Badania wp∏ywu ciep∏a na stan energetyczny warstwy

Badania wp∏ywu ciep∏a na stan energetyczny
warstwy wierzchniej stali S235JR
Research on the influence of heat on energetic properties
of steel S235JR surface layer
JAKUB SZABELSKI
JÓZEF KUCZMASZEWSKI
Streszczenie: W pracy przedstawiono teoretyczne rozwa˝ania dotyczàce stanu przygotowania powierzchni, w szczególnoÊci
do operacji klejenia oraz wp∏ywu ciep∏a na parametry po∏àczenia klejowego na ró˝nych etapach jego konstytuowania
i eksploatacji. W celu sprawdzenia wp∏ywu temperatury powierzchni na kàt zwil˝ania przeprowadzone zosta∏y badania
eksperymentalne dwiema cieczami pomiarowymi: wodà destylowanà i dijodometanem. Na ich podstawie wyznaczono
energi´ powierzchniowà (SEP) badanej próbki i jej zmian´ w zale˝noÊci od jej temperatury. OkreÊlono równie˝ zmian´ pracy
adhezji w kontakcie stal S235JR – woda destylowana i stal S235JR – dijodometan w funkcji temperatury. Analiza wyników
wykaza∏a zauwa˝alnà zmian´ wartoÊci swobodnej energii powierzchniowej próbki w badanym zakresie temperatur, si´gajàcà
16 –18% w zale˝noÊci od metody obliczeniowej. Na tej podstawie przewiduje si´, ˝e powierzchnia przygotowana do klejenia,
ogrzana przed wykonaniem po∏àczenia, mo˝e ze wzgl´du na wi´kszà energi´ powierzchniowà, a wi´c tak˝e bardziej
efektywnà zwil˝alnoÊç – wykazywaç lepsze cechy adhezyjne, co byç mo˝e wp∏ynie równie˝ na parametry wytrzyma∏oÊciowe
po∏àczenia klejowego.
S∏owa kluczowe: kàt zwil˝ania, temperatura, energia powierzchniowa, warstwa wierzchnia
Abstract: Theoretical considerations over parameters defining the condition of the prepared surface, particularly to adhesive bonding operations were presented in the paper as well as the influence of heat on parameters of an adhesive joint on
the various stages of its life. Experimental research were conducted using two measuring liquids: distilled water and
diiodomethane in order to examine the influence of the increased temperature on the wetting angle of the surface prepared
for adhesive bonding. On the basis of test results – the surface free energy (SFE) of the studied sample and its change in
relation to the temperature were obtained. The change of the work of adhesion (WOA) was also calculated for steel S235JR
/ distilled water and S235JR steel / diiodomethane arrangements in function of the temperature. The analysis of results
shows the noticeable change of the SFE of the test sample in the examined temperatures range, reaching 16 –18% depending on the method used. Basing on obtained results one can predict, that the surface prepared to bonding heated
before the bonding operation may, due to higher SFE and as a result of it – increased wettability, show better adhesive
characteristics what will possibly furthermore lead to increase of strength properties of adhesive joint.
Keywords: wetting angle, free surface energy, temperature, surface layer
Jednym z parametrów oceny jakoÊci powierzchni
cia∏ sta∏ych poddawanych procesom technologicznym jest ich chropowatoÊç. Definiuje si´ takie
parametry chropowatoÊci powierzchni, jak m.in.:
Ra – Êrednia arytmetyczna i Rq – Êrednia kwadratowa rz´dnych profilu (µm), Rz – najwi´ksza wysokoÊç
profilu (µm) [1]. Na skutek licznych zag∏´bieƒ rzeczywista powierzchnia rozpatrywanego materia∏u
zwi´ksza si´ o pewnà wartoÊç wynikajàcà z charakteru i parametrów chropowatoÊci. W odniesieniu do
operacji klejenia t∏umaczy to fakt, ˝e im bardziej
chropowata jest powierzchnia przygotowywana do
klejenia, tym wi´ksza b´dzie powierzchnia jej konMgr in˝. Jakub Szabelski – Instytut Technologicznych
Systemów Informacyjnych, Wydzia∏ Mechaniczny, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin,
e-mail: [email protected]; prof. dr hab. in˝. Józef Kuczmaszewski – Katedra Podstaw In˝ynierii Produkcji, Wydzia∏
Mechaniczny, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36,
20-618 Lublin, e-mail: j.kuczmaszewski @pollub.pl.
ROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014
taktu z klejem i tym wi´ksza finalna wytrzyma∏oÊç
tak wykonanego po∏àczenia klejowego. Z praktyki
in˝ynierskiej wiadomo jednak, ˝e sà dwie zasadnicze
przes∏anki do traktowania parametru chropowatoÊci
jako nie do koƒca nadajàcego si´ do oceny powierzchni przygotowywanej do klejenia.
Po pierwsze – istniejà graniczne parametry chropowatoÊci, indywidualne dla ró˝nych materia∏ów
i zale˝ne od stosowanych klejów, których przekroczenie daje skutki odwrotne do zamierzonych, tj.
wytrzyma∏oÊç po∏àczenia klejowego zamiast rosnàç
– zaczyna maleç [2]. Z drugiej zaÊ strony – mo˝liwe
jest sklejanie z powodzeniem równie˝ materia∏ów,
których powierzchnie sà g∏adkie, równe, niechropowate. Stàd konieczne okaza∏o si´ rozbudowanie
teorii adhezji mechanicznej okreÊlajàcej przyczepnoÊç kleju do ∏àczonych powierzchni, jako oddzia∏ywanie na skutek zakotwiczania si´ kleju w mikronierównoÊciach [3]. Tak te˝ i konieczne by∏o zdefiniowanie wielkoÊci, które mog∏yby opisywaç przy47
gotowywanà powierzchni´ w sensie jej „gotowoÊci”
do operacji klejenia. Terminem adhezja w∏aÊciwa
(specyficzna) okreÊlono wi´c adhezj´ spowodowanà
czynnikami innymi ni˝ mechaniczne i wyró˝niono
w niej, ze wzgl´du na pochodzenie oddzia∏ywaƒ
powodujàcych przyczepnoÊç kleju: adhezj´ adsorpcyjnà, dyfuzyjnà i elektrycznà (polaryzacyjnà) [4]. Za
parametr definiujàcy stan powierzchni przygotowanej do operacji klejenia przyj´to swobodnà energi´ powierzchniowà (SEP) warstwy wierzchniej
materia∏u (przedmiotu). WielkoÊç ta jest funkcjà:
topografii i cech chemicznych powierzchni czynnej,
napr´˝eƒ w warstwie wierzchniej, parametrów wytrzyma∏oÊciowych oraz twardoÊci powierzchni [5].
Ze wzgl´du na ró˝ne oddzia∏ywania, od których ta
energia pochodzi, w ramach SEP wydzielono cz´Êci
sk∏adowe: polarnà i niepolarnà – dyspersyjnà. WartoÊç SEP okreÊla si´ na podstawie kàtów zwil˝ania
cia∏a cieczami o danych parametrach energetycznych, których pomiaru dokonuje si´ przez naniesienie serii kropli cieczy testowych na cia∏o i pomiar
z wykorzystaniem goniometru kàtów, jakie tworzà te
krople z powierzchnià cia∏a. Nast´pnie, z wykorzystaniem jednej z kilku metod obliczeniowych, wyznacza si´ na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów kàtów zwil˝ania odpowiednià liczb´ (1, 2
lub 3) cieczy pomiarowych, wartoÊç energii powierzchniowej (z ewentualnym podzia∏em na wymienione sk∏adowe). Przyk∏adowo, pomiary wykonane jednà cieczà mogà byç wykorzystane do wyznaczenia ca∏kowitej energii powierzchniowej (bez
rozdzia∏u na frakcje) z równania zbudowanego
z wykorzystaniem du˝ej liczby danych eksperymentalnych, tzw. równania stanu (Equation of State
– EOS),:
podstawie wzoru na ca∏kowità energi´ powierzchniowà na granicy cia∏o sta∏e/ciecz λSL:
(1)
Przygotowanie powierzchni jest jednym z podstawowych warunków zapewnienia maksymalnej
wytrzyma∏oÊci po∏àczeƒ klejowych. Na wytrzyma∏oÊç eksploatacyjnà po∏àczeƒ klejowych wp∏ywa
ponadto wiele innych czynników. Jednym z nich
jest ciep∏o. Decydujàcymi parametrami sà: czas
eksploatacji, w którym nast´puje ekspozycja na
podwy˝szonà temperatur´, czas samej ekspozycji
oraz wartoÊç temperatury [5, 10]. Zmiana wytrzyma∏oÊci po∏àczenia jest efektem modyfikacji w wyniku dzia∏ania ciep∏a w kilku zasadniczych obszarach, m.in.: utwardzanie/dotwardzanie cieplne, wytrzyma∏oÊç cieplna, starzenie cieplne.
