PRZETWÓRSTWO TWORZYW. Nr 2 (146) / 18 MARZEC KWIECIEŃ 2012 R. PRZETWÓRSTWO TWORZYW

Transkrypt

1 PRZETWÓRSTWO TWORZYW Czasopismo naukowo-techniczne. Ukazuje się od 1994 r. Czasopismo publikuje artykuły recenzowane. Liczba punktów za umieszczoną publikację naukową 6 punktów. Wersja drukowana jest podstawową (referencyjną) wersją czasopisma. Rada Programowa: Przewodniczący: Prof. zw. dr hab. inż. Robert Sikora, Politechnika Lubelska Członkowie: Prof. dr hab. inż. Marek Bieliński, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Prof. dr hab. inż. Elżbieta Bociąga, Politechnika Częstochowska Dr Krzysztof Bortel, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu, Oddział w Gliwicach Prof. dr hab. inż. Jarosław Diakun, Politechnika Koszalińska Prof. dr hab. inż. Józef Flizikowski, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Dr inż. Przemysław Hruszka, Wavin Metalplast Buk Sp. z o.o. Mgr inż. Janusz Jastrzębski, Basell Orlen Polyolefins, Płock Prof. dr hab. inż. Janusz W. Sikora, Politechnika Lubelska Dr inż. Joachim Stasiek, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu Prof. dr hab. inż. Tomasz Sterzyński, Politechnika Poznańska Prof. zw. dr hab. inż. Marian Żenkiewicz, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy PRZETWÓRSTWO TWORZYW CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE POŚWIĘCONE PROBLEMOM PRZETWÓRSTWA TWORZYW POLIMEROWYCH Wydawca: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu Toruń, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55 Tel./fax: 56 / sekretariat@impib.pl Redaguje zespół: Redaktor Naczelny: mgr inż. Henryk Tomanek Z-ca Redaktora Naczelnego: mgr inż. Błażej Chmielnicki Sekretarz Redakcji: mgr inż. Karol Kożuch Kolportaż: Bogumiła Klimczyk Adres Redakcji: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu, Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach, Gliwice, ul. Chorzowska 50 A tel.: 32/ , fax: 32/ h.tomanek@impib.pl, gp@impib.pl Nr 2 (146) / 18 MARZEC KWIECIEŃ 2012 R.

2 58 Spis treœci Od Redakcji Bronis³aw SAMUJ O, Janusz W. SIKORA Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 60 A. PUSZ, Z. TROJNACKI Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 71 Józef RICHERT, Mariusz B ASZKOWSKI, Dariusz UBKOWSKI Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie 80 ukasz WIERZBICKI, Józef STABIK, Krzysztof SITEK Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego 86 Monika OSTAPIUK, Jaros³aw BIENIAŒ, Patryk JAKUBCZAK, Barbara SUROWSKA Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej 93 Krzysztof MAJERSKI, Jaros³aw BIENIAŒ, Monika OSTAPIUK Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej 98 Dariusz KRAWCZUK Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 103 Krótkie informacje Koniec darmowych jednorazówek 113 Rosyjski polietylen 113 Sterylne wtryskiwanie 113 Butelka oczyszczaj¹ca wodê pitn¹ 114 Wentylatorowe innowacje 114 Kolorowy teflon 115 Folia dla Barbie i Kena 116 Wypi³eœ? Zjedz butelkê! 116 Z³amanie, które krwawi 117 Lataj¹cy, polimerowy dywan 117 Pomarañczowe opony 118 Glony i polimery 118 Nanomodelowanie 119 Gazprom zwiêksza swoje moce produkcyjne 119 Portugalskie wody wolne od tworzywowych œmieci 120 Wydajna produkcja opakowañ 120 Informacje Instytutu In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu X Miêdzynarodowa Konferencja ADVANCES IN COATINGS TECHNOLOGY ACT 12 Miêdzynarodowa Konferencja POLIMERY NAUKA PRZEMYS 2012 PLASTPOL najlepszy i najwiêkszy Wydawnictwa naukowe i informacyjne Instytutu In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu Wskazówki dla Autorów I II IV V VI

3 59 Od Redakcji Szanowni Czytelnicy, Drugi numer Przetwórstwa Tworzyw zawiera siedem artyku³ów merytorycznych o bardzo zró - nicowanej tematyce. O badaniach granulatów z poli(chlorku winylu) pisz¹ autorzy z Politechniki Lubelskiej Boles³aw Samuj³o i Janusz W. Sikora. Celem opisywanych badañ by³o okreœlenie wp³ywu cechy geometrycznej granulki tj. jej d³ugoœci w procesie wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o, na wybrane wielkoœci charakteryzuj¹ce granulat, którymi s¹ gêstoœæ nasypow¹, sypkoœæ, k¹t naturalnego usypu oraz wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego. Autorzy z Politechniki Œl¹skiej Andrzej Pusz i Zbigniew Trojnacki zajmuj¹ siê modelowaniem pomiarów przewodnoœci cieplnej. W swoim artykule przedstawiaj¹ wirtualny model stanowiska, na którym symulowano pomiary przewodnoœci cieplnej. Symulacje zosta³y przeprowadzone w programie FEMM. Zespó³ Autorów z Instytutu In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu Józef Richert, Mariusz B³aszkowski i Dariusz ubkowski w swej publikacji przedstawiaj¹ proces opracowania specjalnego pojemnika tworzywowego do zastosowañ medycznych. Kolejny zespó³ autorów z Politechniki Œl¹skiej ukasz Wierzbicki, Józef Stabik i Krzysztof Sitek podejmuj¹ zagadnienie w³aœciwoœci mechanicznych kompozytu epoksydowo-bazaltowego tj. z w³óknami bazaltowymi. Kompozyty wykonano metod¹ laminowania rêcznego. Nastêpnie strumieniem wodno-œciernym wyciêto próbki badawcze. Na próbkach przeprowadzono badania wytrzyma³oœci na zginanie oraz wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe. Innej problematyki zwi¹zanej z kompozytami dotyczy artyku³ zespo³u Autorów z Politechniki Lubelskiej Monika Ostapiuk, Jaros³aw Bieniaœ, Patryk Jakubczak, Barbara Surowska. Autorzy poruszaj¹ problem nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych wykonywanych na pokrycia œmig³owca. Zosta³y one poddane analizie z wykorzystaniem techniki rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej. Szczegó³owe obserwacje struktury wykaza³y obecnoœæ nieci¹g³oœci w obszarze przejœcia z wype³niacza ulowego do laminatu. Szeroko pojêtej tematyki kompozytów dotyczy tak e artyku³ autorstwa Krzysztofa Majerskiego, Jaros³awa Bieniasia i Moniki Ostapiuk z Politechniki Lubelskiej. Materia³ badawczy stanowi³y wytworzone metod¹ autoklawow¹ kompozyty polimerowe wzmacniane tkanin¹ szklan¹ oraz wêglow¹. W pracy podjêto próbê okreœlenia iloœciowej zawartoœci porowatoœci oraz przedstawiono wyniki rekonstrukcji dwu i trójwymiarowej materia³u badawczego. Odmienn¹ tematykê prezentuje zaœ artyku³ Dariusz Krawczuka z Koszalina. Autor omawia specyfikê tworzyw polimerowych przeznaczonych do przetwarzania metod¹ rozci¹gania pró niowego, zwan¹ te (choæ niezbyt precyzyjnie) termoformowaniem. Serdecznie zachêcamy do lektury numeru. Redakcja PT

4 60 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) Bronis³aw SAMUJ O, Janusz W. SIKORA Katedra Procesów Polimerowych, Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 36, Lublin b.samujlo@pollub.pl Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) W pracy przedstawiono wybrane w³aœciwoœci tworzyw sypkich, tzn. tworzyw w postaci najczêœciej granulatu lub proszku. Przedstawiono badania doœwiadczalne gêstoœci nasypowej, sypkoœci, k¹ta naturalnego usypu oraz wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego granulatu otrzymanego w procesie wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o i och³adzaniem w powietrzu. Do badañ wykorzystano poli(chlorek winylu) o nazwie handlowej Alfavinyl i symbolu GMF/4-31TR oraz wyt³aczarkê W-25D z g³owic¹ granulacyjn¹. W g³owicy wyt³aczarskiej zastosowano p³ytê ko³ow¹ z dysz¹ o ko³owym polu przekroju poprzecznego i wymiarach: d³ugoœæ strefy prowadzenia równoleg³ego 7,5 mm, œrednica 2,75 mm. Zastosowano sta³¹ prêdkoœæ obrotow¹ œlimaka 1,2 s -1 oraz ró ne prêdkoœci obrotowe wirnika granulatora. Zapewni³o to otrzymanie granulatów ró ni¹cych siê tylko jedn¹ cech¹ geometryczn¹ d³ugoœci¹, przy sta³ych pozosta³ych cechach i warunkach procesu wyt³aczania z granulowaniem. Sporz¹dzono zale noœci wymienionych w³aœciwoœci granulatu od d³ugoœci granulek. Wyci¹gniêto stosowne wnioski. INVESTIGATION OF THE SELECTED PROPERTIES OF POLYVINYL CHLORIDE PEL- LETS. The paper presents selected properties of fine-grained loose polymers that is polymers in the form of pellets or powder. Experimental studies of bulk density, flowability, the angle of natural repose and the coefficient of external friction of pellets received in the process of hot pelettizing extrusion with air cooling were shown. For the investigation, polyvinyl chloride was used of the trade name Alfavinyl and symbol GMF/4-31TR and the extruder W-25D with a palletizing head. In the extruder head, a circular plate was used with a die of the circular cross-section shape and dimensions: the length of the parallel polymer lead zone 7.5 mm and diameter 2.75 mm. A constant screw speed was used (1.2 s) and various rotational speeds of pelletizer rotor. It enabled to receive the pellets differing only in one geometrical feature length, while other dimensions and parameters of palletizing extrusion remained constant. The dependences of the pellet properties on pellet length were made. Appropriate conclusions were drawn. 1. Wprowadzenie W przetwórstwie tworzyw polimerowych du e znaczenie maj¹ tworzywa sypkie o ró nych rozmiarach i kszta³cie, w postaci granulatu, regranulatu oraz proszku. Tworzywa sypkie s¹ poddawane ró nym procesom technologicznym, takim jak rozdrabnianie, sortowanie, mieszanie, transportowanie, a nastêpnie uplastycznianie w uk³adach uplastyczniaj¹cych maszyn przetwórczych. Wa nym zagadnieniem jest równie przechowywanie ich luzem lub w zbiornikach (silosach) oraz opró nianie tych zbiorników i dozowanie w liniach technologicznych np. wyt³aczania lub wtryskiwania. Budowa maszyn przeznaczonych np. do rozdrabniania, transportowania, dozowania, a w szczególnoœci przetwórstwa tworzyw w postaci granulatu, regranulatu i proszku jest oparta w du- ej mierze na przes³ankach empirycznych i obliczeniach analitycznych wywodz¹cych siê np. z teorii przep³ywu p³ynów nieniutonowskich, przeprowadzanych z przyjêciem za³o eñ upraszczaj¹cych, jak równie na teoriach zasilania maszyn przetwórczych [1 5]. W ostatnich latach nast¹pi³ szybki rozwój badañ nad zachowaniem siê tworzyw sypkich

5 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 61 przy ich wydostawaniu siê z otworów wylotowych kana³ów, podczas ruchu w kana³ach zamkniêtych, najczêœciej o ko³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego, oraz w kana³ach otwartych, jak równie nad naciskami jakie wywieraj¹ tworzywa sypkie na wewnêtrzne powierzchnie œcian zbiorników, np. silosów do przechowywania i suszenia tworzyw, jak te zasobników wyt³aczarek i wtryskarek [1]. W wyniku tych badañ uzyskano wiele danych przydatnych w projektowaniu odpowiednich maszyn i urz¹dzeñ, narzêdzi, linii i stanowisk technologicznych do przetwórstwa tworzyw. Tworzywo sypkie, którym jest tak e granulat tworzywa polimerowego, sk³ada siê z ziarn o okreœlonym kszta³cie i rozmiarach. Dla bli - szego scharakteryzowania i sklasyfikowania takiego tworzywa stosuje siê kryteria odnosz¹ce siê do jego cech zewnêtrznych i w³aœciwoœci fizycznych. Jedn¹ z najwa niejszych cech jest sk³ad granulometryczny, czyli rozk³ad iloœciowy ziarn tworzywa pod wzglêdem ich rozmiarów. Rozmiary ziarn s¹ okreœlone wymiarami liniowymi: d³ugoœci¹, szerokoœci¹ i gruboœci¹, mierzonymi w dwóch wzajemnie prostopad³ych do siebie kierunkach. Z kolei wilgotnoœæ tworzywa jest w³aœciwoœci¹, która ma wp³yw na pozosta³e cechy fizyczne tworzyw sypkich, a w szczególnoœci na wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego i wewnêtrznego, wytrzyma³oœæ, w³aœciwoœci lepko-sprê yste i inne [6]. Oprócz gêstoœci normalnej tworzyw w postaci granulatu przy projektowaniu urz¹dzeñ do ich transportowania oraz maszyn do ich przetwórstwa jest niezbêdna znajomoœæ gêstoœci nasypowej [7]. Wp³ywa ona na okreœlenie wydajnoœci œrodków transportowych, typu i rodzaju transportu, determinuje cechy geometryczne lejów zasypowych maszyn przetwórczych, si³y wystêpuj¹ce w urz¹dzeniach transportowych, naciski na œciany i otwory wylotowe zbiorników. Gêstoœæ nasypowa ma tak e istotne znaczenie przy obliczaniu wytrzyma³oœci zbiorników, w³aœciwego nape³nienia zbiorników do przechowywania proszków i granulatów tworzyw oraz pojemnoœci komór zasypowych w procesie prasowania i lejów zasypowych maszyn przetwórczych. Jedn¹ z najwa niejszych w³aœciwoœci fizycznych okreœlaj¹cych tworzywo sypkie jest tak e k¹t jego naturalnego usypu. Wartoœæ k¹ta zale- y miêdzy innymi od mo liwoœci ruchu granulek i innych ziarn wzglêdem siebie, przy czym im mo liwoœæ ta jest wiêksza, tym k¹t naturalnego usypu jest mniejszy [8]. Pod wzglêdem mo liwoœci wzajemnego ruchu ziarn wzglêdem siebie tworzywa sypkie dzieli siê [8, 9] na samozsypuj¹ce siê oraz nie zsypuj¹ce siê samoczynnie. Z kolei ruch ten jest zale ny od si³ spójnoœci pomiêdzy poszczególnymi garnulkami, jak równie od oporów tarcia powstaj¹cych przy wzajemnym przemieszczaniu siê ziarn np. granulatu, a tak e od wilgotnoœci, sk³adu granulometrycznego, kszta³tu i rozmiarów ziarn, a dla tworzyw sk³onnych do zbrylania równie czasu przechowywania [3]. K¹t naturalnego usypu wyznaczany jest podczas zsypywania ziarn z ustalonej wysokoœci na p³aszczyznê poziom¹, przy ma³ej prêdkoœci strumienia jego ziaren. Ziarna te przemieszczaj¹c siê tworz¹ stok nachylony pod pewnym k¹tem do poziomu, którego wartoœæ waha siê najczêœciej w granicach od 30 do 40. Dla proszku lub granulatu suchego k¹t naturalnego usypu odpowiada w przybli eniu wspó³czynnikowi tarcia zewnêtrznego [3, 9, 10] i z tego powodu jest czêsto stosowany jako cecha charakterystyczna badanego tworzywa, g³ównie z uwagi na ³atwoœæ jego pomiaru. Wartoœæ k¹ta naturalnego usypu ma du e znaczenie przy transportowaniu, a w szczególnoœci wp³ywa na wydajnoœæ przenoœników, podajników, dozowników taœmowych, walcowych, bêbnowych, wibracyjnych, œrubowych, talerzowych i innych [3]. Znajomoœæ k¹ta naturalnego usypu jest niezbêdna do obliczeñ nastêpuj¹cych wielkoœci: wydajnoœci przenoœników, k¹ta nachylenia przenoœnika podczas przemieszczania okreœlonego tworzywa, k¹ta nachylenia rynien zsypowych oraz tak e wype³nienia zbiorników magazynuj¹cych. Kolejn¹ wa n¹ w³aœciwoœci¹ tworzyw w postaci granulatu lub proszku jest sypkoœæ.

6 62 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) Wyznacza siê j¹ mierz¹c czas wysypywania siê okreœlonej iloœci tworzywa badanego z lejka o okreœlonych wymiarach [11]. Jest wielkoœci¹ umo liwiaj¹c¹ oszacowanie czasu minimalnego, niezbêdnego do zapewnienia ci¹g³oœci wype³niania uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki lub wtryskarki. Od sypkoœci zale y stopieñ wype³nienia kana³ów uplastyczniaj¹cych maszyn przetwórczych i tak dla mieszanek o ma³ej i œredniej wartoœci sypkoœci, rozumianej jako czas wysypywania tworzywa z okreœlonego leja, kana³y wype³niane s¹ ca³kowicie, a dla du ych wartoœci sypkoœci wype³niaj¹ siê czêœciowo [12, 13]. Wymienione wielkoœci charakteryzuj¹ce granulat s¹ w najwiêkszej mierze zale ne od kszta³tu i rozmiarów granulek. W procesie wyt³aczania z granulowaniem œrednica granulek wynika z warunków uplastyczniania tworzywa w uk³adzie uplastyczniaj¹cym wyt³aczarki, ciœnienia i temperatury tworzywa w kana³ach przep³ywowych g³owicy wyt³aczarskiej, rozmiarów dyszy, rodzaju wyt³aczanego tworzywa, efektu Barusa i skurczu przetwórczego pierwotnego i wtórnego. D³ugoœæ granulki jest zwi¹zana przede wszystkim z warunkami procesu granulowania, w szczególnoœci z prêdkoœci¹ obrotow¹ wirnika granulatora oraz znajduj¹c¹ siê w granulatorze liczb¹ no y tn¹cych [14]. 2. Cel badañ Celem badañ jest okreœlenie wp³ywu cechy geometrycznej granulki, za jak¹ przyjêto jej d³ugoœæ, otrzymanej z poli(chlorku winylu) plastyfikowanego w procesie wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o, na wybrane wielkoœci charakteryzuj¹ce granulat, którymi s¹ gêstoœæ nasypow¹, sypkoœæ, k¹t naturalnego usypu oraz wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego. 3. Przedmiot badañ Przedmiotem badañ jest poli(chlorek winylu) plastyfikowany (PVC) o nazwie handlowej Alfavinyl i symbolu GMF/4-31TR, wytwarzany przez przedsiêbiorstwo Alfa PVC Sp. z o.o. z siedzib¹ g³ówn¹ w Warszawie. Wed³ug danych producenta tworzywo to zawiera 31% plastyfikatora, którym jest ftalan dioktylu oraz stabilizator wapniowo-cynkowy. Charakteryzuje siê gêstoœci¹ od 1230 do 1400 kg/m 3, masowym wskaÿnikiem szybkoœci p³yniêcia wynosz¹cym 4,3 4,6 g/10 min, wyd³u eniem przy zerwaniu 300%, wytrzyma³oœci¹ na rozci¹ganie przy zerwaniu 21 MPa oraz twardoœci¹ Shore a A równ¹ 80. Badany PVC jest przeznaczony do wyt³aczania i wtryskiwania wytworów medycznych. Zalecana temperatura przetwórstwa tego tworzywa wynosi od 120 do 190 C. 4. Badania w³aœciwoœci granulatu W³aœciwe okreœlenie wp³ywu d³ugoœci granulki na wybrane wielkoœci fizyczne charakteryzuj¹ce granulat wymaga nale ytego zaplanowania badañ. Obejmuje ono ogóln¹ charakterystykê prowadzonych badañ wraz z opisem stanowisk badawczych, okreœlenie czynników badanych bezpoœrednio i poœrednio, czynników zmiennych, czynników sta³ych oraz zak³ócaj¹cych, a tak e prawid³owe wyznaczenie wyników przeprowadzonych badañ oraz ich interpretacjê Charakterystyka badañ W celu uzyskania granulki o zmiennej d³ugoœci i sta³ych pozosta³ych dwóch cechach geometrycznych, przeprowadzono proces wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o tworzywa badanego, zmieniaj¹c prêdkoœæ obrotow¹ wirnika granulatora. Niezmiennoœæ pozosta³ych warunków procesu wyt³aczania z granulowaniem zapewni³a sta³¹ œrednicê wyt³aczanego prêta, poddanego nastêpnie niezw³ocznemu ciêciu obrotowemu na odcinki o zmiennej d³ugoœci. Z otrzymanych granulatów pobrano próbki do dalszych badañ. Proces wyt³aczania przeprowadzono przy wykorzystaniu laboratoryjnej linii wyt³aczania z granulowaniem, której g³ównym elementem sk³adowym jest

7 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 63 wyt³aczarka W-25D zaprojektowana i wykonana w Instytucie In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu. Podczas badañ zastosowano równie g³owicê granulacyjn¹, stanowi¹c¹ po³¹czenie g³owicy wyt³aczarskiej z granulatorem oraz urz¹dzenie transportuj¹co-och³adzaj¹ce granulat. Fragment linii technologicznej wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o przedstawiono na rys Rys. 2. Wygl¹d fragmentu g³owicy granulacyjnej: 1 os- ³ona g³owicy, 2 p³yta ko³owa, 3 prêt wyt³aczany, 4 ostrze no a, 5 wirnik granulatora, 6 obudowa wirnika, 7 uchwyt no y Rys. 1. Wygl¹d ogólny laboratoryjnej linii wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o: 1 zasobnik tworzywa, 2 uk³ad uplastyczniaj¹cy, 3 g³owica wyt³aczarska, 4 granulator, 5 urz¹dzenie transportuj¹co ch³odz¹ce Zespó³ mechaniczny wyt³aczarki W25 jest wyposa ony w standardowy uk³ad sterowania i regulacji temperatury tworzywa przetwarzanego z trzema termoparami umieszczonymi w œciance cylindra oraz jedn¹ termopar¹ umieszczon¹ w korpusie g³owicy wyt³aczarskiej. W uk³adzie uplastyczniaj¹cym s¹ zamontowane tak e trzy czujniki ciœnienia i temperatury, usytuowane na pocz¹tku strefy zasilania, pomiêdzy stref¹ przemiany i stref¹ dozowania oraz bezpoœrednio na wejœciu tworzywa do kana³u przep³ywowego g³owicy wyt³aczarskiej. Termopary oraz czujniki znajduj¹ siê w ka dej strefie grzejnej uk³adu uplastyczniaj¹cego i g³owicy wyt³aczarskiej. Pomiêdzy œlimakiem a wa³em napêdowym silnika napêdowego jest zamontowany momentomierz indukcyjny Mi200, umo liwiaj¹cy pomiar momentu obrotowego i prêdkoœci obrotowej œlimaka. Wyt³aczarka jest zaopatrzona w g³owicê granulacyjn¹ (rys. 2) sk³adaj¹c¹ siê z g³owicy wyt³aczarskiej maj¹cej wymienn¹ p³ytê, w której znajduje siê ró na liczba dysz i granulatora. Do wirnika granulatora, za pomoc¹ uchwytu zamontowano dwa no e do ciêcia obrotowego. W g³owicy wyt³aczarskiej zastosowano p³ytê ko³ow¹ z dysz¹ o ko³owym kszta³cie pola przekroju poprzecznego i wymiarach: d³ugoœæ strefy prowadzenia równoleg³ego 7,5 mm, œrednica 2,75 mm. Granulator ma silnik elektryczny bezpoœrednio napêdzaj¹cy wirnik no owy, który charakteryzuje siê moc¹ wynosz¹c¹ 0,55 kw i maksymaln¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ 23,3 s -1. Uk³ad sterowania umo liwia bezstopniow¹ regulacjê prêdkoœci obrotowej wirnika od zera do wartoœci maksymalnej. Wirnik granulatora znajduje siê bezpoœrednio przed g³owic¹ wyt³aczarsk¹, przy czym jest usytuowany niewspó³osiowo z dysz¹ g³owicy wyt³aczarskiej, przesuniêcie osi wynosi 33 mm. Gêstoœæ nasypow¹ granulatu wyra a siê przez stosunek masy próbki do objêtoœci jak¹ ona zajmuje, przy czym objêtoœæ tej próbki zawiera w sobie zarówno objêtoœæ tworzywa, jak

