Wp yw wype niaczy kaolinu i kredy na w a ciwo ci mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014), Wp yw wype niaczy kaolinu i kredy na w a ciwo ci mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego MARCIN RODA 1 *, MARIAN G SIOR 2, UKASZ SUDO 2 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, Kraków 2 KROSGLASS S.A., ul. Tysi clecia 17, Krosno * msroda@agh.edu.pl Streszczenie W pracy zbadano wp yw wype niaczy na w a ciwo ci mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego. W procesie otrzymywania laminatu zastosowano maty EM-1002/450 i EM-1002/600 rmy Krosglass S.A. oraz ywic poliestrow - Polimal 109. Maty zosta y wykonane technik emulsyjn. Jako wype niacze zastosowano kred i kaolin. By y one dodawane w ilo ci 5%, 10% i 15% mas. Okre lono ich wp yw na wytrzyma o na rozci ganie i zginanie. Stwierdzono, e ich dodatek nie powoduje zmniejszenia wytrzyma o ci. Otrzymane laminaty posiada y wytrzyma o na zginanie ok MPa, a na rozci ganie MPa. Dodatek wype niaczy wp yn na barw laminatów. Kreda powodowa a zmian barwy z bia ej na kremow, a kaolin wywo ywa szare zabarwienie. S owa kluczowe: laminaty szklano-epoksydowe, wytrzyma o mechaniczna, wype niacz, w ókno szklane EFFECT OF KAOLIN AND LIMESTONE ADMIXTURES ON MECHANICAL PROPERTIES OF GLASS-EPOXY LAMINATE Glass-epoxy laminates with extenders were studied. EM-1002/450 and EM-1002/600 made by Krosglass S.A. and polyester resin Polimal 109 were used to obtain the laminates. The mats were prepared based on the emulsion method. The kaolin and limestone extenders were added to the laminates in an amount of 5 wt.%, 10 wt.% or 15 wt.%. Their in uence on tensile strength and exural strength was studied. It has been found that the extenders do not cause a decrease in mechanical strength. The laminates showed the exural and compression strength of MPa and MPa, respectively. The extenders admixture impacts colour of the laminates. The limestone shifts the colour from white to cream and the kaolin induces grayness. Keywords: Glass-epoxy laminates, Mechanical strength, Extender, Fiberglass 1. Wprowadzenie W ókna szklane i wyroby produkowane z ich udzia em znajduj szerokie zastosowania w przemy le okr towym i lotniczym, w budownictwie, transporcie i motoryzacji, elektronice i elektrotechnice, w meblarstwie, sporcie i turystyce. Tak szerokie zastosowanie wynika z ich w a ciwo ci u ytkowych [1]. W ókna szklane charakteryzuj si wy sz wytrzyma o ci mechaniczn ni typowe, masywne wyroby ze szk a. Mog s u y jako elementy zbrojeniowe. Ich zalet jest 3-krotnie mniejsza, w porównaniu do stali, g sto, a ich odporno termiczna jest wi ksza ni wyrobów organicznych i w glowych. Samo szk o cechuje dodatkowo dobra odporno chemiczna oraz w a ciwo ci dielektryczne. W produkcji laminatów poliestrowo-szklanych stosuje si szk o typu E. Podstawowymi sk adnikami takiego szk a s tlenki krzemu, wapnia, glinu i boru. Sk ad chemiczny jest tak dobrany, aby stopiona masa szklana charakteryzowa a si dobrymi parametrami rozw ókniania. W Polsce do jego produkcji wykorzystuje si nast puj ce surowce: piasek szklarski, kaolin, kolemanit, kreda techniczna, uoryt, soda, sulfat, Calumite i dolomit. Zestaw szklarski na szk o E wymaga temperatury topienia ok C. W ókna formuje si metod Goslera, opart