gdzie:
θ – kàt zwil˝ania,
γS – energia powierzchniowa cia∏a,
γL – energia powierzchniowa cieczy,
β = 0,0001247 – parametr uzyskany empirycznie [6].
Do otrzymania sk∏adowych polarnej i dyspersyjnej
konieczne jest, w zale˝noÊci od metody wyznaczania,
stosowanie wi´kszej iloÊci cieczy o znanych, ró˝niàcych si´ od siebie parametrach, przy czym kolejne
metody ró˝nià si´ od siebie cz´sto jedynie przyj´tà
formà równania napi´cia mi´dzyfazowego, umo˝liwiajàcà uzyskiwanie dok∏adniejszych wyników.
W dwustopniowej metodzie Fowkesa [7] najpierw,
znajàc sk∏adowà dyspersyjnà cieczy pomiarowej γLD
i korzystajàc ze wzoru:
(2)
okreÊla si´ sk∏adowà dyspersyjnà cia∏a γSD, a potem,
znajàc sk∏adowà polarnà cieczy pomiarowej γLP na
48
(3)
oblicza sk∏adowà polarnà cia∏a γSP. Metoda Wu [7]
opiera si´ na podobnych za∏o˝eniach, natomiast
sk∏adowa dyspersyjna wyznaczana jest na podstawie Êredniej harmonicznej (odwrotnoÊç ze Êredniej
z odwrotnoÊci wartoÊci) zamiast geometrycznej (pierwiastek n-tego stopnia z iloczynu tych liczb). Z kolei
metoda van Oss-Gooda [7] pozwala dodatkowo na
rozdzia∏ cz´Êci polarnej na sk∏adowà kwasowà
(γS+ – sk∏adowa cia∏a, γL+ – sk∏adowa cieczy) i zasadowà (γS– – sk∏adowa cia∏a, γL– – sk∏adowa cieczy), badanie wymaga jednak pomiaru trzema cieczami i zastosowania wzoru:
(4)
Szczegó∏owy przebieg otrzymywania poszczególnych równaƒ i ostatecznego wyznaczania wartoÊci
energii powierzchniowej jest znany i przedstawiony
np. w [7, 8].
Sk∏adowe swobodnej energii powierzchniowej
(polarna i dyspersyjna) w ró˝ny sposób wp∏ywajà na
wytrzyma∏oÊç po∏àczeƒ adhezyjnych, przy czym
wytrzyma∏oÊç doraêna po∏àczeƒ adhezyjnych jest
silniej skorelowana ze sk∏adowà dyspersyjnà swobodnej energii powierzchniowej ni˝ ze sk∏adowà
polarnà [9]. Nale˝y jednak zaznaczyç, ˝e wartoÊç SEP
jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczajàcym
do jednoznacznej oceny w∏aÊciwoÊci adhezyjnych
warstwy wierzchniej materia∏ów w aspekcie podatnoÊci na klejenie.
Cz´Êç klejów, np. kompozycje epoksydowe, wymaga ciep∏a ju˝ na etapie konstytuowania si´
po∏àczenia do zainicjowania procesu utwardzania.
Dotyczy to m.in. kompozycji jednosk∏adnikowych,
w których utwardzacz zosta∏ mechanicznie zmieszany z ˝ywicà, ale pozostaje w stosunku do niej
nieaktywny chemicznie, lub gdy w temperaturze
otoczenia klej jest stabilny ze wzgl´du na fizycznà
nierozpuszczalnoÊç sk∏adników. Optymalne parametry procesu ogrzewania (dla za∏o˝onych priorytetów, np. minimalnego czasu, minimalnej tempeROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014
ratury lub innych) podawane sà przez producentów
w kartach danych technicznych produktu. Niekiedy
nale˝y przeprowadziç w∏asne badania, np. po samodzielnych modyfikacjach klejów – konieczne
jest wykonanie badaƒ przedprodukcyjnych w celu
wyznaczenia tych parametrów. Mogà byç to badania praktyczne, tzn. eksperymentalne próby badania wytrzyma∏oÊci po zastosowaniu danej kombinacji czasu i temperatury wygrzewania z∏àcza, lub
np. metody badania reaktywnoÊci termicznej pozwalajàce na wyznaczenie krzywej wp∏ywu temperatury utwardzania na szybkoÊç reakcji utwardzania [11].