8 64 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) równie objêtoœæ przestrzeni, która wystêpuje w strukturze komórkowej tworzywa przy gêstoœci pozornej, czy te miêdzy granulkami przy gêstoœci nasypowej. Pomiary gêstoœci nasypowej dla tworzyw w postaci granulatu, reglanulatu i proszku wykonuje siê przy zastosowaniu standardowego stanowiska badawczego (rys. 3) wed³ug normy PN-80/C-04532: Oznaczanie gêstoœci nasypowej. Rys. 3. Stanowisko do pomiaru gêstoœci nasypowej: 1 statyw, 2 lejek, 3 zasuwa, 4 cylinder pomiarowy Stanowisko pomiarowe do wykonywania pomiarów metod¹ B (metoda do oznaczania gêstoœci nasypowej tworzyw ziarnistych i granulowanych swobodnie przesypuj¹cych siê przez lejek), zastosowane w badaniach ma na wyposa eniu cylinder pomiarowy o pojemnoœci ± m 3 i œrednicy wewnêtrznej 88,7 ± 0,1 mm. Lejek, umocowany na statywie, o wysokoœci 130 mm, œrednicy otworu podstawy dolnej 40 mm oraz œrednicy otworu górnego 110 mm ma zasuwê otworu dolnego. Wyposa enie stanowiska sk³ada siê tak e z wagi elektronicznej (symbol TP-3/1) o zakresie pomiarowym do 2 kg i dok³adnoœci pomiaru masy wynosz¹cej ± 0,1 g. Próbki do badañ gêstoœci nasypowej klimatyzowano w temperaturze 23 ± 1 C przez 16 godzin. Do badañ ka dorazowo przygotowano tak¹ iloœæ tworzywa, która umo liwia³a wype³nienie cylindra pomiarowego oraz dodatkowo przesypanie siê okreœlonej iloœci granulek przez jego górn¹ krawêdÿ. Cylinder pomiarowy wa ono wyznaczaj¹c masê m 1, nastêpnie ustawiano wspó³osiowo pod lejkiem, zachowuj¹c odleg³oœæ 50 mm pomiêdzy doln¹ krawêdzi¹ lejka, a górn¹ krawêdzi¹ cylindra pomiarowego i nastêpnie zasypywano tworzywo badane do cylindra. Po zwa eniu cylindra pomiarowego z tworzywem stanowi¹cego masê m 2 oraz korzystaj¹c ze wzoru: m2 m1 m N V V w którym m oznacza masê granulatu w cylindrze pomiarowym, obliczano gêstoœæ nasypow¹ tworzywa badanego. Za wynik przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ wartoœci otrzymanych z piêciu pomiarów. Sypkoœæ badanych granulatów wyznaczano zgodnie z zaleceniami normy PN-EN ISO 6186:2001. Badania sypkoœci (czasu wysypywania) przeprowadzono wed³ug metody A, za pomoc¹ zmodyfikowanego stanowiska pomiarowego, wykorzystuj¹c lej zasypowy o œrednicy otworu przez który wysypywa³ siê granulat wynosz¹cej 25 mm. Sypkoœæ zosta³a wiêc oznaczona symbolem T A25. Modyfikacja stanowiska pomiarowego do badañ gêstoœci nasypowej tworzyw i przystosowanie go do badañ sypkoœci polega³a na zastosowaniu leja zasypowego o kszta³cie i wymiarach zgodnych z norm¹. Wysokoœæ leja wynosi³a 120 mm, œrednica otworu podstawy dolnej 25 mm, natomiast œrednica podstawy górnej leja zasypowego wynosi³a 110 mm. Ka dorazowo do leja zasypowego z zasuniêt¹ zasuw¹ otworu podstawy dolnej wsypywano, po jego wewnêtrznej œciance próbkê granulatu o masie m g = g. Po usuniêciu zasuwy zamykaj¹cej otwór czas wysypywania granulatu mierzono z dok³adnoœci¹ wynosz¹c¹ 0,01 s, przy czym

9 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 65 a) b) Statyw I IV V II III Rys. 4. Stanowisko do badañ sypkoœci: a) schemat przyrz¹du; 1 lej zasypowy, 2 zasuwa, 3 uchwyt, 4 wysokoœæ usypanego sto ka, 5 podstawa, k¹t naturalnego usypu, b) schemat pomiaru promienia usypanego sto ka; I IV kolejne miejsca pomiaru promienia r usypanego sto ka pomiar powtarzano piêciokrotnie, a nastêpnie wyznaczano œredni¹ arytmetyczn¹ czasu wysypywania sypkoœci badanych granulatów. Badania k¹ta naturalnego usypu przeprowadzono wed³ug ogólnie znanych procedur i zale noœci [5, 11]. K¹t ten wyznaczano wykorzystuj¹c urz¹dzenie (rys. 4a) o sta³ym pod³o- u. Promieñ usypanego sto ka mierzono w czterech miejscach wed³ug schematu zamieszczonego na rysunku 4b. K¹t naturalnego usypu obliczano ze wzoru: arctg h r s w którym oznacza k¹t naturalnego usypu, h mierzon¹ wysokoœæ usypanego sto ka, r s œredni promieñ usypanego sto ka. Z kolei obliczano wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego w granulatu wed³ug zale noœci: w =tg 4.2. Czynniki badane W badaniach przyjêto jako czynniki badane: a) bezpoœrednio wysokoœæ sto ka usypanego granulatu h, mm, promieñ sto ka usypanego granulatu r, mm, sypkoœæ granulatu T A25,s, masê cylindra pomiarowego z granulatem m 2, kg, masê próbki granulatu w cylindrze m, kg. b) poœrednio gêstoœæ nasypow¹ granulatu n, kg/m 3, k¹t naturalnego usypu granulatu,, wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego granulatu w Czynniki zmienne prêdkoœæ obrotowa wirnika granulatora v g wynosz¹ca 4,5; 9,0; 13,5; 18,0 oraz 22,5 s -1,co odpowiada prêdkoœci obwodowej ostrza no a w osi wyt³oczyny odpowiednio 0,932; 1,865; 2,798; 3,730 i 4,663 m/s, d³ugoœæ granulki l = 7,29, 4,34, 3,22, 2,60 oraz 2,11 mm Czynniki sta³e Czynniki sta³e by³y nastêpuj¹ce: rodzaj tworzywa poli(chlorek winylu) Alfavinyl GMF/4-31TR, temperatura œcianki nastawiana w poszczególnych strefach uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki t A,t B,t C i korpusu g³owicy wyt³aczarskiej t D, wynosz¹ca odpowiednio 100, 130, 130 oraz 140 C, ciœnienie tworzywa wzd³u uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki p 1,p 2 ig³owicy wyt³aczarskiej p 3, wynosz¹ce odpowiednio 12, 24 oraz 17 MPa,

10 66 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) prêdkoœæ obrotowa œlimaka wyt³aczarki = 1,2 s -1, masa cylindra pomiarowego m 1 = 520, kg, objêtoœæ cylindra pomiarowego, V = m 3, masa próbki granulatu m g = 150 g, œrednica granulki d = 3,05 mm, wilgotnoœæ granulatu w = 0,08%, wysokoœæ zsypywania tworzywa, h z = 150 mm Czynniki zak³ócaj¹ce Jako czynniki zak³ócaj¹ce przyjêto: napiêcie pr¹du elektrycznego: od 219 do 241V, wilgotnoœæ wzglêdna powietrza: od 45 do 55%, temperatura otoczenia: od 20 do 24 C. Ocenia siê jednak, e wp³yw czynników zak³ócaj¹cych nie by³ du y i mo na go pomin¹æ. 5. Wyniki badañ W rezultacie procesu wyt³aczania z granulowaniem na ciep³o i och³adzania otrzymanych granulek w powietrzu, zachodz¹cego przy sta- ³ej prêdkoœci obrotowej œlimaka, jednakowym rozk³adzie temperatury oraz ciœnienia tworzywa wzd³u d³ugoœci uk³adu uplastyczniaj¹cego, a tak e g³owicy wyt³aczarskiej i zmiennej prêdkoœci wirnika granulatora otrzymano piêæ granulatów (rys. 5), których granulki ró ni³y siê miêdzy sob¹ wartoœci¹ tego samego wymiaru liniowego d³ugoœci¹. Wielkoœci niezbêdne do obliczenia gêstoœci nasypowej otrzymanych granulatów oraz obliczone wartoœci gêstoœci nasypowej zamieszczone zosta³y w tabeli 1. Wyniki pomiarów wielkoœci niezbêdnych do wyznaczenia k¹ta naturalnego usypu i sypkoœci (czynników badanych bezpoœrednio) zebrano w tabeli 2, natomiast obliczone wartoœci œrednie sypkoœci, k¹ta naturalnego usypu oraz wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego granulatów (czynniki badane poœrednio) w tabeli 3. n, kg/m ,5 9,0 13,5 18,0 22,5 v g,s -1 Rys. 6. Zale noœæ gêstoœci nasypowej n granulatu od prêdkoœci obrotowej v g wirnika granulatora a) b) Rys. 5. Wygl¹d granulatu uzyskanego przy prêdkoœci wirnika granulatora: a) 22,5 s -1 (d³ugoœæ granulki 2,11 mm), b) 4,5 s -1 (d³ugoœæ granulki 7,29 mm)

11 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 67 Tabela 1. Wyniki badañ gêstoœci nasypowej L.p. Prêdkoœæ obrotowa wirnika granulatora v g,s ,5 2 9,0 3 13,5 4 18,0 5 22,5 Masa granulatu w cylindrze, m, 10-3 kg 342,0 355,8 350,3 355,1 353,9 362,0 361,3 358,2 361,9 360,7 368,7 368,5 368,5 368,2 366,0 365,7 366,2 363,0 365,1 366,0 360,4 359,1 360,8 359,3 361,6 Œrednia masa granulatu w cylindrze, m, 10-3 kg 351,4 Objêtoœæ cylindra, V, m 3 Gêstoœæ nasypowa, n, kg/m 3 702,8 360,8 721,6 368,0 0, ,9 365,2 730,4 360,2 720,4 Tabela 3. Wyniki badañ sypkoœci, k¹ta naturalnego usypu oraz wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego granulatów Prêdkoœæ wirnika granulatora g, s -1 Wysokoœæ sto ka h, mm Promieñ podstawy sto ka r, mm K¹t naturalnego usypu granulatu, Wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego granulatu w Sypkoœæ granulatu T A25,s 4,5 85,8 137,00 32,06 0,63 2,77 9,0 83,4 137,00 31,63 0,61 2,02 13,5 79,9 141,25 29,49 0,57 1,62 18,0 80,0 140,25 29,70 0,57 1,51 22,5 81,8 138,25 30,61 0,59 1,43 Otrzymane wyniki przedstawiono tak e w postaci graficznej na rys. 6, jako zale noœæ gêstoœci nasypowej n granulatu od prêdkoœci obrotowej v g wirnika granulatora.

12 68 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) Tabela 2. Wyniki pomiarów sypkoœci oraz wysokoœci i promienia usypanego sto ka granulatu L.p. Sypkoœæ T A25,s Wysokoœæ sto ka h, mm Promieñ r podstawy sto ka, mm Prêdkoœæ obrotowa v g wirnika granulatora 4,5, s ,63 85, ,72 86, ,81 84, ,84 86, ,83 87, Prêdkoœæ obrotowa v g wirnika granulatora 9,0, s ,97 84, ,98 83, ,06 83, ,06 83, ,05 83, Prêdkoœæ obrotowa v g wirnika granulatora 13,5, s ,59 81, ,61 79, ,63 78, ,62 80, ,64 79, Prêdkoœæ obrotowa v g wirnika granulatora 18,0, s ,48 81, ,50 80, ,51 78, ,51 80, ,54 80, Prêdkoœæ obrotowa v g wirnika granulatora 22,5, s ,47 82, ,42 83, ,44 80, ,42 81, ,41 82, Wraz ze zwiêkszaniem prêdkoœci wirnika granulatora gêstoœæ nasypowa wytworzonych granulatów pocz¹tkowo ulega zwiêkszeniu od 702,8 kg/m 3 przy najmniejszej wartoœci prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora do 735,9 kg/m 3 przy prêdkoœci obrotowej wynosz¹cej 13,5 s -1, a nastêpnie zmniejszeniu do 720,4 kg/m 3 przy najwiêkszej z badanego zakresu wartoœci v g. Wydaje siê, e w przypadku tej zale noœci dominuj¹ce znaczenie ma kszta³t granulek, w tym przede wszystkim ich d³ugoœæ. D³ugoœæ granulek ulega³a zwiêkszaniu wraz ze zmniejszaniem prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora. Odmienny charakter ma zale noœæ sypkoœci granulatu od tego samego czynnika zmiennego (rys. 7). 2,80 T, s A25 2,40 2,00 1, v,s g -1 Rys. 7. Zale noœæ sypkoœci T A25 granulatu od prêdkoœci v g wirnika granulatora Sypkoœæ badanych granulatów ulega³a istotnemu zmniejszaniu wraz ze zwiêkszaniem prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora. Wraz ze zwiêkszeniem prêdkoœci wirnika granulatora z 4,5 s -1 do 22,5 s -1, a wiêc o 18 s -1 (400%), sypkoœæ wytworzonego granulatu zmala³a odpowiednio o 1,34 s, co odpowiada zmniejszeniu o 48% w stosunku do wartoœci pocz¹tkowej. Sypkoœæ granulatu PVC w badanym zakresie zmiennoœci prêdkoœci wirnika granulatora nie zale y od jego gêstoœci nasypowej, to znaczy maleje wraz z pocz¹tkowym wzrostem gêstoœci nasypowej i póÿniejszym jej spadkiem. W wyniku przeprowadzonych badañ uzyskano wartoœci k¹ta naturalnego usypu otrzy-

13 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 69 manego granulatu w funkcji prêdkoœci v g wirnika granulatora. Otrzymane wyniki przedstawiono tak e w postaci graficznej na rys. 8 oraz rys. 9. Przy najmniejszej wartoœci czynnika o ponownemu zwiêkszeniu do Podobnie zmienia³a siê wartoœæ wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego otrzymanych granulatów od 0,63 przez 0,57 do wartoœci wynosz¹cej 0,59. Przebieg tych zale noœci jest wiêc odwrotny do przebiegu zale noœci gêstoœci nasypowej od prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora. Jest to uzasadnione zmian¹ cech geometrycznych granulek, gdzie przy najbardziej zbli onych do siebie wartoœciach d³ugoœci i œrednicy granulek, czyli ich kszta³tu najbardziej zbli onego do sferycznego, uzyskuje siê najwiêksze upakowanie granulek w przestrzeni i jednoczeœnie najwiêksz¹ ³atwoœæ wzajemnego ich przemieszczania siê wzglêdem siebie podczas ruchu granulek v,s g -1 Rys. 8. Zale noœæ k¹ta naturalnego usypu granulatu od prêdkoœci v g wirnika granulatora 8 l, mm zmiennego uzyskano wartoœæ k¹ta wynosz¹c¹ Wraz ze wzrostem prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora wartoœæ k¹ta naturalnego usypu badanego granulatu pocz¹tkowo ulega³a zmniejszeniu, przyjmuj¹c wartoœæ minimaln¹ wynosz¹c¹ 29 29, a nastêpnie v,s g -1 µ w 0,64 Rys. 10. Zale noœæ d³ugoœci l granulek od prêdkoœci v g wirnika granulatora 0,60 0,56 0,52 4,5 9,0 13,5 18,0 22,5 v g,s -1 Rys. 9. Zale noœæ wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego w granulatu od prêdkoœci v g wirnika granulatora Sporz¹dzono równie zale noœæ d³ugoœci otrzymanych granulek od prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora (rys. 10). Dwukrotne zwiêkszenie prêdkoœci obrotowej wirnika z 4,5 do 9,0 s -1 oraz z 9,0 do 18 s -1 powoduje zmniejszenie d³ugoœci otrzymanych granulek o odpowiednio 2,95 mm i 1,74 mm, co odpowiada 40,5% oraz 40,1% d³ugoœci pocz¹tkowej.

14 70 Badania wybranych w³aœciwoœci granulatu z poli(chlorku winylu) 6. Podsumowanie badañ i wnioski W wyniku przeprowadzonych badañ otrzymano granulaty z poli(chlorku winylu) plastyfikowanego, ró ni¹ce siê jedn¹ cech¹ geometryczn¹ d³ugoœci¹ granulki, które scharakteryzowano przez wartoœæ gêstoœci nasypowej, sypkoœci, k¹ta naturalnego usypu oraz wspó³czynnika tarcia zewnêtrznego. Wraz ze zwiêkszaniem prêdkoœci wirnika granulatora ulega zmniejszeniu d³ugoœæ otrzymywanych granulek. Analogicznemu zmniejszeniu wraz ze zwiêkszaniem prêdkoœci obrotowej wirnika granulatora ulega sypkoœæ badanych granulatów, adekwatnie do zmiany d³ugoœci otrzymanych granulek. Przy najbardziej zbli onych do siebie wartoœciach d³ugoœci i œrednicy granulek, czyli ich kszta³tu najbardziej zbli onego do sferycznego, wartoœæ gêstoœci nasypowej badanych granulatów osi¹ga wartoœæ maksymaln¹, natomiast wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego granulatu wartoœæ minimaln¹, czyli wystêpuje jednoczeœnie najwiêksze upakowanie w przestrzeni oraz najwiêksza ³atwoœæ przemieszczania siê granulek wzglêdem siebie podczas ruchu granulatu. Uwzglêdniaj¹c, e najwiêksz¹ gêstoœæ nasypow¹ i najmniejszy wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego granulatu uzyskano przy obrotach wirnika granulatora wynosz¹cych 13,5 s -1, przy jednoczesnej stosunkowo ma³ej jego sypkoœci, nale y s¹dziæ, e to w³aœnie granulki o d³ugoœci 3,22 mm, a wiêc porównywalnej z ich œrednic¹, bêd¹ zapewniaæ jak najefektywniejsze przemieszczanie siê granulatu przez otwór zasypowy cylindra uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki. Tym samym mo na przypuszczaæ, e strefa zasypu uk³adu uplastyczniaj¹cego wyt³aczarki zastanie wype³niona w sposób zapewniaj¹cy odpowiednio du e natê enie przep³ywu tworzywa. Praca naukowa finansowana ze œrodków na naukê w latach jako projekt badawczy nr N N Literatura 1. Bieliñski M., Burzyñski P.: Wp³yw cech granulometrycznych materia³ów polimerowych na procesy dozowania. Postêp w przetwórstwie materia³ów polimerowych. Politechnika Czêstochowska, Czêstochowa 2002, Garbacz T., Tor A.: Wp³yw zawartoœci œrodka poruj¹cego na w³aœciwoœci u ytkowe zewnêtrznych pow³ok kabli. Polimery 2007, 52, 4, Burzyñski P., Bieliñski M.: Procesy pomocnicze w przetwórstwie tworzyw dozowanie. Przetwórstwo Tworzyw 2005, 6 (11), Breier J., Priese H.: Process optimization of double auger extruders for the production of polyvinylchloride granulations. Plaste und Kautschuk 1988, 5, Garbacz, T., Tor A.: Aspekty wytwarzania oraz w³aœciwoœci wytworów porowanych otrzymanych w procesie wyt³aczania. Zeszyty Naukowe nr 246, Chemia i Technologia Chemiczna 11, Bydgoszcz 2006, Hirvi T. J., Pakkanen T. A.: Molecular dynamics simulations of water droplets on polymer surfaces. Journal of Chemical Physics 2006, 14, Abdullah E. C., Geldart D.: The use of bulk density measurements as flowability indicators. Powder Technology 1999, 2, K³assien P.W., Griszajew I.G.: Podstawy techniki granulacji. WNT, Warszawa Praca zbiorowa pod redakcj¹ Flizikowskiego J.: Maszyny œrodowiska rolno-spo ywczego i chemicznego. Wydawnictwo AT-R w Bydgoszczy, Bydgoszcz Bieliñski M., Burzyñski P.: Dozowanie w przetwórstwie tworzyw. Polimery 2004, 4, PN-EN ISO 6186:2001. Tworzywa sztuczne. Oznaczanie sypkoœci. 12. Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych. Wydawnictwo UTP w Bydgoszczy, Bydgoszcz Iwko J.: Wybrane problemy procesu wyt³aczania tworzyw polimerowych. Cz. 4. Wyt³aczarki dwuœlimakowe. Porównanie jedno- i dwuœlimakowych uk³adów uplastyczniaj¹cych. PlastNews 2009, 1, Praca zbiorowa pod red. Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i technologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006.

15 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 71 A. PUSZ, Z. TROJNACKI Politechnika Œl¹ska Wydzia³ Mechaniczny Technologiczny Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu z wykorzystaniem FEMM programu FEMM W niniejszym artykule przedstawiono wirtualny model stanowiska, na którym symulowano pomiary przewodnoœci cieplnej. Model wirtualny jest odzwierciedleniem stanowiska rzeczywistego. Symulacje zosta³y przeprowadzone w programie FEMM wer.4.2 i tym samym ukazano jego mo liwoœci i ograniczenia. Przedstawiono wyniki pomiarów przewodnoœci cieplnej wykonane na stanowisku rzeczywistym a nastêpnie porównano je z wynikami badañ modelu wirtualnego. THE MODELLING OF THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENTS USING FEMM PROGRAM. Summary: Virtual model of thermal conductivity measuring station is show in this article. Virtual model is based on real measuring station. Simulation is made using program called FEMM ver There is also shown the capabilities and limitation of this program. Results of simulation and real time measurements are introduced and compared. Wstêp W ramach projektu Nieniszcz¹ca metoda oceny stopnia degradacji cieplnej i zmêczeniowej konstrukcyjnych kompozytów polimerowych [3] zbudowano stanowisko do badañ przewodnoœci cieplnej próbek z laminatów epoksydowo-szklanych o niestandardowych wymiarach [1, 2]. Na stanowisku by³y wykonywane pomiary przewodnoœci cieplnej. Podjêto próbê stworzenia modelu wirtualnego stanowiska i przeprowadzenia symulacji komputerowej pomiarów przewodnoœci cieplnej. Próba wirtualna ma na celu skorelowanie wyników symulacji z wynikami otrzymanymi na skonstruowanym stanowisku. Podczas pomiarów rzeczywistych wystêpuj¹ b³êdy wynikaj¹ce ze skoñczonej dok³adnoœci pomiarowej temperatury, dok³adnoœci termopar, oporów styku itp. Te b³êdy s¹ minimalizowane podczas cechowania stanowiska [2]. Podczas badañ przewodnoœci cieplnych nale y zwróciæ uwagê na to, e stanowiska do badañ s¹ g³ównie przeznaczone dla budownictwa (materia³y o ma³ym wspó³czynniku rozszerzalnoœci cieplnej), co daje zadowalaj¹ce wyniki pomiarów. Natomiast przy badaniu materia³ów o znacznym wspó³czynniku rozszerzalnoœci cieplnej (np. laminaty), rozszerzalnoœæ ta jest Ÿród³em powstawania b³êdów pomiarowych. W modelu wirtualnym wystêpuj¹ b³êdy w postaci: braku oporów styku, b³êdy wynikaj¹ce ze specyfiki siatki elementów skoñczonych, dok³adnoœci obliczeñ, itp. Znaj¹c Ÿród³a b³êdów mo emy je minimalizowaæ. W artykule przedstawione zosta³y potencjalne Ÿród³a b³êdów modelowania oraz sposoby ich minimalizacji. Program, który zosta³ wykorzystany do budowy modelu a tym samym do przeprowadzenia symulacji to FEMM (Ang. Finite Elements Method Magnetics). FEMM jest pakietem programów s³u ¹cych do rozwi¹zywania problemów p³askich, dwuwymiarowych (i trójwymiarowych) z zakresu zagadnieñ: liniowej i nieliniowej magnetostatyki,

