Określenie wybranych właściwości mechanicznych odpadowych materiałów kompozytowych

Transkrypt

1 KYZIOŁ Lesław 1 JASTRZĘBSKA Mariola 2 Określenie wybranych właściwości mechanicznych odpadowych materiałów kompozytowych WSTĘP W ostatnich latach zaobserwowano wzrost zastosowań laminatów poliestrowych wzmacnianych włóknem szklanym. Służą jako materiał konstrukcyjny nie tylko w okrętownictwie (np. kadłuby jednostek, nadbudówki), ale również w kolejnictwie, motoryzacji (np. elementy karoserii i wyposażenia wnętrz, dachy wagonów, cysterny), czy lotnictwie (np. kadłuby samolotów, zbiorniki paliwowe, zakończenia dziobów i stateczników). Mimo nowoczesnych technologii otrzymywania kompozytów wzmacnianych włóknami szklanymi to nadal wagowo 13% produktów wytwarzanych jest metodą laminowania ręcznego [1]. Metoda ta polega na przesycaniu żywicą warstw wzmocnienia w postaci mat rovingowych i charakteryzuje się bardzo niskimi kosztami inwestycyjnymi. Tak produkowane są kadłuby jachtów, których w Polsce wytwarza się ok tysięcy rocznie [5]. Masowa produkcja i popularność laminatów poliestrowo-szklanych generuje problem ich odpadów, które trudno poddaje się różnym procesom utylizacji [1,5,6]. Rozróżniamy cztery metody recyklingu odpadów kompozytowych: surowcowy, materiałowy, materiałowo-termiczny (przemysł cementowy) i odzysk energii [1]. Recykling materiałowy wydaje się najbardziej możliwym sposobem zagospodarowania odpadów poliestrowo-szklanych w Polsce. Ze względu na różny skład i pochodzenie odpadów przed zastosowaniem ich jako surowiec wtórny w pracy zbadano sześć rodzajów odpadów. Celem pracy była charakterystyka odpadów poprodukcyjnych laminatów poliestrowo-szklanych, w celu późniejszego wykorzystania ich jako wzmocnienia do kolejnych materiałów. Określono właściwości mechaniczne odpadów oraz oznaczono zawartość w nich włókien szklanych. 1. MATERIAŁ BADAWCZY Materiał do badań stanowiły odpady laminatów poliestrowo szklanych, powstałe w czasie produkcji kadłubów jachtów. Otrzymano próbki o długości ok. 150 mm i szerokości 20 mm. Laminaty poliestrowo-szklane charakteryzują się strukturą izotropową w płaszczynie (rysunek 1). Zanim odpady laminatów posłużą jako wzmocnienie do innych materiałów poddano je wybranym badaniom. W pracy wykorzystano sześć różnych odpadów poliestrowo-szklanych, wykonanych z maty szklanej o gramaturze 350 g/m 2 (z ciętego włókna szklanego E o nominalnej średnicy 12 µm, masie liniowej 25 tex) oraz żywicy Aropol K 530. Próby różniły się grubością, ilością warstw wzmocnienia. Rys.1. Struktura izotropowa w płaszczyźnie laminatu z maty szklanej Podstawowe właściwości włókna szklanego podano w tabeli 1. 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Gdynia, ul. Morska 81-87, Tel.: , fax: , lkyz@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Przedsiębiorczości i Towaroznawstwa, Gdynia, ul. Morska 81-87, Tel.: , mariola@am.gdynia.pl 2758

