WPŁYW WARUNKÓW UTWARDZANIA I GRUBOŚCI UTWARDZONEJ WARSTEWKI NA WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE ŻYWICY SYNTETYCZNEJ

Transkrypt

1 61/2 Archives of Foundry, Year 21, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 21, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW WARUNKÓW UTWARDZANIA I GRUBOŚCI UTWARDZONEJ WARSTEWKI NA WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE ŻYWICY SYNTETYCZNEJ B. HUTERA 1, J. L. LEWANDOWSKI 2, K. SMYKSY 3 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa, -59 Kraków, ul. Reymonta 23 STRESZCZENIE Opracowano metodę sporządzania próbek do oznaczania wytrzymałości na rozciąganie żywicy syntetycznej. Uzyskiwane tą metodą próbki pozwalały na dostatecznie miarodajne określenie wytrzymałości badanej żywicy. Do badań użyto żywicy epoksydowej epidian 5, gdyż ma po utwardzeniu właściwości ciała kruchego i nie wydziela podczas utwardzania małocząsteczkowych produktów ubocznych, co ma znaczenie dla miarodajności wyników. Wykazano istotny wpływ grubości warstewki (grubości próbki) na wartość uzyskiwanej wytrzymałości na rozciąganie oraz podano główne przyczyny zmniejszania się wytrzymałości wraz ze zwiększeniem się grubości warstewki. Key words: cohesive strength, properties of adhesive 1. WSTĘP I MATERIAŁY DO BADAŃ Przedstawione wyniki badań zostały uzyskane podczas realizacji projektu badawczego KBN nr 7 T8B [1]. Wstępne badania przeprowadzone w Zakładzie Tworzyw Formierskich i Ochrony Środowiska Wydziału Odlewnictwa AGH wykazały, że dla zrealizowania celu wynikającego z tytułu artykułu i uzyskania miarodajnych wyników należy zastosować żywicę epoksydową epidian 5, gdyż: 1 dr 2 prof. zw. dr hab. inż. 3 dr inż.

2 8 1-6 ma po utwardzeniu właściwości ciała kruchego, co jest szczególnie istotne dla prawidłowego i stosunkowo łatwego pomiaru siły kohezji, nie wydziela podczas utwardzania małocząsteczkowych produktów ubocznych (poliaddycja), co zmniejsza niebezpieczeństwo powstania w utwardzonym materiale por i karbów, zachodząca po dodaniu do żywicy utwardzacza reakcja egzotermiczna po dokładnym i szybkim wymieszaniu tych substancji nie powoduje lokalnego przegrzewania żywicy i szybkiego zwiększania lepkości mieszaniny, co umożliwia stosunkowo proste i dokładne wykonanie próbek do oznaczania wytrzymałości σ K. Jako utwardzacz żywicy epidian 5 zastosowano trzeciorzędową aminę (utwardzacz Z-1), a celem zmniejszenia lepkości żywicy dodawano rozcieńczalnika, będącego estrem etylowym. Podstawowy skład badanej substancji był następujący (w częściach wagowych): żywica epidian 5 1, utwardzacz Z METODA SPORZĄDZANIA PRÓBEK I OZNACZANIA WYTRZYMAŁOŚCI Do badania wytrzymałości na rozciąganie (wytrzymałości kohezyjnej σ K ) zastosowano próbki o kształcie przedstawionym na rys. 1, umożliwiającym stosunkowo prawidłowe ich niszczenie. Próbki utwardzone w temperaturze otoczenia umieszczano na 24 h w eksykatorze (nad P 2 O 5 ), a utwardzane w temperaturze podwyższonej przetrzymywano w określonej temperaturze przez 1 h. Zastosowano następujące temperatury utwardzania:, 1 i 1 o C. Oznaczanie wytrzymałości na rozciąganie wykonywano przy użyciu prototypowego aparatu do badania sił adhezji i kohezji [2].,1-2, grubość próbki Rys. 1. Próbka do badania wytrzymałości na rozciąganie σ K Fig. 1. Sample for the determination of tensile strength σ K 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki badań zależności wytrzymałości na rozciąganie σ K utwardzonej żywicy epidian 5 od grubości utwardzonej warstewki h u (grubości próbki), dla różnych warunków utwardzania, są przedstawione na rysunkach 3-6, a na rys. 2 zamieszczono zależność pomiędzy naprężeniem σ K i wydłużeniem względnym ε (%) pokazującą właściwy dobór żywicy pod względem jej zachowania się podczas rozciągania (kruche niszczenie).

3 Analiza danych na rysunkach 3-5 wskazuje, że wartość wytrzymałości σ K zmienia się tak ze wzrostem temperatury utwardzania (warunków utwardzania), jak i ze zwiększeniem grubości próbki (warstewki) utwardzonej żywicy epidian 5. Celem lepszego zilustrowania tych zmian sporządzono wykres (rys. 6), na którym przedstawiono wpływ temperatury utwardzania na wytrzymałość na rozciąganie σ K dla grubości próbki (warstewki),2 mm i,8 mm. Zmiany wytrzymałości wraz ze wzrostem temperatury (rys. 6) wskazują na równoczesne oddziaływanie dwóch czynników: stopnia usieciowania żywicy oraz wad utwardzonego materiału (porowatość, naprężenia skurczowe). Jakość usieciowania polepsza się w miarę wzrostu temperatury utwardzania i największą wytrzymałość uzyskuje się w zakresie temperatury 1-1 o C, przy czym w 1 o C obserwuje się już zmniejszenie wytrzymałości. Oddziaływanie wad próbek uwidacznia się szczególnie w przypadku temperatury 25 i 1 o C (rys. 6), w której wytrzymałość próbek o grubości,8 mm jest mniejsza od wytrzymałości próbek o grubości,2 mm o około 33% (25 o C) i 19% (1 o C). Rys. 2. Przykład zależności wydłużenia względnego ε próbki (epidianu 5) od naprężenia σ K. Próbki utwardzane w temperaturze otoczenia (około 25 o C) przez 24 h. Grubości próbek: 1 -,71 mm, 2,32 mm, 3,86 mm Fig. 2. Example of dependence of relative elongation ε of sample on tensile stress. Hardening temperature equals ambient temperature app 25 o C; hardening time: 24 h. Sample thickness: 1,71 mm, 2,32 mm, 3,86 mm