16 72 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM magnetyki, liniowej elektrostatyki, przewodnoœci ciep³a w stanach równowagi, przep³ywu pr¹du. FEMM umo liwia dokonywania obliczeñ dla materia³u o dowolnych w³aœciwoœciach zadeklarowanych przez u ytkownika. FEMM oferuje trójwymiarowoœæ budowanych modeli na zasadnie deklarowania g³êbokoœci projektu. Najwa niejsz¹ zalet¹ FEMM jest jego dostêpnoœæ i uniwersalnoœæ. Oprogramowanie to jest udostêpnione na stronie domowej ( Autorem omawianego programu jest David Meeker. W niniejszym artykule pokazano modelowanie zagadnieñ przewodzenia ciep³a. Stanowisko rzeczywiste i model wirtualny Szkic rzeczywistego stanowiska, na którym zosta³y przeprowadzone badania przewodnoœci cieplnej przedstawia rys 1. Przeprowadzono badanie na próbkach o znanej przewodnoœci cieplnej (próbki szklane). badane na stanowisku by³y poddawane dalszym badaniom, niewskazane by³o stosowanie œrodków w postaci smarów b¹dÿ past, gdy mog³y dyfundowaæ w badan¹ próbkê [3]. Jedynym œrodkiem poœrednim by³ u yty silikon (1 mm warstwa na ch³odnicy i grza³ce), w którym dodatkowo umieszczono termopary. Podczas badania sztywne próbki mog¹ nie dolegaæ w ka dym miejscu grza³ki i ch³odnicy, wiêc zastosowano ciê arki dociskowe. Pomiary przeprowadzone by³y metod¹ quasi stacjonarn¹. Quasi stacjonarnoœæ stanowiska polega na tym, e temperatura stanu ustalonego nie jest znana. Czas pomiaru temperatury powierzchni próbki wyznaczono eksperymentalnie 600s. [3]. Celem przeprowadzenia pomiarów nale a³o wycechowaæ stanowisko. Cechowanie polega³o na wyznaczeniu strat [1]. Straty na stanowisku pomiarowym wystêpuj¹ pod postaci¹ strat ciep³a w postaci radiacji do otoczenia oraz oporów styku miêdzy próbk¹ a ch³odnic¹ i grza³k¹. Nastêpnie straty by³y uwzglêdniane przy obliczaniu przewodnoœci cieplnej. Nale y zwróciæ uwagê, e podczas pomiarów przewodnoœci cieplnej warunki brzegowe i pocz¹tkowe maj¹ fundamentalne znaczenie. Pomiary przewodnoœci cieplnej modelu w FEMM s¹ pomiarami w stanie ustalonym. Modelowanie Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1) Izolacja grza³ki; 2) Grza³ka; 3) Próbka szklana; 4) Klosz; 5) Ch³odnica; 6) Ciê arki dociskowe. Pomiary przewodnoœci cieplnej na stanowisku (rys 1.) by³y przeprowadzane w podciœnieniu. Uzyskanie podciœnienia umo liwia klosz (4) szczelnie przykrywaj¹cy uk³ad oraz pompa pró niowa. Nie stosowano adnych œrodków sprzêgaj¹cych na powierzchni grza³ki i ch³odnicy. Ze wzglêdu, e próbki Proces modelowania w programie FEMM obejmuje opracowanie modelu graficznego, podzielenie obszaru badanego na elementy skoñczone oraz przeprowadzenie obliczeñ. Przy modelowaniu nale a³o uwzglêdniæ miêdzy innymi: 1) deklaracjê obszaru granicznego ka dego z bloków materia³u. Jednak e w programie nie mo na dla jednego bloku materia³u zadeklarowaæ wiêcej ni jednego warunku granicznego (rys. 2). W przypadku materia³ów, które na brzegach musz¹ mieæ ró ne wartoœci graniczne np.: izolacja i badana próbka, mo e pojawiæ siê problem polegaj¹cy na mo liwoœci zadeklarowania tylko jednej granicy. Rozwi¹zano to poprzez tworzenie pojedynczego bloku dla ka -

17 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 73 Rys. 2. Ustalanie granicy miêdzy dwoma materia³ami. Rys. 3. Model dwóch bloków materia³ów oddalonych od siebie. Rys. 4. Automatyczna wielkoœæ siatki i jej zagêszczenie. dego materia³u a bloki oddalono od siebie (odleg³oœæ wyznaczono eksperymentalnie). W tym przypadku ka dy materia³ ma w³asn¹ granicê (rys. 3). 2) Podczas próby naniesienia siatki okaza³o siê, e program dopiero od odleg³oœci miêdzy materia³ami 0,1 µm rozpoczyna nak³adanie siatki. Natomiast górna granica, przy której

18 74 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM Rys. 5. Powiêkszony wycinek modelu obrazuj¹cy b³¹d po³¹czenia bezpoœredniego dwóch punktów. program zacznie stabilnie liczyæ (przy odleg- ³oœci 0,1 µm pojawia³y siê b³êdy) wynosi³a 0,8 µm. Ustalenie automatycznej wielkoœci elementów zagêszcza siatkê w wê szych miejscach (rys. 4). 3) Podczas ustalania minimalnej odleg³oœci miêdzy elementami program nie ³¹czy³ dwóch punktów bezpoœrednio. Przy odleg³oœci miêdzyblokowej wynosz¹cej 0,3µm punkty 1 i 2 (rys. 5) nie by³y ³¹czone program ³¹czy³ punkt nr 1 i punkt nr 3 (rys. 5). Blok o d³ugoœci 20 mm by³ dzielony. Punkty 1 i 2 by³y bezpoœrednio ³¹czone dopiero przy odleg³oœci miêdzyblokowej wynosz¹cej 0,4 µm lecz odleg³oœæ miêdzy punktami 1 i 2 wynosi³a zaledwie 20 mm. Przy odleg³oœci brzegów blo- Rys. 6. Maksymalna odleg³oœæ miêdzy bokami modelu i minimalna odleg³oœæ miêdzyblokowa modelu. Rys. 7. Zaobserwowane ró nice u³o enia siatki elementów skoñczonych budowanego modelu. a) model bez punktów poœrednich, b) model z punktami poœrednimi.

19 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 75 ku (pkt. 1 i pkt. 2) wynosz¹cej 60 mm odleg³oœæ miêdzyblokowa musi wynosiæ co najmniej 0,7 µm aby punkty by³y bezpoœrednio po³¹czone. Najwiêksza odleg³oœæ miêdzy brzegami bloków wynosi 282 mm i dopiero przy odleg³oœci miêdzyblokowej 0,8 µm zosta³y one bezpoœrednio po³¹czone (rys. 6). 4) Z koniecznoœci u ycia punktów poœrednich do ³¹czenia brzegów bloków materia³ów uzyskiwano ró ny uk³ad siatki elementów skoñczonych. Punkty poœrednie powodowa³y zwiêkszenie iloœci wêz³ów w siatce elementów skoñczonych o ok. 10% lecz nie mia³o to wp³ywy na wynik koñcowy. Warto jednak wspomnieæ o zaobserwowanych ró nicach. gdzie: Beta wspó³czynnik emisyjnoœci (dla celulozy wynosi 0,7...0,94)[4]. k sb sta³a Stefana-Boltzmana. Rubber, hard integralna czêœæ grza³ki jest to warstwa silikonu gruboœci 1 mm, o warunkach granicznych: Rys. 10. Wartoœci warunku granicznego dla silikonu. Copper, pure grza³ka i jedyny element uk³adu, który jest w postaci przewodnika (conductor), o gruboœci 0,1 mm: Materia³y i warunki brzegowe modelu W modelu u yto 6 materia³ów wziêtych bezpoœrednio z biblioteki programu: Air powietrze; o wspó³czynniku konwekcji h równej 0 oraz temperaturze 293 K, jest to temperatura ca³ego zamodelowanego uk³adu: Rys. 8. Wartoœci warunku granicznego (konwekcji) dla powietrza. Ze wzglêdu, e ca³y uk³ad badany bêdzie siê znajdowa³ w pró ni, wartoœæ wspó³czynnika konwekcji przyjêto 0. Cellulose, loose izolacja grza³ki, która by³a u yta podczas rzeczywistego pomiaru: Rys. 11. Wartoœci elementu grzejnego jako przewodnik z miedzi. Grza³kê mo na zamodelowaæ w postaci: gêsto u³o onych punktów grzejnych, gdzie ka dy z nich bêdzie Ÿród³em mocy o odpowiedniej wartoœci; w postaci warunku granicznego o zadeklarowanej wartoœci mocy W/m 2, jako element grzejny w postaci przewodnika. Window próbka poddana badaniu. Wartoœci wspó³czynników wynosi³y: Rys. 12. Wartoœci warunku granicznego dla badanej próbki szklanej. Rys. 9. Wartoœci warunku granicznego (radiacji) dla izolacji grza³ki w postaci celulozy. Aluminium, pure ch³odnica uk³adu o sta- ³ej temperaturze wynosz¹cej 293 K:

20 76 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM koñcowy (rys. 20). Menu wyboru zosta³o przedstawione poni ej (rys. 16): Rys. 13. W³asnoœci ch³odnicy u ytej w modelu. Powy ej zosta³y przedstawione poszczególne materia³y zastosowane przy modelowaniu Rys. 16. Wybór wartoœci w postaci skali kolorów. Linie graniczne miêdzy polami temperatur: Rys. 14. Uk³ad modelowy. uk³adu pomiarowego a kompletny uk³ad zosta³ przedstawiony na rys. 14 Prezentacja wyników Wyniki uzyskane podczas symulacji, mog¹ byæ przedstawione w ró ny sposób: Wektorowy obraz przep³ywu ciep³a: Rys. 17. Menu wyboru linii granicznych. Mo na po³¹czyæ ze sob¹ dwa punkty modelu. Program wyznaczy ca³kê b¹dÿ naszkicuje wykres wed³ug utworzonej krzywej. War- Rys. 15. Mo liwoœci wyboru wektorowego wyœwietlania danych wynikowych. Graficzny (w postaci skali kolorów). Taki obraz zosta³ przedstawiony jako wynik Rys. 18. Menu wyboru ca³ki.

21 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 77 toœci wykresu mog¹ byæ dodatkowo zapisane do pliku tekstowego: Rys. 19. Menu wyboru rodzaju wykresu do wyœwietlenia. Wyniki badania wirtualnego oraz analiza wyników Na kolejnym rysunku (rys. 20) zaprezentowano wynik w postaci graficznej. Nale y podkreœliæ, e FEMM umo liwia odczyt temperatury w dowolnym widocznym miejscu modelu. W celu porównania stanowiska z modelem, zosta³y wykonane zdjêcie kamer¹ termowizyjn¹. Zdjêcie wykonano po czasie ustalenia siê gradientu temperatur miêdzy grza³k¹ a ch³odnic¹ (600 s.). Zdjêcie wykonano bez pró ni i przy mocy grza³ki 1 W. Jak widaæ na zdjêciu (rys. 21) ró nice temperatury w punktach pomiarowych s¹ rzêdu 0,5 C. By³ to pomiar przy mocy grza³ki 1 W. Dla tej mocy symulacja jest obarczona niewielkim b³êdem. Badanie rzeczywiste zosta³o przeprowadzone przy mocy grza³ki wynosz¹cej 2W. Z przeprowadzonego eksperymentu rzeczywistego otrzymano przewodnoœci cieplne próbek szklanych, mieszcz¹ce siê w granicach od 0,69 [W/mK] do 0,79 [W/mK]. Rys. 20. Obraz wynikowy przeprowadzonego eksperymentu. Rys. 21. Zdjêcie porównawcze: (a) kamera termowizyjna, (b) wyniki symulacji: 1 izolacja grza³ki, 2 grza³ka z silikonem, 3 badana próbka, 4 ch³odnica z warstw¹ silikonu.

22 78 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM Wartoœci przewodnoœci cieplnych poszczególnych próbek zosta³y wprowadzone do symulacji komputerowej. Nastêpnie porównano temperatury odczytane ze stanowiska z temperaturami wynikaj¹cymi z symulacji. Wyniki przedstawiono na wykresie (rys. 22). Przy badaniu rzeczywistym temperatura (tab. 1) jest odczytywana z termopar umieszczonych w warstwie silikonu (rys. 14) o gruboœci 1 mm. Z kolei temperatura jak¹ uzyskano w symulacji, jest to œrednia temperatura grza³ki (gruboœæ 0,1 mm). Zmierzono spadek temperatury w warstwie silikonu u ytego podczas symulacji i przedstawiono na rysunku 23. Rys. 23. Spadek temperatury w warstwie silikonu dla próbki nr 1. Rys. 22. Porównanie temperatury na stanowisku oraz w programie: nr 1,2,3) próbka o gruboœci 4 mm; nr 4,5,6) próbka o gruboœci 8 mm. Z wykresu mo na odczytaæ, e ró nice temperatur s¹ niewielkie (rzêdu 0,5 ); wartoœci poszczególnych temperatur przedstawiono w tabeli 1: Tabela 1. Wartoœci temperatur odczytanych z pomiarów. Nr pomiaru Temperatura [K]/[ C] Stanowisko Symulacja 1 306,6/33,4 307,0/33, ,7/33,5 306,8/33, ,9/33,7 307,1/33, ,9/35,7 309,0/35, ,8/35,6 308,7/35, ,3/36,1 308,9/35,7 Przedstawiono spadek temperatury w warstwie silikonu w celu zobrazowania ró nicy temperatury w zale noœci od punktu odczytu. Zatem ró nice w odczytach temperatur (tab. 1) spowodowane s¹ dwoma przyczynami: a) termopary w uk³adzie rzeczywistym maj¹ okreœlon¹ œrednicê, b) po³o enie termopary wzglêdem próbki i grza³ki jest trudne do okreœlenia ze wzglêdów technologicznych. Ró nice pomiêdzy temperaturami uzyskanymi podczas symulacji oraz w czasie pomiarów rzeczywistych wynosz¹ nie wiêcej ni 0,4 (tab. 1). Zatem ró nice s¹ na poziomie ok. 5% co jest wynikiem zadowalaj¹cym. Symulacje w programie FEMM s¹ przeprowadzane w stanie ustalonym a stan ustalony podczas pomiarów rzeczywistych uzyskuje siê po 600s. [3]. W FEMM ie jak i badaniu rzeczywistym nie deklarowano temperatury grza³ki lecz jej moc. Z tego wynika, e czas ustabilizowania siê temperatury grza³ki (pomiar rzeczywisty), a zatem czas zakoñczenia pomiaru by³ dobrze dobrany, co potwierdzaj¹ odczyty temperatur (tab. 1).

23 Modelowanie pomiarów przewodnoœci cieplnej z wykorzystaniem programu FEMM 79 Podsumowanie i wnioski Program FEMM jest uniwersalnym narzêdziem in ynierskim do przeprowadzenia symulacji komputerowej z zakresu magnetyki, elektrostatyki, przep³ywu ciep³a i pr¹du. Zalety programu: mo liwoœci zadeklarowania w³asnych materia³ów, umo liwia szybkie badania oraz korekty, umo liwia ustalenie ró nych warunków eksperymentu, prostota rysowania modelu, ró ne sposoby obrazowania wyników, do dzia³ania programu nie jest wymagany komputer o du ej mocy obliczeniowej. Wady programu: zbyt ma³a odleg³oœæ miêdzy elementami uniemo liwia obliczenia, przy ma³ych odleg³oœciach program nie ³¹czy ¹danych punktów, d³ugi czas oczekiwania na graficzne przedstawienie skomplikowanych obliczeñ, pliki wynikowe zajmuj¹ du ¹ przestrzeñ dyskow¹, program nie wykorzystuje pe³nej mocy obliczeniowej komputera. Z porównania eksperymentów rzeczywistego i wirtualnego mo na wywnioskowaæ e: wyniki uzyskane z symulacji nie odbiegaj¹ od wyników rzeczywistych (rys. 22), podczas konstruowania modelu nale y uwzglêdniæ ograniczenia programowe (wymienione we wczeœniejszych punktach), w symulacji nale y dok³adnie sprecyzowaæ warunki brzegowe, FEMM okaza³ siê odpowiednim programem do sprawdzenia poprawnoœci dzia³ania stanowiska. Po³¹czenie programu FEMM oraz badañ rzeczywistych daje mo liwoœci takie jak: sprawdzenie poprawnoœci badañ na stanowisku, stworzenie dowolnego modelu w szybkim czasie, sprawdzenia sensownoœci eksperymentu bez ponoszenia kosztów itp. Literatura 1. Pusz A., Chrobok Z.: Projekt stanowiska do badañ przewodnoœci cieplnej laminatów, Monografia pod redakcj¹ G. Wróbla, Cieszyn Pusz A., Chrobok Z.: Ocena cech metrologicznych stanowiska do pomiarów przewodnoœci cieplnej metod¹ quasi-stacjonarn¹, Monografia pod redakcj¹ G. Wróbla, Cieszyn Nr projektu: N /2474 Nieniszcz¹ca metoda oceny stopnia degradacji cieplnej i zmêczeniowej konstrukcyjnych kompozytów polimerowych 4. content&view=article&id=305:informacja-techniczna-infrared&catid=21:informacja-techniczna&itemid=55 5. Sk³adzieñ J.: Termokinetyka dla elektryków, Gliwice: Wydaw. Politechniki Œl¹skiej,

24 80 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie Józef RICHERT, Mariusz B ASZKOWSKI, Dariusz UBKOWSKI Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników ul. M. Sk³odowskiej-Curie 55; Toruñ tel. (+48) (56) (23), j.richert@impib.pl Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie W pracy przedstawiono wytyczne do opracowania pojemnika do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych dla potrzeb medycyny. Badania w³aœciwoœci mechanicznych wykonano metod¹ statycznego rozci¹gania, w³aœciwoœci przetwórcze badano za pomoc¹ masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia (MFR), w³aœciwoœci u ytkowe okreœlano metodami pomiaru przenikalnoœci pary wodnej i skurczu wtryskowego wzd³u nego. Zaobserwowano, e najwiêksz¹ wartoœæ wytrzyma- ³oœci na rozci¹ganie, naprê enia przy zerwaniu i wspó³czynnika sprê ystoœci wzd³u nej posiada polietylen HD-PE Liten typ BB29 H. Ponadto zaobserwowano, e tworzywo to posiada najmniejsz¹ przenikalnoœæ pary wodnej w stosunku do badanych materia³ów i niewielki skurcz wtryskowy wzd³u ny. Ogólnie mo na stwierdziæ, e wytypowane materia³y zarówno na pojemnik, jak i na jego zamkniêcie mog¹ byæ wykorzystane do wytwarzania pojemnika przeznaczonego do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych dla potrzeb medycyny. WORKING OUT OF CONTAINER FOR MEDICAL MATERIALS. The directives for working out of container and for storing the disinfecting handkerchiefs for medical use have been presented In this work. The mechanical research has been carried out by tensile strength measurements; the processing properties have been determined by measuring MFR index and functional properties have been determined by measuring water vapor permeation and injection-moulding longitudinal shrinkage factor behavior. It has been stated that the highest tensile strength, tensile strength at break and elasticity modulus has PE resin type Liten HDPE BB29H. Moreover, it has also been stated that this resin has the lowest water vapor permeation and low injection-moulding longitudinal shrinkage factor compared to tested materials. The summarize the problem one can say that the selected materials for container and its closure may be used for storing above mentioned objects. 1. WPROWADZENIE Jednorazowe chusteczki dezynfekcyjne s¹ wyrobem szybko zdobywaj¹cym rynek medyczny, a tak e inne (m.in. farmaceutyczny i kosmetyczny). S³u ¹ one do oczyszczania i dezynfekowania powierzchni cia³a lub narzêdzi przeznaczonych do wykonywania wszelkich zabiegów, w tym chirurgicznych. Chusteczki dezynfekcyjne konfekcjonowane s¹ w pojedynczych opakowaniach lub zbiorczo w szczelnie zamkniêtych pojemnikach umo liwiaj¹cych odrywanie jednej lub kilku chusteczek jednoczeœnie. Chusteczki te nas¹czone s¹ œrodkiem dezynfekuj¹cym, najczêœciej w postaci ciek³ego alkoholu izopropylenowego. Podstawowym warunkiem determinuj¹cym, powszechne stosowanie tych chusteczek jest ich cena, a tak e odpowiednie zaprojektowanie pojemnika i jego zamkniêcia. Przy wyborze tworzywa na pojemnik do chusteczek dezynfekcyjnych nale y zwróciæ szczególn¹ uwagê na ewentualn¹ mo liwoœæ stosowania jednego tworzywa na pojemnik i jego zamkniêcie. Do formowania metod¹ rozdmuchu nadaj¹ siê zarówno wysoko, jak i nis-

25 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie 81 kociœnieniowe polietyleny [1 2]. W przypadku polietylenu niskociœnieniowego stosuje siê jednoœlimakowe zespo³y uplastyczniaj¹ce, które wyposa one s¹ w g³owice k¹towe. Stosuje siê tak e œlimaki o œrednicy D od 45 do 120 mm i stosunku sprê ania od 1:3 do 1:4. D³ugoœæ œlimaka powinna byæ wiêksza ni 25D. Nale y braæ pod uwagê gêstoœæ tworzywa, poniewa od niej w du ym stopniu zale y temperatura przetwórstwa. Dla polietylenu o gêstoœci 0,960 g/cm 3 zaleca siê temperatury od 200 do 220 C, podczas gdy dla gêstoœci 0,920 g/cm 3 wystarczaj¹ temperatury od 110 do 150 C. Ponadto nie jest wymagane ch³odzenie œlimaka [3 5]. Dok³adnoœæ regulacji temperatury umo liwia uzyskanie równomiernej gruboœci œcianek w czasie wyt³aczania i zapobiega wewnêtrznym naprê eniom. Piaskowanie gniazd formuj¹cych umo liwia uzyskanie powierzchni wyrobu o wysokiej jakoœci. Zaleca siê przyjmowaæ skurcz wtryskowy wzd³u ny na poziomie 1,5% dla wysokociœnieniowego i 2,5% dla niskociœnieniowego polietylenu [6 7]. Celem projektu by³o zbadanie wybranych w³aœciwoœci fizykochemicznych takich, jak: (a) wytrzyma³oœæ mechaniczna przy statycznym rozci¹ganiu; (b) masowy wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia; (c) przenikalnoœæ pary wodnej; (d) gêstoœæ oraz (e) skurcz wtryskowy wzd³u ny. Wyniki tych badañ bêd¹ wykorzystane jako wytyczne do opracowania pojemnika s³u ¹cego do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych i jego zamkniêcia. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE 2.1. Materia³y Do wytwarzania badanych pojemników zastosowano: Polietylen HD-PE Hostalen typ GF 4750 (Basell Orlen w P³ocku, Polska), oznaczony dalej cyfr¹ 1 ; o masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MFR 2,16 kg, 190 C) o wartoœci 1,5 g/10min i gêstoœci 0,950 g/cm 3, przeznaczony do formowania z rozdmuchem, stanowi¹cy materia³ na pojemnik i zamkniêcie. Polietylen HD-PE Hostalen typ ACP 5831 D, (Basell Orlen w P³ocku, Polska), oznaczony dalej cyfr¹ 2 ; o masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MFR 2,16 kg, 190 C) o wartoœci 0,25 g/10 min i gêstoœci 0,959 g/cm 3, przeznaczony do formowania z rozdmuchem, stanowi¹cy materia³ na pojemnik i zamkniêcie. Polietylen HD-PE Liten typ BB29 H (Unipetrol, RPA); oznaczony dalej cyfr¹ 3 ; o masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MFR 2,16 kg, 190 C) o wartoœci 0,25 g/10min i gêstoœci 0,955 g/cm 3, przeznaczony do formowania z rozdmuchem, stanowi¹cy materia³ na pojemnik i zamkniêcie. Kopolimer etylenowo-polipropylenowy PP typ Moplen RP348T (Basell Orlen w P³ocku, Polska), oznaczony dalej cyfr¹ 4 ; o masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MFR 2,16 kg, 230 C) o wartoœci 48 g/10min i gêstoœci 0,900 g/cm 3, przeznaczony do wtryskiwania stanowi¹cy dodatkowy materia³ na zamkniêcie Aparatura badawcza W badaniach korzystano z nastêpuj¹cej aparatury: Wyt³aczarki jednoœlimakowej typu Plasti- Corder PLV 151 (Brabender, Niemcy), o œrednicy œlimaka 19,5 mm i L/D=25, wyposa onej w g³owicê p³ask¹ o szerokoœci dyszy 170 mm, z regulowan¹ wielkoœci¹ szczeliny i wspó³pracuj¹c¹ z g³adziark¹ trójwalcow¹ o œrednicy walców 110 mm, których temperatura by³a stabilizowana przy pomocy termostatu. Wtryskarki typu Battenfeld Plus 35/75 UNI- LOG B2 (Battenfeld GmbH, Niemcy), o œrednicy œlimaka 22 mm, objêtoœci wtrysku 38 cm 3 i nominalnym ciœnieniu wtrysku 200 MPa, przeznaczonej do wytwarzania próbek bêd¹cych przedmiotem badañ w³aœciwoœci mechanicznych i skurczu wtryskowego wzd³u nego.

