OCENA MOśLIWOŚCI WYKORZYSTANIA ODPADÓW KOMPOZYTOWYCH JAKO NAPEŁNIACZA KLEJÓW

Transkrypt

1 Kompozyty 7: 4 (27) Monika Rutecka, Jerzy Myalski*, Maciej Dyzia, Mateusz Kozioł Politechnika Śląska, Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów, ul. Krasińskiego 8, 4-19 Katowice, Poland * jerzy.myalski@polsl.pl Otrzymano (Received) OCENA MOśLIWOŚCI WYKORZYSTANIA ODPADÓW KOMPOZYTOWYCH JAKO NAPEŁNIACZA KLEJÓW Przedstawiono wyniki badań właściwości klejów zawierających recyklat poliestrowo-szklany. Stosowany jako napełniacz recyklat był mieszaniną cząstek Ŝywicy poliestrowej, włókien szklanych oraz aglomeratów kompozytowych. Wykonano masy klejowe z dodatkiem recyklatu w ilości 1 5% wag. co 5% wag. Bazą kleju była Ŝywica poliestrowa. Wyznaczono wartości wytrzymałości na ścinanie oraz oddzieranie połączeń klejowych z wykorzystaniem mas klejowych zawierających recyklat i porównano z analogicznymi wartościami wyznaczonymi dla Ŝywicy poliestrowej bez dodatku recyklatu. Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe wykorzystanie rozdrobnionych odpadów jako napełniacza kleju poliestrowego prowadzi do poprawienia właściwości mechanicznych złącza. Wytrzymałość na ścinanie kleju nie uległa obniŝeniu po wprowadzeniu recyklatu w ilości do 3% wag. Dodanie rozdrobnionych odpadów powoduje zwiększenie wytrzymałości na oddzieranie oraz siły potrzebnej do zainicjowania pęknięcia. Ponadto przeprowadzono badania masy klejowej zawierającej recyklaty. Wykonano badania wytrzymałości na rozciąganie, zginanie oraz udarności. Badania wykazały, Ŝe dodanie recyklatu w ilości do 3% wag. nie powoduje znaczących róŝnic w przypadku wytrzymałości na rozciąganie i zginanie. Dodanie recyklatu powoduje natomiast znaczny wzrost udarności. Najlepsze właściwości uzyskano dla połączeń klejowych o zawartości recyklatu do 3% wag. Rozdrobnione odpady kompozytów polimerowych moŝna wykorzystać jako napełniacz klejów, poprawiając jego charakterystyki mechaniczne oraz wpływając korzystnie na lepkość, tiksotropowość kleju, stanowiąc tym samym jeden ze sposobów utylizacji kompozytów o osnowie duroplastycznej. Słowa kluczowe: recykling materiałowy, kompozyty z osnową polimerową, połączenia klejowe, recyklat poliestrowo-szklany ESTIMATION OF POSSIBILITY OF USING COMPOSITE WASTES AS A FILLER OF ADHESIVE This paper presents the results of properties of adhesives containing polyester-glass fibre recyclate. The recyclate used as a filler of adhesive was a mixture of cured polyester resin particles, glass fibers and agglomerates of composites particles. Adhesives with addition of 1 5% wt. of recyclate were made. The base of the adhesive was polyester resin. The results of mechanical properties of adhesive bonding has been presented. The values of shear strength and peel strength of adhesive bonding using adhesive with addition of recyclate were evaluated and compared with analogical properties appointed for standard sample. The results of investigation have shown that using of polymer composites wastes as a filler of polyester adhesive leads to improvement of joint s mechanical properties. As can be observed the addition of composites wastes up to 3% wt., do not effect in decrease of shear strength of adhesive. The addition of recyclate also leads to increase the peel strength and max force needed for crack initiation. The