MODYFIKACJA WARSTWY WIERZCHNIEJ TWORZYW POLIMEROWYCH (PP-H I PE 300) OZONEM

Transkrypt

1 Mariuz Kłonica 1) MODYFIKACJA WARSTWY WIERZCHNIEJ TWORZYW POLIMEROWYCH (PP-H I PE 0) OZONEM Strezczenie: W racy rzetaiono yniki baań tanu energetycznego arty ierzchniej oliroylenu PP-H oraz olietylenu PE 0. Porónano artości obonej energii oierzchnioej o rozinięciu truktury geometrycznej oierzchni łótnem ściernym (P320), otłuzczaniu oraz ozonoaniu. Stężenie ozonu czaie (5, 10, 20) minut ynoiło 8 g/m 3. Pracę zakończono niokami. Słoa kluczoe: moyfikacja oierzchni, ozon, obona energia oierzchnioa, olimery. WSTĘP Dużą role kontytuoaniu cech ekloatacyjnych ołączeń ahezyjnych ogrya tan energetyczny arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych [1, 7-9, 14, 16]. Dotyczy to głónie roceó technologicznych takich jak: klejenie, nanozenie ołok ochronnych i ekoracyjnych, uzczelniania i innych. Obecnie ażniejze ooby rzygotoania arty ierzchniej la otrzeb technologii ahezyjnych ą natęujące: mechaniczne, chemiczne, elektrochemiczne, aktyoanie yłaoaniami koronoymi, aktyoanie łomieniem oraz łączenie ymienionych meto [3, 5, 16]. Torzya olimeroe (oliroylen PP-H oraz olietylen PE 0) należą o gruy materiałó, których aktyoanie energetyczne arty ierzchniej jet niezbęne o uzykania ooienich łaściości ołączeń ahezyjnych z ich uziałem [2-4, 6, 10, 12, 13]. Jenym z głónych kierunkó ocza rojektoania roceó technologicznych na oczątku XXI ieku jet ochrona śrooika naturalnego. Dlatego ażne jet, aby roceie rzygotoania materiałó kontrukcyjnych la technologii, gzie ominujące znaczenie ogrya zjaiko ahezji, zużyać minimalne ilości ziązkó chemicznych. Stooane obecnie rzemyśle metoy rzygotoania arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych ykorzytują użej mierze kąiele o oczynie kaśnym lub zaaoym, negatynie łyające na tan śrooika naturalnego [16]. Dużym roblemem jet ilość ziązkó chemicznych zużyanych rzemyśle oraz oób ich utylizacji. Ozonoanie 1 Katera Pota Inżynierii Proukcji, Wyział Mechaniczny, Politechnika Lubelka. 29

2 jet obiecującą metoą aktyoania arty ierzchniej bez negatynego łyu na tan śrooika naturalnego. WYZNACZANIE WARTOŚCI SWOBODNEJ ENERGII POWIERZCHNIOWEJ Najczęściej artość obonej energii oierzchnioej materiałó kontrukcyjnych yznaczana jet oób ośreni. W metozie tej ykorzytuje ię omiary kątó zilżania ybranymi cieczami omiaroymi. Wybór cieczy omiaroych ściśle zależy o rzyjętej metoy yznaczania artości obonej energii oierzchnioej. Itotę oziałyania omięzy ciałem tałym i cieczą oiuje charakterytyczne rónanie Younga (1) [9, 16]: co (1) SV SL LV gzie: σ SV - naięcie oierzchnioe na granicy faz ciało tałe gaz, σ SL - naięcie oierzchnioe na granicy faz ciało tałe ciecz, σ LV - naięcie oierzchnioe na granicy faz ciecz gaz, Θ V - rónoagoy kąt zilżania. Na ry. 1 rzetaiono graficzną interretację rónania Younga raz z zaznaczonym oobem omiaru kąta zilżania. V Ry. 1. Urozczony moel rzetaiający graficzną interretację rónania Younga oraz omiar kąta zilżania Fig. 1. Simlifie moel of grahic interretation of Young equation an etting angle meaurement Pożąane jet uzykanie arty ierzchniej o jak najyżzej artości obonej energii oierzchnioej, co jet arunkiem obrego zilżania. Z bilanu energetycznego la unktu rónoagi trzech faz rónanie to jet zaiane otaci (4): co (2) SV SL LV gzie: ymbol γ oznacza oboną energię oierzchnioą, a ozotałe ymbole zachoują znaczenie jak rónaniu (1). Najczęściej tooaną metoą o yznaczania artości obonej energii oierzchnioej jet metoa Oena Wenta [9, 16]. W metozie tej rzyjęto, V

