obniżanie wartości
współczynnika stratności mechanicznej (tgδ) w funkcji temperatury dla badanych
kompozytów.
• Wraz ze wzrostem dodatku włókna rośnie wartość modułu zachowawczego (E’),
co świadczy o zwiększeniu sztywności otrzymanego materiału.
• Na podstawie obserwacji mikroskopowych wykazano, iż włókna szklane ograniczają
rozrost sferolitów.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Sobczak R., Nitkiewicz Z.: Kompozyty 2004, nr 12, s. 369-373.
Mayer P., Kaczmar J.: Tworzywa Sztuczne i Chemia, nr 6/2008, s. 52-56.
Koszkul J.: Materiały polimerowe i ich kompozyty, Praca zbior. pt. Materiały
polimerowe, Częstochowa 2010, s. 59-72.
PN-EN ISO527-2: 1998: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości mechanicznych
przy statycznym rozciąganiu. Warunki badań tworzyw sztucznych przeznaczonych do
prasowania, wtrysku i wytłaczania.
PN-EN ISO 2039-1:2004 Tworzywa sztuczne – Oznaczanie twardości – Część 1:
Metoda wciskania kulki.
PN-EN ISO 6721-1:2006 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie dynamicznych właściwości
mechanicznych. Część 1: Zasady ogólne.
Kwiatkowski D.: Kompozyty 2004, nr 12, s. 374-377.