26 82 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie Maszyny wytrzyma³oœciowej typu TIRA- TEST (TIRA GmbH, Niemcy), przeznaczonej do oznaczania w³aœciwoœci mechanicznych przy statycznym rozci¹ganiu, a w szczególnoœci: wytrzyma³oœci ( M )na rozci¹ganie, naprê enia ( B ) przy zerwaniu, wyd³u enia wzglêdnego ( M ) przy maksymalnym rozci¹ganiu, wyd³u enia wzglêdnego ( B ) przy zerwaniu i wspó³czynnika E sprê ystoœci wzd³u nej. Plastometru kapilarnego, (Dynisco, LMI 4003, USA), przeznaczonego do badañ masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia. Aparatu typu L (PBI-Dansensor, Niemcy), przeznaczonego do badañ przenikalnoœci pary wodnej. Automatycznego piknometru gazowego (helowego) UPY-20, (Ultrapyctnometer 1000, Quantachrome Instruments, USA), przeznaczonego do badañ gêstoœci Metodyka badañ Próbki przygotowano i badania przeprowadzono w nastêpuj¹cy sposób: Próbki do badañ w³aœciwoœci mechanicznych wykonywano metod¹ wtryskiwania zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 294-1:2002. Zosta³y one oznaczone takimi samymi symbolami, jak cyfry granulatów s³u ¹cych do ich wytworzenia. Badania prowadzone metod¹ statycznego rozci¹gania wykonywano zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 527-1:1998, z t¹ ró nic¹, e jako wynik badania przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ wyników badañ dziesiêciu próbek (a nie piêciu próbek, jak stanowi norma). Pomiary masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia przeprowadzono zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 1133:2006. Dla ka dej próbki wykonano po piêæ pomiarów, a za wynik badania przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ z tych piêciu pomiarów. Oznaczenie przenikalnoœci pary wodnej przeprowadzono zgodnie z norm¹ PN-EN ISO :2007. Dla ka dej próbki wykonywano po piêæ pomiarów, a za wynik badania przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ z tych piêciu pomiarów. Œrednia gruboœæ wyt³aczanej folii wynosi³a 100 µm. Badanie gêstoœci piknometrem gazowym by³o przeprowadzone zgodnie z norm¹ PN-EN ISO :2003. Dla ka dej próbki wykonano po piêæ pomiarów, a za wynik badania przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ z tych piêciu pomiarów. Badanie skurczu wtryskowego wzd³u nego przeprowadzono przy u yciu wtryskarki laboratoryjnej opisanej w rozdziale 2.2 i polega³o ono na pomiarze ró nicy procentowej pomiêdzy wtryœniêt¹ próbk¹ do badañ, a gniazdem formy. Dla ka dej próbki wykonano po dziesiêæ pomiarów, a za wynik badania przyjmowano œredni¹ arytmetyczn¹ z tych dziesiêciu pomiarów. Przeprowadzono równie ocenê statystyczn¹ uzyskanych wyników, aby rozstrzygn¹æ, czy ró ni¹ siê one istotnie od siebie. 3. WYNIKI I DYSKUSJA 3.1 Wyniki prób statycznego rozci¹gania Zmiany M, B, M, B i E w zale noœci od rodzaju badanego tworzywa, przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki badañ w³aœciwoœci mechanicznych przy statycznym rozci¹ganiu Table 1. Results of mechanical properties tensile strength Lp. Rodzaj próbki W³aœciwoœci mechaniczne przy statycznym rozci¹ganiu M [MPa] B [MPa] max [%] B [%] E [MPa] ,3 30,5 11,9 27,4 150, ,0 30,2 9,3 17,9 960, ,6 58,6 10,7 10,7 1303, ,0 42,1 31,1 32,1 1100,0 Z tabeli tej wynika, e uzyskane wartoœci poszczególnych parametrów dla badanych

27 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie 83 próbek s¹ zró nicowane. Próbka nr 3 posiada najwiêksz¹ wartoœæ M w stosunku do próbek 1, 2 i 4 (odpowiednio ok. 36%, 37% i 51%), analogicznie wartoœci B s¹ wiêksze odpowiednio o ok. 48%, 48% i 28%. Wartoœci M nie ró ni¹ siê istotnie miêdzy sob¹ poza próbk¹ nr 4, w której wartoœæ ta jest wiêksza od M dla próbek 1, 2 i 3 odpowiednio ponad 2- i ok. 3-krotnie. Wartoœæ B próbki 4 jest wiêksza od wartoœci M próbek 2 i 3 ponad 1- i 3-krotnie. Natomiast wartoœci te w próbkach 1 i 4 nie ró ni¹ siê miêdzy sob¹ istotnie. Wartoœæ E próbki 3 jest wiêksza ponad 8-krotnie od wartoœci E próbki 1 oraz odpowiednio o 26,3% i 15,6% wiêksza w próbkach 2i4. Mo na przypuszczaæ, e zmniejszanie siê wartoœci badanych parametrów, spowodowane by³o ograniczeniem mo liwoœci odkszta³cania siê makrocz¹steczek w próbce nr 3 (nastêpuj¹cych pod wp³ywem obci¹ eñ zewnêtrznych). W zwi¹zku z powy szym próbka nr 3 posiada mniejsz¹ podatnoœæ na odkszta³cenia wzd³u ne zachodz¹ce pod wp³ywem rozci¹gania zachowuj¹c wiêksz¹ stabilnoœæ kszta³tu Wyniki oznaczania masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia Wyniki badañ masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia (MFR) przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki badañ masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia Table 2. Results of the MFR index measurements Lp. Rodzaj próbki MFR [g/10min] , , , ,000 Mo na zauwa yæ, e wartoœci MFR badanych próbek ró ni¹ siê miêdzy sob¹. Z tabeli 2 wynika, e próbka nr 3 charakteryzuje siê wiêksz¹ wartoœci¹ MFR w stosunku do próbek 1 i 2 odpowiednio o ok. 16% i 28%. Zmiany tych wartoœci nie powoduj¹ jednak dodatkowych utrudnieñ w przetwórstwie. Próbka oznaczona numerem 4 charakteryzuje siê najwiêksz¹ wartoœci¹ MFR, co mo e utrudniaæ proces formowania z rozdmuchem pojemnika, natomiast mo e mieæ zastosowanie przy wytwarzaniu jego zamkniêcia metod¹ wtryskiwania Wyniki oznaczania przenikalnoœci pary wodnej Wyniki badañ przenikalnoœci (P V ) pary wodnej przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki badañ przenikalnoœci pary wodnej Table 3. Results of the water vapor permeation measurements Lp. Rodzaj próbki P V [g/m 2 24h] , , , ,2 Mo na zauwa yæ, e wartoœci P V czterech próbek ró ni¹ siê miêdzy sob¹ istotnie. Z tabeli 3 wynika, e próbka nr 3 posiada najmniejsz¹ przenikalnoœæ pary wodnej (zwiêkszenie barierowoœci) w stosunku do próbki 1, 2 i 4 (odpowiednio o ok. 112%, 48% i 2,5%). Mo e byæ to spowodowane bardziej równomiernym u³o eniem makrocz¹steczek polimeru, który w znaczny sposób wyd³u a drogê dyfuzji przenikalnoœci pary wodnej w badanej próbce Wyniki oznaczania gêstoœci Wyniki badañ gêstoœci (d) przedstawiono w tabeli 4. Z tabeli 4 wynika, e badane próbki, za wyj¹tkiem próbki nr 4, maj¹ zbli on¹ gêstoœæ (jej wartoœci nie ró ni¹ siê istotnie miêdzy sob¹). Ni sza wartoœæ gêstoœci dla próbki 4

28 84 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie nie powoduje utrudnieñ w przetwórstwie tworzyw polimerowych przeznaczonych na pojemniki. Tabela 4. Wyniki badañ gêstoœci Table 4. Results of density measurements Lp. Rodzaj próbki d [g/cm 3 ] , , , , Wyniki oznaczania skurczu wtryskowego wzd³u nego Wyniki badañ skurczu wtryskowego wzd³u nego przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wyniki badañ skurczu Table 5. Results of shrinkage measurements Lp. Rodzaj próbki Wyniki [mm] Skurcz [%] ,75 2, ,19 2, ,87 2, ,85 2,45 Z tabeli 5 wynika, e badane próbki maj¹ zbli one wartoœci skurczu wtryskowego wzd³u nego i nie ró ni¹ siê istotnie miêdzy sob¹. Najbardziej zbli one wartoœci skurczu wtryskowego wzd³u nego wykazuj¹ próbki 3 i 4. Z tego wzglêdu te próbki mog¹ mieæ zastosowanie do wytwarzania pojemnika i jego zamkniêcia Opracowanie wytycznych dla pojemnika Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzonych badañ opracowano wytyczne dla pojemnika do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych i jego zamkniêcia. W tabeli 6 przedstawiono wymiary jakie powinien posiadaæ pojemnik, a w tabeli 7 wymiary jego zamkniêcia. Tabela 6. Wytyczne konstrukcyjne modelu pojemnika Table 6. Constructional directives of container model Mierzona wielkoœæ Wartoœæ Wysokoœæ pojemnika [mm] 205 Œrednica [mm] 85 Pojemnoœæ [cm 3 ] 950 Masa [g] 55 Gruboœæ œcianki [mm] 1,055 Tabela 7. Wytyczne konstrukcyjne zamkniêcia pojemnika Table 7. Constructional directives of container closure Mierzona wielkoœæ Wartoœæ Wysokoœæ zamkniêcia [mm] 28 Œrednica zamkniêcia [mm] 85 Masa zamkniêcia [g] 10 Gruboœæ œcianki [mm] 1, WNIOSKI Przedstawione wyniki badañ s¹ podstaw¹ do sformu³owania nastêpuj¹cych wniosków: 1. Dobór oraz przeprowadzenie niezbêdnych badañ w³aœciwoœci fizykochemicznych pozwoli³y na wytypowanie rodzaju materia³u polimerowego na pojemnik i jego zamkniêcie. 2. Do wytwarzania pojemnika wytypowano HD-PE typ Liten BB29H, a na jego zamkniêcie PP typ Moplen RP348T. 3. Zmiany procentowe wartoœci masowego wskaÿnika szybkoœci p³yniêcia próbek 1, 2 i 3 nie powoduj¹ dodatkowych utrudnieñ w przetwórstwie tworzyw polimerowych. 4. Obni ona przenikalnoœæ pary wodnej jest cech¹ pozytywn¹ w zastosowaniu badanych materia³ów dla pojemnika i jego zamkniêcia. 5. Wytworzony z wytypowanych materia³ów pojemnik wraz z zamkniêciem mo e byæ stosowany do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych dla potrzeb medycyny.

29 Opracowanie pojemnika do przechowywania materia³ów stosowanych w medycynie 85 Literatura [1] Zawistowski, H.: Wyt³aczanie tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Poradników i Ksi¹ ek Technicznych 1999, s [2] Hutny W.: Wtrysko-rozdmuch (ISBM), Opakowanie 2006, nr 6, s. 20. [3] Stasiek J.: Wyt³aczanie tworzyw polimerowych. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwo Uczelniane UTP w Bydgoszczy [4] Pepliñski K., Bieliñski M.: Ocena wybranych w³aœciwoœci przetwórczych i u ytkowych wytworów wyt³aczanych z rozdmuchiwaniem, Teka Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. OL PA 2008, s [5] Sikora R. (red.): Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej [6] Pepliñski K., Ohla A., Bieliñski M.: Projektowanie i wytwarzanie form do wyt³aczania z rozdmuchiwaniem (czêœæ 1), Przetwórstwo Tworzyw 2006, nr 1-2, s. 12. [7] Pepliñski K., Ohla A., Bieliñski M.: Projektowanie i wytwarzanie form do wyt³aczania z rozdmuchiwaniem (czêœæ 2), Przetwórstwo Tworzyw 2006, nr 3-4, s. 63. Praca wykonana w ramach Projektu Celowego nr ROW-III pt. Uruchomienie produkcji specjalistycznych pojemników z tworzyw polimerowych przeznaczonych do przechowywania chusteczek dezynfekcyjnych.

30 86 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego ukasz WIERZBICKI, Józef STABIK, Krzysztof SITEK Politechnika Œl¹ska Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego Streszczenie. W artykule przedstawiono krótki opis w³aœciwoœci w³ókien bazaltowych i kompozytów polimerowych z ich udzia³em. W dalszej czêœci artyku³u przedstawiono wyniki badañ mechanicznych jakim zosta³y poddane próbki kompozytów epoksydowo-bazaltowych oraz epoksydowo-szklanych. Kompozyty wykonano popularn¹ metod¹ laminowania rêcznego. Z uzyskanych p³yt wyciêto próbki badawcze strumieniem wodnoœciernym. Na uzyskanych próbkach przeprowadzono badania wytrzyma³oœci na zginanie oraz wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe. W podsumowaniu porównano uzyskane wartoœci w³asnoœci mechanicznych. BASIC MECHANICAL PROPERTIES OF EPOXY-BASALT COMPOSITE Summary. This article presents a short description of the basalt fibres properties and properties of polymer composites containing basalt fibres. The next part of article presents results of the mechanical properties investigation of the glass-epoxy and basalt-epoxy composites. The composites were prepared by popular contact lamination method. Samples were cut from prepared plates using abrasive water jet method. The obtained samples were tested to evaluate flexural strength and interlaminar shearing strength. In the summary achieved mechanical properties were compared. 1. WSTÊP Stosowane techniczne w³ókna a nastêpnie tkaniny i maty bazaltowe s¹ produkowane ze ska³ bazaltowych, które s¹ litymi minera³ami pochodzenia wulkanicznego. S¹ to ska³y magmowe o strukturze afanitowej, czasami porfirowej oraz barwie czarnej, zielonej lub szarej. Bazalt to kamieñ bardzo twardy i odporny na oddzia³ywanie œrodowisk kwaœnych i zasadowych [1,2]. W³aœciwoœci bazaltu pozwalaj¹ na jego wykorzystanie, w wielu dziedzinach przemys³u, na przyk³ad w budownictwie, motoryzacji, przemyœle stoczniowym czy produkcji sprzêtu sportowego. Najczêœciej bazalt jest wykorzystywany do wytwarzania we³ny mineralnej oraz w³ókien ciêtych. Próby stosowania w³ókien bazaltowych jako materia³u wzmacniaj¹cego w kompozytach polimerowych na szersz¹ skalê rozpoczê- ³y siê w latach 90-tych ubieg³ego wieku. Szczególne nasilenie badañ kompozytów polimerowo-bazaltowych obserwuje siê w pierwszej dekadzie XXI wieku. Nastêpstwem tych prób by³y liczne badania okreœlaj¹ce cechy u ytkowe oraz próby znalezienia szczególnych w³aœciwoœci, które wyró nia³yby w³ókna bazaltowe na tle innych w³ókien technicznych. Postêp w dziedzinie wytwarzania w³ókien bazaltowych powoduje, e kompozyty nimi wzmacniane zyskuj¹ coraz wiêcej zastosowañ [3,4]. W³ókna bazaltowe wykorzystywane s¹ zarówno w kompozytach o osnowie utwardzalnej jak i termoplastycznej [3-7]. Podejmowane s¹ te próby tworzenia kompozytów hybrydowych z udzia³em w³ókien bazaltowych [8-10]. Pozwala to po³¹czyæ zalety wielu ró nych wzmocnieñ w jednym kompozycie. Wytwarzone s¹ te kompozyty hybrydowe z udzia³em w³ókien bazaltowych i nanonape³niaczy [8]. Rezultaty przeprowadzonych przez Novitskiego i Sudakova badañ [11] wskazywa³y, e w³ókna bazaltowe posiadaj¹ podobne w³as-

31 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego 87 noœci jak w³ókna szklane i mog¹ byæ u yte jako tañsza ich alternatywa. Podkreœla siê, e w kompozytach z udzia³em w³ókien bazaltowych mo na uzyskiwaæ w³aœciwoœci mechaniczne nieco lepsze ni w kompozytach polimerowo-szklanych, ale problemem jest trudniejsze przetwórstwo w³ókien bazaltowych ze wzglêdu na ich kruchoœæ [4], Tak e badania Czigany ego [12] potwierdzaj¹, e w³ókna bazaltowe mog¹ stanowiæ alternatywê dla w³ókien szklanych w kompozytach polimerowych. Poza tym autor ten za szczególnie cenn¹ uznaje mo liwoœæ zast¹pienia w³ókien azbestowych w³óknami bazaltowymi, jeœli tylko ich przyczepnoœæ do osnowy polimerowej bêdzie odpowiednia, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakoœci i atrakcyjnej ceny finalnego kompozytu. Wielu autorów [12,4,10,13] uwa a e przysz³oœæ kompozytów polimerowych z w³óknem bazaltowym koncentrowaæ siê bêdzie na wykorzystaniu wyj¹tkowych w³aœciwoœci w³ókien bazaltowych, szczególnie pod k¹tem ich odpornoœci na ogieñ i korozjê. Tezê t¹ potwierdza tak e, publikacja [14], w której autorzy zestawiaj¹ wyniki badañ wytrzyma³oœci w³ókien szklanych z bazaltowymi w zale noœci od temperatury badania. Z badañ tych jednoznacznie wynika, e w wy szych temperaturach lepsz¹ wytrzyma³oœæ posiadaj¹ w³ókna bazaltowe, natomiast w temperaturze pokojowej dorównuj¹ w³óknom szklanym typu E. Niektórzy autorzy wskazuj¹ [15], e niezalecane jest zak³adanie wysokiej odpornoœci korozyjnej w³ókien bazaltowych. Okaza³o siê bowiem, e przy nieadekwatnej strukturze, korozja chemiczna zaatakuje oba rodzaje w³ókien do tego stopnia, e siê rozpadn¹. Zaobserwowano tak e, e odpornoœæ na czynniki chemiczne obu w³ókien nie zawsze koreluje z ich w³aœciwoœciami mechanicznymi. Jak we wszystkich rodzajach kompozytów, tak i w przypadku kompozytów polimerowo-bazaltowych istotny jest problem adhezji pomiêdzy osnow¹ polimerow¹ a wzmocnieniem. Problemowi temu poœwiêca siê coraz wiêcej uwagi poszukuj¹c skutecznych metod zwiêkszenia wiêzi adhezyjnej. Wyniki badañ wskazuj¹, e odpowiednio przeprowadzona obróbka powierzchni w³ókien bazaltowych bardzo znacznie poprawia w³aœciwoœci mechaniczne i odpornoœæ kompozytów na agresywne oddzia³ywania [9,15]. Porównanie niektórych w³aœciwoœci w³ókien szklanych, azbestowych z bazaltowymi przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Porównanie niektórych w³aœciwoœci w³ókien z ró nych materia³ów [1] Temperatura zastosowania [ C] Temperatura topnienia [ C] W³ókna bazaltowe od -260 do 700 W³ókna szklane od -60 do 460 W³ókna azbestowe do Gêstoœæ [kg/dm 3 ] 2,60 2,80 2,52 2,6 2 2,6 Modu³ E [GPa] Inne publikacje [1,3,7] wskazuj¹ na unikalne w³aœciwoœci fizykochemiczne i u ytkowe w³ókien bazaltowych, nieosi¹galne dla tradycyjnych w³ókien szklanych. Do najwa niejszych zalicza siê wytrzyma³oœæ laminatów porównywaln¹ do laminatów wzmacnianych w³óknami aramidowymi, a tak e odpornoœæ termiczna dorównuj¹c¹ wyrobom azbestowym. Maj¹ wyró niaæ siê te wytrzyma³oœci¹ na czynniki mechaniczne, szerokim zakresem temperatury stosowania oraz maj¹ byæ produktem proekologicznym. Jak mo na zauwa yæ, publikacje naukowe dotycz¹ce w³ókien bazaltowych, sugeruj¹ zbli- on¹ b¹dÿ lepsz¹ wytrzyma³oœæ w porównaniu z w³óknami szklanymi. Zainteresowani tym faktem autorzy postanowili przeprowadziæ w³asne badania, dotycz¹ce niektórych w³aœciwoœci mechanicznych laminatów wzmacnianych tkaninami bazaltowymi. 2. EKSPERYMENT Plan czêœci eksperymentalnej przewidywa³ porównanie w³aœciwoœci mechanicznych dwóch kompozytów o tej samej osnowie epo-

32 88 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego ksydowej, lecz o dwóch ró nych rodzajach wzmocnienia. Pierwszym z kompozytów by³ laminat wzmocniony tkanin¹ bazaltow¹. Drugi kompozyt stanowi³ materia³ porównawczy i by³ laminatem wykonanym ze wzmocnieniem tkanin¹ szklan¹ o gramaturze zbli onej do gramatury tkaniny bazaltowej. Jako kryteria porównawcze wybrano wytrzyma³oœæ i modu³ Younga, okreœlone w statycznej próbie zginania, oraz odpornoœæ na œcianie miêdzywarstwowe Badane materia³y Jako osnowê kompozytów zastosowano ywicê epoksydow¹ produkcji krajowej Epidian 6 Przygotowanie próbek badawczych zaczêto od wyciêcia z rolek tkaniny bazaltowej i tkaniny szklanej fragmentów materia³u w kszta³cie kwadratu o powierzchni ok. 900 cm 2 (30 30 cm). Do wykonania p³yt laminatowych, z których pozyskano próbki badawcze, u yto po 25 warstw tkanin. P³yty wykonano metod¹ laminowania rêcznego. Otrzymane laminaty pozostawione zosta³y przez dwie doby w celu utwardzenia ywicy. Po okresie 48 godzin p³yty laminatowe zosta³y oddzielone od pod³o a formy, na której by³y laminowane. P³yty zosta- ³y umieszczone w suszarce o temperaturze 60 C na czas 60 godzin celem dotwardzenia ywicy. Nastêpnie z tak przygotowanych p³yt kompozytowych dokonano wyciêcia próbek. Próbki kompozytu bazaltowego i kompozytu szklanego zosta³y wyciête na wymiar zgodny z zaleceniami norm PN-EN ISO oraz PN-EN ISO W jednej, jak i w drugiej normie zalecanymi wymiarami próbek przy gruboœci nominalnej 5 mm jest szerokoœæ wynosz¹ca 25 mm oraz d³ugoœæ 120 mm. Próbki z p³yt kompozytowych zosta³y wyciête strumieniem wodno-œciernym. Wybrano Tabela 2. Podstawowe cechy u ytych tkanin wzmacniaj¹cych Wzmocnienie BAZALTOWE SZKLANE Oznaczenie producenta tkaniny PBYR KV12 Plain STR Masa powierzchniowa (gramatura) 210 g/m ± 12 g/m 2 Gruboœæ 0,16 mm Rodzaj splotu a ur a ur utwardzan¹ trietylenotetraamin¹ (utwardzacz Z1). Oba sk³adniki by³y wyprodukowane przez Zak³ady Chemiczne Organika-Sarzyna SA. Wzmocnieniem by³y dwie tkaniny wykonane z ró nych materia³ów. Podstawowe cechy zastosowanych materia³ów s³u ¹cych za wzmocnienia laminatów przedstawiono w tabeli Wykonanie próbek badawczych Rys. 1. Próbki badawcze ze wzmocnieniem bazaltowym (u góry) i ze wzmocnieniem szklanym (poni ej). Fig. 1. Testing samples reinforced with basalt fibres (top) and reinforced with glass fibres (below)

33 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego 89 tê metodê, jako e z wszystkich znanych powoduje najmniejsze uszkodzenia brzegów próbki i nie nara a materia³u na wystêpowanie stref wp³ywu ciep³a, jak ma to miejsce np. przy wycinaniu metod¹ mechaniczn¹ (ciêcie pi³¹). Wybór ten by³ podyktowany zamys³em jak najmniejszej ingerencji w badany materia³, a przez to najmniejszego wp³ywu procesu ciêcia na wyniki badañ. Z uzyskanych próbek wybrano po 10 sztuk z ka dego kompozytu o najbardziej zbli onych wymiarach. Ró nice gruboœci próbek, wynikaj¹ce z technologii wykonania, uwzglêdniono w obliczeniach wytrzyma³oœci. Próbki przedstawia rysunek Badania w³aœciwoœci mechanicznych Badania zosta³y przeprowadzone z wykorzystaniem maszyny wytrzyma³oœciowej Zwick/Roell typ Z020. Rys. 2. Próba odpornoœci na œcinanie miêdzywarstwowe Fig. 2. Testing of interlaminar shearing strength Tabela 3. Wyniki statycznej próby zginania Kompozyt Epoksydowo bazaltowy Epoksydowo szklany nr próby: 1b Modu³ Younga E [MPa] Wytrzyma³oœæ na zginanie [MPa] Odkszta³cenie przy zniszczeniu fm [%] Œrednia Œrednia Œrednia 2b ,6 3b ,4 2,6 4b ,6 5b ,6 1s s ,3 3s ,6 2,9 4s ,9 5s , ,5 3,0 2,58 3,02 Badania obejmowa³y wykonanie dwóch prób wytrzyma³oœciowych: badania wytrzyma³oœci na zginanie oraz badania odpornoœci na œcinanie miêdzywarstwowe. Obie s¹ jednymi z podstawowych oraz najczêœciej wykonywanych prób okreœlaj¹cych w³aœciwoœci laminatów polimerowych. Zarówno w próbie zginania, jak w próbie œcinania miêdzywarstwowego, wykorzystano po piêæ próbek badawczych z ka dego laminatu. Badanie wytrzyma³oœci na zginanie przeprowadzono w uk³adzie zginania trójpunktowego wed³ug zaleceñ normy PN-EN ISO Przyjêta, wed³ug normy, odleg³oœæ miêdzy podporami wynosi³a 80 mm a prêdkoœæ zginania 5 mm/min. Wyniki badañ wytrzyma³oœci przedstawiono w tabeli 3.