na swobodnym wyp ywie masy szklanej przez liery umieszczone w ódkach platynowo- -rodowych i nawijaniu powstaj cego w ókna na b ben [2]. Jednoczesne nawijanie wielu w ókien tworzy tzw. rowing. W trakcie nawijania stosuje si preparacje silanowe. Z otrzymanego rowingu produkuje si tkaniny. Poci ty rowing wykorzystuje si natomiast do produkcji mat. W ókna s wtedy spajane za pomoc rodka wi cego. Takie lepiszcze musi by rozpuszczalne w ywicy, aby mo na by o u y maty do produkcji laminatów. Ze wzgl du na rodzaj zastosowanego lepiszcza otrzymuje si maty emulsyjne, w których emulsj jest polioctan winylu oraz proszkowe z u yciem sproszkowanych ywic poliestrowych. Na bazie takich mat mo na otrzyma materia y kompozytowe. Nale do nich laminaty organiczno-szklane. Ich wytrzyma o i sztywno jest zale na od rodzaju i kierunku u o enia w ókien szklanych. To one przede wszystkim przenosz si y ciskaj ce i rozci gaj ce, natomiast substancja cz ca przenosi si y cinaj ce, zapewniaj c dobre po czenie mi dzy w óknami. Dlatego 151

2 M. RODA, M. G SIOR,. SUDO te przy produkcji laminatów istotny jest, odpowiednio dobrany, stosunek ilo ci substancji cz cej do ilo ci szk a. Jej niedobór lub nadmiar prowadzi do spadku wytrzyma o ci, która wynika ze zmian rozk adu napr e w laminacie [3]. Celem pracy by o zbadanie wp ywu rodzaju oraz ilo ci wype niaczy mineralnych na w a ciwo ci mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego. Dodatek wype niacza w postaci kredy lub kaolinu mo e pozwoli na obni enie kosztów produkcji laminatu, dzi ki zmniejszeniu zu ycia ywicy oraz poprawi parametry termomechaniczne laminatu. 2. Otrzymanie laminatów Do bada przygotowano laminaty, stosuj c maty szklane typu EM 1002/450 i EM 1002/600 [4], ywic poliestrow Polimal 109, naftenian kobaltu przyspieszaj cy proces polimeryzacji, Ketonox dzia aj cy jako utwardzacz ywicy oraz kaolin lub kred jako wype niacze. Laminaty o rozmiarach 500 mm 300 mm otrzymywano poprzez przesycanie kolejnych warstw maty ywic za pomoc mechanicznego prasowania wa kiem. Uformowane próbki przetrzymywano w prasie w temperaturze pokojowej przez 24 godz., a nast pnie przenoszono do suszarki. Suszenie prowadzono w temp. 40 C przez 16 godz. W ten sposób otrzymano dwa laminaty: pierwszy o gramaturze 450 g/m 2 z czterema warstwami maty szklanej i drugi o gramaturze 600 g/m 2 z trzema warstwami maty. Laminaty te charakteryzowa y si takim sam udzia em masowym w ókna szklanego w próbkach, tj g/m 2. W ten sposób otrzymano kolejne serie laminatów, stosuj c dodatek 5%, 10% i 15% mas. kredy lub kaolinu. 3. Badanie w a ciwo ci mechanicznych laminatów 3.1. Wytrzyma o na rozci ganie Badanie wytrzyma o ci na rozci ganie przeprowadzono zgodnie z norm [5] na maszynie wytrzyma o ciowej Textenser typ FY-40 w gierskiej rmy Computext. Próbki do bada wyci to z laminatów za pomoc pi y diamentowej. Z ka dego laminatu przygotowano po 10 próbek o wymiarach: 250 mm 15,3 mm 3,9 mm w przypadku u ycia mat szklanych EM 1002/450 i 250 mm 15,2 mm 3,7 mm przy zastosowaniu mat szklanych EM 1002/600. W przeprowadzonych badaniach pr dko obci enia wynosi a 10 mm/min. Wyniki wytrzyma o ci na rozci ganie dla otrzymanych laminatów przedstawiono w Tabeli Wytrzyma o na zginanie Tabela 1. Wytrzyma o laminatów na rozci ganie. Table 1. Tensile