4 Wytrzymałość na rozciąganie K, MPa Wytrzymałość na rozciąganie K, MPa K = 69,151e -,16hu 2 1 K = 56,485e -,6734hu -1,2,4,6,8 1 1,2 Grubość utwardzonej próbki h u, mm Rys. 3. Zależność między wytrzymałością na rozciąganie σ K a grubością utwardzonej próbki h u (epidian 5): 1 temperatura utwardzania około 25 o C; 2 - temperatura utwardzania około o C Fig. 3. Dependence of tensile strength σ K on hardened sample thickness h u (epoxy resin): 1 - hardening temperature about 25 o C; 2 - hardening temperature about o C 1 9 K = 83,672e -,1265hu K = 83,64e -,3937hu ,5 1 1,5 2 Grubość utwardzonej próbki h u, mm Rys. 4. Zależność między wytrzymałością na rozciąganie σ K a grubością utwardzonej próbki h u (epidian 5): 1 - temperatura utwardzania około 1 o C; 2 - temperatura utwardzania około 1 o C Fig. 4. Dependence of tensile strength σ K on hardened sample thickness h u (epoxy resin): 1 - hardening temperature about 1 o C; 2 - hardening temperature about 1 o C

5 Wytrzymałość na rozciąganie K, MPa Wytrzymałość na rozciąganie k, MPa 6 K = 55,394e -,4495hu 2 1,2,4,6,8 1 1,2 Grubość utwardzonej próbki h u, mm Rys. 5. Zależność między wytrzymałością na rozciąganie σ K a grubością utwardzonej próbki h u (epidian 5 + % rozcieńczalnika). Temperatura utwardzania około 25 o C Fig. 5. Dependence of tensile strength σ K on hardened sample thickness h u (epoxy resin and % of diluent) Temperatura utwardzania, o C Rys. 6. Wpływ temperatury utwardzania żywicy epidian 5 na wytrzymałość na rozciąganie σ K. Grubość próbek: 1,2 mm, 2,8 mm. A, B żywica epidian 5 z dodatkiem % rozcieńczalnika Fig. 6. Influence of hardening temperature of epoxy resin on tensile strength σ K. Sample thickness: 1,2 mm; 2,8 mm. A, B epoxy resin with % diluent adition A - B

6 Tylko w przypadku temperatury utwardzania wynoszącej o C grubość próbki praktycznie nie wpływa (rys. 3 i 6) na uzyskiwaną wytrzymałość σ K. Wykonane dodatkowo zdjęcia przekroju rozerwanych próbek wykazały, że próbki utwardzone w o C wykazują najmniejszą porowatość, przy czym porowatość grubszych próbek jest tylko nieznacznie większa od porowatości cieńszych próbek. Analiza zdjęć oraz przebieg krzywych na rys. 6 wskazują także, że głównym czynnikiem powodującym zmniejszenie się wytrzymałości σ K wraz ze wzrostem grubości próbki (żywicy epidian 5) jest zwiększenie się porowatości materiału. Porowata struktura, jaka może powstać podczas utwardzania spoiwa wiążącego ziarna osnowy piaskowej będzie powodować zmniejszenie wytrzymałości masy. Dodatek rozcieńczalnika (%) do żywicy epidian 5, powodujący zmniejszenie lepkości żywicy i polepszenie zwilżalności kwarcu przez żywicę, a zatem korzystnie wpływający na wytrzymałość masy [1], tutaj praktycznie nie powoduje zmian wartości σ K. Ilustrują to przykładowe wartości σ K dla temperatury utwardzania 25 o C (punkty A i B na rys 5). LITERATURA [1] Raport końcowy z realizacji projektu badawczego KBN nr 7 T8B 22 14: Badania wpływu wybranych parametrów fizykochemicznych na wytrzymałość mas formierskich. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 2 r. Kierownik projektu Barbara Hutera. [2] Baliński A., Smyksy K., Lewandowski J. L., Hutera B.: Wybrane aspekty działania aparatu do pomiaru adhezji i kohezji materiałów wiążących. Krzepnięcie metali i stopów 1997, nr 33, s Praca zrealizowana w ramach projektu badawczego KBN nr 7 T8B INFLUENCE OF PREPARATION CONDITIONS AND THICKNESS OF SYNTHETIC RESIN HARDENED LAYER ON TENSILE STRENGTH DETERMINATION SUMMARY The sample preparation method for tensile strength determination of synthetic resin has been described. The accuracy of method has been showed by experimental evidence. The epoxy resin 5 has been used in tests. This material in hardened state can be considered as brittle and there is no by-product of reaction during hardening process. It is especially important for obtaining samples without internal defects of structure. The significant role of sample thickness for tensile strength determination has been proved in research. The main reason of this dependence has been discussed. Recenzował Prof. Józef Gawroński