34 90 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego Kolejn¹ prób¹ porównawcz¹ by³o badanie wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe. Schemat obci¹ enia przy próbie na œcinanie miêdzywarstwowe jest identyczny, jak przy próbie na zginanie (rys. 2). Jedyn¹ istotn¹ ró - nic¹ pomiêdzy tymi dwoma badaniami jest rozstaw podpór oraz parametry badania. W przypadku badania wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe odleg³oœæ miêdzy podporami wynosi, wg normy PN-EN ISO 14130, 25 mm. Tak niewielka odleg³oœæ podpór powoduje znaczny udzia³ si³ œcinaj¹cych w zniszczeniu próbki. Prêdkoœæ przesuwu trawersy podczas badania wynosi³a 1 mm/min. a) b) Tabela 4. Wyniki badañ wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe Kompozyt Epoksydowo- -bazaltowy Epoksydowo- -szklany nr próby: wartoœæ [MPa]: 6b 35,77 7b 35,30 8b 34,50 9b 36,15 10b 35,80 6s 29,03 7s 32,84 8s 29,10 9s 30,67 10s 29,08 wartoœæ œrednia [MPa]: 35,50 30,15 Wyniki badañ umownej wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe przedstawiono w tabeli ANALIZA WYNIKÓW BADAÑ Rys. 3. Próba zginania. A) wykres dla kompozytu epoksydowo-bazaltowego, B) wykres dla kompozytu epoksydowo-szklanego Fig 3. Bend test. A) plot for composite epoxy-basalt, B) plot for epoxy-glass composite Przebiegi krzywych przedstawiaj¹cych zale noœci naprê eñ od odkszta³ceñ, wyznaczone w statycznej próbie zginania maj¹ podobny kszta³t zarówno dla laminatów bazaltowych, jak i szklanych (rys 3). Ró nicy mo na siê doszukiwaæ jedynie w kszta³cie odcinka krzywej po osi¹gniêcia maksymalnej si³y dzia³aj¹cej na próbkê, a wiêc przy malej¹cej wartoœci naprê- enia podczas badania. W przypadku kompozytu wzmocnionego tkanin¹ bazaltow¹ zauwa ono, e we wspomnianym zakresie kompozyt pêka³ mniej gwa³townie, przenosz¹c si³ê obci¹ enia na kolejne warstwy laminatu. Istotniejsz¹ jednak w tej próbie cech¹ jest wytrzyma³oœæ na zginanie. Tutaj znacz¹co wyró nia siê kompozyt z tkaniny szklanej. Mianowicie, dla laminatu epoksydowo-bazaltowego œrednia wytrzyma³oœæ na zginanie w przeprowadzonych próbach osi¹gnê³a maksymaln¹ wartoœæ równ¹ 401,4 MPa, natomiast dla laminatu epoksydowo-szklanego 446,6 MPa. Z drugiej jednak strony mo na zaobserwowaæ, e kompozyty z tkaniny bazaltowej charakteryzuj¹ siê wy szym modu³em sprê ystoœci (18800 MPa), ni kompozyty z tkaniny szklanej (17400 MPa). Rozpatruj¹c odkszta³cenie do zniszczenia mo na zauwa yæ, e to w przypadku kompo-

35 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego 91 zytu bazaltowego najwy sz¹ osi¹gniêt¹ wartoœci¹ by³o 2,6%, a w przypadku kompozytu z tkaniny szklanej 3,3%. Uzyskane wyniki próby zginania wskazuj¹, e w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe obu kompozytów wyznaczone w tej próbie s¹ zbli one, nie zaobserwowano jednak wskazywanej w niektórych pozycjach literaturowych wy - szej wytrzyma³oœci kompozytów wzmocnionych w³óknami bazaltowymi. Po dokonanych obliczeniach przeprowadzonych na podstawie próby wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe otrzymano wyniki, które jednoznacznie wskazuj¹ na to, i wiêksz¹ umown¹ wytrzyma³oœci¹ na œcinanie miêdzywarstwowe charakteryzuj¹ siê kompozyty wykonane z tkaniny bazaltowej. Wartoœæ œrednia wyznaczona dla laminatów bazaltowych wynosi³a 35,50 MPa, natomiast dla laminatów szklanych 30,15 MPa. Bior¹c pod uwagê fakt, i w wielu zastosowaniach zniszczenia nastêpuj¹ w wyniku delaminacji wywo³anej œcinaniem, uzyskane wyniki nale y uznaæ za obiecuj¹ce. Na koniec przeprowadzonej analizy trzeba zauwa yæ, e wskazywany w literaturze, korzystny aspekt ekonomiczny stosowania w³ókien bazaltowych w przeprowadzonym eksperymencie nie znalaz³ potwierdzenia. Zakupiona tkanina bazaltowa okaza³a siê znacznie dro sza od porównywalnej tkaniny szklanej. 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badañ laminatów epoksydowo-bazaltowych i epoksydowo-szklanych, sformu³owano nastêpuj¹ce wnioski: Kompozyty na bazie tkaniny bazaltowej charakteryzuj¹ siê znacznie wy szym modu³em sprê ystoœci ani eli kompozyty na bazie tkaniny szklanej. Kompozyty epoksydowo-szklane charakteryzuj¹ siê wy sz¹ o oko³o 11% wytrzyma- ³oœci¹ na zginanie. Wyniki badañ wytrzyma³oœci na œcinanie miêdzywarstwowe pokazuj¹, e wiêksz¹ wytrzyma³oœci¹ (oko³o 8%) cechuj¹ siê kompozyty na bazie tkaniny bazaltowej ni kompozyty na bazie tkaniny szklanej. Bior¹c pod uwagê obserwowany rozrzut w³aœciwoœci laminatów wykonanych metod¹ kontaktow¹, mo na uznaæ, e oba rodzaje kompozytów maj¹ podobne w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. Bibliografia 1. Kozie³ M.: Charakterystyka krajowych bazaltów regionu dolnoœl¹skiego z przeznaczeniem na w³ókna amorficzne, Prace Instytutu Szk³a, Ceramiki, Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych. 2009, R. 2, nr 4, s Todic A., Nedeljkovic B., Cikara D., Ristovic I.: Particulate basalt polymer composites characteristics investigation, Materials and Design Volume: 32, Issue: 3, March, 2011, s Lopresto, V.; Leone, C.; De Iorio, I.: Mechanical characterisation of basalt fibre reinforced plastic, Composites Part B Volume: 42, Issue: 4, June, 2011, s Czigány, T.: Special manufacturing and characteristics of basalt fiber reinforced hybrid polypropylene composites: Mechanical properties and acoustic emission study, Composites Science and Technology Volume: 66, Issue: 16, December 18, 2006, s Colombo C., Vergani L., Burman M.: Static and fatigue characterisation of new basalt fibre reinforced composites, Composite Structures 94 (2012) s Carmisciano S., Rosa I. M.D., Sarasini F., Tamburrano A., Valente M.: Basalt woven fiber reinforced vinylester composites: Flexural and electrical properties, Materials and Design Volume: 32, Issue: 1, January, 2011, ss Lee, J.H.; Rhee, K.Y.; Park, S.J.: The tensile and thermal properties of modified CNT-reinforced basalt/epoxy composites, Materials Science & Engineering A Volume: 527, Issue: 26, October 15, 2010, s Park, Joung-Man; Shin, Wae-Gyeong; Yoon, Dong-Jin,: A study of interfacial aspects of epo-

36 92 Podstawowe w³asnoœci mechaniczne kompozytu epoksydowo-bazaltowego xy-based composites reinforced with dual basalt and SiC fibres by means of the fragmentation and acoustic emission techniques, Composites Science and Technology Volume: 59, Issue: 3, February, 1999, s Fiore, V.; Di Bella, G.; Valenza, A.: Glass basalt/ epoxy hybrid composites for marine applications, Materials and Design Volume: 32, Issue: 4, April, 2011, s Novitskii A.G., Sudakov V.V.: An unwoven basalt-fiber material for the encasing of fibrous insulatian: an alternative to glass cloth, Refractories and Industrial Ceramics Volume: 45, Issue: 4, July 2004, s Czigany T.: Discontinous Basalt Fiber-Reinforced Hybrid Composites, Polymer Composites 2005, Part IV, s Wei Bin, Cao Hailin, Song Shenhua: Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers, Materials Science & Engineering A Volume: 527, Issue: 18-19, July 15, 2010, s Sokolinskaya M. A., Zabava L. K., Tsybulya T. M., Medvedev A. A.: Strength properties of basalt fibers, Glass and Ceramics Volume (48) 1991, Number 10, s Kim, M.T.; Kim, M.H.; Rhee, K.Y.; Park, S.J.: Study on an oxygen plasma treatment of a basalt fiber and its effect on the interlaminar fracture property of basalt/epoxy woven composites, Composites Part B Volume: 42, Issue: 3, April, 2011, s

37 Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej 93 Monika OSTAPIUK*, Jaros³aw BIENIAŒ, Patryk JAKUBCZAK, Barbara SUROWSKA Politechnika Lubelska, Katedra In ynierii Materia³owej Lublin, ul. Nadbystrzycka 36 * m.ostapiuk@pollub.pl Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej Kompozytowe konstrukcje sandwiczowe s¹ stosowane na szerok¹ skalê w konstrukcjach lekkich. W lotnictwie wewn¹trz paneli stosowane s¹ niemetaliczne struktury sandwiczowe zawieraj¹ce wype³niacz ulowy Nomex jako standardowy rdzeñ. Niektóre z defektów takie jak nieci¹g³oœci, pustki lub deformacje w œciankach wype³niacza ulowego mog¹ powstawaæ podczas procesu wytwarzania, st¹d niezbêdna staje siê ocena jakoœci struktury. Nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych wykonywanych na pokrycia œmig³owca zosta³y poddane analizie wykorzystuj¹c technikê rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej. Szczegó³owe obserwacje struktury wykaza³y obecnoœæ nieci¹g³oœci w obszarze przejœcia z wype³niacza ulowego do laminatu oraz w przekrojach ukoœnych wype³niacza. Wyd³u one nieci¹g³oœci stanowi³y powy ej 80% defektów, wykazuj¹c tym samym charakter delaminacji. Rozmiar i iloœæ defektów przekroczy³ dopuszczalny poziom akceptowalnoœci przyjêtej w lotnictwie. S³owa kluczowe: kompozyt typu sandwicz, mikrotomografia, wype³niacz ulowy, nieci¹g³oœci THE IDENTIFICATION OF DISCONTINUITIES IN COMPOSITE SANDWICH PANELS USING X-RAY COMPUTED MICROTOMOGRAPHY. Composite sandwich constructions are widely used in various lightweight structures. The non-metallic sandwich structures containing Nomex honeycomb as a standard core are used for interior panels for aircraft. Some defects as discontinuities, voids or deformation of honeycomb walls can be formed during manufacture, so the quality inspection of the structure is necessary. The discontinuities in a composite sandwich panel of helicopter cover were analyzed using X-ray computed microtomography techniques. The detailed observations of the structure showed the discontinuities presence in the area with diagonally cut across honeycomb and in the laminate. Elongated of the discontinuities constitute above 80% of the defects. They have a delamination character. The size and amount of manufacturing defects exceed acceptable limits in aerospace technology. Keywords: composite sandwich, microtomography, Nomex honeycomb, discontinuities 1. Wstêp Kompozytowe konstrukcje sandwiczowe s¹ stosowane na szerok¹ skalê w konstrukcjach lekkich, ze wzglêdu na ich wysok¹ sztywnoœæ i wysok¹ wytrzyma³oœæ na zginanie w porównaniu do litych paneli, bardzo dobr¹ odpornoœæ korozyjn¹ i ognioodpornoœæ, oraz dobr¹ ciepln¹ i akustyczn¹ izolacjê przy wysokiej zdolnoœci absorpcji energii [1-4]. Konstrukcje paneli, aerodynamiczne profile, pokrycia, drzwi, os³ony silnika, ³opaty œmig³owców to tylko niektóre z obecnych aplikacji struktur przek³adkowych stosowanych w technologiach lotniczych. Niemetaliczne lekkie struktury sandwiczowe, zawieraj¹ce wype³niacz ulowy Nomex jako standardowy rdzeñ, w po- ³¹czeniu z ok³adzinami z w³óknistych kompozytów epoksydowych, s¹ stosowane w poszyciach wewn¹trz paneli samolotowych. Wype³niacz ulowy Nomex sk³ada siê ze specjalnego papieru z w³ókna aramidowego powle-

38 94 Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej czonego ywic¹ fenolow¹. Rdzeñ z wype³niacza ulowego ³¹czony jest z ok³adzinami w worku pró niowym metod¹ autoklawow¹ z zastosowaniem dodatkowej warstwy spoiwa polimerowego. Niektóre z defektów takie jak nieci¹g³oœci, puste przestrzenie lub deformacje w œcianach wype³niacza ulowego mog¹ powstawaæ podczas wytwarzania, st¹d niezbêdna staje siê kontrola jakoœci. Badania nieniszcz¹ce (NDT) s¹ jedn¹ z podstawowych metod u ywanych do oceny jakoœci w kompozytowych strukturach statków powietrznych. Wiele technik NDT takich jak badania penetracyjne, pr¹dów wirowych, magnetyczne, ultrasonograficzne oraz radiograficzne itp. jest stosowanych w celach wykrywania pustych przestrzeni, delaminacji, niedoklejeñ b¹dÿ innych defektów w strukturze kompozytowej podczas badañ w warunkach laboratoryjnych lub podczas wytwarzania. Tomografia komputerowa X-ray CT jest jedn¹ z nowoczeœniejszych metod NDT u ywan¹ do obrazowania dwu- i trójwymiarowej wewnêtrznej mikro- i mezostruktury materia³u [5-10]. W artykule przedstawiono analizê nieci¹g³oœci kompozytowej struktury sandwiczowej poszycia helikoptera z wykorzystaniem takich metod jak technika (TT) C-scan i mikrotomografia komputerowa. Przedmiot badañ stanowi³ sandwiczowy panel kompozytowy sk³adaj¹cy siê z rdzenia typu Nomex (papier z w³ókna aramidowego pokryty odporn¹ na temperaturê ywic¹ fenolow¹) i warstwy prepregu opartego na ywicy epoksydowej i w³óknach wêglowych. Panel wykonano metod¹ autoklawow¹. Struktura zosta³a poddana analizie za pomoc¹ metod TT C-scan i rtg. mikrotomografii komputerowej (X-ray CT). Pomiary X-ray CT zosta³y wykonane przy pomocy mikroskanera SkyScan Urz¹dzenie to jest wyposa one w Ÿród³o promieniowania X posiadaj¹ce odpowiednio maksymalne napiêcie 50 kv i natê enie 800 µa. Detektor promieniowania X zawiera kamerê CCD o rozdzielczoœci pikseli. Parametry skanowania zosta³y ustawione w sposób nastêpuj¹cy: k¹t obrotu próbki co 1,4 stopnia, filtr Al, natomiast rozdzielczoœæ dla pojedynczego zdjêcia zosta³a ustawiona na poziomie 24 µm. Obserwacje mikroskopowe przeprowadzone zosta³y za pomoc¹ mikroskopu optycznego metalograficznego Nikon MA200 z uzupe³niaj¹cym kontekstem fazowym Nomarsky ego. 3. Wyniki i dyskusja Technika TT C-scan wykorzystuj¹ca fale ultradÿwiêkowe wykry³a niektóre wewnêtrzne nieci¹g³oœci w wype³niaczu ulowym na granicy kompozytowego poszycia po procesie utwardzania. Charakter obrazów C-scan nie by³ typowy dla porowatoœci wystêpuj¹cych w wype³nieniu poszycia na ³¹czeniu z wype³niaczem ulowym. Dlatego te zosta³y przeprowadzone obserwacje makroskopowe i mikrotomograficzne na przekroju próbek, w celu szczegó³owej oceny stanu struktury. Obserwacje makroskopowe ujawni³y nieci¹g³oœci w laminacie przedstawione na rys Materia³ i metodyka badañ Rys. 1. Makrostruktura przekroju próbki, strza³kami zaznaczono defekty w strukturze Mikrotomografia komputerowa szczegó³owo ujawni³a wystêpuj¹ce nieci¹g³oœci w materiale. Otrzymane zosta³y ró ne projekcje z mikrotomografu w wyniku ró nego stopnia poch³aniania promieniowania, w zale noœci od

39 Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej 95 a) b) Rys. 3. Projekcja z mikrotomografu rtg. z widocznymi nieci¹g³oœciami w sandwiczowym panelu Rys. 2. Projekcje 2D struktury sandwicza z mikrotomografu rtg. w osiach: a) Xib)Z gêstoœci i chemicznego sk³adu materia³u oraz wspó³czynnika absorpcji promieni X. Warstwa adhezyjna oraz kompozytowe poszycie charakteryzowa³y siê podobnym wspó³czynnikiem poch³aniania energii st¹d obydwa z komponentów by³y trudne do odró nienia. Nieci¹g³oœci w strukturze zaznaczone zosta³y strza³kami i przedstawione na rysunku 2. Projekcje zosta³y przedstawione w osiach XiZ. Obraz 2D przedstawiony na rys. 3 pokazuje nieci¹g³oœci i puste przestrzenie najprawdopodobniej w warstwie adhezyjnej laminatu. Jednak e, porównanie obrazu mikroskopowego i mikrotomograficznego wyraÿnie pozwoli³y odró niæ dwa materia³y. Analiza mikrostrukturalna udowodni³a wystêpuj¹ce pomiêdzy warstw¹ laminatu puste przestrzenie i delaminacje co zosta³o przedstawione na rys. 4. Technika obrazowania za pomoc¹ mikroskopii optycznej pokaza³a pustki w warstwie adhezyjnej jako nie strukturalne defekty, oraz nieci¹g³oœci w laminacie, które mog¹ powodowaæ obni enie wytrzyma³oœci w takim panelu. Poniewa struktura taka jest nieakceptowalna w zastosowaniach lotniczych powy ej przyjêtej granicy, przeprowadzona zosta³a analiza iloœciowa defektów za pomoc¹ rtg. mikrotomografii komputerowej. Za pomoc¹ programu CT Analyser (SkyScan) zosta³y poddane analizie obrazy 2D projekcji struktury oraz zmierzone zosta³y cztery g³ówne parametry takie jak: szerokoœæ, d³ugoœæ, wspó³czynnik kszta³tu oraz powierzchnia defektów. Œrednie wyniki dla 51 nieci¹g³oœci zosta³y przedstawione w tabeli 1. Rys. 4. Obraz mikroskopowy ujawniaj¹cy defekty w strukturze pomiêdzy warstwami laminatu i pêcherze w obszarze warstwy spoiwa

40 96 Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej Tabela 1. Analiza nieci¹g³oœci Œrednia d³ugoœæ Œrednia szerokoœæ Wspó³czynnik kszta³tu Powierzchnia d³ugoœæ/ szerokoœæ mm d³ugoœæ/ szerokoœæ mm d³ugoœæ/ szerokoœæ % mm 2 % (okr¹g³e) (okr¹g³e) (okr¹g³e) (okr¹g³e) (eliptyczne) (eliptyczne) (eliptyczne) (eliptyczne) 30 >3 (delaminacje) 2.92 >3 (delaminacje) 0.53 >3 (delaminacje) 43 >3 (delaminacje) 14 Analiza wykaza³a, e wyd³u one nieci¹g- ³oœci stanowi¹ powy ej 80% defektów. Blisko 50% z nich wykazuje charakter delaminacji. Otrzymano równie trójwymiarowy obraz próbki poprzez zastosowanie odpowiednich algorytmów komputerowych podczas rekonstrukcji projekcji. Przyk³ad widoku próbki 3D przedstawia rys. 5. W ró nych przekrojach dobrze widoczne by³y defekty struktury. a) b) Rys. 5. Obrazy 3D próbki a) ca³a struktura, b) wewnêtrzna czêœæ sandwicza Z przeprowadzonych badañ wynika, e delaminacje w strukturze sandwicza mog³y powstaæ w wyniku nieprawid³owego k¹ta przyciêcia wype³niacza ulowego lub zbyt ma³ego i ograniczonego ciœnienia podczas formowania. Szczegó³owe obserwacje wykaza³y obecnoœæ nieci¹g³oœci nie tylko w obszarze ukoœnie po³o onych eber w stosunku do linii przeciêcia wype³niacza ulowego, ale tak e w ok³adzinach kompozytowych. Defekty w laminacie powsta³y najprawdopodobniej podczas formowania jako wynik niew³aœciwego uk³adania warstw prepregu. Rozmiar i liczebnoœæ defektów po procesie wytwarzania wykazuje niedopuszczalny powy ej 5% poziom nieci¹g³oœci w lotnictwie. 4. Wnioski Metoda mikrotomografii rentgenowskiej stanowi jedno z nieniszcz¹cych narzêdzi do oceny jakoœci i iloœci nieci¹g³oœci jakie mog¹ wyst¹piæ w strukturze materia³ów kompozytowych. Analizowany panel zawiera³ nieci¹g³oœci wyd³u one pomiêdzy warstwami laminatu. Defekty takie w strukturze s¹ nie do zaakceptowania w aplikacjach lotniczych. Umiejscowienie i kszta³t nieci¹g³oœci wskazuje na nieprawid³owy proces przygotowania struktury sandwicza jeszcze przed procesem utwardzania w autoklawie. Podziêkowania: Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym, Nr POIG / w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt wspó³finansowany przez Uniê Europejsk¹ ze œrodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Literatura [1] Zhang J., Ashby M.F.: The out-of-plane properties of honeycombs, International Journal of Mechanical Sciences, 34, iss. 6 (1992)

41 Identyfikacja nieci¹g³oœci w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej 97 [2] Kim B. J., Lee D. G.: Characteristics of joining inserts for composite sandwich panels, Composite Structures, 86, iss.1-3, (2008) [3] Rion J., Leterrier Y., Manson J.-A. E.: Prediction of the adhesive fillet size for skin to honeycomb core bonding in ultra-light sandwich structures, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, iss. 9 (2008) [4] Chen D.H., Ozaki S.: Stress concentration due to defects in a honeycomb structure, Composite Structures, 89, iss. 1 (2009) [5] Bayraktara E., Antolovich S.D., Bathias C., New developments in non-destructive controls of the composite materials and applications in manufacturing engineering, Journal of Materials Processing Technology 206 (2008) [6] Awaja F., Arhatari B., Wiesauer K., Leiss E., Stifter D., An investigation of the accelerated thermal degradation of different epoxy resin composites using X-ray microcomputed tomography and optical coherence tomography, Polymer Degradation and Stability, 94, (2009) [7] Schell J.S.U., Renggli M., van Lenthe G.H., Muller R., Ermanni P., Micro-computed tomography determination of glass fibre reinforced polymer meso-structure, Composites Science and Technology, 66, (2006) [8] Djukic L. P., Herszberg I., Walsh W. R., Schoeppner G. A., Gangadhara Prusty B., Kelly D. W., Contrast enhancement in visualisation of woven composite tow architecture using a MicroCT Scanner. Part 1: Fabric coating and resin additives, Composites: Part A, 40, (2009) [9] Grove S.M., Popham E., Miles M.E., Composites Part A: An investigation of the skin/core bond in honeycomb sandwich structures using statistical experimentation techniques, Applied Science and Manufacturing, 37, Issue 5 (2006) [10] Schilling P. J., Karedla B.P. R., Tatiparthi A. K., Verges M. A., Herrington P. D.: X-ray computed microtomography of internal damage in fiber reinforced polymer matrix composites, Composites Science and Technology, 65, (2005)

42 98 Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej Krzysztof MAJERSKI, Jaros³aw BIENIAŒ, Monika OSTAPIUK Katedra In ynierii Materia³owej, Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 36, Lublin k.majerski@vp.pl Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej Streszczenie. Rentgenowska mikrotomografia komputerowa jest nieniszcz¹c¹ metod¹ badawcz¹ umo liwiaj¹c¹ wykrywanie oraz trójwymiarowe obrazowanie nieci¹g³oœci strukturalnych wewn¹trz kompozytowych materia³ów polimerowych. Celem pracy by³o wykorzystanie mikrotomografii do okreœlenia poziomu porowatoœci oraz kszta³tu i rozmieszczenia porów w strukturze kompozytów polimerowych wzmacnianych w³óknami. Materia³ badawczy stanowi³y wytworzone metod¹ autoklawow¹ kompozyty polimerowe wzmacniane tkanin¹ szklan¹ oraz wêglow¹. W pracy podjêto próbê okreœlenia iloœciowej zawartoœci porowatoœci oraz przedstawiono wyniki rekonstrukcji dwu i trójwymiarowej materia³u badawczego. Dodatkowo w ramach pracy wykonano i porównano przestrzenne modele binarne obrazuj¹ce rozmieszczenie oraz rozmiar nieci¹g- ³oœci struktury w objêtoœci badanych materia³ów. W wyniku przeprowadzonej analizy stwierdzono wystêpowanie porowatoœci w badanych materia³ach na poziomie poni ej 1%. IDENTIFICATION OF POROSITY IN CARBON AND GLASS/EPOXY COMPOSITES USING MICRO-COMPUTED TOMOGRAPHY Abstract. X-ray computed micro-tomography is a non-destructive test method that allows detection and three-dimensional imaging of structural discontinuities within the composite polymer materials. The aim of this study was to use micro-tomography to determine the level of porosity and pore shape and distribution in the structure of fiber reinforced polymer composites. The studied material was produced by autoclaving method as polymer composites reinforced with glass and carbon fabric. This paper attempts to quantitatively determine the porosity content and the results of two-and three-dimensional reconstruction of the research materials. In addition, the work performed and compared the spatial distribution models of binary imaging and size structure of the discontinuity in the volume of test materials. The materials porosity was determined at less than 1%. Wprowadzenie Kompozyty polimerowe wzmacniane w³óknami szklanymi oraz wêglowymi charakteryzuj¹ siê znacznie wy sz¹ wartoœci¹ wytrzyma- ³oœci w³aœciwej, ni sz¹ gêstoœci¹ i wiêksz¹ odpornoœci¹ korozyjn¹ ni tradycyjne materia³y konstrukcyjne np. metale [1]. Korzystne w³aœciwoœci mechaniczne determinuj¹ zastosowanie kompozytów polimerowych wzmacnianych w³óknami na odpowiedzialne elementy konstrukcyjne w przemyœle lotniczym, samochodowym oraz wytwarzaniu ekwipunku sportowego [2]. Brak odpowiednich metod produkcji seryjnej z³o onych elementów kompozytowych powoduje koniecznoœæ monitorowania wytworzonych struktur pod k¹tem wystêpowania defektów technologicznych m.in. porowatoœci, które w znaczny sposób pogarszaj¹ wytrzyma³oœæ doraÿn¹ jak i zmêczeniow¹ [3]. Problem nieci¹g³oœci strukturalnych porowatoœci w kompozytach polimerowych wzmacnianych w³óknami rozpatrywany jest

