PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA LAMINATÓW EPOKSYDOWO SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE

Transkrypt

1 Łukasz WIERZBICKI, Józef STABIK, Andrzej PUSZ Politechnika Śląska Instytut Materiałów InŜynierskich i Biomedycznych lukasz.wierzbicki@polsl.pl PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA LAMINATÓW EPOKSYDOWO SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE Streszczenie. Wiadomo, Ŝe istnieje związek pomiędzy zmianą własności cieplnych badanego materiału ze zmianą jego innych cech uŝytkowych. Dlatego zbadanie wpływu starzenia, a co za tym idzie degradacji laminatów epoksydowo-szklanych na ich własności cieplne, zostało wyznaczone, jako cel tej pracy. W części dotyczącej badań eksperymentalnych przedstawiono wyniki wpływu czasu starzenia na zmiany współczynnika przewodzenia ciepła oraz chłonność wody laminatów starzonych w czasie od 168 do 1680 godzin. Badaniom zostały poddane próbki wycięte z płyt z laminatów epoksydowo-szklanych o oznaczeniu TSE-2. THE INVESTIGATION OF THERMAL PROPERTIES OF GLASS EPOXY COMPOSITES Summary. There is a relation between thermal properties changes of the investigated material and changes of its performance features. Therefore, the aim of these thesis is to investigate the influence of the ageing process, which leads to deterioration on thermal properties of glass epoxy composites. In the experimental part results on influence of ageing time on thermal conductivity coefficient and water absorption are presented for composites aged from 168 to 1680 hours. After that analyze the results to examine the time aging influence on these parameters. The samples cut from glass epoxy plates (type TSE-2) have been investigated. 1.WSTĘP Badania właściwości cieplnych laminatów są najczęściej badaniami nieniszczącymi. Badania te mogą być wykonywane w kaŝdym etapie cyklu Ŝycia wyrobu. Nieniszcząca

2 Przewodność cieplna laminatów kontrola, jakości obiektów jest niezbędna w nowoczesnym przemyśle, a zwłaszcza w produkcji wielkoseryjnej [1]. Wady i uszkodzenia występujące w kompozytach mogą narastać w długim czasie i być niewidoczne gołym okiem. Skorelowanie zmian własności cieplnych z innymi ich cechami uŝytkowymi, umoŝliwi np. kontrolę stopnia wyczerpania nośności konstrukcji kompozytowej. Przepływ ciepła zachodzi wszędzie tam, gdzie występują róŝnice temperatury. Z punktu widzenia termodynamiki wyróŝnia się trzy sposoby wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcję, promieniowanie. Mechanizm przewodzenia ciepła zaleŝy od stanu skupienia ciała przewodzącego ciepło. W ciałach stałych przewodzenie ciepła polega przede wszystkim na przenoszeniu energii przez swobodne elektrony oraz drgania atomów w siatce krystalicznej [2, 3, 4]. Współczynnik przewodzenia ciepła λ jest miarą zdolności przewodzenia ciepła przez dany materiał - dla gazów mieści się w zakresie λ = 0,005 0,5 [W/(mK)], dla cieczy jego wartość kształtuje się w granicach λ = 0,09 0,7 [W/(mK)], a dla ciał stałych przyjmuje on wartości z zakresu λ = 0, [W/(mK)]. NajniŜsze wartości dotyczą materiałów o niejednorodnej strukturze (np. drewno, ceramika, grunty, tkaniny), a najwyŝsze wartości osiągają metale o jednorodnej, pozbawionej wtrąceń, strukturze. Przykładowe wartości współczynnika przewodzenia ciepła dla materiałów pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła [2-5] Fig. 1. Value of thermal conductivity coefficient [2-5] Wyznaczenie współczynnika ciepła sprowadza się do wywołania zaburzenia termicznego i obserwacji pola temperatury. Innymi słowy, na rozwiązaniu zagadnienia inwersyjnego przewodzenia ciepła przy znanym polu temperatury i warunkach brzegowych. Jeśli rozwaŝane zagadnienie brzegowe dotyczy stanu ustalonego, mówimy wtedy o stacjonarnych metodach pomiarowych. W przypadku, gdy podczas pomiarów rozpatruje się nieustalone zagadnienie brzegowe, wtedy mamy do czynienia z metodami niestacjonarnymi dynamicznymi [6].

3 408 Ł. Wierzbicki, J. Stabik, A. Pusz 2.BADANIA WŁASNE 2.1. Materiał badawczy Badaniom zostały poddane próbki wycięte z płyt wykonanych z laminatu epoksydowo szklanego (4x25x250mm). Próbki wycięto z płyt o oznaczeniu TSE-2. Ten rodzaj laminatu jest produkowany przez firmę IZO-ERG S.A Gliwice. Do badań wybrano 55 próbek i posegregowano je w serie po 5 próbek, róŝniące się czasem starzenia. Pierwsza seria, czyli seria A, nie została poddana starzeniu gdyŝ jest to seria próbek porównawczych. Pozostałe serie próbek zostały poddane starzeniu w urządzeniu do starzenia wypełnionym wodą o temperaturze 90 ºC (seria A - 0h, seria B - 168h, seria C - 336h, seria D - 504, seria E - 672h, seria F - 840h, seria G h, seria H h, seria I h, seria J h oraz seria K h). Schemat urządzenia wykorzystanego do starzenia próbek pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Schemat urządzenia do starzenia: 1 - sterownik urządzenia utrzymujący stałą zadaną temperaturę, 2 - zbiornik z wodą, 3 - elementy grzejne Fig. 2. Diagram of ageing system: 1 - temperature controller, 2 - water tank, 3 - heat elements 2.2. Chłonność Ze względu na to, iŝ próbki zostały poddane starzeniu w wodzie, konieczne było zbadanie chłonności wody przez laminat. Na rysunku 3 przedstawiono wykres pokazujący zestawienie ilości zaabsorbowanej wody dla kaŝdej serii próbek.