tensile strength, flexural strength and impact of adhesive with addition of recyclate were evaluated. The results of the investigations have shown that using recyclate as a filler in amount up to 3% wt. do not lead to significant differences in tensile and flexural strength in comparison with polyester resin. The impact strength was found to increase when the recyclate was added. The optimal properties were achieved for the adhesive with addition of recyclate up to 3% wt. Polyester-glass fiber recyclate can be used as a filler of adhesives improving mechanical characteristics of joints and have a favourable effect on viscosity and thixotropy of adhesive. Using composites wastes as a filler of adhesive is also one of the way of thermosets utilization. Keywords: material recycling, polymer composites, adhesive bonding, polyester-glass fiber recyclate WPROWADZENIE W łączeniu elementów kompozytowych pomimo coraz częściej stosowanych połączeń śrubowych, zatrzaskowych dominują połączenia klejowe. Bardzo często stosowanie łączenia mechanicznego jest ograniczone wytrzymałością materiałów łączonych i wówczas wykorzystuje się klejenie, które umoŝliwia uzyskanie produktu o najróŝniejszym kształcie [1]. Klejenie moŝe zatem odgrywać krytyczną rolę w tworzeniu obiektów, które muszą być wykonane z kompozytów, zwłaszcza w przypadku uzyskania lekkich konstrukcji. Kleje do-

2 27 Ocena moŝliwości wykorzystania odpadów kompozytowych jako napełniacza klejów starczają rozwiązań montaŝu elementów w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, okrętowym i wielu innych [2, 3]. Ze względu na coraz lepsze właściwości tworzyw klejących oraz wiele zalet połączeń klejowych przewiduje się wzrost ich udziału w stosunku do innych rodzajów połączeń stosowanych w technice [4]. Połączenia klejowe nie wykazują tak duŝej koncentracji napręŝeń co połączenia mechaniczne oraz charakteryzują się dłuŝszym czasem eksploatacji, jednak ograniczeniem jest tu wytrzymałość na ścinanie kleju [5]. Bardzo istotny jest wybór właściwego kleju. Stosując nawet najlepszy klej, nie uzyska się dobrego połączenia klejowego, gdy niewłaściwie zaprojektowany jest kształt złącza klejowego. I odwrotnie, dobrze zaprojektowane złącze nie gwarantuje uzyskania dobrego połączenia z uwagi na niedostosowanie kleju do warunków obciąŝenia konstrukcji. Właściwe projektowanie połączeń klejowych wymaga znajomości rozkładu napręŝeń w spoinach klejowych. Jako kleje konstrukcyjne w przemyśle kompozytowym stosuje się zazwyczaj Ŝywice chemoutwardzalne, w tym Ŝywice epoksydowe, metakrylowe, poliuretany. Bardzo często w celu poprawy właściwości kohezyjnych kleju dodaje się róŝnego rodzaju napełniaczy [6]. Zamiennikiem typowych napełniaczy mogą być rozdrobnione odpady kompozytowe. Celem badań było ocena moŝliwości wykorzystania rozdrobnionych odpadów kompozytowych jako napełniacza kleju (Ŝywica poliestrowa) z zamiarem modyfikacji właściwości wytrzymałościowych masy klejowej i połączenia klejowego. MATERIAŁ DO BADAŃ W niniejszych badaniach jako podstawowy składnik kleju wykorzystano Ŝywicę poliestrową Estromal LM Jako materiał modyfikujący charakterystyki wytrzymałościowe masy klejowej wykorzystano recyklat poliestrowo-szklany. UŜyty recyklat stanowił rozdrobnione materiały odpadowe powstałe w trakcie produkcji konstrukcji kompozytowych. Osnową