43 Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej 99 w szeregu pracach naukowo-badawczych np. w pracy [4]. Wa n¹ kwestiê stanowi wytworzenie zupe³nie wolnego od wystêpowania porowatoœci materia³u kompozytowego [5]. Analiza danych literaturowych [3-5] wskazuje, e na obni enie w³aœciwoœci mechanicznych kompozytów istotny wp³yw wywiera udzia³ objêtoœciowy porowatoœci, struktura geometryczna oraz ich wielkoœæ. Zawartoœæ porowatoœci w materia³ach kompozytowych oznacza siê zazwyczaj metodami analitycznymi (norma ASTM D ), za pomoc¹ metod ultradÿwiêkowych oraz analizy obrazów mikroskopowych z wykorzystaniem technik komputerowej analizy obrazu. Now¹ metod¹, która pozwala na precyzyjn¹ analizê jakoœciow¹ oraz iloœciow¹ wystêpuj¹cych nieci¹g³oœci strukturalnych w materia- ³ach kompozytowych wraz z obrazowaniem rozmieszczenia wad jest rentgenowska mikrotomografia komputerowa [6]. Metoda ta polega na przepuszczeniu przez skanowany obiekt p³askich wi¹zek promieniowania rentgenowskiego, które trafiaj¹c na matrycê CCD nios¹ w sobie informacjê o absorpcji promieniowania przez obiekt. Widziany obraz powstaje dziêki rekonstrukcji projekcji uzyskanych przy pomocy skanera [6,7]. Mikrotomografia komputerowa umo liwia kompleksow¹ wizualizacjê struktury wewnêtrznej badanego materia³u i zaliczana jest do metod nieniszcz¹cych [7-9]. W pracy przedstawiono mo liwoœci identyfikacji nieci¹g³oœci strukturalnych w kompozytach polimerowych wzmacnianych w³óknami z wykorzystaniem rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej. Materia³ i metody a) b) Rys. 1. Materia³y kompozytowe poddane analizie mikrotomografii komputerowej: (a) szklano-epoksydowy, (b) wêglowo-epoksydowy; mikroskop œwietlny Materia³ badawczy stanowi³y panele kompozytowe o osnowie ywicy epoksydowej wzmacniane w³óknami szklanymi oraz wêglowymi w postaci tkanin o splocie krzy owym, wytworzone metod¹ autoklawow¹. Panel z w³óknem szklanym zawiera³ 16 warstw tkaniny a z wêglowym 18. Analizie poddano prostopad³oœcienne próbki kompozytowe o wymiarach mm (rys. 1) stanowi¹ce reprezentatywne miejsca paneli kompozytowych. Identyfikacja nieci¹g³oœci strukturalnych zosta³a przeprowadzona przy pomocy mikrotomografu rentgenowskiego Skyscan 1174, oraz do³¹czonego pakietu oprogramowania umo liwiaj¹cego analizê uzyskanych obrazów. Proces skanowania wykonano w zakresie od 0 do 180 z krokiem, co 0,5. Napiêcie ekspozycji lampy rentgenowskiej wynosi³o 50 kv, a rozmiar pojedynczego piksela 21,11 µm. Podczas skanowania kompozytu szklano-epoksydowego zastosowano filtr aluminiowy o gruboœci 0,25 mm. Podczas kolejnych etapów skanowania wykonano projekcje makroskopowe, rekonstrukcjê 2D (przekroje poprzeczne oraz wzd³u ne) oraz 3D badanych materia³ów kompozytowych. Analiza 2D i 3D Makroskopowe projekcje rentgenowskie badanych materia³ów kompozytowych przedstawiono na rysunku 2. Obrazy wykonane w formie negatywów pozwalaj¹ na ujawnienie zarysu struktury wewnêtrznej materia³u, na przyk³ad u³o enia w³ókien w tkaninie (rys. 2 po lewej), oraz wystêpuj¹cych wad. W przypadku kompozytu wêglowo-epoksydowego odnotowano jaœniejsze obszary o mniejszej

44 100 Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej Rys. 2. Makroskopowa projekcja rtg. kompozytów: szklano-epoksydowego (po lewej) oraz wêglowo-epoksydowego (po prawej) absorpcji promieniowania ujawniaj¹ce wewnêtrzne nieci¹g³oœci struktury (rys. 2 po prawej). Przeprowadzona rekonstrukcja 2D, polegaj¹ca na wykonaniu szeregu przekrojów poprzecznych i wzd³u nych, umo liwi³a obrazowanie nieci¹g³oœci strukturalnych wystêpuj¹cych w badanych materia³ach kompozytowych. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono charakterystyczne przekroje poprzeczne i wzd³u - ne kompozytów szklano i wêglowo/epoksydowych z widocznymi wadami w postaci porowatoœci. W przypadku kompozytów szklano/epoksydowych wyraÿnie uwidoczniona jest makrostruktura tkaniny oraz odnotowano liczne, ma³e porowatoœci o kszta³cie okr¹g³ym, które s¹ równomiernie rozmieszczone w strukturze materia³u, w miejscach krzy owania siê splotów w³ókien (rys. 3). Przyczyn¹ porowatoœci mo e byæ nieca³kowita infiltracja ywicy w te miejsca. Rys. 3. Charakterystyczne przekroje poprzeczne i wzd³u ne kompozytu szklano/epoksydowego Rys. 4. Charakterystyczne przekroje poprzeczne i wzd³u ne kompozytu wêglowo/epoksydowego Natomiast w przypadku materia³ów kompozytowych wêglowo/epoksydowych ujawniono wystêpowanie wyd³u onych porowatoœci, które znajduj¹ siê w p³aszczyznach miêdzywarstwowych (rys. 4). Przybieranie przez pory wyd³u onych kszta³tów jest spowodowane dzia³aniem wy szego ciœnienia podczas autoklawowego procesu wytwarzania kompozytów wzmacnianych w³óknami wêglowymi w porównaniu do kompozytów wzmacnianych w³óknami szklanymi. Wysokie ciœnienie determinuje rozwój wymiarów liniowych pojedynczych porowatoœci w kierunku zgodnym z u³o- eniem warstw, oraz blokuje rozrost nieci¹g- ³oœci w kierunku przeciwnym [10]. Trójwymiarowa rekonstrukcja polegaj¹ca na z³o eniu poszczególnych dwuwymiarowych projekcji (przekrojów) pozwala na p³ynne obrazowanie oraz identyfikacjê przestrzenn¹ wystêpuj¹cych nieci¹g³oœci (wielkoœæ, kszta³t, lokalizacjê). Rekonstrukcjê trójwymiarow¹ model przestrzenny analizowanych materia³ów kompozytowych z wystêpuj¹cymi porowatoœciami przedstawia rysunek 5. Widoczne na modelu strukturalnym jasne obszary (rys. 5) odzwierciedlaj¹ zarówno nieci¹g³oœci struktury jak równie strefy w objêtoœci materia³u, które posiadaj¹ wiêksz¹ przenikalnoœæ dla promieniowania rentgenowskiego. Przyk³adem takich obszarów mog¹ byæ

45 Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej 101 a) b) Iloœciowa analiza udzia³u objêtoœciowego porowatoœci w badanych materia³ach kompozytowych zosta³a przeprowadzona w oparciu o metodê komputerowej analizy obrazu wykonanych skanów struktury (wygenerowanych przekrojów). Proces analizy poziomu porowatoœci zosta³ wykonany w ca³ej objêtoœci badanych próbek (3D) poprzez wielokrotny, niezale ny dobór progu binaryzacji w odniesieniu do losowo wybieranych przekrojów. Wyniki iloœciowej analizy udzia³u objêtoœciowego porowatoœci w kompozytach przestawia tabela 1. Tab. 1. Wyniki iloœciowej analizy porowatoœci dla kompozytów szklano i wêglowo/epoksydowych Udzia³ Materia³ objêtoœciowy porowatoœci [%] Kompozyt szklano/epoksydowy 0,66 (±0,13) Kompozyt wêglowo/epoksydowy 0,91 (±0,14) Rys. 5. Trójwymiarowy model strukturalny budowy kompozytów: (a) szklano/epoksydowego, (b) wêglowo/epoksydowego strefy bezpoœrednio s¹siaduj¹ce z przeplotami tkaniny, które charakteryzuj¹ siê mniejsz¹ zawartoœci¹ osnowy, a zatem posiadaj¹ odmienn¹ zdolnoœæ absorpcji promieni rentgenowskich. Analiza modeli 3D struktur kompozytowych szklano i wêglowo/epoksydowych potwierdza obserwacje uzyskane na poszczególnych dwuwymiarowych przekrojach: dla kompozytów szklano/epoksydowych charakterystyczne sferyczne porowatoœci o równomiernym rozmieszczeniu w ca³ej objêtoœci kompozytu oraz p³askie i wyd³u one nieci¹g- ³oœci u³o one zgodnie z p³aszczyznami poszczególnych warstw laminatu wêglowo/epoksydowego. Iloœciowa analiza udzia³u porowatoœci Œredni procentowy udzia³ objêtoœciowy porowatoœci w badanych kompozytach o osnowie epoksydowej wzmacnianych w³óknami szklanymi i wêglowymi wynosi³ odpowiednio 0,66 i 0,91 %. Wed³ug klasyfikacji jakoœci materia³ów kompozytowych zaproponowanej przez D. Purslowa [11] materia³y te mo na zaliczyæ do kompozytów o wysokiej jakoœci (poziom porowatoœci poni ej 1%). Podsumowanie Rentgenowska mikrotomografia komputerowa jest nowoczesn¹, nieinwazyjn¹ metod¹ badawcz¹ umo liwiaj¹c¹ analizê nieci¹g³oœci strukturalnych w kompozytach polimerowych wzmacnianych w³óknami. Mo liwoœci tej metody nie ograniczaj¹ siê do klasycznej analizy iloœciowej zawartoœci porowatoœci w objêtoœci materia³u, ale pozwalaj¹ na wszechstronn¹ obserwacjê rozmieszczenia oraz geometrii nieci¹g³oœci. Badane materia³y wykaza³y zawartoœæ procentow¹ porów, poni ej 1%, co wskazuje na bardzo dobr¹ jakoœæ ich wykonania. W kompozycie szklano-epoksydowym odnotowano porowatoœci o kszta³cie sferycznym, ró nej wielkoœci i przypadkowym rozmieszczeniu. Natomiast w materiale kompozytowym o osnowie ywicy epoksydowej wzmocnionej w³óknami wêglowymi zaobserwowano wystêpowanie porowatoœci rozmieszczonych pomiêdzy warstwami laminatu oraz o wyd³u- onym kszta³cie. Ró nice kszta³tu jak i sposobu rozmieszczenia nieci¹g³oœci strukturalnych s¹

46 102 Identyfikacja porowatoœci w kompozytach wêglowo i szklano/epoksydowych metod¹ mikrotomografii komputerowej najprawdopodobniej spowodowane ró nicami w parametrach wytwarzania poszczególnych materia³ów kompozytowych. Podziêkowania Badania realizowane w ramach projektu Nr POIG /08 w programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt wspó³finansowany przez Uniê Europejsk¹ ze œrodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Literatura 1. Donaldson S., Miracle D.: ASM Handbook Composites Volume 21. Wyd. ASM International, Morgan P.: Carbon Fibers and Their Composites, Wyd. CRC pres, Judd NCW, Wright WW.: Voids and their effects on the mechanical properties of composites an appraisal, SAMPE J 14, 1978, Geier M. H.: Quality handbook for composite materials, London: Chapman & Hall; Campbell F. C., Mallow A. R, Browning C. E. Porosity in carbon fiber composites: an overview of cause, Advanced Materials 1995, Joy P. i inni: Characterization of composite microstructure and damage using optical coherence tomography, Composites 03, 1999, Bayraktar E., Antolovich S.D., Bathias C.: New developments in non-destructive controls of the composite materials and applications in manufacturing engineering, Journal of Materials Processing Technology 206, 2008, Djukic L.P., Herszberg I., Walsh W.R., Schoeppner G.A., Prusty B.G., Kelly D.W.: Contrast enhancement in visualisation of woven composite tow architecture using a MicroCT Scanner. Part 1: Fabric coating and resin additives, Composites: Part A 40, 2009, Schell J.S.U., Renggli M., van Lenthe G.H., Muller R., Ermanni P.: Micro-computed tomography determination of glass fibre reinforced polymer meso-structure, Composites Science and Technology 66, 2006, Huang H, Talreja R.: Effects of void geometry on elastic properties of unidirectional fiber reinforced composites, Composites Science and Technology 65, 2005, Purslow D.: On the optical assessment of the void content in composite materials, Composites 15, 3, 1984,

47 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 103 Dariusz KRAWCZUK Koszalin Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci i ich w³aœciwoœci Znajomoœæ podstawowych wiadomoœci na temat kszta³towanych materia³ów i ich w³aœciwoœci jest niezbêdna zarówno dla producentów maszyn do rozci¹gania pró niowego jaki i ich odbiorców w tym dla personelu obs³ugi maszyn. W artykule krótko przedstawiono istotê rozci¹gania pró niowego wraz z jego zaletami i wadami, oraz przedstawiono podstawowe w³aœciwoœci tworzyw polimerowych istotnie wp³ywaj¹ce na poprawnoœæ procesu rozci¹gania pró niowego, jak: temperatura tworzywa, sztywnoœæ, orientacja, tarcie, skurcz, zachowanie podczas nagrzewania i ch³odzenia, oraz kszta³towanie w formie. POLYMERS FOR THERMOFORMING AND THEIR PROPERTIES Knowledge of basic information about the thermoforming materials and their properties is necessary both for the manufacturers of thermoforming machines and their customers including personnel operating machinery. The article briefly presents the essence of stretching the vacuum with the advantages and disadvantages, and presents the basic properties of polymeric materials significantly affect of the thermoforming, as the temperature of the material, rigidity, orientation, friction, shrinkage, the behavior during heating and cooling, and shaping in the form. Key words: thermoforming, vacuum forming, thermoplastics, crystallinity, forming temperature, thermal properties, stretching the sheet. Rozci¹ganie pró niowe jest przemys³owym procesem, w którym tworzywo termoplastyczne, najczêœciej w postaci p³yty lub folii, jest kszta³towane pod wp³ywem ciep³a i ciœnienia. Po nagrzaniu tworzywa do temperatury, w której staje siê plastyczne, jest wt³aczane do formy, gdzie po och³odzeniu przyjmuje jej kszta³t i wymiary. Odpowiednie naciski niezbêdne do procesu uzyskuje siê dziêki ró nicy ciœnienia, wytworzonej nad i pod powierzchni¹ folii lub p³yty. Na cykl wytwarzania wyrobu metod¹ rozci¹gania pró niowego (rys. 1) sk³adaj¹ siê wystêpuj¹ce po sobie procesy [18]: nagrzewania tworzywa, rozci¹gania w formie, ch³odzenia i odcinania. Przy czym odcinanie mo e wystêpowaæ zarówno w formie jak i poza ni¹, a czasami nawet na oddzielnych maszynach. Rys. 1. Schemat procesu rozci¹gania pró niowego matrycowego (negatywowego): a) wprowadzenie arkusza folii do formy, b) nagrzewanie folii, c) rozci¹ganie w formie i ch³odzenie, d) wyprowadzenie gotowego wyrobu [18]

48 104 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci Rys. 2. Przyk³ady wyrobów uzyskanych metod¹ rozci¹gania pró nioweo lub/i rozdmuchowego z folii o gruboœci do 1,5 mm [Kiefel] W zale noœci od wartoœci ciœnienia roboczego w procesie rozci¹gania, mo e ono wystêpowaæ jako pró niowe, rozdmuchowe, lub pró - niowo-rozdmuchowe [10]. Wymienione metody rozci¹gania popularnie okreœla siê terminem termoformowanie (z ang. thermoforming, z niem. thermoformen). Z tego powodu producenci maszyn do wytwarzania wyrobów tymi metodami u ywaj¹ nazw: maszyny termoformuj¹ce, automatyczne linie termoformuj¹ce, lub termoformierki, które realizuj¹ procesy formowania pró niowego, formowania nadciœnieniem, lub pró niowo-ciœnieniowego (automatic pressure forming machines, automatic vacuum forming machines, thermoforming machines) [2,10,19]. Ze wzglêdu na gruboœæ kszta³towanych tworzyw proces rozci¹gania pró niowego lub rozdmuchowego obejmuje trzy zakresy gruboœci. W pierwszym (thin-gauge) dobrze kszta³towane s¹ tworzywa o gruboœci do 1,5 mm, wystêpuj¹ce najczêœciej w postaci folii odwijanych z rolek, st¹d maszyny kszta³tuj¹ce takie tworzywa popularnie nazywa siê maszynami rolowymi (RF roll-fed). Czêsto specjalne maszyny oprócz wytwarzania opakowañ jednoczeœnie pakuj¹ produkty pró niowo lub w atmosferze modyfikowanej, s¹ to automatyczne linie termoformuj¹co-pakuj¹ce (TFFS thermoform-fill-seal). Drugi zakres gruboœci kszta³towanych tworzyw, (heavy lub thick-gauge), obejmuje tworzywa o gruboœciach 3 mm i wiêkszych, najczêœciej w postaci arkuszy lub p³yt (SF sheet-fed). Natomiast ostatni zakres stanowi¹ tworzywa o gruboœciach od 1,5 do 3 mm, lecz udzia³ ich do wy ej wymienionych jest znacznie mniejszy. Oko³o 3 / 4 wszystkich rozci¹ganych pró niowo wyrobów jest wytwarzanych z materia³ów o gruboœci do 1,5 mm [15]. W wiêkszoœci s¹ to wszelkiego rodzaju opakowania jednorazowego u ytku. Kszta³towanie tworzyw w ka dym z wymienionych zakresów gruboœci wymaga zastosowania ró nych metod i oprzyrz¹dowania. Zalety i wady rozci¹gania pró niowego Na wybór rozci¹gania pró niowego jako metody wytwarzania wyrobu sk³ada siê wiele czynników, m.in. koszt oprzyrz¹dowania, wielkoœæ serii, geometria wyrobu, koszt pó³wyrobu. W podjêciu decyzji o wyborze rozci¹gania pró niowego lub rozdmuchowego mo e pomóc znajomoœæ zalet, wad oraz zakresu stosowalnoœci tej metody wytwarzania. Wa n¹ zalet¹ rozci¹gania pró niowego jest stosunkowo niski koszt maszyn do rozci¹gania, jak i ich oprzyrz¹dowania, w porównaniu np. do technologii wtryskiwania, gdzie stosowane s¹ skomplikowane a tym samym kosztowne maszyny. Ponadto mo na kszta³towaæ materia³y wielowarstwowe, porowate a nawet wstêpnie zadrukowane. Ciœnienie potrzebne do kszta³towania tworzywa jest stosunkowo niewielkie, np. podczas rozci¹gania pró niowego < 0,1 MPa, oraz < 1 MPa dla rozci¹gania rozdmuchowego. Dla porównania ciœnienie podczas wtryskiwania tworzywa osi¹ga wartoœci rzêdu kilkudziesiêciu MPa. Znacznie mniejsze ciœnienie wystêpuj¹ce podczas rozci¹gania pró niowego lub rozdmuchowego bezpoœrednio przek³ada siê na mniejszy koszt narzêdzi (form), które najczêœciej s¹ wykonane ze stopów aluminium [3]. Wad¹ procesu rozci¹gania pró niowego jest nierównomierna gruboœæ œcianek uzyskanego wyrobu. Od chwili rozpoczêcia rozci¹gania tworzywa w formie, gruboœæ œcianek siê zmniejsza i ostatecznie zale y od wielu czynników, g³ównie od wspó³czynnika g³êbokoœci

49 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 105 rozci¹gania [10]. Dlatego czêsto maksymalna g³êbokoœæ wyrobu jest ograniczona znacznym pocienieniem œcianek. Kszta³towaniu poddawane jest tworzywo najczêœciej w postaci folii lub p³yty, a wiêc pó³produkt otrzymany metod¹ np. wyt³aczania czy kalandrowania. Zatem ca³kowity koszt produktu powinien uwzglêdniaæ koszt wytworzenia folii lub p³yty, porównuj¹c rozci¹ganie pró niowe np. z technologi¹ wtryskiwania, gdzie do produkcji stosuje siê granulat tworzywa. Ponadto podczas rozci¹gania miejsca, gdzie folia jest trzymana w formie oraz pomiêdzy s¹siednimi wyrobami, nale y po skoñczonym cyklu odci¹æ od wyrobu. Odcinanie mo e byæ realizowane zarówno w maszynie do rozci¹gania pró niowego, jak i poza ni¹. Operacje odcinania wymagaj¹ stosowania du ych si³, a zatem i kosztownego oprzyrz¹dowania. W procesie rozci¹gania pró niowego ograniczona jest tak e geometria uzyskiwanego wyrobu, gdy tylko jedna powierzchnia folii jest w kontakcie z narzêdziem (form¹), którego kszta³t bêdzie odzwierciedla- ³a [3, 12, 13]. TWORZYWA TERMOPLASTYCZNE Tworzywa termoplastyczne s¹ tworzywami, które podczas ogrzewania staj¹ siê plastyczne, a po ostygniêciu wracaj¹ do stanu wyjœciowego, przy czym proces ten mo e odbywaæ siê wiele razy. Termoplasty w temperaturze pokojowej nie wykazuj¹ odkszta³ceñ wysokoelastycznych, a je eli ju, to przy odpowiednio du ych naprê eniach [7]. Oko³o 80-90% stosowanych tworzyw polimerowych stanowi¹ termoplasty [5]. Tworzywa te s¹ stosowane m.in. w procesach rozci¹gania pró niowego. Krystalicznoœæ i jej znaczenie w procesie rozci¹gania pró niowego Termoplasty mog¹ wystêpowaæ w jednej z dwóch struktur nadcz¹steczkowych: krystalicznej (czêœciowo krystalicznej) lub amorficznej (bezpostaciowej). Krystalicznoœæ charakteryzuje siê uporz¹dkowanym przestrzennie u³o eniem makrocz¹steczek. Porównuj¹c tworzywa krystaliczne z amorficznymi z punktu widzenia zastosowania w procesie rozci¹gania pró niowego, podlegaj¹ one przemianom w odmiennych zakresach temperatury [5,12,13]. Podczas podgrzewania termoplastów, od bardzo niskiej temperatury, nastêpuje przejœcie ze stanu szklistego w stan wysokoelastyczny. Mimo, i przejœcie to wystêpuje w pewnym zakresie temperatury, to zazwyczaj dla danego materia³u podaje siê jedn¹ wartoœæ, temperaturê przejœcia w stan szklisty temperaturê zeszklenia T g. Temperatura zeszklenia dotyczy fazy amorficznej tworzywa. Termoplasty amorficzne posiadaj¹ w podwy szonej temperaturze tylko jedn¹ wyraÿn¹ granicê przejœcia, w temperaturze zeszklenia, a kszta³towanie realizuje siê powy ej tej temperatury. Przyk³adem takich tworzyw s¹ PS, ABS, PVC, PC. Oko³o 80% wszystkich rozci¹ganych pró niowo lub rozdmuchowo termoplastów stanowi¹ tworzywa styrenowe takie jak PS, HIPS, ABS, oraz inne [5]. Tworzywa krystaliczne wykazuj¹ w podwy szonej temperaturze przejœcie, ze stanu twardego wymuszonej elastycznoœci do stanu wysokoelastycznego. Ze wzrostem temperatury nastêpuje topnienie krystalitów i tworzywo staje siê bezpostaciowe. Zakres temperatury topnienia krystalitów mo e byæ bardzo w¹ski, mo e obejmowaæ zaledwie kilka C, a stan wysokoelastyczny osi¹gany jest po przekroczeniu tej temperatury. Wtedy faza bezpostaciowa obejmuje ca³¹ objêtoœæ materia³u. Przyk³adami tworzyw krystalicznych s¹ np. polietylen i polipropylen. Natomiast przekroczenie temperatury topnienia powoduje prawie ca³kowite zmniejszenie si³ miêdzycz¹steczkowych, co skutkuje trwa³ym przemieszczaniem siê ³añcuchów polimeru pod wywo³anym dowolnym obci¹ eniem. Stopieñ krystalicznoœci tworzywa odgrywa w procesie rozci¹gania pró niowego istotn¹ rolê. Podgrzewanie tworzyw amorficznych powoduje wzrost ruchliwoœci makrocz¹steczek, co przek³ada siê na stopniowe miêkniêcie tworzywa. Im wiêcej ciep³a jest dostarczane do tworzywa tym jest ono bardziej podatne. W zwi¹zku z tym two-

