Katedra Technologii Polimerów

Transkrypt

1 Katedra Technologii Polimerów INŻYNIERIA POLIMERÓW Lab. nr 1. Ścieralność elastomerów Prowadzący: mgr inż. Adam Matkowski

2 1. Wstęp Odporność gumy na ścieranie jest bardzo ważną własnością wulkanizatu, ponieważ charakteryzuje ona okres eksploatacji wyrobu. Szczególnie duże znaczenie ma ona w przypadku takich wyrobów gumowych, jak opony, taśmy przenośnikowe i obuwie. Jak wiadomo ocena każdego zjawiska spotykanego w przyrodzie może być przeprowadzona prawidłowo jedynie po zbadaniu mechanizmu danego procesu. Podobnie jest w przypadku ścieralności gumy [1]. Poznając mechanizm ścierania gumy, można m. in. określić odporność gumy na ścieranie, a ponadto dokonać prawidłowego wyboru metody badania i przeprowadzić krytyczną ocenę uzyskanych wyników. Ścieranie jest zjawiskiem bardzo złożonym, ponieważ występuje tu jednocześnie działanie różnych czynników i sił tworzących rysy i 'nacięcia, rozdzierających, ściskających, rozciągających itp. Ta złożoność procesu utrudnia dokładne określenie zależności ścierania od jednej czy kilku własności gumy. W literaturze różni autorzy rozpatrują związek odporności gumy na ścieranie z jej twardością, wytrzymałością na rozciąganie, rozdziernością, podchodząc do tego zagadnienia z czysto mechanicznego punktu widzenia. Inni autorzy zaś, traktując ścieralność jako chemiczny i mechaniczno-chemiczny proces, twierdzą, że duże znaczenie ma tutaj degradacja polimeru kauczukowego pod działaniem temperatury lub tlenu i widzą związek ścieralności z odpornością na różnego rodzaju starzenie zarówno chemiczne, jak i mechaniczne. Dotychczas jednak poza wzorami empirycznymi, wyrażającymi zależność ścieralności gumy od jej własności fizykochemicznych, dla niektórych rodzajów gumy nie udało się opracować ogólnej zależności ustalającej wpływ składu mieszanki gumowej, a więc określającej jej własności fizyczne i chemiczne na odporność gumy na ścieranie. Ponieważ podczas ścierania działa jednocześnie wiele czynników, których wpływ na gumę zależy od warunków badania, wykonywanie pomiarów ścieralności wymaga bardzo ścisłego przestrzegania ustalonych warunków. Wyniki badania mogą być porównywane tylko w przypadku uzyskania ich przy użyciu tego samego typu aparatu pomiarowego i tej samej metody badania. Szczególnie, co podkreśla wielu autorów, nie można porównywać wyników badania ścieralności gumy uzyskanych laboratoryjnie z wynikami uzyskanymi w badaniach doświadczalnych. Laboratoryjne metody badania odporności gumy na ścieranie polegają głównie na tarciu powierzchni próbki gumowej o materiał ścierający, jak papier ścierny, tkanina ścierna, lub tarcza ścierna. Najczęściej stosowane sposoby przeprowadzania ścierania są następujące: a) ścieranie próbek gumowych nieruchomych na obracających się tarczach pokrytych materiałem ściernym; b) ścieranie próbek gumowych przesuwających się po obracających się walcach pokrytych materiałem ściernym; c) ścieranie próbek gumowych obracających się i przesuwających się po obracających się walcach pokrytych materiałem ściernym; d) ścieranie próbek gumowych na tarczy pokrytej materiałem ściernym i wykonującej ruchy wahadłowe. Jak już wspomniano, na wynik badania ścieralności ma wpływ wiele czynników, z których

