tworzywo polimerowe/metal

Transkrypt

1 156 Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych... Dariusz UBKOWSKI Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników ul. M. Sk³odowskiej-Curie 55, 87-1 Toruñ Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych... klejowych: tworzywo polimerowe/metal W niniejszej pracy omówiono wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych: tworzywo polimerowe/metal. Przeprowadzone badania wykazuj¹ istotny wp³yw sposobu przygotowania powierzchni elementów ³¹czonych, jak równie rodzaju u ytego do konstytuowania po³¹czenia kleju na wytrzyma³oœæ tych po³¹czeñ. S³owa kluczowe: po³¹czenia klejowe, uk³ad tworzywo polimerowe/metal, w³aœciwoœci mechaniczne, wytrzyma³oœæ na odrywanie Investigation of tear-off properties of adhesive joints: polymer material/metal. The results of testing tear-off properties of adhesive joints: polymer material/metal have been presented in this paper. The investigation concerning tear-off tests showing the considerable influence of surface preparation of elements to be assembled on joints strength have been carried out. Keys words: adhesive joints, polymer material/metal system, mechanical properties, tear-off strength Wstêp Aktualnie projektowane rozwi¹zania konstrukcyjno-technologiczne, wymagaj¹ zastosowania nowych, coraz skuteczniejszych technik ³¹czenia ró nych rodzajów materia³ów. Jedn¹ z nich, stanowi¹c¹ uzupe³nienie metod tradycyjnych takich, jak: spawanie, zgrzewanie, nitowanie, czy ³¹czenie za pomoc¹ œrub, jest technika klejenia. Po³¹czenia klejowe, w porównaniu do po³¹czeñ uzyskanych inn¹ technik¹ ³¹czenia, posiadaj¹ wiele zalet. Nale ¹ do nich, jak podano w literaturze [1,2], g³ównie: g³adkoœæ powierzchni i lekkoœæ konstrukcji, w której wykorzystuje siê ten rodzaj po³¹czenia, mo liwoœæ ³¹czenia ze sob¹ materia³ów o ró nych w³aœciwoœciach fizykochemicznych, w ró nych wzajemnych konfiguracjach np. tworzywo polimerowe i metal, du a odpornoœæ po³¹czenia na dzia³anie atmosfery i agresywnych substancji chemicznych, bardzo dobre w³aœciwoœci elektroizolacyjne, równomierny rozk³ad naprê eñ w spoinie klejowej, du a wytrzyma³oœæ zmêczeniowa, niski koszt wykonania po³¹czenia, prosta technologia ³¹czenia. W wyniku powy szego, tego typu po³¹czenia znajduj¹ zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, m.in. w przemyœle lotniczym, kosmicznym oraz w medycynie (zastosowanie po- ³¹czeñ opisywanych w niniejszej pracy dotyczy g³ównie endoprotez). Po³¹czenia klejowe nara one s¹ na ró nego rodzaju obci¹ enia. Nale ¹ do nich g³ównie obci¹ enia odrywaj¹ce, œcinaj¹ce i oddzieraj¹ce. Dzia³anie tych si³ wi¹ e siê bezpoœrednio z ró - norodnoœci¹ uszkodzeñ, jakim ulegaj¹ po³¹czenia (g³ównie na skutek przekroczenia naprê eñ dopuszczalnych). Z analizy warunków pracy po³¹czenia klejowego oraz danych przedstawionych w literaturze [1-6] wynika, e podlegaj¹ one z³o onemu stanowi obci¹ eñ, przy czym dominuj¹ce s¹ obci¹ enia odrywaj¹ce i oddzieraj¹ce. W niniejszej pracy skupiono siê g³ównie na po³¹czeniach klejowych obci¹ onych si³ami odrywaj¹cymi.