Istniejà kleje epoksydowe o rozdzielnej, dwusk∏adnikowej budowie, utwardzane na skutek reakcji chemicznej inicjowanej przez po∏àczenie sk∏adowych.
Mimo ˝e klej osiàgnie pe∏nà (gwarantowanà przez
producenta) wytrzyma∏oÊç w warunkach utwardzania w temperaturze otoczenia, poddanie strefy po∏àczenia ogrzewaniu pozwala na znaczne skrócenie tego
czasu. W niektórych przypadkach dogrzewanie
cieplne skutkowaç b´dzie równie˝ zwi´kszeniem tej
finalnej wytrzyma∏oÊci w stosunku do z∏àcza utwardzanego w temperaturze otoczenia. Powodem takiego
zachowania kleju jest zmiana reaktywnoÊci termicznej
zwiàzków wchodzàcych w jego sk∏ad [11].
Kolejnà miarà wp∏ywu ciep∏a na wytrzyma∏oÊç
po∏àczenia klejowego jest tzw. wytrzyma∏oÊç cieplna
kleju, tzn. odwracalny lub trwa∏y spadek wytrzyma∏oÊci z∏àcza klejowego podczas eksploatacji w podwy˝szonej temperaturze, na skutek rozrywania ∏aƒcuchów polimerowych w jego wewn´trznej strukturze [12]. Wykresy wytrzyma∏oÊci w funkcji temperatury sà przygotowywane indywidualnie dla ró˝nych klejów. Przebieg spadku wytrzyma∏oÊci zale˝y
zarówno od w∏aÊciwoÊci fizykochemicznych samego
kleju bazowego, jak i od iloÊciowych dodatków – informacja ta jest podawana w kartach danych technicznych kleju. Charakter krzywej mo˝e byç równie˝ indywidualny – nag∏y i gwa∏towny (np. epoksydy)
lub rozciàgni´ty i jednostajnie malejàcy (np. kleje
anaerobowe). WartoÊcià granicznà temperatury dla
epoksydów, powy˝ej której klej b´dzie ulega∏ nieodwracalnej degradacji, jest ok. 350 – 400°C [13].
Dobór kleju do zastosowania w po∏àczeniach nara˝onych na ekspozycj´ w podwy˝szonej temperaturze
musi wi´c zawsze byç poprzedzony analizà jego wytrzyma∏oÊci cieplnej.
Ostatni z efektów oddzia∏ywania ciep∏a na po∏àczenie w przeciwieƒstwie do wy˝ej opisanego – chwilowego poddania z∏àcza podwy˝szonej temperaturze, dotyczy przypadków ciàg∏ej pracy w warunkach stale podwy˝szonej temperatury lub cyklicznie
zmiennej w czasie. Zjawisko to okreÊla si´ nazwà
starzenia cieplnego. Przyk∏adowo, z przeanalizowanych kart danych technicznych klejów epoksydowych i anaerobowych, przeznaczonych do uszczelniania po∏àczeƒ gwintowych, wynika, ˝e charakter
zmiany wytrzyma∏oÊci pod wp∏ywem d∏ugotrwa∏ego ogrzewania stabilizuje si´ po oko∏o 1000 godz.
ROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014
W przypadku klejów anaerobowych wyraêny jest
spadek wytrzyma∏oÊci, od 20 do 60% w stosunku
do wytrzyma∏oÊci wyjÊciowej. Kleje epoksydowe
reagujà dwustopniowo: najpierw zwi´ksza si´ ich
wytrzyma∏oÊç, na skutek opisanych wczeÊniej mechanizmów utwardzania, nast´pnie – podobnie jak
kleje anaerobowe, do pewnej wartoÊci temperatury
nie wykazujà spadku wytrzyma∏oÊci, a powy˝ej niej
wytrzyma∏oÊç znacznie si´ obni˝a [14].
