OCENA MOŻLIWOŚCI WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE PA6 NAPEŁNIANYCH CZĄSTKAMI MINERALNYMI

Transkrypt

1 93/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 26, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN OCENA MOŻLIWOŚCI WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE PA6 NAPEŁNIANYCH CZĄSTKAMI MINERALNYMI S. KUCIEL 1, J. MIKUŁA 2, S. ŻMUDKA 3 1 Politechnika Krakowska Wydz. Mechaniczny Instytut Mechaniki Doświadczalnej 2 Politechnika Krakowska Wydz. Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej 3 Politechnika Krakowska Wydz. Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej STRESZCZENIE Tuf jest naturalnym, twardym napełniaczem o porowatej strukturze co pozwala na zwiększenie adhezji i umożliwia lepszy rozkład cząsteczek w matrycy polimerowej. Niska cena wytworzenia proszku tuf może być powodem zastosowania go jako napełniacza w polimerach takich jak poliamid i poliolefiny. Badania mechaniczne kompozytów na bazie Pa6 z napełniaczem tuf są obiecujące. Key words: composites base on PA6, mineral fillers, mechanical properties 1. WSTĘP Materiały kompozytowe coraz szerzej wykorzystywane są w różnorodnych konstrukcjach inżynierskich, w szczególności takich gałęziach przemysłu jak: przemysł lotniczy, samochodowy, maszynowy, produkujący sprzęt sportowy, budowniczy, przemysł meblarski oraz produkujący opakowania. Burzliwy rozwój konstrukcji kompozytowych rozpoczął się w latach 6-tych i utrzymuje się do dzisiaj. Przyczyny takiej dynamiki rozwoju materiałów kompozytowych należy szukać zarówno w możliwości modyfikowania ich własności jak również w różnorodności metod przetwórstwa, kształtowania elementów użytkowych. Obok walorów użytkowych, 1 dr inż. stask@mech.pk.edu.pl 2 dr hab. inż. janusz_mikula@tlen.pl 3 mgr inż. sabinacho@interia.pl

2 takich jak: przydatność, trwałość, ciężar oraz funkcjonalność stawiamy na walory estetyczne (kolor, przyjemność dotyku). Konstrukcje z materiałów kompozytowych pozwalają w wielu przypadkach na obniżenie kosztów produkcji. Szybko rosnące wykorzystanie kompozytów we współczesnej technice i perspektywy ich dalszego rozwoju wymagają dalszych badań dla bardziej świadomego doboru odpowiedniego kompozytu, uwzględniającego warunki eksploatacji i ograniczenia, jakie z tych warunków mogą wynikać 1.1 Napełniacze mineralne W dzisiejszych czasach minerały postrzegane są jako funkcjonalne wypełniacze lub modyfikatory mineralne, które służą do zmodyfikowania własności przetwarzalnych lub cech gotowych części. W ciągu ostatnich 1-15 lat producenci minerałów skupili się na podnoszeniu znaczenia i funkcjonalności minerałów, dopasowując ich właściwości poprzez kontrolę rozmieszczenia wielkości cząstek i preparowanie ich powierzchni. Do najważniejszych napełniaczy mineralnych występujących w przyrodzie zaliczymy: węglan wapnia, talk, glina, mika, wollastonit, a także odmiany syntetyczne i minerały o nanowymiarach. Napełniacze mineralne podwyższają lepkość oraz polepszają w oczekiwanym kierunku własności polimerów. Im drobniejsze jest ziarno i bardziej rozwinięta ich powierzchnia, tym większa będzie lepkość mieszaniny przy tej samej jego zawartości. 2. TUF - NOWY NAPEŁNIACZ MINERALNY Tuf - rodzaj lekkiej, zwięzłej, zazwyczaj porowatej skały osadowej należącej do skał okruchowych. Składa się z materiału piroklastycznego (gł. piasku i popiołu wulkanicznego), często z domieszką innego materiału okruchowego, scementowanego np. spoiwem krzemionkowym lub ilastym. Tufy są skałami o dużej porowatości, a co za tym idzie małym ciężarze. Rys. 1. Tuf na zboczach Wezuwiusza. Fig. 1. Tuff on Mt. Vesuvius slope. Rys. 2. Zdjęcia SEM pojedyńczych cząstek proszku tuf. Fig. 2. SEM image of single particles of disintegrated tuff powder. 29