50 106 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci Rys. 3. Stany fizyczne w bezpostaciowych i krystalizuj¹cych tworzywach wielkocz¹steczkowych [7] rzywa amorficzne posiadaj¹ szeroki zakres temperatury miêkniêcia, wynosz¹cy dla niektórych gatunków nawet 100 C. Natomiast w przypadku tworzyw o strukturze krystalicznej nastêpuje gwa³towne przejœcie do stanu wysokoelastycznego (lub ciek³ego) w temperaturze topnienia krystalitów T r.tworzywao strukturze krystalicznej mo na kszta³towaæ tylko w w¹skim zakresie temperatury, wokó³ temperatury topnienia krystalitów [3, 5, 12, 13]. Stwarza to koniecznoœæ œcis³ej kontroli temperatury tworzywa podczas procesu. Stany fizyczne w zale noœci od temperatury i struktury nadcz¹steczkowej przedstawiono na (rys. 3). WA NIEJSZE W AŒCIWOŒCI TERMOPLASTÓW I ICH ZNACZENIE W PROCESIE ROZCI GANIA PRÓ NIOWEGO Znajomoœæ w³aœciwoœci kszta³towanego tworzywa ma bardzo du e znaczenie w procesie rozci¹gania pró niowego. Ju niewielkie zmiany parametrów na wejœciu procesu, m.in. takich jak temperatura tworzywa, czas nagrzewania, ciœnienie robocze powietrza, mog¹ znacz¹co wp³ywaæ na jakoœæ wyrobu. Najczêœciej dla poszczególnych tworzyw wartoœci parametrów procesu, ustawiane w maszynach do rozci¹gania pró niowego, otrzymuje siê doœwiadczalnie. Nie mniej niezbêdna jest znajomoœæ elementarnych w³aœciwoœci i zachowañ termoplastów w procesie rozci¹gania (rys. 4). Nale y zwróciæ uwagê na ró nice w³aœciwoœci miêdzy tworzywami amorficznymi i krystalicznymi dla których proces rozci¹gania pró niowego lub rozdmuchowego mo e przebiegaæ odmiennie. Temperatura tworzywa Zakres temperatury kszta³towanego tworzywa, nazywany czêsto zakresem temperatury formowania, obejmuje najni sz¹ oraz najwy sz¹ temperaturê, w której tworzywo mo e zostaæ przetworzone w wyrób o zadowalaj¹cej jakoœci. Tworzywa amorficzne maj¹ szerszy

51 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 107 Rys. 4. W³aœciwoœci tworzyw w zale noœci od temperatury: a) tworzywa amorficzne, b) tworzywa krystaliczne [3] zakres temperatury formowania ni tworzywa krystaliczne. Nale y rozró niæ dwa zakresy temperatury, w których mo na kszta³towaæ termoplasty. Pierwszy obejmuje temperatury powy ej temperatury topnienia krystalitów T r (MP Melt-Phase). Drugi zakres wystêpuje w temperaturach poni ej T r (SPPF-Solid- -Phase-Pressure-Forming) [4, 12]. Zazwyczaj jest to zakres kszta³towania w temperaturze, w zale noœæ od materia³u, oko³o 5-8% poni ej temperatury topnienia krystalitów. Kszta³towanie w zakresie SPPF ma swoje uzasadnienie w przypadku, gdy dane tworzywo po stopieniu krystalitów posiada zbyt ma³¹ wytrzyma- ³oœæ, co mo e stwarzaæ problemy w jego utrzymaniu pod promiennikami podczerwieni w zespole nagrzewania maszyny do rozci¹gania pró niowego (powstawanie zbyt du ych ugiêæ). Nale y dodaæ, e kszta³towanie w fazie SPPF wymaga u ycia wiêkszego ciœnienia do wt³oczenia tworzywa (np. folii) do formy, przewa nie od 0,2 do 0,6 MPa, zatem zakres ten bêdzie dotyczy³ w wiêkszoœci przypadków rozci¹gania rozdmuchowego. Ponadto tak uzyskany wyrób charakteryzuje siê wiêksz¹ sztywnoœci¹, wiêkszym poziomem naprê eñ wewnêtrznych i wiêksz¹ orientacj¹ materia³u w œciankach. Zwi¹zane jest to z umacnianiem materia³u podczas rozci¹gania w formie. Sztywnoœæ. Modu³ sprê ystoœci Szczególnie wa n¹ w³aœciwoœci¹ wielu rozci¹ganych pró niowo wyrobów jest ich sztywnoœæ. Miar¹ sztywnoœci jest modu³ sprê ystoœci pod³u nej E, który w przypadku tworzyw polimerowych zale y od ich struktury, rozmieszczenia i wielkoœci podstawników przy³¹czonych do ³añcucha g³ównego oraz od temperatury [9]. Ze sztywnoœci¹ makrocz¹steczek wi¹ e siê ich zdolnoœæ do krystalizacji, poniewa atomy makrocz¹steczek o zbyt du ej sztywnoœci nie mog¹ u³o yæ siê regularnie z utworzeniem sieci przestrzennej [9]. W³aœciwoœci mechaniczne tworzyw polimerowych okreœlone s¹ g³ównie sztywnoœci¹ lub giêtkoœci¹ makrocz¹steczek. Zakres zmian modu³u Rys. 5. Zmiana modu³u sprê ystoœci w zale noœci od temperatury [9]

52 108 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci sprê ystoœci dla tworzyw amorficznych jest inny ani eli w przypadku tworzyw krystalicznych. Ró nice na przyk³adzie polipropylenu i polistyrenu przedstawiono na (rys. 5). W temperaturze zeszklenia spadek wartoœci modu³u polipropylenu jest wzglêdnie ma³y. G³ówny spadek wystêpuje przy osi¹gniêciu temperatury topnienia krystalitów, kiedy ca³a faza krystaliczna przechodzi w amorficzn¹. Z powodu nag³ego spadku modu³u w pobli u temperatury T r, temperatura kszta³towanego tworzywa musi byæ œciœle kontrolowana. Zbyt ma³a jej wartoœæ powoduje, e tworzywo nie jest jeszcze odpowiednio podatne do kszta³towania, natomiast za wysoka powoduje nadmiern¹ utratê sztywnoœci, co mo e prowadziæ do deformacji i zbyt du ych ugiêæ nagrzanego tworzywa pod wp³ywem si³ grawitacji. Orientacja Orientacja struktury molekularnej mo e powstaæ zarówno podczas procesu wyt³aczania lub kalandrowania pó³wyrobu (folii), jak i podczas rozci¹gania folii w formie. Orientacja makrocz¹steczek wywo³uje anizotropiê szeregu w³aœciwoœci. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie wyznaczona w kierunku równoleg³ym do orientacji wzrasta wraz ze wzrostem stopnia rozci¹gniêcia, a wytrzyma³oœæ w kierunku prostopad³ym maleje [7]. Wytrzyma³oœæ w kierunku prostopad³ym do orientacji przy zupe³nym zorientowaniu makrocz¹steczek w przybli eniu odpowiada si³om Van der Waalsa, które to s¹ oko³o 200 razy mniejsze od wi¹zañ kowalencyjnych miêdzy atomami wêgla w cz¹steczce [5]. Wzrost wytrzyma³oœci wywo³any orientacj¹ jest w przypadku tworzyw krystalicznych znacznie wiêkszy ni dla tworzyw amorficznych. Istotn¹ rolê w procesie rozci¹gania pró niowego odgrywa orientacja powstaj¹ca ju w procesie wytwarzania pó³wyrobu, np. folii. Zorientowanie makrocz¹steczek mo e wyst¹piæ w dwóch kierunkach: wzd³u nym (MD machine direction), oraz w poprzecznym (TD transverse direction) [5]. Orientacja w kierunku wzd³u nym ma zawsze wiêksz¹ wartoœæ od tej w kierunku poprzecznym. Zazwyczaj w przypadku szerokich folii orientacja w obu kierunkach zmienia siê od œrodka folii do jej brzegów. Aby uzyskaæ nisk¹ wartoœæ orientacji w obu kierunkach tworzywo powinno byæ powoli wyt³aczane w umiarkowanie niskiej temperaturze, lecz z drugiej strony ze wzglêdu na minimalizacjê kosztów produkcji folii, wyt³aczarka powinna dzia³aæ z jak najwiêksz¹ wydajnoœci¹. Zazwyczaj orientacja w procesie kalandrowania ma mniejsz¹ wartoœæ ni podczas wyt³aczania [3]. Natomiast w samym procesie rozci¹gania pró niowego orientowanie makrocz¹steczek tworzywa nastêpuje podczas jego rozci¹gania w formie. Utrwalenie tworzywa w postaci zorientowanej nastêpuje podczas jego och³odzenia w formie. W rezultacie powstaje wyrób z wewnêtrznymi naprê eniami charakteryzuj¹cy siê m.in. wiêksz¹ sztywnoœci¹. Korzystnym efektem wiêkszej orientacji jest spadek wyd³u enia (ugiêæ) folii w trakcie nagrzewania pod promiennikami podczerwieni w zespole nagrzewania folii. Natomiast zbyt du e zorientowanie w kierunku wzd³u nym mo e wp³ywaæ negatywnie na rozk³ad gruboœci œcianek oraz sk³onnoœæ do zwichrowania lub wypaczenia wyrobu [5]. Dlatego wa ne jest aby orientacja pó³produktu (folii) zawiera³a siê w odpowiednim zakresie. Tarcie w procesie rozci¹gania pró niowego Wa nym czynnikiem w trakcie procesu rozci¹gania pró niowego jest wystêpuj¹ce tarcie miêdzy arkuszem tworzywa a elementami form czy innych narzêdzi. W przypadku niewystarczaj¹cych wartoœci si³ tarcia mo e wyst¹piæ poœlizg tworzywa, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Mo e siê to zdarzyæ w formach negatywowych, podczas rozci¹gania pró niowego matrycowego ze stemplem (t³oczenie wstêpne) lub w formach pozytywowych w trakcie obci¹gania formy foli¹. Je eli w trakcie rozci¹gania w miejscu kontaktu folii ze œciankami formy czy stempla si³y tarcia maj¹ odpowiedni¹ wartoœæ, to folia w tym miejscu nie bêdzie dalej rozci¹gana. Dotyczy to kontaktu gor¹cej folii ze œciankami bocznymi formy lub z powierzchni¹ stempla (rys. 6). W przy-

53 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 109 Rys. 6. Tarcie podczas rozci¹gania pró niowego: a) miêdzy foli¹ i form¹, b) miêdzy folia i stemplem [19] padku zbyt ma³ych wartoœci si³a tarcia, jak np. na pokrywanych PTFE gniazdach formy, materia³ mo e ³atwo ulegaæ œlizganiu w poprzek œcianek,przezcomog¹wyst¹piæproblemy z kszta³towaniem dna pojemnika w formie negatywowej, z powodu m.in. powsta³ych zbyt du ych przewê eñ œcianek. Wartoœæ si³ tarcia zale y przede wszystkim od czynników takich jak [3]: materia³ z jakiego wykonane s¹ narzêdzia (formy, stemple), temperatury narzêdzia w miejscu kontaktu z foli¹, chropowatoœæ powierzchni narzêdzi, gatunku kszta³towanego tworzywa, warunki i zabiegi powierzchniowe przygotowuj¹cych tworzywo (dodatki u³atwiaj¹ce wyci¹gniêcie wyrobu z formy), temperatura kszta³towanego tworzywa w czasie kontaktu z narzêdziami. W przypadku tworzyw wielowarstwowych, np. z warstw¹ zgrzewaln¹, warstwa, która jest w kontakcie z narzêdziem zazwyczaj potrzebuje ni szej temperatury do kszta³towania ni warstwa noœna, nie bêd¹ca bezpoœrednio w kontakcie ze Ÿród³em ciep³a. Pewne problemy mog¹ wyst¹piæ podczas kszta³towania wielowarstwowych folii z tworzyw, w których warstwa noœna wymaga wysokiej temperatury formowania, a warstwa zgrzewalna w tej temperaturze wykazuje bardzo du ¹ lepkoœæ. Przyk³adem mo e byæ polistyren wysokoudarowy SB (HIPS high-impact-polystyrene), który w rozci¹ganiu pró niowym jest nagrzewany do temperatury przynajmniej 160 C, ze zgrzewaln¹ warstw¹ polietylenu PE, która w tej temperaturze klei siê do narzêdzi [3]. Nadmierne przyleganie tworzywa do narzêdzi mo na ograniczyæ obni aj¹c temperaturê tworzywa do najni szej mo liwej wartoœci. Mo na równie dostarczyæ mniej ciep³a podczas nagrzewania stronie zgrzewalnej ni warstwie noœnej tworzywa. Je eli strona zgrzewalna ma kontakt z narzêdziem, nale y zapewniæ mu jak najni sz¹ temperaturê, natomiast je eli narzêdziem tym jest stempel rozci¹gaj¹cy, to zaleca siê aby by³ on pokryty warstw¹ antyadhezyjn¹ np. PTFE. Skurcz Skurcz wtórny cieplny tworzywa objawiaj¹cy siê zmianami wymiarowymi gotowego wyrobu zawsze wystêpuje po och³odzeniu tworzywa w formie [7]. Skurcz ten jest zwi¹zany z w³aœciwoœciami kszta³towanego tworzywa. Je eli tworzywo jest swobodnie wolno ch³odzone, powstaj¹cy skurcz jest w miarê jednolity, taki sam we wszystkich kierunkach. Natomiast zmiany wymiarowe s¹ w przybli eniu równe 1 / 3 zmiany objêtoœci tworzywa. W przypadku wymuszonego ch³odzenia o œcianki formy, skurcz niekoniecznie musi byæ jednolity we wszystkich kierunkach. Wskutek rozci¹gania dwuosiowego folii, powsta³y w ten sposób stan orientacji zostaje utrwalony w trakcie ch³odzenia, czyli w czasie kontaktu tworzywa ze œciankami formy. Stopieñ krystalicznoœci tworzyw krystalizuj¹cych powoli, takich, jak PET czy PP silnie zale y od szybkoœci ch³odzenia. Wyroby z tych tworzyw mog¹ krystalizowaæ jeszcze przez pewien okres czasu po opuszczeniu maszyny termoformuj¹cej, np. w trakcie sk³adowania [9]. Innym czynnikiem maj¹cym wp³yw na skurcz wyrobu jest anizo-

54 110 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci Rys. 7. Nagrzewanie kontaktowe (u góry), rozci¹ganie nagrzanego tworzywa (na dole) [19] tropowa orientacja folii, gdy zazwyczaj orientacja w kierunku wzd³u nym (MD) ma wiêksz¹ wartoœæ ni w kierunku poprzecznym (TD). Podczas nagrzewania tworzywa nastêpuje dezorientacja i zwi¹zany z tym skurcz wtórny, którego wartoœæ zazwyczaj jest inna dla kierunku wzd³u nego i poprzecznego [7]. Przy zbyt du ych ró nicach tych wartoœci mog¹ powstawaæ problemy z gotowym wyrobem m.in. takie jak wypaczenia, zwichrowania, zniekszta³cenia, a nawet ró nice wymiarów miêdzy partiami tego samego produktu [3, 12, 13]. Zachowanie podczas nagrzewania i w³aœciwoœci cieplne termoplastów Proces nagrzewania tworzywa mo e byæ jednym z najbardziej czasoch³onnych etapów cyklu rozci¹gania pró niowego. Czas nagrzewania zale ny jest od sposobu przenoszenia ciep³a do materia³u, który mo e siê odbywaæ m.in. za poœrednictwem przewodzenia, konwekcji lub promieniowania. Przy wyborze metody nagrzewania tworzyw nale y uwzglêdniæ ich w³aœciwoœci cieplne oraz wymagania co do czasu ich nagrzewania. Czêsto czas nagrzewania skraca siê przez zastosowanie grzania wstêpnego, dziêki czemu materia³ utrzymuje siê w odpowiednio podwy szonej temperaturze, przed ostatecznym nagrzaniem do wymaganej temperatury. W celu podgrzania tworzywa krystalicznego z temperatury pokojowej do temperatury topnienia krystalitów potrzeba du o wiêcej energii ni dla tworzywa amorficznego przy grzaniu do tej samej temperatury. Tworzywa polimerowe wykazuj¹ wyj¹tkowo ma³e przewodnictwo cieplne. Ich przewodnoœæ cieplna jest o oko³o trzy rzêdy wielkoœci mniejsza w porównaniu z metalami. Wyj¹tkowo ma³¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ charakteryzuj¹ siê tworzywa o budowie komórkowej. Przyk³adem mo e byæ polistyren porowaty PS o gêstoœci 40 kg/m 3, którego przewodnoœæ jest tylko trzy razy wiêksza od powietrza [1]. Przy rozci¹ganiu pró niowym wyrobów z cienkich folii (do 1,5 mm), je eli nie ma zbyt wygórowanych wymagañ co do czasu nagrzewania, zalecan¹ metod¹ grzania jest nagrzewanie kontaktowe (rys. 7). Metoda ta wykorzystuje przewodzenie ciep³a od nagrzewanej oporowo p³yty grzejnej do bêd¹cego z ni¹ w kontakcie tworzywa. Natomiast w wysokowydajnych maszynach do rozci¹gania pró niowego do nagrzewania folii najczêœciej stosuje siê promienniki podczerwieni. W celu dostarczenia energii do tworzywa wykorzystuj¹ one fale elektromagnetyczne w zakresie podczerwieni, czyli fal o d³ugoœci od 0,8 do 1000 µm. Czas, w którym nagrzewane tworzywo osi¹gnie wymagan¹ temperaturê zale y wtedy od czasu ekspozycji, gatunku tworzywa, jego koloru, gruboœci, odleg³oœci od promiennika oraz ugiêcia podczas nagrzewania. Najkrótszy czas nagrzewania mo e byæ osi¹gniêty wtedy, gdy obie powierzchnie arkusza s¹ ogrzewane z najwiêksz¹ intensywnoœci¹, do mo liwie najwy szej temperatury nie powoduj¹cej zniszczenia materia³u. Zachowanie podczas ch³odzenia Ch³odzenie jest obok nagrzewania tworzywa jednym z najbardziej czasoch³onnych etapów cyklu rozci¹gania pró niowego. Tym samym decyduje o jego wydajnoœci. Tworzywo ulega ch³odzeniu ju w momencie zakoñczenia procesu jego nagrzewania. Wszystkie procesy wystêpuj¹ce miêdzy rozci¹ganiem w formie a nagrzewaniem, np. przesuw folii, rozci¹ganie

55 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci 111 stemplami, musz¹ odbywaæ siê mo liwie szybko. Ch³odzenie tworzywa rozpoczyna siê w momencie jego rozci¹gania w formie, które trwa dziesiêtne czêœci sekundy w przypadku folii cienkich, do kilku sekund przy grubszych wyrobach z p³yt. W tym czasie temperatura tworzywa nie mo e spaœæ poni ej dolnej temperatury formowania. W³aœciwy czas ch³odzenia rozpoczyna siê z koñcem rozci¹gania w formie, kiedy ca³y wyrób ma kontakt ze œciankami formy. W automatycznych maszynach do rozci¹gania pró niowego wytwarzaj¹cych wyroby cienkoœcienne w celu szybkiego odebrania ciep³a z wyrobu najczêœciej stosuje siê ch³odzone wod¹ formy wykonane z aluminium (rys. 8). temperatura zeszklenia. Natomiast tworzyw krystalicznych ni sza o oko³o 20 C od temperatury topnienia krystalitów [5]. W celu wyprowadzenia z formy wyrobu o wiêkszej sztywnoœci czas ch³odzenia powinien byæ wyd³u ony. Kszta³towanie tworzywa w formie Po wprowadzeniu nagrzanego arkusza np. folii do obszaru formy i jej szczelnym zamkniêciu nastêpuje rozci¹gane tworzywa w formie. Rozci¹ganie nastêpuje w wyniku wytworzonej ró nicy ciœnieñ w nad i pod powierzchni¹ folii. Pocz¹wszy od kontaktu folii z brzegiem formy zaczyna siê jej rozci¹ganie, przy jednoczesnym zmniejszaniu gruboœci. W miarê zag³êbiania siê tworzywa w formie, w wyniku wystêpuj¹cego tarcia miêdzy foli¹, a œciankami bocznymi formy oraz och³adzania folii w tych miejscach, folia bêd¹ca w kontakcie z form¹ nie podlega dalszemu rozci¹ganiu. Zatem dalszemu wyd³u aniu bêd¹ ulega³y obszary folii nie stykaj¹ce siê z form¹, a postêpuj¹ce pocienienie folii bêdzie ros³o w miarê zag³êbiania siê jej w formie. Bêdzie ono najwiêksze w miejscach, w których tworzywo jako ostatnie bêdzie mia- ³o kontakt z form¹. W zale noœci od tego, która Rys. 8. Przyk³ad wykonania p³yty bazowej formy z szeregiem kana³ów ch³odz¹cych w uk³adzie serpentyna [13] Z powodu ro nych wartoœci ciep³a w³aœciwego poszczególnych tworzyw oraz zale noœci ciep³a w³aœciwego od temperatury, gatunek tworzywa ma du y wp³yw na czas ch³odzenia. Podobnie du y wp³yw na czas ch³odzenia odgrywaj¹ ró ne wartoœci wspó³czynników przewodnoœci cieplnej dla poszczególnych tworzyw. Proces ch³odzenia tworzywa w formie koñczy siê w chwili, gdy najmniej rozci¹gniêta, a tym samym najgrubsza czêœæ wyrobu, jest sch³odzona do wymaganej temperatury opuszczenia formy, w której wyrób posiada odpowiedni¹ sztywnoœæ. W wiêkszoœci przypadków temperatura sch³odzonego tworzywa amorficznego musi byæ ni sza o oko³o 20 C ni Rys. 9. Rozk³ady gruboœci œcianek wyrobu dla ró nych konstrukcji form: a) forma negatywowa, b) forma pozytywowa [6]

56 112 Tworzywa polimerowe do rozci¹gania pró niowego i ich w³aœciwoœci strona folii ma kontakt z narzêdziem (form¹), czyli w zale noœci od podzia³u na formowanie matrycowe (negatywowe) i stemplowe (pozytywowe), powstaj¹ odmienne rozk³ady gruboœci folii w wyrobie (rys. 9). Kszta³t oraz dok³adnoœæ uzyskanego wyrobu zale ¹ nie tylko od kszta³tu formy, lecz równie od szeregu czynników, w tym od zachowania danego tworzywa w podwy szonej temperaturze. Zazwyczaj w zakresie temperatury kszta³towania wyd³u enie tworzywa pocz¹tkowo wzrasta powoli wraz ze wzrostem naprê enia, lecz nastêpnie nastêpuje szybki jego wzrost w miarê wzrostu naprê enia. Natomiast w ni szych temperaturach wyd³u enie jest wzglêdnie ma³e, a wzrost naprê eñ mo e powodowaæ pêkniecie czy zerwanie tworzywa. W miarê wzrostu temperatury tworzywa jego wyd³u enie przy zerwaniu oraz zdolnoœæ do rozci¹gania w formie bez pêkniêæ czy zerwañ gwa³townie wzrasta. Lecz przy zbyt du ej temperaturze granica wyd³u enia zaczyna nagle spadaæ, gdy struktura cz¹steczkowa jest zbyt s³aba do utrzymania ciê aru tworzywa. Tak powstaj¹ce obci¹ enie powoduje nadmierne ugiêcie folii w formie jeszcze przed wytworzeniem ró nicy ciœnieñ niezbêdnej do w³aœciwego rozci¹gania w formie [3, 9]. Literatura [1] Gruenwald G.: Thermoforming. A Plastics Procesing Guide. Technomic Publishing Company, Inc. Pensylvania [2] Harron G.W., Harkin-Jones E.M.A., Martin P.J.: Influence of thermoforming parameters on final part properties. Thermoforming Research Group, The Queen s University of Belfast, Northern Ireland. [3] Illig Adolf.: Thermoforming. A Practical Guide. Carl Hanser Verlag, Munich [4] Kit L. Yam: Encyclopedia of packaging technology. Third edition. A John Wiley & Sons, Inc,. Publication, United States of America [5] Klein Peter W.: Fundamentals of Plastics Thermoforming. Morgan & Claypool, Ohio Uniwersity [6] Klein Peter W.: Plastics thermoforming tool design: Plug vs cavity molds. Department of Industrial Technology, Ohio University. [7] ¹czyñski B.: Tworzywa wielkocz¹steczkowe. Rodzaje i w³aœciwoœci. WNT, Warszawa [8] Rosato V. Dominick, Schott R. Nick, Rosato V. Donald, Rosato G. Marlene: Plastics Institute of America. Plastics Engineering Manufacturing and Data Handbook. Kluwer Academic Publishers, Massachusetts [9] Rosen R. Stanley.: Thermoforming. Improving Process Performance. Society of Manufacturing Engineers, Michigan [10]Sikora R.: Obróbka tworzyw wielkocz¹steczkowych. Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin [11] Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin [12]Throne James L.: Understanding Thermoforming. Carl Hanser Verlag, Munich [13] Throne James L.: Technology of Thermoforming. Carl Hanser Verlag, Munich [14] Throne James L.: Thermoforming [15] Throne James L.: Thermoforming: Growth And Evolution. Sherwood Technologies, Inc., Dunedin Florida. [16]Materia³y reklamowe firmy ILLIG, [17] Materia³y reklamowe firmy KIEFEL, [18] Materia³y wewnêtrzne firmy TEPRO S.A.,

