KOMPOZYTY POLIMEROWE WYTWARZANE METODAMI FORMOWANIA WTRYSKOWEGO

Transkrypt

1 Leszek A. DOBRZAŃSKI, Marcin BILEWICZ Politechnika Śląska Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych marcin.bilewicz@polsl.pl KOMPOZYTY POLIMEROWE WYTWARZANE METODAMI FORMOWANIA WTRYSKOWEGO Streszczenie. Niniejszy artykuł przedstawia wykorzystanie niekonwencjonalnej techniki formowania wtryskowego z nakładaniem przepływów, zastosowanej do wytwarzania kompozytów polimerowych na bazie polipropylenu izotaktycznego o rozbudowanej, multilaminarnej strukturze. W artykule ujęto opis zasady działania niekonwencjonalnej formy, wyniki badań mechanicznych oraz statystyczną analizę danych. POLYMER COMPOSITES PERFORMED BY INJECTION MOLDING TECHNIQUES Summary. This article demonstrates the use of non-conventional injection molding technique with reciprocating flows, used in the manufacture of polymer composites based on isotactic polypropylene with complex, multilaminar structure. The article contains the principles operating modes of non-conventional form, mechanical test results and statistical data analysis.

2 L. A. Dobrzański, M. Bilewicz.WSTĘP Materiały kompozytowe o osnowie polimerowej należące do jednej z głównych grup materiałów inżynierskich, są komplementarne w stosunku do pozostałych, obejmując kilkanaście tysięcy gatunków polimerów różniących się wzajemnie od siebie chemicznie i morfologicznie, co czyni je ważnym materiałem konstrukcyjnym dla inżyniera, dając możliwość licznych zastosowań w różnych dziedzinach nauki i techniki. Prowadzone aktualnie badania nad tymi materiałami skupiają się głównie na polepszaniu ich własności mechanicznych, dlatego też ta grupa materiałów jest ciągle ulepszana poprzez wprowadzanie dodatków, rekonfigurację procesu wytwarzania oraz tworzenie nowych lub udoskonalanie starych technologii przetwórstwa [-]. Materiały polimerowe oraz wytwarzane na ich bazie kompozyty i nanokompozyty cieszą się zainteresowaniem wielu gałęzi przemysłu ze względu na wyjątkowo ekonomiczną zdolność kształtowania gotowych produktów, w tym sprzętu medycznego, sportowego, części samochodów, samolotów, statków, pojazdów kosmicznych, akcesorium AGD czy też instrumentów optycznych w stosunkowo prostych procesach technologicznych. Najpowszechniejszym procesem przetwarzania materiałów polimerowych jest formowanie wtryskowe, umożliwiające tworzenie gotowych części i podzespołów podczas cyklu trwającego zaledwie kilka sekund [,, 7]. Według analityków AMI (Applied Market Information) udział Polski w przetwórstwie tworzyw sztucznych poprzez proces formowania wtryskowego na tle Europy Środkowej wynosi ponad 0 %, a jako kolejne są Czechy (%) oraz Węgry (9%) []. Bazując na obiecujących rokowaniach powszechności stosowania procesu formowania wtryskowego, słusznym jest zatem krok w kierunku badań i rozwoju tej techniki oraz ulepszanie i wytwarzanie nowych materiałów i blend polimerowych przetwarzanych tą techniką. W badaniu wykorzystano formowanie wtryskowe z rozbudowaną formą umożliwiającą przetłaczanie wtryśniętego polimeru do gniazda formy, w celu nadania kompozytom polimerowym lepszych własności mechanicznych [9, 0].. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań został użyty polipropylen spełniający rolę osnowy kompozytu oraz blenda polimerowa PC-ABS jako wzmocnienie (tabela ).