3 W skład chemiczny tufu wchodzą takie pierwiastki jak: glin, krzem, tlen, potas oraz śladowe ilości węgla. W skład tufu wchodzą glinokrzemiany o wzorze chemicznym K(AlSi 3 O 8 ) oraz krzemionki o wzorze SiO 2. Analiza chemiczna potwierdza zawartość różnych tlenków: K 2 O, Na 2 O, CaO, MgO, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, CaCO 3, MgCO 3. W Polsce tufy występują w obszarach dawnej aktywności wulkanicznej; spotykane są przede wszystkim w Sudetach (w okolicach Wałbrzycha, Lubania i Nowej Rudy) oraz w południowej części Wyżyny Krakowskiej (w okolicach Krzeszowic). Tuf wulkaniczny jest naturalnym twardym napełniaczem z porowatą powierzchnią, co zwiększa adhezję i możliwość lepszego umieszczenie pojedynczych cząstek w macierzy polimeru. Niska cena wytworzenia zmielonego proszku tuf może być w przyszłości przyczyną używania tych napełniaczy do modyfikacji takich polimerów jak poliamid i poliolefiny. 3. PRÓBKI DO BADAŃ I METODYKA Przedmiotem badań są kompozyty wytworzone na osnowie poliamidu (PA6) o nazwie handlowej Tarnamid T-27 z różną zawartością proszku tufu wytworzonego w Zakładach Azotowych S.A. w Tarnowie. W pracy tej badaniom poddano następujące kompozyty: czysty PA6 (PA), poliamid z zawartością 1% (PA1), 2% (PA2), 3% (PA3) proszku tuf z em Zinkstearate 11/6, poliamid z 1% (P1) zawartością proszku tuf. Próbki w kształcie wiosełek wytworzono metodą wtrysku poprzez mieszanie granulatu poliamidu z proszkiem tufu na specjalnej linii do kompaundowania. W procesie tym polimer mieszany jest z proszkiem tufu na dwuślimakowej wytłaczarce. Składniki kompozytu łączą się ze sobą przez kompaundowanie z użyciem środka poprawiającego mieszalność i zwiększającego przyczepność proszku do osnowy. Proces ten umożliwia trwałe wymieszanie składników kompozytu oraz zapewnia stabilność własności fizycznych i przetwórczych. Parametry wtrysku wytłaczanych kompozytów przedstawiono w tabeli poniżej. Tabela 1. Parametry wtrysku dla badanych próbek z kompozytów poliamidowych Table 1. Parameters of injection for PA6 and its composites Oznaczenie próbki PA P1 PA1 PA2 PA3 temperatura wtrysku [ C] szybkość wtrysku [mm/s] 9 ciśnienie wtrysku [MPa] 9 czas docisku [s] 25 czas chłodzenia [s]

4 Ze względu na różne warunki pracy elementów wykonanych z kompozytów poliamidowych niezbędna jest wiedza na temat ich właściwości mechanicznych oraz możliwość przewidywania ich zmian w trakcie eksploatacji. Z tego względu właściwości kompozytów były badane w dwóch stanach z uwagi na ilość wchłoniętej wilgoci. Pierwszy, drugi moczony, gdzie polimer jest moczony w wodzie. Badania własności kompozytów przeprowadzono dla: stanu suchego próbki suszone przez 24 godziny w temperaturze 95 C, stanu moczonego próbki moczone były w wodzie destylowanej w temperaturze 22 C przez odpowiednio 24 godziny, 7 dni. Dla oceny wpływu wody na kompozyty poliamidu z napełniaczem proszkowym tuf przeprowadzono badania chłonności wody oraz jej wpływu na wybrane własności mechaniczne (moduł sprężystości oznaczony rozciąganiu, wytrzymałość, odkształcalność, naprężenia zrywające oraz naprężenia przy.2% granicy plastyczności) polimerów bazowych (PA6) oraz ich kompozytów z napełniaczem mineralnym. Poniżej zamieszczone są wyniki oznaczenia chłonności wody kompozytów poliamidowych z napełniaczem tuf dla próbek suszonych, moczonych przez 24h oraz moczonych 1 tydzień oraz ich wpływ na zmianę własności mechanicznych. [%] 4 3,5 3 2,5 2 1,5,5 1 PA + 2%tufu + 3%tufu + [MPa] PA + 2%tufu + 3%tufu + Rys. 3. Zawartość wody dla kompozytów PA6 z napełniaczem tuf. Fig. 3. Moisture contents for composites on base PA6 with mineral fillers. Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie dla PA6 i jego kompozytów o różnej zawartości proszku tuf. Fig. 4. Tensile strength for composites on base PA6 with diferent contents of mineral fillers. 292