W pracy podj´to prób´ wykazania wp∏ywu ogrzewania warstwy wierzchniej ∏àczonych materia∏ów
na stan energetyczny warstwy wierzchniej stali.
Za∏o˝ono, ˝e takie dzia∏anie pozwoli na zwi´kszenie
zdolnoÊci do zwil˝ania powierzchni przez klej, a tym
samym mo˝e dodatnio wp∏ywaç na wytrzyma∏oÊç
adhezyjnà po∏àczenia.
Metodyka badaƒ
Badania stanu energetycznego warstwy wierzchniej przeprowadzono na próbkach wykonanych
z pr´ta ciàgnionego φ20 mm ze stali S235JR. Z pr´ta
odci´to próbki gruboÊci ok. 4 mm, które poddano
obróbce Êciernej, z wykorzystaniem szlifierki oscylacyjnej, narz´dziem nasypowym (papierem Êciernym) P320 o Êredniej Êrednicy ziarna = 46,2 µm,
zgodnie z PN-EN 13887:2005P (Kleje do po∏àczeƒ konstrukcyjnych. Wytyczne przygotowania powierzchni
metali i tworzyw sztucznych przed klejeniem) [15].
Nast´pnie powierzchnie próbek przemyto Êrodkiem czyszczàcym i odt∏uszczajàcym Loctite 7063
i pozostawiono do swobodnego odparowania.
Parametry chropowatoÊci tak przygotowanej powierzchni zmierzono na profilografometrze, uzyskujàc Ra = 0,33 µm.
Pomiarów kàtów zwil˝ania dokonano z wykorzystaniem goniometru Krüss DSA30. Urzàdzenie ma
elektrycznà komor´ cieplnà sterowanà cyfrowo,
umo˝liwiajàcà nagrzewanie przez p∏yt´ grzewczà
niewielkich próbek w zakresie do 350°C, nanoszenie
kropli cieczy i pomiar kàta zwil˝ania dzi´ki przezroczystym Êcianom komory (rys. 1). W celu rejestracji
kszta∏tu kropli wykorzystano kamer´ CCD – Allied
Rys. 1. Goniometr Krüss z komorà cieplnà
49
Vision Technologies model Stingray, która w po∏àczeniu z obiektywem MACRO umo˝liwi∏a precyzyjnà kontrol´ nanoszenia kropli i rejestracj´ jej kszta∏tu
do pomiarów kàta. Pomiar kàta zwil˝ania oparty na
uzyskanym obrazie kropli dokonywany by∏ automatycznie, korekty by∏y nanoszone jedynie wtedy, gdy
program b∏´dnie rozpozna∏ poziomà lini´ kontaktu
kropli z powierzchnià.
Fowkesa, Owensa-Wendta oraz Wu. Dla ka˝dej cieczy
wykonano w danej temperaturze po m.in. 8 pomiarów
w ró˝nych miejscach na powierzchni próbki. Schemat
pomiaru kàta zwil˝ania θ wraz z rozk∏adem wektorów
napi´cia powierzchniowego na granicy trzech faz
w stanie równowagi przedstawiono na rys. 2.
Cieczami pomiarowymi do pomiaru kàta zwil˝ania
by∏a woda destylowana i dijodometan (CH 2I2). Najwa˝niejsze parametry wybranych cieczy pomiarowych przedstawiono w tab. I.
TABELA I. Parametry cieczy do pomiaru kàta zwil˝ania [6]
kolor
temperatura wrzenia
g´stoÊç
napi´cie mi´dzyfazowe
sk∏adowa dyspersyjna
sk∏adowa polarna
lepkoÊç
woda
destylowana
bezbarwna
100°C
1 g/cm3
72,8 mN/m
21,8 mN/m
51 mN/m
1 mPa·s
UWAGI
-
dijodometan
bezbarwna
181°C
3,325 g/cm3
50,8 mN/m
50,8 mN/m
2,762 mPa·s
fotoaktywna
– wytràca si´ jod
Plan badaƒ obejmowa∏ pomiary kàta zwil˝ania
w temperaturze otoczenia oraz w temperaturze podwy˝szonej. Z uwagi na temperatur´ wrzenia wody,
maksymalnà temperatur´ przy badaniu przyj´to na
poziomie 80°C, ponadto zaplanowano pomiary, obok
analizy w temperaturze otoczenia tak˝e w temperaturach 40°C, 60°C. Taki dobór mia∏ na celu mo˝liwoÊç
skorelowania pomiarów wykonanych dwiema cieczami w celu wyznaczenia energii powierzchniowej
(wymagane pomiary dwiema ró˝nymi cieczami).