57 KRÓTKIE INFORMACJE 113 Krótkie informacje KRÓTKIE INFORMACJE Koniec darmowych jednorazówek Ju wkrótce darmowe tworzywowe torby do pakowania zakupów mog¹ zostaæ zakazane w ca³ej Europie. Unia Europejska chce sk³oniæ do u ywania siatek wielokrotnego u ytku i za reklamówki ka e p³aciæ. Przepisami dotycz¹cymi zakazu rozdawania foliowych siatek na zakupy Bruksela ma zaj¹æ siê w kwietniu. Zakaz ten mo e wejœæ w ycie w ci¹gu najbli - szych dwóch lat. UE chce w ten sposób chroniæ œrodowisko naturalne foliowe torby wiele lat mog¹ zanieczyszczaæ œrodowisko, wp³ywaj¹c negatywnie na rozwój roœlin i stanowi¹c zagro- enie dla zwierz¹t. Z wyliczeñ UE wynika, e przeciêtny obywatel UE zu ywa rocznie oko³o 500 takich siatek. Ka d¹ z nich zazwyczaj u ywa tylko raz. Zaledwie kilka procent takich opakowañ (w 2008 roku 6 proc.) podlega recyklingowi. Na podstawie serwisu DailyMail.com Rosyjski polietylen Rosja spodziewa siê powiêkszenia produkcji etylenu do 14,2 milionów ton w 2030 roku w porównaniu z 2,4 mln ton w 2010 roku poinformowa³o w specjalnym oœwiadczeniu Ministerstwo Energetyki Federacji Rosyjskiej, ujawniaj¹c szczegó³y planu rozwoju przemys³u petrochemicznego. Udzia³ Rosji w œwiatowej produkcji monomerów mo e osi¹gn¹æ 5,6% w 2030 r. w porównaniu z 1,6% w 2010 r. Ponad 60% z wydobywanych w kraju lekkich wêglowodorów, zostanie poddane g³êbokiej przeróbce w porównaniu z 30,8% w 2010 r. Zdaniem ministerstwa, zwiêkszenie zdolnoœci produkcyjnych przemys³u chemicznego jest potrzebne, aby zaspokoiæ krajow¹ konsumpcjê. Plan rz¹du przewiduje tak e utworzenie szeœciu centrów petrochemicznych w ca³ej Rosji: w Zachodniej Syberii, w rejonie Wo³gi, w regionie Morza Kaspijskiego, w regionie pó³nocno-zachodniej Rosji, we Wschodniej Syberii oraz na Dalekim Wschodzie. Ka dy z nowych klastrów powinien mieæ zdolnoœci produkcyjne wynosz¹ce nie mniej ni 1 milion ton etylenu rocznie w roku 2020 r. Ujawni³ jednoczeœnie, e ³¹czne nak³ady inwestycyjne na budowê szeœciu kompleksów petrochemicznych osi¹gn¹ 650 miliardów rubli (oko³o 21,4 mld USD). Na podstawie serwisu eplastics.pl Sterylne wtryskiwanie Firma ARBURG GmbH & Co KG wesz³a na rynek w pe³ni elektrycznych wtryskarek póÿniej ni inni dostawcy, ale jej udzia³ w targach MEDTEC Europa pokazuje, e niemiecka firma ma mo liwoœæ do dostarczania swoich technologii kluczowemu segmentowi maszyn elektrycznych sektorowi medycznemu.

58 114 KRÓTKIE INFORMACJE Na targach MEDTEC, odbywaj¹cych siê w dniach marca w Stuttgarcie, Arburg zaprezentowa³ 150-tonow¹, elektryczn¹ wtryskarkê Allrounder 520. Jest to maszyna w pe³ni hermetyzowana, z elementami systemu mocowania wykonanymi ze stali nierdzewnej, które mog¹ byæ oczyszczone szybko i skutecznie. Inn¹ zmian¹, u³atwiaj¹c¹ czyszczenie i sterylizacjê, zastosowan¹ w prezentowanym urz¹dzeniu Arburga jest podniesiona p³yta bazowa, która jest pokryta po stronie wtrysku niklem. Wed³ug zapewnieñ przedstawiciela firmy Arburg, Allrounder 520 spe³nia najwy sze wymagania w zakresie higieny, zgodnie z ISO 13485, a tak e wytyczne FDA i GMP. Clean room wyposa ony w modu³ jonizacji powietrza jest umieszczony powy ej uk³adu zamakaj¹cego w celu zapewnienia powietrza wolnego od niepo ¹danych cz¹stek. Modu³ generuje wysoki poziom przep³ywu powietrza przez filtr wstêpny i filtr HEPA. Na podstawie materia³ów firmy Arburg Butelka oczyszczaj¹ca wodê pitn¹ Dobre wzornictwo, poza upiêkszaniem naszego ycia mo e tak e je ratowaæ i poprawiaæ warunki egzystencji spo³eczeñstwa. Kieruj¹cy siê t¹ filozofi¹ dwaj w³oscy projektanci Alberto Medo i Francisco Gomez Paz zaprojektowali Solar Bottle zbiornik wykorzystuj¹cy promienie s³oneczne do oczyszczania brudnej wody pitnej i zapobiegania rozprzestrzenianiu siê groÿnych chorób. Projektanci udoskonalili g³êboko prosty pomys³ dezynfekowaæ brudn¹ wodê z dostêpnych zasobów, ³¹cz¹c go z atrakcyjnym wzornictwem. W krajach rozwijaj¹cych siê, mikroorganizmy s¹ odpowiedzialne za 2,5 miliona zgonów rocznie. Studia przypadków na ca³ym œwiecie wykaza³y, e woda pitna oczyszczana przez promieniowanie UV mo e znacznie zmniejszyæ czêstoœæ wystêpowania œmiertelnych chorób, takich jak biegunka, cholera, dur brzuszny, ó³taczka i czerwonka. Solar Bottle wykorzystuje energiê S³oñca, aby promieniowaniem UV-A i podwy szon¹ temperatur¹ zniszczyæ drobnoustroje chorobotwórcze w wodzie pitnej. P³aski pojemnik wykonany z PET mieœci 4 litry wody i mo e byæ ³atwo umieszczony na zewnêtrznej œcianie plecaka, lub innej powierzchni wystawionej na dzia³anie s³oñca. W celu maksymalizacji efektu dzia³ania promieniowania UV, zbiornik wykonany jest z dwukolorowego tworzywa, którego przezroczysta czêœæ pozwala na wnikanie promieniowania do zbiornika, natomiast kolorowe œcianki akumuluj¹ ciep³o. Na podstawie serwisu Inhabitat.com Wentylatorowe innowacje Wentylatory przemys³owe stosowane s¹ wszêdzie tam, gdzie musz¹ byæ przepompowywane du e iloœci gazów. Nad bardziej wydajn¹, tañsz¹ i znacznie bardziej ekologiczn¹ ni obecnie technologi¹ wytwarzania wentylatorów przemys³owych pracuje dr in. Mateusz Kozio³, pracownik Wydzia³u In ynierii Materia³owej i Metalurgii Politechniki Œl¹skiej. Na

59 KRÓTKIE INFORMACJE 115 swoje badania otrzyma³ ponad 770 tys. z³otych z programu LIDER finansowanego przez Narodowe Centrum Badañ i Rozwoju. Celem projektu jest optymalizacja konstrukcji œcianki ³opaty wentylatora przemys³owego wytwarzanej metod¹ infuzji pró niowej. Projekt dr. in. Mateusza Kozio³a dotyczy wytwarzania du ych ³opat wentylatorowych z warstwowych kompozytów polimer w³ókno szklane. Obecnie s¹ one wytwarzane metod¹ kontaktow¹, polegaj¹c¹ na nak³adaniu pojedynczych warstw kompozytu i rêcznym nasycaniu ywic¹, z u yciem pêdzla i wa³ka. Metoda taka jest ma³o wydajna, nie zapewnia powtarzalnoœci wyrobów i jest bardzo uci¹ liwa dla pracowników. Dodatkowo jest nieekologiczna opary rozpuszczalników z ywicy s¹ uwalniane do otoczenia. Tradycyjne wytwarzanie wi¹ e siê te ze sporymi stratami materia³u, których mo na by unikn¹æ poprzez optymalizacjê struktury. Dodaje, e oprócz ³opat wentylatorowych, wiêkszoœæ wyrobów z kompozytów jest w Polsce ci¹gle wytwarzana metod¹ kontaktow¹ przy tradycyjnych, g³ównie intuicyjnych systemach optymalizacji struktury. Badacz zamierza zoptymalizowaæ konstrukcjê œcianki ³opaty wentylatora przemys³owego, aby podwy szyæ jej sztywnoœci przy zginaniu i zminimalizowaæ koszty wytwarzania. Efektem praktycznym projektu jest innowacja w technologii kompozytów. Produkowane wyroby zachowaj¹ dotychczasow¹ lub nawet osi¹gn¹ wy sz¹ jakoœæ przy obni onych kosztach zarówno ekonomicznych, jak i ekologicznych. Na podstawie serwisu PAP Kolorowy teflon Pocz¹tki marki Teflon siêgaj¹ roku 1938, kiedy to zatrudniony w firmie DuPont chemik, dr Roy Plunkett, odkry³ polimer PTFE. Pierwsze naczynia kuchenne pokryte pow³ok¹ Teflon trafi³y na rynek w Stanach Zjednoczonych 50 lat temu. Garnki i patelnie z pow³okami Teflon, znacznie u³atwiaj¹ przygotowywanie posi³ków. DuPont wprowadza na rynek Colour Collection, czyli pow³oki Teflon w nowych kolorach. Kolekcja zaprezentowana na tegorocznych targach Ambiente pod has³em Art & Innovation. Colour Collection zosta³a opracowana na podstawie kompleksowych badañ rynku uwzglêdniaj¹cych analizê opinii klientów i handlowców. W efekcie tych dzia³añ, systemy zapobiegaj¹ce przywieraniu DuPont Teflon s¹ teraz dostêpne w trzech odcieniach: Hot Chilli, Lavender Blue i Champagne Gold. Trzy kolory to efekt szczegó³owych badañ rynku przeprowadzonych w maju 2011 roku. Przeanalizowano ró ne propozycje odcieni. Agencja badañ rynku, odpowiedzialna za realizacjê tego projektu, zebra³a opinie zarówno docelowych u ytkowników, jak i w³aœcicieli sklepów z naczyniami kuchennymi. Okaza³o siê, e klienci bardzo pozytywnie przyjmuj¹ patelnie w nowych kolorach. Do produkcji naczyñ z pow³okami Colour Collection stosowane s¹ systemy zapobiegaj¹ce przywieraniu Teflon Select z rodziny Du- Pont Teflon. Trójwarstwowe pw³oki opracowano na potrzeby naczyñ regularnie u ywanych, które nadaj¹ siê do mycia w zmywarce. Wysoka odpornoœæ na œcieranie i zadrapania oznacza, e produkty z kolekcji maj¹ zachowywaæ estetyczny i atrakcyjny wygl¹d przez d³ugi czas u ytkowania. Na podstawie materia³ów firmy DuPont

60 116 KRÓTKIE INFORMACJE Folia dla Barbie i Kena Firma Labtech Engineering z Tajlandii pochwali³a siê opracowaniem najmniejszej na œwiecie laboratoryjnej linii do rozdmuchu folii. Urz¹dzenie mo e byæ sprzedawane równie na polskim rynku. Urz¹dzenie laboratoryjne ultra mikro linia rozdmuchu folii wyposa one jest w tradycyjn¹ poziom¹ wyt³aczarkê. Co ciekawe produkt ten nie by³ konstruowany przez in ynierów Labtecha w celach komercyjnych. Mia³ byæ wewn¹trzfirmowym noworocznym upominkiem. Okaza³ siê jednak na tyle nowoczesny, e postanowiono natychmiast wprowadziæ go do sprzeda y, oferuj¹c go instytucjom naukowym i oœrodkom badawczym. Linia posiada unikalne cechy. Przede wszystkim mowa tu o sto kowym œlimaku o stosunku L/D równym 30:1. Wyposa ona jest w g³owicê spiraln¹ z ustnikiem o œrednicy 20 mm. Wie a rozdmuchu ma ca³kowit¹ szerokoœæ 150 mm, co w ten sposób umo liwia rozdmuch rêkawa folii do 90 mm. Pierœcieñ powietrza posiada regulowany ustnik i dostarczany jest z wbudowan¹ dmuchaw¹ o zmiennej prêdkoœci. Wie a dysponuje z kolei regulacj¹ odleg³oœci wa³ków odci¹gowych od g³owicy w zakresie mm. W sk³ad linii wchodz¹ ponadto dwie stacje zwijania, których wa³ki napêdzane s¹ silnikiem o zmiennej prêdkoœci z mo liwoœci¹ regulacji poœlizgu folii. Omawiana ultra mikro linia rozdmuchu jest dok³adn¹ replik¹ wiêkszych linii rozdmuchu, a folie wytwarzane na niej s¹ dok³adnie takiej samej jakoœci, choæ oczywiœcie du o wê sze ni ma to miejsce przy u yciu tradycyjnego sprzêtu. Na podstawie serwisu Plastech.pl Wypi³eœ? Zjedz butelkê! Rozmaite odpady zasypuj¹ œwiat. Du y problem stanowi¹ wszelkiego rodzaju butelki. Te szklane posiadaj¹ zwrotn¹ kaucjê, jednak nie wszystkie. Z kolei tworzywowe z ró nych wzglêdów zazwyczaj trafiaj¹ na wysypisko. Co prawda niektóre kraje posiadaj¹ specjaln¹ politykê recyklingow¹, która wymusza segregacjê odpadów, jednak rozwi¹zanie problemu mo e byæ znacznie prostsze. Naukowcy ju teraz pracuj¹ nad specjalnym tworzywem, które bêdzie nadawa³o siê do jedzenia. Po wypiciu napoju, zamiast wyrzuciæ butelkê do kosza, bêdziemy mogli siê ni¹ zwyczajnie zajadaæ. Nad wynalazkiem pracuj¹ naukowcy z Uniwersytetu Harvarda. Nowoœæ nazwano Wiki- Cell. Tworzywo sk³ada siê z po³¹czonych ze sob¹ biodegradowalnego polimeru oraz drobinek jedzenia. Wyprodukowane z niego butelki

61 KRÓTKIE INFORMACJE 117 maj¹ smakowaæ dok³adnie tak samo jak napój, który bêdzie siê w nich znajdowa³. Jak do tej pory uda³o siê stworzyæ trzy wersje butelek: o smaku pomarañczy na sok pomarañczowy, o smaku gazpacho na sok pomidorowy oraz o smaku winogron na wino. Naukowcom marzy siê wprowadzenie WikiCell na rynek. W planach maj¹ tak e skonstruowanie specjalnej maszyny umo liwiaj¹ce ka demu samodzielne produkowanie butelek, które póÿniej bêdzie mo na skonsumowaæ. Na podstawie informacji Uniwersytetu Harvarda Z³amanie, które krwawi Na spotkaniu Amerykañskiego Towarzystwa Chemicznego w San Diego zaprezentowano polimer, który regeneruje siê jak ywa skóra. Podobieñstwo do ywego organizmu potêguje zdolnoœæ do krwawienia w miejscu uszkodzenia. Tworzywo opracowane przez zespó³ prof. Mareka W. Urbana z Uniwersytetu Po³udniowego Mississippi w Hattiesburgu wypuszcza czerwon¹ substancjê sygnalizuj¹c¹ uszkodzenie i sam siê naprawia pod wp³ywem œwiat³a, temperatury lub zmian ph. Zespó³ badaczy opracowa³ polimery, które sk³adaj¹ siê z d³ugich ³añcuchów. Te moleku³y zmieniaj¹ kolor, gdy s¹ przerwane i ³atwo siê naprawiaj¹. Profesor widzi wiele zastosowañ dla swojego wynalazku. Zarysowania na b³otnikach samochodowych zbudowanych z takiego materia³u bêd¹ mog³y siê same naprawiæ, wystawione na intensywne œwiat³o. Natomiast efektowne wizualnie krwawienie znaleÿæ mo e zastosowanie w lotnictwie, gdzie krytyczne elementy struktury samolotów mog³yby sygnalizowaæ uszkodzenie, zmieniaj¹c kolor na czerwony. In ynier móg³by wówczas zadecydowaæ, czy wystarczy wywo³anie procesów gojenia pod wp³ywem œwiat³a, czy lepiej wymieniæ uszkodzony element na nowy. Wœród samonaprawiaj¹cych siê polimerów, tworzywo prof. Urbana wyró nia siê tym, e mo e wielokrotnie przechodziæ ten proces. Tworzywo jest te ekologiczne i nie wymaga toksycznych substancji w procesie produkcyjnym. Na podstawie serwisu Gazeta.pl Lataj¹cy, polimerowy dywan Ma³y, 10-centymetrowy arkusz przezroczystego polimeru zwany lataj¹cym dywanem polecia³ w laboratorium Princeton University. Si³¹ napêdow¹ by³o oddzia³ywanie pola elektromagnetycznego. Pr¹d o zmiennej modulacji porusza mikrokieszenie powietrzne, zawarte w arkuszu polimeru, powoduj¹c jego falowanie i przesuwanie siê. Jak zwracaj¹ uwagê uczeni, którzy opracowali prototyp lataj¹cego dywanu, na razie mo e siê on poruszaæ, ale jeszcze nie wzniós³ siê samodzielnie w powietrze. Usprawnienia, jakie zamierza zastosowaæ ekipa badawcza wraz z autorem projektu, Noahem Jafferisem z Princeton University, pozwol¹zwiêkszyæprêdkoœæipoprawiæw³asnoœci aerodynamiczne dywanu. Ca³y projekt oparty by³ na obliczeniu Lakshminarayanana Mahadevana, matematyka i fizyka z Harvard University, który w 2007 roku w Physical Review Letters opisa³ i przed-

62 118 KRÓTKIE INFORMACJE stawi³ równania dotycz¹ce konstrukcji takiego urz¹dzenia. Ca³y system poruszania zosta³ oparty na mechanice ruchu skrzyde³ p³aszczek rai. Jak powiedzia³ kieruj¹cy projektem prof. James Sturm, skonstruowanie lataj¹cego dywanu nie by³o proste. Deformuje siê on przy wysokich czêstotliwoœciach i bez umiejêtnoœci przewidywania, w jaki sposób zachodz¹ te deformacje, nie ma mowy o kontroli lotu. Niestety, obliczenia badaczy wskazuj¹ zarazem, e ze zwyk³ego dywanu nie da siê ³atwo zrobiæ powietrznego œrodka lokomocji. O ile 10-centymetrowa p³achta o gruboœci 0,1 mm mo e siê unosiæ, jeœli drga z czêstotliwoœci¹ 10 Hz i amplitud¹ 0,25 mm, to do uzyskania podobnego efektu w wiêkszej skali konieczna by³aby energia, która obecnie wyklucza jego zastosowanie w praktyce. Przy obecnie istniej¹cych materia³ach i technologiach, lataj¹cy dywan zdolny unieœæ jedn¹ osobê musia³by mieæ 15 metrów rozpiêtoœci. Ogranicza to nieco zastosowanie takich pojazdów. Zdaniem ekspertów, lataj¹ce dywany pomys³u Jafferisa, mog³yby byæ bezza³ogowym pojazdem rozpoznawczym i badawczym na innych planetach, takich jak Mars. Na podstawie serwisu BBC i PAP Pomarañczowe opony W ostatnim czasie wizyta na stacji benzynowej powoduje u kierowców wyrzuty sumienia z powodu galopuj¹cych cen paliwa. Pewn¹ ulgê dla naszych portfeli opracowa³a firma Yokohama. Jej nowa opona, wed³ug zapewnieñ producenta, powinna umo liwiæ redukcjê zu ycia paliwa o ok. 20% z powodu mniejszego oporu toczenia. Do produkcji gumy, z której wykonano oponê, u yto pomarañczy. Wyci¹g ze skórek pomarañczowych wymieszano z kauczukiem naturalnym i innymi dodatkami. Powsta³a w ten sposób guma, która wg in ynierów Yokohamy zawiera o 80% mniej sk³adników ropopochodnych. Dlatego produkcja zielonych opon samochodowych znacz¹co wp³ywa na zmniejszenie emisji zanieczyszczeñ. Pomarañczowa opona nosi nazwê Super E-Spec i bêdzie w pierwszej kolejnoœci montowana do samochodów hybrydowych np. Toyoty Prius. Na podstawie serwisu Ecofriend.com Glony i polimery Naukowcom uda³o siê uzyskaæ PHB (poli-3-hydroksymaœlan) z glonów po³¹czonych z odpowiednim szczepem bakterii Ralstonia eutropha i Bacillus megaterium. PHBjest termoplastycznym poliestrem, który ulega ca³kowitej biodegradacji w œrodowisku naturalnym. Materia³ ten ma wiele zastosowañ. Jednak koszty jego produkcji tradycyjnymi metodami s¹ doœæ du e, dlatego trudno mu bêdzie zdetronizowaæ obecnie dostêpne tworzywa. Co roku ludzie zu ywaj¹ miliony ton tworzyw na bazie ropy naftowej. Ich rozk³ad trwa wiele lat. Dlatego dobrym rozwi¹zaniem dla przemys³u mog¹ byæ biooreaktory z milionami okrzemków (rodzajem glonów), które niestrudzenie produkowa³yby polimery. S¹ w pe³ni odnawialne i biodegradowalne. Okrzemki

63 KRÓTKIE INFORMACJE 119 potrzebuj¹ do wzrostu praktycznie tylko œwiat³a i wody i mog¹ wytwarzaæ PHB w ci¹gu kilku tygodni. W przysz³oœci ten kierunek badañ mo e doprowadziæ do rozwi¹zania problemu odpadów polimerowych, które s¹ zagro eniem dla naszej planety. Na podstawie Microbial Cell Factories Nanomodelowanie Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu opracowali nowy rodzaj drukarki 3D, która potrafi tworzyæ z³o one struktury z nanometrow¹ dok³adnoœci¹. Now¹ technikê nazwali dwufotonow¹ litografi¹. Dziêki temu wynalazkowi mog¹ powstaæ nowe materia³y maj¹ce zastosowanie w medycynie. Specjalna dzia³aj¹ce cz¹steczki dla utwardzalnej ywicy. Do tej pory prêdkoœæ druku liczona by³a w milimetrach na sekundê, natomiast austriackie urz¹dzenie pracuje z prêdkoœci¹ a 5 m na minutê! Uczeni stworzyli maleñkie rzeÿby, których wielkoœæ liczona jest w tysiêcznych czêœciach milimetra. Wœród tych mikroskopijnych ywica utwardza siê pod dzia³aniem lasera, ale tylko wtedy, kiedy odpowiednie cz¹steczki poch³on¹ dwa fotony naraz. Taki proces zachodzi jedynie w samym œrodku laserowego promienia, co czyni go bardzo dok³adnym. Badacze przyspieszyli ruch luster kieruj¹cych promieniem. To nie³atwe zadanie, bo lustra, które nieustannie zmieniaj¹ swoje ustawienie, musz¹ byæ sterowane z najwy sz¹ precyzj¹. Natomiast zespó³ chemików opracowa³ nowe, lepiej dzie³ sztuki znalaz³y siê m.in. repliki wiedeñskiej katedry œw. Szczepana czy stylowego samochodu wyœcigowego. Dwufotonowa litografia jest wyj¹tkowa ze wzglêdu na swoj¹ dok³adnoœæ, a teraz tak e i du ¹ prêdkoœæ. W wiedeñskim instytucie powstaje ju biokompatybilna ywica do zastosowañ medycznych. Bêdzie siê z niej wytwarzaæ m.in. rusztowania dla komórek tworz¹cych zastêpcze tkanki. Na podstawie serwisu Eureknews Gazprom zwiêksza swoje moce produkcyjne LCC Polytar, spó³ka nale ¹ca do Grupy Gazprom Salavat Neftechim, inwestuje w system Berstorff KraussMaffei do produkcji arkuszy poliolefinowych. Sercem linii jest wyt³aczarka jednoœlimakowa KraussMaffei Berstorff KME B / V o konstrukcji modu³owej, która pozwala na stopniow¹ modernizacjê w dowolnym momencie w celu zwiêkszenia elastycznoœci produkcji. LCC Polytar bêdzie korzystaæ z systemu do produkcji arkuszy poliolefinowych, o szero-