2 Tab. 1. Podstawowe właściwości włókna szklanego typu E [2,3 s.55] Wytrzymałość Wydłużenie przy Moduł Gęstość, [kg/m 3] na rozciąganie zerwaniu sprężystości [MPa] [%] [GPa] Współczynnik Poissona, ,8 77 0,23 Kompozyty do badań oznaczono od 1 6, przy czym oznaczenia od 1 4 oraz 6 nadano kompozytom składającym się tylko z maty szklanej oraz żywicy, natomiast kompozyt 5 posiadał dodatkowo w części środkowej przekładkę z Ariex R Grubość poszczególnych materiałów była następująca: materiał 1 2,40 mm, 2 1,45 mm, 3 4,75 mm, 4 7,60 mm, 5 10,15 mm (2 warstwy zewnętrzne po 4,07 mm, warstwa przekładkowa 2 mm), 6 3,15 mm. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy przekrój poprzeczny kompozytu 4 i 5 charaketryzujący ich budowę. a) b) Kompozyt 4 Kompozyt 5 Rys. 2. Kompozyt: a) żywica poliestrowa, b) żywica poliestrowa oraz Ariex R63.50 Airex jest produktem szwajcarskim i stosowany jest jako materiał przekładkowy, który jest termoplastyczną pianką polimerową o zamkniętych komórkach. Charakteryzuje się dużą odkształcalnością i doskonałą adhezją. Tworzywo to jest typowym materiałem rdzeniowym, w przypadku konstrukcji obciążonych dynamicznie absorbuje drgania. Charakteryzuje się dobrą odpornością na uderzenia, łatwo się daje formować na ciepło i zimno, zachowuje stabilność wymiarów. Ponadto wykazuje doskonałą odporność na obciążenia zmęczeniowe, jest dobrym izolatorem termicznym i dźwiękowym. Stosowany w przemyśle morskim, lotniczym, drogowym i kolejowym [4]. Podstawowe właściwości materiału o nazwie handlowej Ariex R63.50 podano w tabeli 2. Tab. 2. Podstawowe właściwości Ariex R63.50 [4] Gęstość, R m, R c,, E, G, Współczynnik kg/m 3 Poissona, MPa MPa % MPa MPa ,9 0, ,36 Wstępne badania miały na celu określenie zawartości wzmocnienia w kompozytach wg normy PN- EN ISO 1172:2002. Próbki laminatów umieszczono w tygielkach, które wypalano w piecu muflowym w temp C przez 8 godzin. Cześć organiczna, żywica poliestrowa uległa wypaleniu. Ze stosunku różnicy mas tygielka przed i po prażeniu do masy początkowej próbki obliczono zawartość wagową wzmocnienia w laminatach. W tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiarów. Tab. 3. Udział wzmocnienia (włókna szklanego) w odpadach kompozytowych Nr materiału Grubość materiału Zawartość włókna [mm] szklanego [% wag.] 1. 2,40 41,5 2. 1, , , , ,15 38 Zalecana zawartość zbrojenia matą szklaną w laminatach stosowanych do produkcji kadłubów wynosi 28-31% w stosunku do masy laminatu. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono w 2759

3 odpadach zdecydowanie większy udział włókna szklanego. Odpady pochodzą z produkcji kadłubów jachtów i prawdopodobnie pracownicy nie zalewali żywicą dostatecznie maty szklanej wiedząc, że będą to fragmenty odcinane. Wytrzymałość na rozciąganie włókna szklanego wynosi 3500 MPa, a żywicy 65 MPa spodziewano się, więc że odpady laminatów poliestrowo szklanych będą wytrzymałe na rozciąganie i mogą posłużyć jako wzmocnienie w innych materiałach. Wykonano więc badania wytrzymałości na rozciąganie odpadów. 2. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH Badania wytrzymałościowe odpadów kompozytowych o różnej zawartości włókna szklanego, przedstawionej w tabeli 3, przeprowadzono na odpowiednio przygotowanych w tym celu próbkach. Kształt i wymiar próbek był zgodny z obowiązującymi normami. Badania wytrzymałościowe na rozciąganie przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej INSTRON w Katedrze Inżynierii Materiałowej i Spajania Politechniki Gdańskiej. Rys. 3. Pomiar odkształcenia próbek za pomocą ekstensometru Na rysunku 3 przedstawiono sposób pomiaru odkształcenia badanych materiałów za pomocą ekstensometru o bazie L 0 50 mm. Przykładowe próbki z materiałów 3 i 5 po rozerwaniu przedstawiono na rysunku 4. a) b) Rys. 4. Próbki materiałów a) 3 i b) 5 po statycznej próbie rozciągania Wykresy statycznej próby rozciągania próbek z materiałów 3 i 6 przedstawiono na rysunku