w tych kompozytach była Ŝywica poliestrowa, a zbrojeniem mata lub tkanina z włókna szklanego. Udział objętościowy zbrojenia w odpadach wynosił ok. 3%. UŜytym urządzeniem do rozdrabniania był młyn krzyŝowo-bijakowy SK 1 firmy Retsch. Po rozdrobnieniu recyklat stanowił frakcję proszkową o wielkości cząstek poniŝej,3 mm, będącą mieszaniną cząstek Ŝywicy poliestrowej, bardzo drobnych włókien szklanych lub aglomeratów kompozytowych (rys. 1). Masę klejową wykonano, mieszając Ŝywicę poliestrową z recyklatem poliestrowo-szklanym w stosunku 1 5 cz. wag recyklatu na 1 cz. wag. Ŝywicy co 5 cz. wag. Klejem porównawczym była Ŝywica poliestrowa bez dodatku recyklatu. Elementami klejonymi były laminaty 6-warstwowe o osnowie Ŝywicy poliestrowej, takiej samej jak osnowa kleju, i wzmocnieniu w postaci tkaniny szklanej (gra- matura 35 g/m2). Laminaty stanowiące elementy łączone, wykonane metodą laminowania kontaktowego, zostały schropowacone papierem ściernym 12 i odtłuszczone acetonem w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń na powierzchni, w miejscu połączenia. Na tak przygotowaną powierzchnię laminatów nakładano masę klejową róŝniącą się zawartością recyklatu, a następnie dociśnięto do siebie z siłą ok. 5 N. Docisk pozostawiono aŝ do całkowitego utwardzenia kleju. a) b) Rys. 1. Recyklat poliestrowo-szklany (a), struktura masy klejowej - 5% wag. recyklatu (b) Fig. 1. Polyester-glass fiber recyclate (a), structure of adhesive - 5% wt. of recyclate (b) Oceny właściwości kleju dokonano na podstawie próby ścinania laminatów połączonych na zakładkę oraz próby oddzierania dla złącza typu T. Próbki wykorzystane do ścinania połączono na zakładkę o długości 2 mm (rys. 2a). W przypadku oddzierania wykonano laminaty o kształcie kątowników o bokach 1x15 mm (rys. 2b). a) b) Część sklejona Rys. 2. Próbki wykorzystane do badania wytrzymałości połączenia klejowego na ścinanie (a) i oddzieranie (b) Fig. 2. Specimens used for shear (a) and peel tests (b) Kompozyty 7: 4 (27) All rights reserved

3 28 M. Rutecka, J. Myalski, M. Dyzia, M. Kozioł WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA W celu określenia wpływu recyklatu poliestrowo-szklanego na właściwości mechaniczne połączenia klejowego wykonano badania wytrzymałości na ścinanie oraz oddzieranie połączeń. Badanie wytrzymałości na ścinanie połączeń klejowych wykonano zgodnie z normą PN-EN Próba oddzierania wykonana została na próbkach przedstawionych na rysunku 2b. Próbki były oddzierane z prędkością 5 mm/min, na długości połączenia 15 mm. Szerokość próbek laminatów wynosiła 25 mm. W trakcie badania rejestrowano wykres siła-odkształcenie, z którego wyznaczono maksymalną siłę oddzierającą (inicjacja pęknięcia) oraz średnią siłę oddzierania połączenia klejowego (rys. 6a). Średnią siłę oddzierającą obliczono z zakresu odkształcenia 1 35 mm, gdyŝ większość próbek ulegała zniszczeniu przy odkształceniu 35 4 mm, a przy takim odkształceniu siła niszcząca nie zmieniała się. Dodatkowo wykonano badania rozciągania, zginania oraz udarności samej masy klejowej, aby ocenić wpływ recyklatu na zmianę właściwości kleju. Wyniki wytrzymałości na ścinanie przedstawiono na rysunku 3, a sposób zniszczenia połączeń ścinanych na rysunku 4. Wytrzymałość na ścinanie, MPa Rys. 3. Wpływ zawartości recyklatu na wytrzymałość na ścinanie połączenia klejowego Fig. 