3 Kompozyty polimerowe wytwarzane... 7 Tabela Materiały wykorzystane w eksperymencie Materiał Nazwa Producent Dane Polipropylen (ipp) Moplen HP 0 M Basell Plasticos Półkrystaliczny (osnowa) Blenda polimerowa poliwęglan akrylonitryl-butadien-styren (PC-ABS) Cycoloy C00 GE Plastics Amorficzny (wzmocnienie) Polipropylen szczepiony bezwodnikiem maleinowym (PP-g-MA) Licomont AR 0 Clariant GmbH Kompatybilizato r Kompozyty polimerowe PP/PC-ABS i PP/PC-ABS z dodatkiem PP-g-MA zostały przygotowane w kolejnych etapach: suszenie granulatu, mieszanie granulatu w mieszarce bębnowej, wtryskiwanie do formy oraz formowanie z nakładaniem przepływów. Materiały były ze sobą mieszane w proporcjach podanych w tabeli. Tabela Proporcje poszczególnych materiałów [% wag.] Kompozyt Polipropylen PC-ABS PP-g-MA PP/PC-ABS PP/PC-ABS/PP-g-MA 7 0 Próbki wykonano dla dwóch temperatur wtrysku, 0ºC i 0ºC, przy użyciu wtryskarki Ferromatik Milacron K-. Wtryskarka wyposażona była w formę umożliwiającą nakładanie przepływów tuż po zakończeniu cyklu wtryskiwania (rys.). Nakładanie odbywa się wewnątrz formy wskutek współbieżnego ruchu tłoków zamocowanych po przeciwległych stronach formy i operowanych zewnętrznie hydraulicznym systemem kontrolowanym komputerowo.

4 L. A. Dobrzański, M. Bilewicz Rys.. a) Forma wtryskowa z tłokami operowanymi zewnętrznie hydraulicznym systemem kontrolowanym komputerowo, b) dwa tryby pracy tłoków - współbieżne i przeciwbieżne Fig.. a) Injection mold with two pistons operated through external, computer controlled hydraulic system, b) two working modes of pistons synchronous and countershaft movement Poszczególne ustawienia parametrów procesu nakładania przepływów zostały zaplanowane zgodnie z dwustopniową tabelą czynnikową bazującą na trzech zmiennych: temperaturze wtrysku (TW), interwale czasowym pomiędzy przepływami (CP) i liczbie przepływów (LP) (tabela ). Zestawienie zmiennych parametrów procesu formowania wtryskowego niekonwencjonalnego Tabela Parametry procesu Zestawienie ośmiu ustawień parametrów procesu niekonwencjonalnego formowania wtryskowego Nr 7 TW [ºC] CP [s] LP

5 Kompozyty polimerowe wytwarzane WYNIKI BADAŃ Podczas wykonanych testów wytrzymałościowych na zginanie, pękanie i rozciąganie wyznaczono moduł sprężystości E, odporność na pękanie K C, maksymalne odkształcenie przy rozciąganiu ε b oraz wytrzymałość na rozciąganie σ max (tabela, rys., ). Zestawienie parametrów E [GPa] PP/PC-ABS K C [MPa.m - ] σ max [MPa] Wyniki badań ε b [%] E [GPa] PP/PC-ABS/PP-g-MA K C [MPa.m - ] σ max [MPa] Tabela ε b [%] Var (%) Var (%) = max min. min gdzie: ( ) x 00 E [GPa] K C [MPa m Rys.. Wyniki modułu sprężystości E i odporności na pękanie K C Fig.. Results of modulus E and fracture toughness K C

6 0 L. A. Dobrzański, M. Bilewicz σ max [MPa] ε b [%] Rys.. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie σ max i maksymalnego odkształcenia przy rozciąganiu ε b Fig.. Results of maximum tensile strength σ max and tensile strain at break ε b Własności mechaniczne dla obydwu blend polimerowych wskazują, że zależą one od kompozycji materiałowej oraz zróżnicowania parametrów procesu wtryskiwania z nakładaniem przepływów. Moduł sprężystości zwiększył się nieznacznie po zastosowaniu kompatybilizatora dla 7 zestawienia parametrów. Większą odpornością na pękanie wykazał się materiał PP/PC-ABS, który jedynie dla i 7 zestawienia parametrów nałożył się z wynikami PP/PC-ABS/PP-g-MA. Kompatybilizator w tym przypadku nie wpłynął korzystnie na poprawę odporności na pękanie. Uwzględniając wytrzymałość na rozciąganie oraz maksymalne odkształcenie przy rozciąganiu dodatek bezwodnika maleinowego również nie polepszył własności. Jedynie zastosowanie najniższych wartości parametrów procesu (TW, CP, LP) zwiększyło o % wytrzymałość na rozciąganie w stosunku do blendy bez kompatybilizatora. Skupiając uwagę na wpływie parametrów technologicznych na własności mechaniczne, tj. E, K C, σ max, ε b, stwierdzić można, że najistotniejszą rolę pełni temperatura wtrysku, która w głównej mierze kształtuje te własności (rys. ). Dla PP/PC-ABS udział temperatury wtrysku wyniósł 0.% jako główny czynnik definiujący moduł sprężystości oraz 7.% dla maksymalnego odkształcenia przy rozciąganiu. W przypadku wytrzymałości na rozciąganie najistotniejsze znaczenie miała liczba przepływów, natomiast za poprawę odporności na pękanie odpowiedzialny był głównie interwał czasowy nakładania przepływów. Dla PP/PC-ABS/PP-g-MA temperatura wtrysku odpowiadała za odporność na pękanie (.0%), wytrzymałość na rozciąganie (.9%), natomiast interwał czasowy nakładania przepływów kształtował maksymalne odkształcenie przy rozciąganiu (9.%) oraz, nieznacznie bardziej niż temperatura wtrysku, moduł sprężystości (.%). Analiza statystyczna umożliwia kontrolę procesu i określenie, przy zwiększaniu lub zmniejszaniu których parametrów procesu polepszają się lub pogarszają badane własności, uwzględniając