4 Przewodność cieplna laminatów ,8 0,6 0,4 0,2 Chłonność wody [%] 0 (B) 168 h (C) 336 h (D) 504 h (E) 672 h (F) 840 h (G) 1008 h (H) 1176 h (I) 1344 h (J) 1512 h (K) 1680 h Nazwa serii próbek oraz czas starzenia Rys. 3. Chłonność wody kaŝdej serii próbek Fig. 3. Water absorption 2.3. Ocena wyglądu zewnętrznego próbek po starzeniu Ocenę wyglądu powierzchni próbek określa się makroskopowo, oglądając próbki w świetle dziennym. Barwę próbek sprawdza się przez porównanie w tych samych warunkach próbek ułoŝonych obok siebie. Laminaty, zgodnie z normą EN 438-2: 2005, podlegają ocenie według następującej skali stopniowej: stopień 5 - brak widocznych zmian, stopień 4- nieznaczna zmiana połysku i/lub barwy, widoczna jedynie pod pewnym kątem; stopień 3- umiarkowana zmiana połysku i/lub barwy, stopień 2- znacząca zmiana połysku i/lub barwy, stopień 1- wystąpienie pęcherzy i/lub rozwarstwienie. Rys. 4. Porównanie zmiany wyglądu próbek w zaleŝności od czasu starzenia Fig. 4. Comparison of samples appearance in dependence on ageing time Próbki serii B,C oraz D zostały zakwalifikowane do stopnia 4. Serie próbek E,F,G odznaczają się większą zmianą barwy niŝ poprzednie, a więc zostały zakwalifikowane do stopnia 3. Natomiast próbki serii H,I,J oraz K, a więc starzone przez czas 1176 godzin

5 410 Ł. Wierzbicki, J. Stabik, A. Pusz i dłuŝej, zakwalifikowano do stopnia 2 poniewaŝ zaobserwowano znaczącą zmianę barwy. W Ŝadnej próbce nie zaobserwowano wystąpienia pęcherzy ani rozwarstwienia Przewodność cieplna Stanowisko do badań cieplnych laminatów epoksydowo szklanych zostało skonstruowane w oparciu o załoŝenia zawarte w normie PN-EN 12667: 2002 oraz wytyczne z normy ASTM: E Pełen opis stanowiska oraz metodykę badania zamieszczono w publikacji [7]. Przedstawiony aparat pomiarowy umoŝliwia badania współczynnika przewodności cieplnej próbek o róŝnej grubości, jednakŝe wymiary powierzchni przylegających do grzałki muszą odpowiadać wymiarom powierzchni grzałki. Na podstawie uzyskanych wyników, wykonano analizę dotyczącą wpływu czasu starzenia laminatów epoksydowo-szklanych na współczynnik przewodności cieplnej. Na rysunku 5 przedstawiono wartości średnich współczynników przewodności cieplnej dla kaŝdej serii próbek po określonym czasie starzenia. Następnie skorelowano wyniki badań przewodności cieplnej z czasem starzenia metodą regresji liniowej. Współczynniki równania regresji oraz współczynnik korelacji o odchylenie standardowe, przedstawia tabela 1. Rys 5. Wykres wpływu czasu starzenia na zmiany współczynnika przewodności cieplnej Fig 5. Graph of ageing time influence to thermal conductivity coefficient

6 Przewodność cieplna laminatów Tabela 1 Wartości współczynników regresji liniowej Y=A+Bx Współczynnik Wartość A 0,38828 B -6,75425E-5 Korelacja R -0,98116 Odchylenie standardowe 0, WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy wyników moŝna stwierdzić, Ŝe: 1. Czas starzenia laminatów TSE-2 w wodzie o temperaturze 90 C ma wpływ na wartość współczynnika przewodności cieplnej. Próbki starzone najdłuŝej odznaczały się najmniejszą wartością współczynnika przewodzenia ciepła, a więc w miarę wydłuŝania czasu starzenia przewodność cieplna maleje. 2. Ilość zaabsorbowanej wody laminatów epoksydowo-szklanych TSE-2 rośnie wraz ze wzrostem czasu starzenia. Dla czasu starzenia równego 1680 godzin chłonność wody jest na poziomie 0,9 %. 3. Wyniki obserwacji wizualnej próbek wskazują Ŝe, wraz ze wzrostem czasu starzenia wyraźnie zaznacza się zmiana ich barwy. W miarę wydłuŝania czasu starzenia próbki stają się ciemniejsze. Praca sfinansowana z projektu badawczego PBU-16/RMT-1/2007 BIBLIOGRAFIA 1. Śliwiński A.: Ultradźwięki i ich zastosowania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Składzień J.: Termodynamika i termokinetyka, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Wiśniewski S.: Wymiana ciepła. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Składzień J.: Termodynamika dla elektryków. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Sweeting R.D., Liu X.L.: Composites, nr35, 2004, s Ryłko N.: Kompozyty, nr.4, 2005, s Pusz A., Michalik K., Szymiczek M.:ZałoŜenia konstrukcyjne i metodologiczne konstrukcji aparatu do pomiaru własności cieplnych laminatów wzmocnionych włóknem szklanym. Monografia: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wyd. Logos Press, Cieszyn 2009