5 [%] [MPa] PA + 2%tufu + 3%tufu + 1 PA + 2%tufu + 3%tufu + Rys. 5. Odkształcenia przy zerwaniu dla PA6 i jego kompozytów o różnej zawartości proszku tuf dla stanu suchego i moczonego. Fig. 5. Stress at break for composites on base PA6 with mineral fillers. Rys. 6. Moduł sprężystości uzyskany w statycznej próbie rozciągania Fig. 6. Young s modulus of bending Tabela 2. Porównanie podstawowych właściwości przetwórczych i fizycznych kompozytów PA6 napełnianych proszkiem tuf. Table 2. Comparision of base processing and physical propertis of composites base on PA6 with mineral fillers. Temp. Vicata [ C] Wskaźnik szybkości płynięcia [g/1min.] Gęstość [g/cm 3 ] PA ,14 PA+1%tuf ,19 PA+1%tuf ,22 PA+2%tuf ,29 PA+3%tuf ,38 Kompozyty poliamidowe z dodatkiem napełniacza tuf charakteryzują się zwiększoną sztywnością, odpornością na obciążenia przy podwyższonych temperaturach i dobrymi własnościami przetwórczymi. Zauważamy nieznaczny, aczkolwiek oczekiwany, spadek wskaźnika płynięcia. Gęstość kompozytów tych rośnie wraz ze wzrostem ilości napełniacza. 4. WNIOSKI Kompozyty PA z napełniaczem mineralnym tuf zwiększają swoją gęstość, sztywność i twardość powierzchni. Oprócz tego podnoszą swoją odporność temperaturową i ograniczają kurczliwość. Kompozyty te charakteryzują się wysokim wskaźnikiem płynięcia, co umożliwi w przyszłości wtrysk wyrobów o skomplikowanym kształcie. 293

6 Kluczową cechą fizyczną minerału tuf jest jego drobna wielkość cząstek (do 1µm), ich rozmieszczenie, rozwinięte pole powierzchni, zdolność do dyspersji oraz kolor właściwy. Dodatek tego minerału poprawi wizerunek produktu jako bardziej przyjaznego dla środowiska. W dalszej części badań należy zwrócić uwagę na sposób preparowania oraz powlekania powierzchni tufu, co poprawi jego dyspersję poprzez uczynienie go bardziej kompatybilnym z polimerem. LITERATURA [1] W. Królikowski: Nowoczesne konstrukcyjne polimerowe materiały kompozytowe Composites 22, nr 3. [2] W. Szlezyngier: Kompozyty poliamidowe Politechnika Rzeszowska Ogólnopolskie Sympozjum Kompozyty i Kompozycje Polimerowe Szczecin czerwca [3] P. A. Ciullo: Industrial Minerals and Their Uses - A Handbook and Formulary, William Andrew Publishing/Noyes 1996 [4] S. Żmudka, W. Dziadur, S. Kuciel, J. Mikuła: New opportunities of application of composites based on PTFE with mineral fillers 6 th International Conference APT 5, 15 th 16 th Novenber, Katowice. [5] Plastics Review, maj 26, Nowa rola modyfikatorów mineralnych. [6] [G. Wypycha: Handbook of fillers, ChemTecPublishing, Toronto-Ontario SUMMARY ESTIMATION OF OPORTUNITIES OF PRODUCTION COMPOSITE BASED ON PA6 WITH MINERAL FILLERS Tuff is the natural hard filler with porous surface, it permits increasing adhesions and possibility to better locate the single particles in polymer matrix. The low price of making tuff powder could cause using this filler to modification such polymers as polyamide and polyolefines in the future. First results of investigations on mechanical properties of composite based on PA6 with mineral tuff are very promising. Recenzował: prof. Edward Fraś. 294