4 a) b) Rys. 5. Wykres zależności naprężenie-odkształcenie próbek z kompozytu a) 3 i b) 6 Kompozyt 5 charakteryzował się wewnętrzną przekładkową warstwą wykonaną z Ariexu o grubości 2 mm. Całkowita grubość próbki była 10,15 mm. Na podstawie statycznej próby rozciągania określono zastępczą wartość współczynnika Poissona oraz zastęczy moduł Younga dla kierunku rozciągania. Rys. 6. Wykres zależności naprężenie-odkształcenie próbek z kompozytu 5 zbudowanych z warstw jak na rys. 1b Przykładową statyczna próbę rozciągania próbki z materiału 5 przedstawiono na rysunku 6. Warstwa wewnętrzna (przekładkowa rysunek 1b) została wykonana z materiału o nazwie handlowej Ariex R Jest to materiał izotropowy. Podstawowe właściwości mechaniczne określono na podstawie danych producenta. Jednakże określenie stałych sprężystości zewnętrznych warstw kompozytu 5 (rys 2b) wymagało przeprowadzenia stosownych badań. W tm celu z kompozytu 5 wykonano z warstw zewnętrznych próbki (rysunku 2b żywica poliestrowa). Próbki z żywicy poliestrowej o grubości 4 mm poddano statycznej próbie rozciągania. Na podstawie wykresu określono stałe sprężystości zewnętrznych warstw kompozytu 5. W tabeli 4 podano wartości stałych sprężystości przekładki oraz warstw zewnętrznych materiału 5. Tab.4. Stałe sprężystości składowych kompozytu 5. Nazwa materiału Współczynnik Poissona Moduł Younga, MPa Źródło Warstwy zewnętrzne (żywica poliestrowa), 0, na podstawie badań g=4 mm Warstwa przekładkowa (Ariex R63.50), 0,36 30 [1] g=2 mm Kompozyt trójwarstwowy g = 10,15 mm 0, na podstawie badań W tabeli 5 oraz na rysunku 7 przedstawiono zbiorczy zestaw średnich wartości właściwości mechanicznych badanych materiałów w zależności od zawartości włókna szklanego. 2761

5 Tab.5. Wyniki statycznej próby rozciągania próbek badanych odpadów Rodzaj materiału Zawartość włókna Odkształcenie Wytrzymałość na Moduł Younga, szklanego [%] [%] rozciąganie [MPa] [GPa] ,8 97 2, ,9 60 1, ,1 94 2, , , ,1 48 1, , ,20 Użyte do budowy jachtów laminaty zbrojonych matami szklanymi przy 28% zawartości zbrojenia powinny posiadać wytrzmałość na rozciąganie co najmniej 82 MPa [7 s. 20], a badane odpady o tej samej zawartości zbrojenia posiadały wytrzmałość jedynie 48 MPa. Natomiast dla lamiantów o 35% zawartości zbrojenia wymagana jest wytrzmałość na rozciaganie 110 MPa, a badanego odpadu wyniosła 94 MPa. Wyraźnie widać duże zróżnicowanie wytrzmałości na rozciaganie odpadów poliestrowo-szklanych. Mimo wysokiej zawartości włókna szklanego odpady nie charakteryzują się zbyt wysoką wytrzmałością na rozciąganie. Rys. 7. Zależność wytrzymałości kompozytu poliestrowo-szklanego od zawartości włókna szklanego Wahania wytrzymałości na rozciąganie kompozytów w zależności od zawartości włókna szklanego przedstawiono w tabeli 3 i na rysunku 7. Zmienność wytrzymałości odpadów kompozytowych w zależności od zawartości włókna szkalnego wynika z faktu, że wzmocnienie włóknem szklanym ciętym o chaotycznym rozkładzie w płaszczyźnie ma właściwości izotropwe. Odpady oznaczone jako 2, 3 i 6 miały zbliżoną zawartość włókna szklanego i diametralną różną wytrzymałości na rozciąganie, jak przedstawiono w tabeli 5 i na rysunku 7, wynika to prawdopodobnie z niedostatecznego przesycenia żywicą maty szklanej w związku z tym, że próbki były wycięte z fragmentów odpadów np. po wycięciu otworu na właz. Najczęściej zawartość wzmocienia szklanego przy użyciu maty w laminatach wynosi 23-30% wag. Wyraźnie widać, że odpady zawierały większa zawartość wzmocnienia, stąd przypuszczenie o niepełnym zwilżeniu włókien. Zdecydowanie najgorsze właściwości wytrzmałościowe posiadał odpad 5 składający się z trzech warstw, dwóch zewnętrznych i środkowej przekładkowej wykonanej z Ariexu (rysunek 2b). Odpad ten powinien zdecydowanie być zbierany w innych pojemnikach, gdyż nie nadaje się do recyklingu razem z odpadami zawierającymi tylko matę szklaną i żywicę. WNIOSKI Przeprowadzone badania odpadów na bazie włókna szkalnego wykazały kilka spostrzeżeń: 1. Wzrost zawartości włókna szklanego w odpadach poliestrowo-szklanym nie oznacza wzrostu jego właściwości wytrzymałościowych. 2762