7 Kompozyty polimerowe wytwarzane... jedynie zadane przedziały bazujące na wartości minimalnej i maksymalnej, co wynosi dla TW min/max = 0/0ºC, dla CP min/max = /sek oraz dla LP min/max = /. (rys. ). Moduł sprężystości dla PP/PC-ABS/PP-g-MA wzrośnie przy zwiększeniu interwału czasowego nakładania przepływów oraz zwiększeniu liczby przepływów, natomiast dla PP/PC-ABS zmaleje. Wzrost temperatury wtrysku wpłynie na obniżenie modułu dla obu materiałów. Pozostałe własności można kontrolować analogicznie poprzez optymalizację parametrów formowania wtryskowego z nakładaniem przepływów. CP LP TW Rys.. Wpływ parametrów procesu (CP, LP, TW) na własności mechaniczne K C, E, σ max, ε b Fig.. Influence of processing parameters on mechanical properties K C, E, σ max, ε b

8 L. A. Dobrzański, M. Bilewicz E [GPa] KC[MPa m - ] CP LP TW CP LP TW σmax [MPa] εb [%] CP LP TW CP LP TW Rys.. Wpływ parametrów procesu na poprawę lub pogorszenie własności K C, E, σ max, ε b Fig.. Influence of process parameters on the improvement or decrease of properties K C, E, σ max, ε b. PODSUMOWANIE Artykuł przedstawił możliwość manipulacji ciekłym polimerem wewnątrz formy w celu zmian strukturalnych poprzez nakładanie przepływów i tworzenie struktury laminarnej. Kształtowanie struktury umożliwia kontrolę własności mechanicznych, co jest najistotniejszą sprawą dla inżyniera przy doborze i wytwarzaniu materiałów. Użyta technika, wraz ze szczegółową analizą statystyczną własności mechanicznych oraz badaniami strukturalnymi, o które będą wzbogacane przyszłe badania, jest perspektywistycznym narzędziem inżynierskim o wszechstronnym zastosowaniu. BIBLIOGRAFIA. Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki materiałach i metaloznawstwo. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, wyd. II zmienione i uzupełnione, Warszawa, 00.. Stabik J., Dybowska A., Chomiak M., Polymer composites filled with powders as polymer graded materials, / (00) -.. Alexandre M., Dubois P., Materials Science and Engineering, - (000).

9 Kompozyty polimerowe wytwarzane.... Bilewicz M., Viana J.C., Cunha A.M., Dobrzański L.A.: Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering (00) 9-.. Utracki L.A., Polymer Blends Handbook, Kluwer Academic Publishers (00).. Izabella Hyla, Tworzywa sztuczne: własności - przetwórstwo zastosowanie, Wydaw. Politechniki Śląskiej, Wróbel G., Rdzawski Z., Muzia G., Pawlak S.: Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering () (00) AMI s Directory Plastics Processing in Poland 009. A unique report on plastics processing in Poland", Jaruga T., Bociąga E.: Archives of Materials Science and Engineering 0() (00) Bilewicz M., Viana J.C., Cunha A.M., Non-conventional injection moulding of a PP/PC-ABS blend, Materials Science Forum - (00) -.. Dobrzański L.A., Bilewicz M., Viana J.C.: Archives of Materials Science and Engineering, AMSE / (0) 9-00.