Pomiary wykonywane z u˝yciem dijodometanu, ze
wzgl´du na wy˝szà temperatur´ wrzenia rozszerzono o temperatur´ 100°C i 120°C, jednak nie mog∏y
one pos∏u˝yç do wyznaczania energii powierzchniowej z podzia∏em na sk∏adowe. Wykorzystano je
jednak w analizie równania stanu – do wyznaczenia
ca∏kowitej energii powierzchniowej.
Próbki umieszczano w komorze cieplnej i nagrzewano przez 5 minut. Ma∏y rozmiar próbki gwarantowa∏ nagrzanie jej przez ten czas do za∏o˝onej
temperatury w ca∏ej obj´toÊci [16]. W celu niedopuszczenia do ogrzania cieczy pomiarowej przed
pomiarem ig∏´ wprowadzano do komory jedynie
na czas pomiaru przez otwór w górnej pokrywie
komory i wysuwano tu˝ po aplikacji kropli, zas∏aniajàc jednoczeÊnie otwór wejÊciowy. Obj´toÊç nak∏adanej kropli wynosi∏a ok. 4 µl, pr´dkoÊç nak∏adania 150 µl/min. Pomiaru kàta zwil˝ania dokonywano po 1 sekundzie od wycofania ig∏y z na∏o˝onej
kropli, w celu ustabilizowania jej kszta∏tu. Mierzono jednoczeÊnie kàt dynamiczny przez 15 sekund,
wykonujàc 1 pomiar co pó∏ sekundy. Energi´ powierzchniowà wyznaczano za pomocà trzech metod:
50
Rys. 2. Pomiar kàta zwil˝ania θ
Wyniki i analiza pomiarów
W tab. II podano Êrednie wartoÊci kàtów zwil˝ania,
jakie krople wykonane dwiema ró˝nymi cieczami
pomiarowymi tworzy∏y z powierzchnià przygotowanej
próbki stalowej S235JR, w zale˝noÊci od temperatury
powierzchni próbki.
TABELA II. UÊrednione wyniki pomiarów kàta zwil˝ania
dwiema cieczami pomiarowymi
temp.
Êrednia
odchylenie
temp.
Êrednia
odchylenie
dijodometan
20°C 40°C
60°C 80°C
48,48° 43,06° 42,80° 42,67°
2,13° 2,95° 4,58° 3,17°
woda
20°C 40°C
60°C 80°C
71,87° 69,13° 68,94° 61,36°
1,66° 2,29° 6,02° 5,75°
100°C 120°C
40,61° 39,91°
5,35° 3,96°
Przy wykorzystaniu oprogramowania Krüss Drop
Shape Analysis Software wykonano obliczenia energii
powierzchniowej i pracy adhezji. Na rys. 3 przedstawiono oszacowanà ca∏kowità energi´ powierzchniowà próbki w zakresie do 120°C na podstawie wyni-
Rys. 3. Energia powierzchniowa stali S235JR wyznaczona
równaniem stanu z wykorzystaniem pomiarów kàta zwil˝ania dijodometanem (CH2I2)
ROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014
ków pomiarów kàta zwil˝ania dijodometanem (CH2I2)
i przy zastosowaniu równania stanu EOS (1).
wyznaczono prac´ adhezji WSL, przedstawionà w zale˝noÊci od wartoÊci temperatury powierzchni próbki
na rys. 4.
cieczami pomiarowymi, uzyskano wyniki przedstawione na rys. 5. Metody Fowkesa, Owensa-Wendta
i Wu umo˝liwiajà wydzielenie z ca∏kowitej energii
powierzchniowej – cz´Êci sk∏adowych okreÊlajàcych
êród∏o pochodzenia danej cz´Êci energii (od oddzia∏ywaƒ dyspersyjnych i od oddzia∏ywaƒ polarnych). Wyniki uzyskane metodà Fowkesa nie zosta∏y
przedstawione na wykresie, ich wartoÊci nie odbiega∏y od wyników uzyskanych metodà Owensa-Wendta, a wyró˝nia∏y si´ wi´kszymi wartoÊciami
b∏´du.