2 Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych Cel pracy Maj¹c na uwadze stan literatury oraz potrzebê bli szego poznania niektórych w³aœciwoœci okreœlono cel pracy. Celem pracy jest wyznaczenie wytrzyma³oœci na odrywanie po- ³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal w zale noœci od sposobu przygotowania powierzchni elementów ³¹czonych oraz od rodzaju u ytego kleju. Program, metodyka badañ Aby osi¹gn¹æ za³o ony cel pracy, po przeprowadzeniu analizy literatury [1-12], zrealizowano badania obejmuj¹ce wyznaczenie wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal w zale noœci od sposobu przygotowania powierzchni oraz od rodzaju u ytego kleju. Do badañ wykorzystano nastêpuj¹ce materia³y: cement chirurgiczny CEMEX ISOPLASTIC: Klej I, cement chirurgiczny PALACOS R z GEN- TAMICIN: Klej II, cement chirurgiczny SURGICAL SIMPLEX P: Klej III, elementy z polietylenu niskiej gêstoœci: typ MALEN E, elementy z aluminium: typ PA6. Oznaczanie wytrzyma³oœci na zginanie wykorzystanych w po³¹czeniach klejów przeprowadzono zgodnie z polsk¹ norm¹ [1]. Próbki do badañ zosta³y wykonane zgodnie z metod¹ podan¹ we wczeœniejszej pracy [5] z wykorzystaniem trzech rodzajów cementów chirurgicznych oznaczonych odpowiednio: Klej I, II i III. Oznaczanie twardoœci wykorzystanych w po³¹czeniach klejów metod¹ wciskania kulki przeprowadzono zgodnie z polsk¹ norm¹ [11]. Próbki do badañ wykonano z tych samych materia³ów, co przy badaniu wytrzyma³oœci na zginanie. Mia³y one postaæ g³adkiej i p³askiej p³ytki o wymiarach [mm]. Powierzchnie próbek by³y wzglêdem siebie równoleg³e. Badanie zosta³o przeprowadzone na twardoœciomierzu typu AS-111. W przypadku badania wytrzyma³oœci na odrywanie elementy metalowe próbek podzielono na trzy grupy (A, B i C). Powierzchnie robocze próbek grupy A przygotowano stosuj¹c toczenie wykañczaj¹ce, powierzchnie robocze próbek grupy B schropowacono papierem œciernym o wielkoœci ziaren 6, natomiast na powierzchniach roboczych grupy C naciêto za pomoc¹ pilnika rysy w postaci z¹bków. Przed przyst¹pieniem do klejenia powierzchnie robocze czêœci metalowych zosta³y oczyszczone z zanieczyszczeñ oraz odt³uszczone benzyn¹ ekstrakcyjn¹ i acetonem. Kszta³t i wymiary próbek do badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal pokazano na rysunku 1. Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal przeprowadzono nastêpuj¹co: po naniesieniu kleju na odpowiednio przygotowane powierzchnie robocze, próbki umieszczano w specjalnym przyrz¹dzie klejarskim (fotografia 1) umo- liwiaj¹cym uzyskanie odpowiedniej wartoœci si³y docisku powierzchni ³¹czonych. Badania wartoœci si³y odrywaj¹cej przeprowadzono z Rys. 1. Kszta³t i wymiary próbki do badañ wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal: 1 elementy z aluminium, 2 element z polietylenu niskiej gêstoœci, 3 klej.

3 158 Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych Twardoœæ kleju [N/mm 2 ] ,85 74,62 59,83 Fot. 1. Przyrz¹d klejarski. Wytrzyma³oœæ kleju na zginanie [MPa] ,51 46,24 wykorzystaniem maszyny wytrzyma³oœciowej typu FP 1 (prod. niemieckiej). Wyniki badañ 4,74 Rys. 2. Wytrzyma³oœæ na zginanie stosowanych w badaniach klejów z wykorzystaniem aparatu typu Dynstat. Wyniki badañ wytrzyma³oœci klejów na zginanie z wykorzystaniem aparatu typu Dynstat przedstawiono na rysunku 2. Wyniki badañ twardoœci poszczególnych rodzajów kleju metod¹ wciskania kulki przedstawiono na rysunku 3. Wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie w przypadku ró nych sposobów 1,7,6,5,4,3,2,1,1 Rys. 3. Twardoœæ poszczególnych rodzajów kleju metod¹ wciskania kulki. Wytrzyma³oœæ po³¹czenia klejowego na odrywanie [MPa],617,498 A B C Grupa próbek dla kleju I Rys. 4. Zale noœæ wytrzyma³oœci na odrywanie po- ³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal od sposobu przygotowania powierzchni do klejenia: A grupa próbek o powierzchni roboczej po toczeniu wykañczaj¹cym, B grupa próbek o powierzchni roboczej schropowaconej papierem œciernym, C grupa próbek z naniesionymi rysami w postaci z¹bków. przygotowania powierzchni dla kleju I przedstawiono na rysunku 4. Do dalszych badañ wytrzyma³oœci na odrywanie (przy u yciu klejów II i III) wytypowano grupê próbek B o powierzchniach schropowa-