3. Influence of recyclate content on shear strength of adhesive bonding 1 cm Rys. 4. Próbki laminatów po próbie ścinania. Masa klejowa z dodatkiem 15% wag. Fig. 4. Specimens after shear test. Adhesive with addition of 15% wt. of recyclate Kompozyty 7: 4 (27) All rights reserved Analizując wpływ udziału recyklatu na wytrzymałość połączenia (rys. 3), moŝna zauwaŝyć, Ŝe do zawartości 3% recyklatu w kleju następuje wzrost wytrzymałości na ścinanie. Przy czym zmiana ilości recyklatu do udziału 3% nie wpływa znacząco na zmianę wytrzymałości na ścinanie. Wytrzymałość ta dla kleju zawierającego 1 3% rozdrobnionych odpadów pozostaje na podobnym poziomie. Po przekroczeniu 35% zawartości odpadów następuje skokowy spadek wytrzymałości na ścinanie, a dalsze zwiększenie zawartości recyklatu w masie klejowej do udziału 5% wag. równieŝ nie powoduje zmian w wytrzymałości na ścinanie. Przedstawiona na rysunku 5 ocena jakościowa rozpływania się kleju zawierającego recyklat na podłoŝu laminatowym pozwala stwierdzić, Ŝe po przekroczeniu 3% wag. recyklatu następuje wyraźna zmiana lepkości (znaczne ograniczenie płynięcia) masy, która nabiera cech materiału tiksotropowego. PoniŜej tego udziału, do 25% wag. zawartości recyklatu, masa klejowa swobodnie rozpływa się na powierzchni. Zmiana ta moŝe być jednym z powodów spadku wytrzymałości na ścinanie. Wzrost lepkości spowodowany zawartością recyklatu ułatwia nakładanie kleju na łączone powierzchnie, zapobiegając wydostawaniu się go spomiędzy elementów łączonych, dodatkowo uzupełniając wszelkie nierówności na łączonych powierzchniach, co w przypadku łączenia duŝych elementów kompozytowych jest bardzo waŝne ze względu na geometryczne dopasowanie się klejonych części. NaleŜy podkreślić, Ŝe wykorzystując recyklaty jako napełniacz, Ŝywica uŝyta do przygotowania kleju nie słuŝy jedynie do zwilŝenia laminatów łączonych, ale równieŝ do zwilŝenia recyklatu, który ma duŝą powierzchnię właściwą. W przypadku duŝej zawartości recyklatu Ŝywicy biorącej udział w zwilŝaniu laminatów jest mniej aniŝeli w przypadku niewielkich zawartości napełniacza, co pogarsza wytrzymałość połączenia klejowego. Ocena sposobu zniszczenia złączy wykazała, Ŝe dominujący sposób zniszczenia (wg PN-EN-ISO 1365) to zniszczenie adhezyjne typu AF, w którym następuje utrata połączenia w wyniku odwarstwienia kleju od powierzchni elementów klejonych. W przypadku próbek o wyŝszej wytrzymałości na ścinanie (do 3% wag.) moŝna było zauwaŝyć odrywanie się masy klejowej od obu łączonych powierzchni (rys. 4), natomiast w przypadku udziałów powyŝej 3% wag. klej ze względu na wzrost sztywności masy pozostawał tylko na jednej z powierzchni klejonej. Ponadto w złączu następowało odrywanie warstwy Ŝywicy z powierzchni laminatu, zniszczenie połączenia włókno-osnowa i odsłonięcie włókien zbrojących laminatu. Ten rodzaj zniszczenia precyzyjnie określa norma ASTM D5573 jako LFTF (Light Fiber Tear Failure). Jest to sposób zniszczenia połączenia klejowego w przypadku łączenia elementów kompozytowych, w którym zniszczenie