Wykorzystujàc ró˝ne metody szacowania energii
powierzchniowej z pomiarów kàta zwil˝ania dwiema
Na rys. 6 przedstawiono zbiorczo wartoÊci bezwzgl´dnego wzrostu Êredniej wartoÊci energii po-
Wykorzystujàc uzyskane przy u˝yciu ró˝nych p∏ynów wartoÊci kàta zwil˝ania θ, na podstawie równania [6]:
WSL = γL · (cosθ + 1)
(5)
Rys. 4. Praca adhezji w uk∏adzie stal S235JR/dijodometan i stal S235JR/woda destylowana w funkcji temperatury powierzchni cia∏a
a)
b)
Rys. 5. Energia powierzchniowa stali S235JR z podzia∏em na sk∏adowe dyspersyjnà i polarnà uzyskana za pomocà metody:
a) Owensa-Wendta, b) Wu
Rys. 6. WartoÊci wzgl´dnej zmiany Êredniej ca∏kowitej energii powierzchniowej w temperaturze 40°C, 60°C i 80°C, w odniesieniu
do energii powierzchniowej w temperaturze otoczenia wyznaczane ró˝nymi metodami
ROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014
51
wierzchniowej próbki. Za 100% przyj´to wyniki pomiarów przeprowadzonych w temperaturze 20°C.
Kolejne „s∏upki” przedstawiajà ca∏kowità energi´
w 40, 60 i 80°C odniesionà do energii w temperaturze otoczenia. Wykres sk∏ada si´ z dwóch cz´Êci
odpowiadajàcych ró˝nym metodom szacowania
energii powierzchniowej Owensa-Wendta i Wu. Wykres dotyczàcy metody Fowkesa pomini´to z tego
samego powodu – mia∏ przebieg pokrywajàcy si´
z wykresem Owensa-Wendta.
Zmniejszanie si´ kàta zwil˝ania próbki wraz z wzrostem temperatury jej powierzchni pokrywa si´ z rozwa˝aniami teoretycznymi dotyczàcymi wp∏ywu oddzia∏ywaƒ van der Waalsa na zale˝noÊç temperatura/kàt zwil˝ania. Równanie (6) przewiduje spadek kàta
zwil˝ania, a˝ do osiàgni´cia tzw. temperatury zwil˝ania
Tw, powy˝ej której kàt zwil˝ania b´dzie wynosi∏ zero
stopni [17]:
(6)
gdzie: ∆ρ jest ró˝nicà g´stoÊci p∏ynu i gazu, σlg – napi´cie mi´dzyfazowe mi´dzy cieczà a gazem, T – temperatura, θ – kàt zwil˝ania, I – sta∏a van der Waalsa.
Przy czym ∆ρ i σlg sà zale˝ne od temperatury.
Wiadomo tak˝e, ˝e inne oddzia∏ywania poza si∏ami van der Waalsa równie˝ wp∏ywajà na zwil˝alnoÊç.
Wnioski
Przeprowadzone prace studyjne oraz badania w∏asne pozwalajà na sformu∏owanie nast´pujàcych,
wst´pnych wniosków.
Przeprowadzone badania nie doprowadzi∏y do
wyznaczenia temperatury zwil˝ania Tw (nie to by∏o
ich celem) jednak wykaza∏y, ˝e w granicach analizowanych wartoÊci temperatury warstwy wierzchniej obserwuje si´, wraz z jej wzrostem, popraw´
zwil˝alnoÊci. Mo˝e to skutkowaç wzrostem wytrzyma∏oÊci po∏àczenia klejowego. Jako kontynuacj´
badaƒ przewidziano wykonanie doczo∏owych po∏àczeƒ klejowych próbek wst´pnie ogrzanych i pomiar
wytrzyma∏oÊci na odrywanie.
Wzrost wartoÊci SEP obserwowano zw∏aszcza dla
wartoÊci temperatury wynoszàcej 80°C.
Dobrany zakres temperatur nie powinien byç przekraczany w badaniach kàta zwil˝ania oraz w trakcie
wykonywania po∏àczeƒ klejowych. Z uwagi na krótki
czas trwa∏oÊci kleju mog∏oby to doprowadziç do
utwardzenia warstwy kleju na powierzchni klejonej przed ca∏kowitym zwil˝eniem tej powierzchni
(wype∏nieniem mikronierównoÊci), co w konsekwencji mog∏oby daç rezultaty odwrotne do zamierzonych.