3 najważniejsze są: a) rodzaj materiału ściernego b) wielkość docisku próbki do materiału ściernego c) prędkość przesuwania się próbki w stosunku do materiału ściernego d) dokładność usuwania cząstek startej gumy z powierzchni materiału ściernego e) wielokrotność ścierania badanej gumy tą samą powierzchnią materiału ściennego f) dokładność ważenia badanych próbek g) kształt, wymiary, sposób i dokładność przygotowania próbek gumowych h) temperatura badania i) wilgotność W przemyśle gumowym stosuje się wiele metod laboratoryjnego badania odporności gumy na ścieranie. We wszystkich metodach wynik badania przedstawia się jako a) stratę objętości badanej gumy cm 3 w odniesieniu do wykonywanej pracy kw h; b) stratę objętości badanej gumy (cm 3 ) wywołaną jej ścieraniem w określonych warunkach (czas, liczba obrotów tarczy ściernej); c) zmniejszenie grubości badanej gumy (mm) w stosunku do liczby obrotów tarczy ściernej. Ścieralność gumy można również wyrazić w procentach w stosunku do ścieralności gumy wzorcowej. Należy tu podkreślić, że dla każdej metody badania ścieralności guma wzorcowa i badana mogą dawać różne wyniki. Wynika stąd konieczność doboru takiej metody badania, aby warunki ścierania były możliwie najbardziej zbliżone do warunków eksploatacji wyrobu, który ma być wykonany z badanej gumy. W związku z dużym znaczeniem ścieralności gumy opracowano wiele aparatów i metod badania odporności gumy na ścieranie. Ponieważ trudno jest opisać wszystkie konstrukcje aparatów i metody badania ścieralności stosowane ma świecie, poniżej omówiono dwie najbardziej rozpowszechnione metody badania oraz przedstawiono niektóre aparaty stosowane w Polsce. 2. Oznaczenie ścieralności za pomocą aparatu Schoppera-Schlobacha Jedną z dwóch metod badania odporności gumy na ścieranie opisaną w PN-75/C jest oznaczanie ścieralności za pomocą aparatu Schoppera-Schlobacha (rys.1) (PN-69/C-89081). Metodę tę zalecają również normy: DIN (1964), RWPG PC oraz ISO TC Zasada tej metody polega na pomiarze ubytku objętości próbki gumy wywołanego ścieraniem jej o odpowiednie płótno ścierne, pokrywające obracający się bęben aparatu, przy czym próbka jest przesuwana wzdłuż osi bębna. W ten sposób próbka ściera się stale na nowej części płótna ściernego. Rys.1. Aparat typu Schopper-Schlobach do badania ścieralności

4 Rys. 2. Schemat aparatu typu Schopper-Schlobach 1 bęben, 2 płótno ścierne, 3 listwa, 4 koło pasowe, 5 przekładnia ślimakowa, 6 prowadnica, 7 śruba pociągowa, 8 dźwignica, 9 przekładnia ślimakowa, 10 uchwyt, 11 ramka, 12 krzywka, 13 listwa zębata, 14 koło zębate, 15 próbka Aparat do badania ścieralności przedstawiono na rys. 2. Na obracającym się bębnie, o średnicy 150 mm i długości ok. 560 mm, za pomocą listwy jest zamocowany arkusz płótna ścier go o wymiarach 450x475 mm. Bęben napędzany silnikiem elektrycznym przez koło pasowe i przekładnię ślimakową obraca z prędkością 40 ± l obr/min. Nad bębnem, równolegle do jego osi jest zamocowana prowadnica, po której za pomocą śruby pociągowej jest przesuwana dźwignia. Śruba pociągowa jest napędzi silnikiem elektrycznym przez przekładnię ślimakową 9. P jednym obrocie bębna śruba pociągowa przesuwa dźwignię wzdłuż osi bębna o 4,2 mm. Na jednym końcu dźwigni znajduje się uchwyt dla próbki gumy. Masa uchwytu i wymiary dźwigni są tak dobrane, aby próbka dociskana była siłą 10 N (ok. l kg). Sposób ustawienia próbki względem bębna przedstawiono na rys 3. Podczas każdego przejścia nad listwą uchwyt jest podnoszony na pewną wysokość, a następnie opuszczany dzięki temu że tylny koniec dźwigni ślizga się wzdłuż krawędzi ramki sterowanej krzywką. Krzywka ta jest tak dobrana, aby droga ścierania na jeden obrót bębna wynosiła 400 ± 8 mm. Nowsze typy aparatów Schoppera-Schlobacha są wyposażone w urządzenia do obracania próbki wokół osi (rys. 4). Urządzenie to składa się z listwy zębatej oraz koła zębatego umocowanego na uchwycie. W te sposób podczas całego ścierania próbka wykonuje 2,75 obrót wokół własnej osi. Całkowita droga ścierania próbki wynosi 40 ± 0,8 m, co odpowiada 100 obrotom bębna. W badaniu tym stosuje się próbki o.kształcie walca, średnicy 16 ± 0,2 mm i wysokości 6 12 mm. Próbki te przygotowuje się przez zwulkanizowanie w odpowiedniej formie lub wycięcie z wyrobu gotowego. Normy dopuszczają również klejenie kilku warstw gumy z takim ograniczeniem, że grubość jednej warstwy nie jest mniejsza niż 2 mm.