4 Ocena moŝliwości wykorzystania odpadów kompozytowych jako napełniacza klejów 29 występuje tuŝ przy granicy rozdziału laminat/klej, powodując zniszczenie laminatu poprzez oderwania materiału osnowy od włókien zbrojących (zniszczenie połączenia włókno-osnowa). Ponadto obecność recyklatu w tych ilościach moŝe wpływać równieŝ na zwiększenie wytrzymałości samej masy klejowej. Dodanie recyklatu do Ŝywicy poliestrowej powoduje wzrost charakterystyk spręŝystych masy % 1% 15% 2% 25% 3% 35% 4% 45% 5% Rys. 5. Masy klejowe z dodatkiem recyklatu poliestrowo-szklanego ( 5% wag.) Fig. 5. Bulk adhesives with addition of polyester-glass fibre recyclate ( 5% wt.) a) b) c) siła oddzierająca,kn,12,1,8,6,4,2 % 35% recyklatu odkształecenie, mm Wytrzymałość na oddzieranie, N/mm 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, udział recyklatu, % Zawartość recyklatu, % Rys. 6. Wyniki badań wytrzymałości połączenia klejowego na oddzieranie: a) przykładowy wykres siła-odkształcenie, b) wytrzymałość na oddzieranie, c) maksymalna siła przy oddzieraniu Fig. 6. Results of peel test of adhesive bonding: a) example curve force-strain, b) peel strength, c) max force during peeling Max siła oddzierająca, N Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie wskazują, Ŝe dodanie recyklatu nie spowodowało znaczących róŝnic wytrzymałości złącza w porównaniu z czystą Ŝywicą, jednak wyniki uzyskane podczas próby oddzierania wskazały, Ŝe wprowadzony recyklat przyczynia się do wzrostu wytrzymałości na oddzieranie połączenia klejowego. Po modyfikacji recyklatem wytrzymałość na oddzieranie wzrosła co najmniej dwukrotnie (rys. 6b). Zawartość recyklatu w kleju powoduje równieŝ wzrost maksymalnej siły potrzebnej do zapoczątkowania zniszczenia (rys. 6c). Na uwagę zasługuje fakt, Ŝe dla wszystkich zastosowanych ilości rozdrobnionych odpadów zarówno wytrzymałość na oddzieranie, jak i maksymalna siła są wyŝsze w stosunku do próbki porównawczej. NajwyŜszymi wartościami napręŝeń oddzierających charakteryzowały się masy klejowe o zawartości recyklatu 2 3% wag. Są to zawartości charakteryzujące się małą lepkością kleju. klejowej, spadek odkształcenia, co równieŝ moŝe być przyczyną wzrostu wartości uzyskanych podczas oddzierania. Zwiększenie sztywności i wytrzymałości kleju po wprowadzeniu recyklatu powoduje zatem wzrost wytrzymałości połączenia. Zatem w przypadku oddzierania waŝną rolę odgrywa obecność recyklatu w masie klejowej. Klej zawierający recyklat przy określonym udziale wagowym nie powoduje wyraźnej zmiany zwilŝania łączonych laminatów. Podobnie jak w przypadku ścinania występuje zniszczenie adhezyjne na granicy klej/laminat typu AF, masa klejowa pozostaje na obu powierzchniach laminatów, co jakiś czas pękając (rys. 7). Obserwacje próbek po próbie oddzierania wskazują, Ŝe wraz ze wzrostem zawartości recyklatu w kleju w trakcie oddzierania pęknięcia masy występowały rzadziej. Aby dokładniej określić wpływ udziału recyklatu na właściwości masy klejowej, przeprowadzono badania Kompozyty 7: 4 (27) All rights reserved

5 21 M. Rutecka, J. Myalski, M. Dyzia, M. Kozioł właściwości mechanicznych masy klejowej zawierającej recyklat. Jakość kleju oceniono na podstawie badań wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i udarności (rys. 8). Wyniki badań wytrzymałości wykazały, Ŝe dodanie recyklatu w ilości do 3% zapewnia Rm i Rg na poziomie porównywalnym do pierwotnie modyfikowanej Ŝywicy (spadek mierzonych wartości nie przekraczał 1%). Po zwiększeniu zawartości powyŝej 3% rozdrobnionych odpadów w masie klejowej następuje obniŝanie właściwości mechanicznych. NajniŜszą wytrzymałością charakteryzują