4 Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych Wytrzyma³oœæ po³¹czenia klejowego na odrywanie [MPa] 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2,617 1,642 conych papierem œciernym, dla której uzyskano najkorzystniejsze rezultaty podczas badañ po³¹czeñ wykonanych przy u yciu kleju I. Wyniki badañ wytrzyma³oœci na odrywanie dla grupy próbek B przy zastosowaniu wszystkich trzech rodzajów klejów (I, II, III) przedstawiono graficznie na rysunku 5. Na histogramach (rys. 2-5) zaprezentowano wartoœci œrednie z badañ stanowi¹ce œrednie arytmetyczne 1 oznaczeñ. Wnioski koñcowe 1,453 Rys. 5. Zale noœæ wytrzyma³oœci na odrywanie po- ³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal dla próbek grupy B (powierzchnia schropowacona papierem œciernym). Na podstawie uzyskanych rezultatów badañ oraz dokonanych rozwa añ w³asnych mo na sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski koñcowe o charakterze ogólnym: 1. Sposób przygotowania powierzchni elementów przed ³¹czeniem ma istotny wp³yw na wytrzyma³oœæ na odrywanie po³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal. 2. Rodzaj zastosowanego kleju ma istotny wp³yw na wytrzyma³oœæ na odrywanie po- ³¹czeñ klejowych tworzywo polimerowe/metal. Wynika to m.in. z ró nej wytrzyma³oœci na zginanie poszczególnych klejów oraz z ró nic w ich twardoœci, co stwierdzono podczas realizacji badañ. 3. Na mechanizm konstytuowania i niszczenia maj¹ tak e wp³yw czynniki zwi¹zane z powsta³ym uk³adem tworzywo polimerowe/klej/metal, jak równie zjawiska fizykochemiczne zachodz¹ce podczas utwardzania kleju. Jednak szczególnie w warunkach produkcyjnych s¹ to zjawiska bardzo z³o one i niejednoznaczne. Niniejsze opracowanie stanowi jedynie pewien wycinek pracy badawczej prowadzonej w zakresie szeroko pojêtego badania wytrzyma³oœci jednak bior¹c pod uwagê uzyskane rezultaty badañ mo na przyj¹æ, e postawione cele pracy zosta³y osi¹gniête. Pomimo obiecuj¹cych wyników badañ, uzyskane rezultaty nale- y traktowaæ jako wstêpne, wymagaj¹ce dalszego kontynuowania z udzia³em innych rodzajów klejów i innych metod badawczych. Dalsze badania w tym temacie nale a³oby prowadziæ m.in. w kierunku opracowania innych metod zwiêkszania wytrzyma³oœci tego typu po³¹czeñ klejowych, a tak e mo liwoœci szerszego ich wykorzystania. Literatura [1] Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw wielkocz¹steczkowych, WE, Warszawa [2] Praca zbiorowa pod redakcj¹ R. Sikory: Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych podstawy logiczne, formalne i terminologiczne. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 26. [3] Kuczmaszewski J.: Podstawy konstrukcyjne i technologiczne oceny wytrzyma³oœci po³¹czeñ metali., Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin [4] ubkowski D., Zimniak J.: Badania wybranych w³aœciwoœci mechanicznych po³¹czeñ adhezyjnych: metal laminat. In ynieria i Aparatura Chemiczna, 26, nr 3s, str [5] ubkowski D.: Badania po³¹czeñ klejowych w endoprotezach stawu biodrowego. Przetwórstwo Tworzyw, 28, nr 5, str [6] enkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocz¹steczkowych, WNT, Warszawa 2.

5 16 Badania wytrzyma³oœci na odrywanie po³¹czeñ klejowych... [7] Instrukcja kleju CEMEX ISOPLASTIC. [8] Instrukcja kleju PALACOS R z GENTAMICIN. [9] Instrukcja kleju SURGICAL SIMPLEX P. [1] PN-72/C-4243: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie wytrzyma³oœci na zginanie za pomoc¹ aparatu typ Dynstat. [11] PN-93/C-893/1: Tworzywa sztuczne. Oznaczenie twardoœci. Metoda wciskania kulki. [12] Broniewski T., Kapko J., P³aczek W., Thomalla J.: Metody badañ i ocena w³aœciwoœci tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 2. Panu prof. dr. hab. in. Joachimowi Zimniakowi z Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy sk³adam serdeczne podziêkowania za pomoc i cenne wskazówki udzielone w trakcie realizacji badañ AUTOR ZAMÓWIENIE na prenumeratê czasopisma PRZETWÓRSTWO TWORZYW w 29 r. Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu Oddzia³ Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach Redakcja czasopisma Przetwórstwo Tworzyw 44-1 Gliwice, ul. Chorzowska 5 A tel.: 32/ do 42 wew. 31 lub 24, fax: 32/ , H.Tomanek@impib.pl data:... NIP lub REGON Nazwa i adres odbiorcy (zamawiaj¹cego) Niniejszym zamawiamy prenumeratê roczn¹ czasopisma PRZETWÓRSTWO TWORZYW w roku 29 w cenie 252,- z³ za jeden komplet (6 numerów) w liczbie... /egz. Fakturê oraz egzemplarze wydawnictwa prosimy przesy³aæ na adres Upowa niamy Was do wystawienia faktury VAT bez naszego podpisu.... G³. Ksiêgowy... Prezes / Dyrektor