5 Rys. 3. Sposób ustawienia próbki względem bębna (fragment rys. III-72) 1 bęben, 2 płótno ścierne, 3 listwa, 8 dźwignia, 10 uchwyt, 11 ramka, 14 kc zębate, 15 próbka Badanie ścieralności próbki gumy wykonuje się na płótnie ściernym, określonym w normach. Na ogół używa się płótno ścierne o ziarnistości zapewniającej stratę masy próbki wzorcowej wynoszącą 200 ± 20 mg po ścieraniu na drodze 40 m (100 obr bębna). W Polsce stosuje się płótno ścierne korundowe Nr 60. W związku z powyższym, przed badaniem należy wykonać mieszankę wzorcową i określić przy jej użyciu współczynnik intensywności ścierania płótna ściernego. Po oznaczeniu współczynnika intensywności ścierania płótna ściernego wykonuje się oznaczenie ścieralności badanej gumy, stosując co najmniej 3 próbki. Rys. 4. Urządzenie do obracania próbki 13 listwa zębata, 14 koło zębate Ścieralność próbki gumowej oblicza się wg zależności ( m m V = ) 1 2 0,2, cm 3 ρ Δ gdzie: m 1 masa próbki przed ścieraniem, g; m 2 masa próbki po ścieraniu, g; 0,2 teoretyczna strata masy mieszanki wzorcowej, g; ρ gęstość (masa właściwa) badanej gumy, g/cm 3 ; Δm w średnia arytmetyczna straty masy trzech próbek mieszanki wzorcowej, g. Wynikiem końcowym badania jest średnia arytmetyczna co najmniej trzech próbek. m w

6 3. Oznaczenie ścieralności na aparacie Grasselli typ Du Pont Croydon Drugą metodą oznaczania ścieralności, jedną z najbardziej rozpowszechnionych w Polsce, jest oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli typu Du Pont Croydon, którego widok przedstawiono na rys. 5. Metoda badania przy użyciu tego aparatu jest zalecana przez PN- 57/C-04233; NF-T ; BS 903 P.A 9 : 1965 oraz ASTM D Metoda A. Rys. 5. Aparat do badania ścieralności Grasselliego typu Du Pont Croydon Rys. 6. Próbki do badania ścieralności przy użyciu aparatu Grasselli typu Du Pont Croydon Oznaczanie odporności na ścieranie polega na ścieraniu jednocześnie dwóch próbek gumy przyciśniętych z określoną siłą do wirującej tarczy ściernej i oznaczaniu zmiany objętości tych próbek oraz pracy zużytej na ścieranie. W badaniu tym stosuje się próbki o specjalnym kształcie i wymiarach przedstawionych na rys. 6. Próbki przygotowuje się przez zwulkanizowanie w odpowiedniej formie lub wycięcie z wyrobów gotowych. W drugim przypadku normy dopuszczają przyklejanie próbek do podkładek z warunkiem, że próbki będą miały grubość nie mniejszą niż 4 mm. Zasadę pracy aparatu przedstawiono na rys. 7, Na tarczę uzyskującą napęd od silnika elektrycznego przez sprzęgło i przekładnię zakłada się krążek papieru ściernego Nr 00 i dociska go płytką dociskową. Tarcza jest założona na drążony wał i obraca się w płaszczyźnie pionowej z prędkością obr/min. Próbki są zamocowane na dźwigni nierównoramiennej za pomocą ramek dociskowych. Między ramkami znajduje się sworzeń, który przechodzi przez otwór w wydrążonym wale i dociska dźwignię z próbkami do tarczy za pomocą zawieszonego na mim obciążnika. Obciążenie całkowite dźwigni wynosi ok. 36 N (3,62 kg). Dłuższe ramię dźwigni jest połączone z dynamometrem i amortyzatorem. W czasie badania na końcu ramienia dźwigni zawiesza się naczynie obciążające ze śrutem lub wodą. Do pracującej części tarczy są doprowadzone przewody ze sprężonym powietrzem w celu oczyszczania i chłodzenia powierzchni ścieranej gumy. Ciśnienie powietrza w czasie badania wynosi ok. l 10-1 MPa (l atm). Badanie próbek przeprowadza się w dwóch etapach. Pierwszym etapem jest docieranie powierzchni ściernych tak, aby próbki dokładnie przylegały do tarczy ściernej. Drugim etapem badania jest właściwe ścieranie. Czas badania powinien odpowiadać 200 obr tarczy ściernej. W ciągu wykonywania oznaczenia dźwignia