stress of laminates. Rodzaj u ytej maty szklanej EM-1002/450 EM-1002/600 Wype niacz [% mas.] kreda kaolin rednia wytrzyma o na rozci ganie ± odchylenie standardowe [MPa] 108 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 12 Tabela 2. Wytrzyma o laminatów na zginanie. Table 2. Flexural strength of laminates. Rodzaj u ytej maty szklanej EM-1002/450 EM-1002/600 Wype niacz [% mas.] kreda kaolin rednia wytrzyma o na rozci ganie ± odchylenie standardowe [MPa] 254 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 45 Badanie wytrzyma o ci na zginanie przeprowadzono zgodnie z norm [6] na maszynie wytrzyma o ciowej rmy Textenser typ FY-40 w gierskiej rmy Computext metod trójpunktowego zginania. Próbki do bada wyci to z laminatów za pomoc pi y diamentowej. Z ka dego laminatu przygotowano po 10 próbek o wymiarach: 100 mm 10,2 mm 3,7 mm w przypadku u ycia mat szklanych EM 1002/450 i 1000 mm 10,4 mm 3,7 mm przy zastosowaniu mat szklanych EM 1002/600. W przeprowadzonych badaniach pr dko obci enia wynosi a 10 mm/min. Wyniki wytrzyma- o ci na zginanie dla otrzymanych laminatów przedstawiono w Tabeli Dyskusja wyników Otrzymane laminaty zgodnie z danymi normowymi powinny mie wytrzyma o na rozci ganie nie mniejsz ni 85 MPa [5]. Wszystkie badane próbki osi gn y wytrzyma o wi ksz od dopuszczalnej. Zmiana rodzaju maty szklane, przy zachowaniu sta ego jej masowego udzia u 152 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014)

3 WP YW WYPE NIACZY KAOLINU I KREDY NA W A CIWO CI MECHANICZNE LAMINATU POLIESTROWO-SZKLANEGO Rys. 1. Wp yw domieszki kredy i kaolinu na wytrzyma o na rozci ganie laminatu z mat EM 1002/450. Fig. 1. Tensile strength of laminates containing EM 1002/450 mat as a function of chalk or kaolin content. Rys. 2. Wp yw domieszki kredy i kaolinu na wytrzyma o na rozci ganie laminatu z mat EM 1002/600. Fig. 2. Tensile strength of laminates containing EM 1002/600 mat as a function of chalk or kaolin content. w otrzymywanych laminatach, nie mia a wp ywu na wytrzyma o na rozci ganie (Rys. 1 i 2). Kszta towa a si ona na poziomie 110 MPa. Wprowadzenie do laminatu domieszek mineralnych nie spowodowa o obni enia tego parametru. Obserwowane zmiany mie ci y si w zakresie odchylenia standardowego. Badania wytrzyma o ci na zginanie pokaza o, e otrzymane laminaty cechuj si bardzo dobrymi parametrami mechanicznymi. W przypadku wszystkich próbek uzyskano wytrzyma o ponad dwukrotnie wi ksz od przyj tej w normie PN EN ISO : 2001, która wynosi 120 MPa [6]. Stwierdzono, e laminaty otrzymane z u yciem maty EM 1002/600 posiada y wi ksz wytrzyma o ni te, w których zastosowano mat EM 1002/450 (Rys. 3 i 4). Mo e to wynika z ró nic w polu powierzchni granicy rozdzia u ywica- -szk o. W przypadku laminatu z mat EM 1002/450 (laminat zbrojony czterema warstwami maty szklanej o gramaturze 450 g/m 2 ; w przeciwie stwie do laminatu z mat EM 1002/600, który by zbrojony trzema warstwami maty o gramaturze 600 g/m 2 ) powierzchnia ta jest wi ksza, tym samym prawdopodobie stwo wyst pienia defektów powierzchniowych w tym materiale jest wi ksze. Defekty powierzchniowe szk a przyczyniaj si do zmniejszenia wytrzyma o ci samego szk a [7]. Prowadzi to do obni enia wytrzyma o ci ca ego laminatu. Dodatek wype niaczy mineralnych nie wp yn znacz co na zmian wytrzyma o ci na zginanie. W przypadku laminatu z mat EM 1002/40 stwierdzono trend wzrostowy wytrzyma o ci przy dodatku kaolinu. Natomiast w laminacie z mat EM 1002/600 odnotowano zauwa alny spadek wytrzyma o ci przy dodatku wynosz cym 15% kaolinu. Wszystkie te zmiany mieszcz si jednak w zakresie odchylenia standardowego dla poszczególnych serii pomiarowych. Mo e MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014) 153