3 że obona energia oierzchnioa jet umą óch kłaoych: yeryjnej i olarnej oraz, że itnieje zależność mięzy nimi: (3) gzie: ymbol γ oznacza oboną energię oierzchnioą. 0,5 co 1 co 1 2 (4) 0,5 co (5) gzie: γ S - kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej baanych materiałó, γ S - kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej baanych materiałó, γ - obona energia oierzchnioa ijoometanu, γ - kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, γ - kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, γ - obona energia oierzchnioa oy, γ - kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej oy, γ - kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej oy, Θ - kąt zilżania ijoometanem, zaś Θ - kąt zilżania oą. MATERIAŁY ORAZ STANOWISKO BADAWCZE Próbki ykonano z oliroylenu PP-H (o yokiej ytrzymałości i ztyności) oraz olietylenu PE 0 (o yokiej oorności chemicznej) o ymiarach 25x100 mm i grubości 4 mm. Każa grua materiałoa baanych róbek liczyła o 10 ztuk. Do omiaró kątó zilżania oraz yznaczenia obonej energii oierzchnioej użyto goniometru PGX firmy Fibro Sytem AB. Ciecze omiaroe (oa etyloana oraz ijoometan) były nanozone otaci kroli o tałej objętości 4 µl na baaną oierzchnię oób automatyczny rzez mechanizm goniometru. Na ryunku 2a rzetaiono iok tanoika baaczego z yzczególnieniem goniometru PGX oraz na ryunku 2b okazano rzykłaoy iok nanieionej kroli cieczy omiaroej na baaną oierzchnię torzya olimeroego. Na każej z baanych oierzchni róbek otaiono minimum o 10 kroli każej z cieczy omiaroej. 31

4 a) b) Ry. 2. Wiok: a) tanoika baaczego, b) kroli Fig. 2. Vie: a) reearch oition, b) ro Na ryunku 3 rzetaiono chemat tanoika o yntezy ozonu i moyfikacji arty ierzchniej baanych róbek. W kła tanoika laboratoryjnego chozą: 1 koncentrator tlenu, 2 rzełyomierz z regulacją, 3 generator ozonu, 4 miernik tężenia ozonu, 5 komora reakcyjna, 6 róbki oaane moyfikacji arty ierzchniej, 7 etruktor ozonu, 8 omka ąca. Ry. 3. Schemat tanoika o ozonoania Fig. 3. Moel of ozonization ork-tan Przeły ozonu ocza ozonoania róbek ynoił 0,90 m 3 /min. Stężenie ozonu ynoiło 8 g/m 3, a cza ekozycji róbek komorze reakcyjnej ynoił (5, 10, 20) minut. Do omiaru tężenia ozonu użyto miernika ozonu Ozone ANALYZER BMT 964. Próbki oane moyfikacji arty ierzchniej były umiezczone komorze reakcyjnej (5). 32

5 WYNIKI BADAŃ Pocza baań analizoano o zieięć róbek ykonanych z ozczególnych materiałó. Wartości obonej energii oierzchnioej la oliroylenu PP-H o zortkoaniu łótnem ściernym P320, yznaczonej na otaie omiaró kąta zilżania cieczami omiaroymi, uśreniono i rzetaiono na ryunku 4. γ, mj/m t, min. Próbki rze ozonoaniem Próbki o ozonoaniu Ry. 4. Wły ozonu na artość obonej energii oierzchnioej oliroylenu PP- H o zortkoaniu Fig. 4. Influence of ozone on value of urface free energy of olyroylene PP-H after roughen Na ryunku 5 rzetaiono artości obonej energii oierzchnioej la oliroylenu PP-H o zortkoaniu łótnem ściernym P320 oraz otłuzczaniu Loctitem γ, mj/m t, min. Próbki rze ozonoaniem Próbki o ozonoaniu Ry. 5. Wły ozonu na artość obonej energii oierzchnioej oliroylenu PP- H o zortkoaniu i otłuzczaniu Fig. 5. Influence of ozone on value of urface free energy of olyroylene PP-H after roughen an remove fat 33

6 Próbki ykonane z torzy olimeroych (oliroylen PP-H i olietylen PE-0) zortkoane jak i zortkoane oraz otłuzczane oano moyfikacji atmoferze ozonu czaie (5, 10, 20) min. ooienio la ozczególnych erii. Ryunek 6 rzetaia artości obonej energii oierzchnioej la olietylenu PE-0 o zortkoaniu łótnem ściernym P320. γ, mj/m t, min. Próbki rze ozonoaniem Próbki o ozonoaniu Ry. 6. Wły ozonu na artość obonej energii oierzchnioej olietylenu PE-0 o zortkoaniu Fig. 6. Influence of ozone on value of urface free energy of olyethylene PE-0 after roughen Na ryunku 7 rzetaiono artości obonej energii oierzchnioej la olietylenu PE-0 o zortkoaniu łótnem ściernym P320 oraz otłuzczaniu Loctitem γ, mj/m t, min. Próbki rze ozonoaniem Próbki o ozonoaniu Ry. 7. Wły ozonu na artość obonej energii oierzchnioej olietylen PE-0 o zortkoaniu i otłuzczaniu Fig. 7. Influence of ozone on value of urface free energy of olyethylene PE-0 after roughen an remove fat 34