6 2. Ze względu na zróżnicowane i nieprzwidywalne właściwości wytrzamłościowe odpadów poliestrowo-szklanych nienadają się one jako napełniacze do innych materiałów w postaci grubszych frakcji, a jednynie po rozdrobnieniu uzyska się powtarzalny efekt wzmocnienia. Streszczenie Wzrost zastosowań wyrobów z laminatów poliestrowo-szklanych w różnych dziedzinach gospodarki przyczynił się do coraz większej ilości odpadów poprodukcyjnych i poużytkowych. W Polsce powstaje rocznie ponad 2 tys. poprodukcyjnych odpadów. W celu znalezienia drogi zagospodarowania tych odpadów w pracy poddano badaniom sześć różnych kompozytowych odpadów poliestrowo-szklanych. Określono w nich zawartość wzmocnienia poprzez wypalenie żywicy oraz wykonano badania wytrzymałości na rozciąganie. Odpady laminatów poliestrowo-szklanych zawierały włókno szklane w ilości od 28 do 62% wag. Badania odpadów wykazały, że wytrzymałość na rozciąganie nie zależy od zawartości włókna szklanego, co wynika prawdopodobnie z niepełnego zespolenia się żywicy i krótki, ciętych włókien szklanych. Jedynie rozdrobnienie odpadów przed wykorzystaniem ich do recyklingu materiałowego pozwoli uzyskać powtarzalny efekt wzmocnienia w nowych materiałach. Słowa kluczowe: materiały kompozytowe, odpady, włókno szklane, właściwości mechaniczne Determination of mechanical properties of composite waste Abstract Glass polyester laminates are being increasingly used in several applications, so there is growing number of industrial waste. In Poland in the annual amount of after-production waste reaches 2 kilo tonnes. In order to find the way of development of these waste at this work six different waste of glass polyester were tested. The content of glass fibre in waste were determinated and the mechanical properties of waste were characterized. Glass reinforced polyester waste contain glass fibers from 28 to 62% by weight. The obtained results show that the tensile strength of waste does not depend on the glass fiber content, which is probably due to incomplete fusion of the resin and chopped glass fibers. Only the grinding of waste before using them for material recycling could be used to obtain reproducible enhancement effect in new materials. Keywords: composite materials, waste, fiberglass, mechanical properties BIBLIOGRAFIA 1. Błędzki A.K., Gorący K., Urbaniak M., Możliwości recyklingu i utylizacji materiałów polimerowych i wyrobów kompozytowych. Polimery 2012, nr 9, Derdowski W., Zych T., Nowoczesne materiały kompozytowe do wzmacniania konstrukcji budowlanych. Czasopismo techniczne 2004, nr 14-B, Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Jastrzębska M., W. Jurczak, Recykling kompozytów z jednostek morskich, Logistyka 2011, nr 5, (CD nr 2). 6. March G., End-of-life boat disposal a looming issue. Reinforced Plastics 2013, September/October, PRS, Przepisy klasyfikacji i budowy jachtów morskich. Cześć II Kadłub,