4 M. RODA, M. G SIOR,. SUDO Rys. 3. Wp yw domieszki kredy i kaolinu na wytrzyma o na zginanie laminatu z mat EM 1002/450. Fig. 3. Flexural strength of laminates containing EM 1002/450 mat as a function of chalk or kaolin content. Rys. 4. Wp yw domieszki kredy i kaolinu na wytrzyma o na zginanie laminatu z mat EM 1002/600. Fig. 4. Flexural strength of laminates containing EM 1002/600 mat as a function of chalk or kaolin content. to wiadczy o tym, e dodatek wype niaczy mineralnych ma mniejszy wp yw na parametry wytrzyma o ci mechanicznej ni sam technologiczny proces ich wytwarzania. Dodatek wype niacza mineralnego wp ywa na ostateczn barw otrzymywanego laminatu. Wprowadzenie kredy wywo a o barw kremow, a kaolin zmienia barw laminatu na szar. 5. Wnioski Z przeprowadzonych bada w a ciwo ci mechanicznych laminatów z wype niaczami mineralnymi wynika, e dodatek do 15% mas. kredy lub kaolinu nie wp ywa na pogorszenie wytrzyma o ci na rozci ganie i zginanie otrzymanych laminatów, a obserwowane zmiany mieszcz si z zakresie odchylenia standardowego. Laminaty te posiada y wy sze parametry wytrzyma o ciowe ni zak adaj to odpowiednie normy. Du y wp yw na warto parametrów wytrzyma o ci ma sam sposób otrzymania laminatów, w tym odpowiednie przesycenie poszczególnych warstw maty szklanej ywic, w taki sposób, aby nie dopuszcza do powstania p cherzy powietrznych w materiale. Otrzymane laminaty charakteryzowa y si wytrzyma o ci na zginanie mieszcz c si w przedziale MPa, a ich wytrzyma o na rozci ganie wynios a ok MPa. Dodatki mineralne wp ywaj na barw otrzymywanego laminatu. Z przeprowadzonych bada wynika, e stosuj c dodatek wype niacza mo na uzyska zmniejszenie kosztów wytwarzania laminatu przy zachowaniu odpowiednich parametrów u ytkowych. 154 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014)

5 WP YW WYPE NIACZY KAOLINU I KREDY NA W A CIWO CI MECHANICZNE LAMINATU POLIESTROWO-SZKLANEGO Literatura [1] Królikowski, W.: Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, PWN, Warszawa [2] Zi ba, B. (red.): Technologia szk a, cz. 2, Wyd. Arkady, Warszawa [3] Liu, D.: Characterization of Impact Properties and Damage Process of Glass/Epoxy Composite Laminates, J. Composite Materials, 38, 16. (2004) [4] [5] Norma PN EN ISO527 : 2012 Tworzywa sztuczne -- Oznaczanie w a ciwo ci mechanicznych przy statycznym rozci ganiu. [6] Norma PN EN ISO : 2001 Kompozyty tworzywowe wzmocnione w óknem. Oznaczanie w a ciwo ci przy zginaniu. [7] Cieci ska, M., Cholewa-Kowalska, K., Gil, A., Greiner-Wrona, E., Kokoszka, J., Kuci ski, G., Lisiecki, M., czka, M., Nocu, M., Reben, M., roda, M., Terczy ska-madej, A., Wasylak, J.: Technologia Szk a. W a ciwo ci zykochemiczne. Metody bada. Cz. 2. Ceramika/Ceramics, vol. 113, Otrzymano 12 grudnia 2013, zaakceptowano 6 stycznia 2014 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014) 155