7 WNIOSKI Na otaie analizy rzeroazonych baań można formułoać natęujące nioki: 1. Ozonoanie baanych torzy olimeroych oouje zrot artości obonej energii oierzchnioej orónaniu o artości tej energii uzykanej o obróbce łótnem ściernym o ziarnitości P= Ozonoanie może być ekologiczną technologią tooaną rzemyśle, zęzie tam gzie mamy o czynienia ze zjaikiem ahezji. 3. Dla ełniejzej oceny rzyatności ozonoania jako metoy aktyoania energetycznego arty ierzchniej torzy olimeroych otrzebne ą alze baania rzy różnych arametrach tego roceu. PIŚMIENNICTWO 1. Blicharki M. Inżynieria oierzchni. Wyanicto Naukoo-Techniczne Warzaa ISBN Catalo F., Angelini G.: Some aect of the ozone egraation of oly(vinyl alcohol). Polymer Degraation an Stability 91 (2006) Catalo F.: Stability of olyyne in air an their egraation by ozonolyi. Polymer Degraation an Stability 91 (2006) Catalo F.: The action of ozone on olymer having unconjugate an cro or linearly conjugate unaturation: chemitry an techno-logical aect. Polymer Degraation an Stability 73 (2001) Chiboki E., Gonzalez-Caballero F.: Interretation of contact angle hyterei. Jurnal of Aheion Science an Technology. 11 (1993) Jańczuk B., Białoiotroicz T.: Sobona energia oierzchnioa niektórych olimeró. Polimery. 32 (1987) Kłonica M., Kuczmazeki J.: Analiza energetyczna arty ierzchniej o ozonoaniu materiałó kontrukcyjnych tooanych rzemyśle lotniczym. Inżynieria oierzchni. Wybrane zaganienia. Monografie, Stuia, Rozray M17 o reakcję Bogana Antozekie-go. Politechnika Śiętokrzyka, Kielce 2011 PL ISSN , Kłonica M., Kuczmazeki J., Ozonek J.: Ocena orónacza łaściości energetycznych arty ierzchniej tou tytanu. Inżynieria materiałoa. Nr 5 (171) Kuczmazeki J.: Funamental of metal-metal aheive joint eign. Politechnika Lubelka. Oział PAN Lublinie, Kiatkoki M., Kłonica M., Kuczmazeki J., Ozonek J.: Zatooanie roceu ozonoania o moyfikacji łaściości energetycznych arty ierzchniej oliamiu PA6. Monografia Komitetu Inżynierii Śrooika Polkiej Akaemii Nauk vol. 59. III Kongre Inżynierii Śrooika, Polka inżynieria śrooika ięć lat o tąieniu o Unii Euroejkiej. Tom 2 o reakcją J. Ozonka, A. Pałokiego, Lublin

8 11. Ozonek J.: Laboratorium yntezy ozonu. Wyanicta Uczelniane, Politechnika Lubelka, Lublin Ozonek J.: Ozon uzatnianiu oy i oczyzczaniu zanieczyzczeń rzemyłoych. Ekoinżynieria, 7(1996), Ozonek J., Fijałkoki S.: Energetyczne i roceoe aekty roukcji i zatooań ozonu technice., Monografie Komitetu Inżynierii Śrooika PAN, Lublin Shalel-Levanon S., Marmur A.: Valiity an accuracy in evaluating urface tenion of oli by aitive aroache. Journal of Colloi an Interface Science 262 (2003) Żenkieicz M.: Porónacza ocena niektórych meto obliczania obonej energii oierzchnioej aktyoanej folii olietylenoej. Polimery 33 (1988) Żenkieicz M.: Ahezja i moyfikoanie art ierzchniej torzy ielkocząteczkoych. WNT, Warzaa SURFACE LAYER MODIFICATION OF (PP-H AND PE 0) POLYMERS AFTER OZONIZATION Summary: The uroe of the article a to reent reult of energetic roertie of the urface layer of olyroylene PP-H an olyethylene PE-0. Value of free urface energy after machining ith abraive cloth of P320 granularity, egreaing an ozonization ere comare. Concentration ozone for t=(5, 10, 20) min. it equal 8 g/m 3. The aer en ith concluion. Keyor: urface moification, ozone, urface free energy, olymer. Baania realizoane ramach Projektu Nr POIG /08 Programie Oeracyjnym Innoacyjna Gooarka ( POIG ). Projekt ółfinanoany rzez Unię Euroejką ze śrokó Euroejkiego Funuzu Rozoju Regionalnego. 36