się masy klejowe o zawartości 4 i 45% wag. rozdrobnionych odpadów. Umacniający charakter recyklatu moŝna natomiast zauwaŝyć w przypadku badania udarności (rys. 8c). do usunięcia przy zwiększonej lepkości masy. WaŜnym elementem wytwarzania jest równieŝ równomierność rozłoŝenia recyklatu w masie klejowej, co jest dość trudne do uzyskania, przede wszystkim dla niewielkich udziałów. MoŜna było zaobserwować miejsca bogate w recyklat i miejsca, gdzie było go mniej. WNIOSKI Recyklat poliestrowo-szklany moŝna wykorzystać jako napełniacz do klejów, poprawiając jego charakterystyki mechaniczne oraz wpływając korzystnie na lepkość, tiksotropowość kleju. a) b) Rys. 7. Próbki laminatów po próbie oddzierania. Masa klejowa z dodatkiem 25% wag. (a) i 5% wag. (b) recyklatu Fig. 7. Specimens after peel test. Adhesive with addition of 25% wt. (a) and 5% wt. (b) of recyclate a) b) c) , 3 7 3, , Rm, MPa 2 15 Rg, MPa udarność, kj/m2 2,5 2, 1, , 5 1,5, Rys. 8. Wpływ zawartości recyklatu na: a) wytrzymałość na rozciąganie, b) wytrzymałość na zginanie, c) udarność masy klejowej Fig. 8. Influence of recyclate content on: a) tensile strength, b) flexural strength, c) impact strength of bulk adhesive Uzyskane wyniki wskazują, Ŝe udarność materiałów zawierających recyklaty zwiększa się, a przy udziałach 2 4% wzrasta nawet dwukrotnie. Recyklat przyczynił się do wzrostu energii niszczącej, ograniczając rozwój pęknięcia. Świadczyć to moŝe o poprawnym połączeniu recyklatu z Ŝywicą (osnową). ObniŜenie wytrzymałości moŝe być związane ze słabym połączeniem pomiędzy Ŝywicą osnowy a cząstkami Ŝywicy, stanowiącymi prawie połowę składu recyklatu. DuŜy wpływ na właściwości mechaniczne kompozytów zawierających recyklaty ma technologia wytwarzania. Mechaniczne mieszanie zapewnia dobre wymieszanie recyklatu z Ŝywicą, ale prowadzi do tworzenia się duŝej ilości pęcherzy powietrznych, trudnych Zawartość recyklatu ma wpływ zarówno na właściwości mechaniczne masy klejowej, jak równieŝ na podstawowe właściwości złączy klejowych, jakimi są wytrzymałość na ścinanie i oddzieranie. Wytrzymałość na ścinanie połączenia klejowego pozostaje na podobnym poziomie (do 3% wag. zawartości recyklatu). Po przekroczeniu tego udziału ulega nagłemu obniŝeniu, co jest związane ze zmianą lepkości masy klejowej. Wytrzymałość na oddzieranie oraz siła potrzebna do zainicjowania pęknięcia wzrosła ok. 2-krotnie po zastosowaniu recyklatu jako napełniacza kleju. Dodanie recyklatu nie powoduje zmiany wytrzymałości na rozciąganie i zginanie samego kleju, Kompozyty 7: 4 (27) All rights reserved

6 Ocena moŝliwości wykorzystania odpadów kompozytowych jako napełniacza klejów 211 zwiększając natomiast jego udarnoś (ok. 2-krotnie). Wyniki badań wytrzymałościowych samego kleju, wytrzymałości połączenia oraz ocena jakościowa zachowania się kleju zawierającego recyklat pozwalają stwierdzić, Ŝe optymalne właściwości moŝna uzyskać poprzez wprowadzenie 25% recyklatu. LITERATURA [1] REINFORCED plastics June 1999, [2] REINFORCED plastics February 21, [3] REINFORCED plastics, BUYERS GUIDE 21, [4] Godzimirski J., Wytrzymałość doraźna konstrukcyjnych połączeń klejowych, WNT, Warszawa 22. [5] Balkova R., Holcnerova S., Cech V., International Journal of Adhesion and Adhesives 22, 22, [6] Cagle Ch.V., Kleje i klejenie, WNT, Warszawa Kompozyty 7: 4 (27) All rights reserved