7 musi mieć położenie poziome, co można regulować przez zawieszenie naczynia obciążającego i dosypywanie śrutu lub dolewanie wody. W badaniu tym stosuje się co najmniej 6 próbek. Ścieralność na aparacie Grasselli typu Du Pont Croydon oblicza się wg wzoru: G1 G2 K sgr = 4900, cm 3 /(kw h) ρ ( M t) gdzie: G 1 łączna masa dwóch próbek po wstępnym docieraniu, g G 2 łączna masa dwóch próbek po zakończeniu ścierania, g ρ gęstość badanej gumy, g/cm 3 t czas ścierania, s M moc obliczona wg wzoru M = 1, s+ 1,941 l0-5 P S średnia odczytów na dynamometrze, g P masa naczynia ze śrutem lub wodą, g Rys. 7. Zasada pracy aparatu Grasselli typu Du Pont Croydon l tarcza, 2 płytka dociskowa, 3 dźwignia nierównoramienna, 4 ramka dociskowa, 5 sworzeń, 6 naczynie obciążające, 7 dynamometr, 8 amortyzator, 9 przewody Na rys. 8 przedstawiono schemat aparatu Grasselli typu Metallist. Badanie ścieralności przy użyciu tego aparatu zaleca PN-57/C oraz GOST Aparat ten w niewielkim stopniu różni się od opisanego wyżej aparatu typu Du Pont Croydon. Różnica polega na wielkości siły docisku masy ciężarka dociskającego dźwignię, która wynosi tu 325 g/cm 2, powierzchni próbek gumowych oraz braku amortyzatora i dynamometru. Badanie przeprowadza się w sposób podany wyżej, a ścieralność oblicza się wg wzoru:

8 K G1 G2 = sgr, ( Q +, cm 3 /(kw h) ρ Q ) gdzie: G 1 łączna masa dwóch próbek po wstępnym dotarciu, g; G 2 łączna masa dwóch próbek po zakończeniu ścierania, g; ρ gęstość badanej gumy, g/cm 3 ; 0, współczynnik przeliczeniowy; Q 1 masa ciężarka równoważącego, kg Q 2 stała aparatu, kg. Rys. 8. Schemat aparatu Grasselli typu Metallist 1 podstawa aparatu, 2 silnik, 3 sprzęgło, 4 tarcza, 5 płytka dociskowa, 6 dźwignia, 7 śruby mocujące, 8 sworzeń, 9 odważnik, 10 obciążnik, 11 przewody doprowadzające sprężone powietrze Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ścieralności elastomerów za pomocą aparatu Schoppera oraz aparatu Grasselli. Wykonanie ćwiczenia: Aparat Schoppera-Schlobacha: 1. Wyznaczyć gęstości badanego materiału 2. Wyciąć krążki z badanych elastomerów za pomocą wykrojnika wbudowanego w aparat Schoppera lub za pomocą odpowiedniego korkoboru 3. Ponumerować krążki i zważyć je na wadze analitycznej 4. Umieścić zważone uprzednio krążki w uchwycie aparatu i rozpocząć pomiar 5. Po zakończeniu pomiaru starte krążki zważyć ponownie na wadze analitycznej

9 Aparat Grasselli: 1. Zamocować wcześniej przygotowane próbki (2 sztuki jednocześnie) do aparatu Grasselli w celu wstępnego ich dotarcia 2. Zważyć na wadze analitycznej obie próbki 3. Ponownie zamocować dwie próbki do aparatu Grasselli w celu rozpoczęcia ścierania właściwego 4. Po zakończeniu pomiaru starte próbki ponownie zważyć na wadze analitycznej W sprawozdaniu należy umieścić: 1. Obliczenia ścieralności dla poszczególnych próbek oraz wyliczyć średnie arytmetyczne dla poszczególnych materiałów 2. Wnioski dotyczące uzyskanych wyników Literatura: 1) D. Jaroszyńska, R. Gaczyński, B. Felczak, Metody badań właściwości fizycznych gumy, WNT, Warszawa ) Norma PN-69/C-89081, Oznaczanie ścieralności za pomocą papieru ściernego 3) Norma PN-57/C-04273, Oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli, typu Metallist