Wyniki obliczeƒ energii powierzchniowej wskazujà
jej rosnàcà wraz z temperaturà wartoÊç. W zakresie
52
20 – 60°C jest to wzrost niewielki, mo˝na wr´cz mówiç
o stabilizacji wartoÊci SEP, dotyczy to zarówno sk∏adowej polarnej, jak i dyspersyjnej, w przypadku temperatury 80°C wyraênie obserwuje si´ wzrost sk∏adowej polarnej. Wzgl´dna zmiana sumarycznej wartoÊci SEP w temperaturze 80°C si´ga 16 – 18%
wzgl´dem energii w temperaturze otoczenia, wzrost
ten jest skutkiem przede wszystkim wartoÊci sk∏adowej polarnej.
LITERATURA
1. PN-EN ISO 4287:1999/A1:2010P. Specyfikacje geometrii
wyrobów. Struktura geometryczna powierzchni: metoda
profilowa. Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni.
2. Packham D. E.: Roughness and adhesion. Handbook of
Adhesion. John Wiley & Sons Ltd, Nowy Jork 2005, pp.
407 – 408.
3. Henkel Company. Loctite Worldwide Design Handbook.
Loctite, Monachium 1998.
4. Por´bska M., Skorupa A.: Po∏àczenia spójnoÊciowe. PWN,
Warszawa 1997.
5. Kuczmaszewski J., Fundamentals of metal-metal adhesive
joint design. Lublin University of Technology, Lublin 2004.
6. KRUSS GmbH Hamburg. KRUSS Software for Drop Shape
Analysis for contact angle measurement systems. User
manual. Hamburg 2012.
7. ˚enkiewicz M.: Analiza g∏ównych metod badania swobodnej energii powierzchniowej. Polimery, tom 52, nr 10,
2007, ss. 760 – 767.
8. Domiƒczuk J., Szabelski J.: Analysis of Energetic Properties
of the Surface Layer – Overview of Methods for Measuring
the Contact Angle and the Surface Free Energy. Computer
Aided Production Engineering. Lubelskie Towarzystwo
Naukowe, Lublin 2013, ss. 42 – 53.
9. Rudawska A.: Wybrane zagadnienia konstytuowania po∏àczeƒ adhezyjnych jednorodnych i hybrydowych. Politechnika Lubelska, Lublin 2013.
10. Szabelski J., Domiƒczuk J.: Analiza wp∏ywu obróbki termicznej na wytrzyma∏oÊç po∏àczeƒ gwintowo-klejowych.
Innowacje w Zarzàdzaniu i In˝ynierii Produkcji. Polskie
Towarzystwo Zarzàdzania Produkcjà, Opole 2014, ss.
805 – 814.
11. Czub P., Boƒcza-Tomaszewski Z., Penczek P., Pielichowski J.: Chemia i technologia ˝ywic epoksydowych WNT,
Warszawa 2002.
12. Szabelski J.: Heat Resistance of Selected Two Component
Epoxy Adhesives. Mie˝dunarodnaja nauczno-techniczeskaja konfierencija studentow, aspirantow i mo∏odych
uczienych „Progresiwnyje naprawlenija razwitija maszynopriborostrojenija, transporta i ekologi”, Sewastopol 2013.
13. Pielichowski K., Njuguna J.: Thermal Degradation of Polymeric Materials. iSmithers Rapra Publishing, Shawbury
2005.
14. Loctite Research, Development & Engineering. Wybrane
Arkusze Danych Technicznych: Hysol, Dublin 2005.
15. PN-EN 13887:2005P Kleje do po∏àczeƒ konstrukcyjnych.
Wytyczne przygotowania powierzchni metali i tworzyw
sztucznych przed klejeniem.
16. WiÊniewski S., WiÊniewski T.: Wymiana Ciep∏a. WNT,
Warszawa 2000.
17. Osborne K. L. III,: Temperature-Dependence of the Contact
Angle of Water on Graphite, Silicon and Gold. Worcester
Polytechnic Institute, Worcester 2009.
ROK WYD. LXXIII 앫 ZESZYT 12/2014