Swobodna energia powierzchniowa i struktura geometryczna powierzchni wybranych kompozytów epoksydowych )

Transkrypt

1 452 POLIMERY 28, 53,nr6 ANNA RUDAWSKA Politechnika Lubelska, Wyzia³ Mechaniczny Katera Posta In ynierii Proukcji ul. Nabystrzycka 36, Lublin Sobona energia oierzchnioa i struktura geometryczna oierzchni ybranych komozytó eoksyoych ) Streszczenie Scharakteryzoano komozyty olimeroe jako materia³y konstrukcyjne, ze szczególnym uzglênieniem znaczenia ich sobonej energii oierzchnioej oraz struktury geometrycznej oierzchni. Przemiotem baañ by³y trzy rozaje komozytó eoksyoych ró ni¹cych siê nae³niaczem zmacniaj¹cym (szklany, aramioy, grafitoy). Sobon¹ energiê oierzchnio¹ (s) komozytó oraz jej sk³aoe olarn¹ i ysersyjn¹ (ooienio s i s ) scharakteryzoano meto¹ Oensa Wenta, a strukturê geometryczn¹ oierzchni róbek oceniano za omoc¹ skaningoego mikroskou elektronoego (SEM). Wartoœci s, niezale nie o rozaju sk³anika zmacniaj¹cego, s¹ raczej u e (44 46 mj/m 2 ), co oznacza obre ³aœcioœci ahezyjne. WyraŸne ró nice charakterze struktury geometrycznej oierzchni (n. stoieñ jej falistoœci lub chrooatoœci) nie znajuj¹ obicia artoœci s. S³oa kluczoe: komozyty eoksyoe, nae³niacze zmacniaj¹ce, sobona energia oierzchnioa, struktura geometryczna oierzchni. SURFACE FREE ENERGY AND GEOMETRIC STRUCTURES OF THE SURFACES OF SELECTED EPOXY COMPOSITES Summary Polymeric comosites have been characterize as constructional materials. The significance of surface free energy an geometric structure of the surface as emhasize. Three tyes of eoxy comosites iffering in reinforcing fillers (glass, arami or grahite ones) (Table 1) ere subjects of investigations. Surface free energy (s) of the comosite an its olar an isersive comonents (s an s, resectively) ere characterize by Oens-Went metho (Fig. 1 3). Geometric structures of the samles surfaces ere evaluate ith use of scanning electron microscoe (SEM) (Fig. 4 6). The values of s are rather high ineenently on the reinforcing comonent use (44 46 mj/m 2 ) hat means goo ahesive roerties. Clear ifferences in geometric structures of the samles surfaces (e.g. the egrees of aviness or roughness) o not reflect s values. Key ors: eoxy comosites, reinforcing fillers, surface free energy, geometric structure of the surface. KOMPOZYTY POWIERZCHNIOWE JAKO MATERIA KONSTRUKCYJNY CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA Komozyty sta³y siê obecnie barzo rozoszechnionymi materia³ami konstrukcyjnymi, torz¹c ich u ¹ i zró nicoan¹ gruê [1 5]. Jen¹ z istotnych zalet jest tu mo lioœæ rojektoania ³aœcioœci u ytkoych e³ug otrzeb [6 8]. Wystêuje u a ró noronoœæ rozajó sk³anikó ykorzystyanych o ytarzania komozytó zaróno osnoy yicznej, jak i zmocnienia. Ta ruga grua sk³anikó ró ni siê *) Artyku³ oarty na treœci referatu rzestaionego ramach XII Profesorskich Warsztató Naukoych, Toruñ-Bachotek, 4 6 czerca 27 r. kszta³tem i ymiarami cz¹stek [9 12]. Znane s¹ te ró - ne technologie ytarzania komozytó [1, 13 16]. Jenak e szystkie komozyty konstrukcyjne maj¹ sóln¹ cechê, mianoicie obre skaÿniki ytrzyma- ³oœcioe, uzyskiane ziêki ooieniemu oboroi sk³anikó. Istniej¹ ie g³óne gruy ³aœcioœci komozytó: sumaryczne (aytyne) oraz ynikoe (synergiczne) [1]. W³aœcioœci sumaryczne, zale ne o rozaju ozia³yania zenêtrznego, mo na rzeizieæ (okreœliæ) rzyaku iêkszoœci komozytó, natomiast zaganienie rognozoania ich ³aœcioœci ynikoych jest barzo skomlikoane (or. [1]). Oczyiœcie, u ytkoe ³aœcioœci komozytó mo na jenak raktyce reguloaæ ykorzystuj¹c skutki erio-

2 POLIMERY 28, 53,nr6 453 ycznoœci ich struktury, zjaisk oierzchnioych na granicy miêzy sk³anikami, stonia rozrobnienia cz¹stek tych sk³anikó, zjaiska relaksacji it. [1, 13, 17 19]. Wykorzystyanie komozytó raktyce ymaga znajomoœci meto rzeiyania ich ³aœcioœci; metoy takie mog¹ ykazyaæ ró ny stoieñ ok³anoœci ze zglêu zaróno na trunoœci storzeniu ostatecznie zgonego z rzeczyistoœci¹ moelu materia³u z³o onego, jak i na nieoskona³oœæ realizacji oracoanego moelu rocesach ytarzania. Postaoym jenak arunkiem uzyskania zamierzonych ³aœcioœci komozytu jest ooienie oi¹zanie ze sob¹ jego sk³anikó. Dobór ³aœciego komozytu zale y rzee szystkim o arunkó jego eksloatacji. Na rzyk³a, gy jest oczekiana ooienio u a oornoœæ na œcieranie lub oornoœæ na zia³anie ysokiej temeratury ykorzystuje siê komozyty o osnoie metalicznej, natomiast ni szej temeraturze mo na stosoaæ komozyty olimeroe. Jako materia³y o racy ysokiej temeraturze s¹ te u yane komozyty o osnoie ceramicznej [1]. Istotn¹ cechê komozytó stanoi¹ ³aœcioœci ahezyjne ich arsty ierzchniej, alboiem elementy konstrukcyjne ykonane z komozytó barzo czêsto ³¹czy siê z ykorzystaniem techniki klejenia. Dlatego a ne jest oznanie charakterystyki ahezyjnej arsty ierzchniej komozytó, któr¹ okreœla siê czêsto na ostaie artoœci sobonej energii oierzchnioej (SEP) [2 22]. SEP to jena z funkcji termoynamicznych oisuj¹ca stan rónoagi atomó arstie ierzchniej materia³ó i bê¹ca charakterystyczn¹ ielkoœci¹ ³aœci¹ ka emu cia³u [21]. Ozierciela ona secyficzny stan niezrónoa enia ozia³yañ miêzycz¹steczkoych, jaki ystêuje na granicy faz óch oœrokó. Sobon¹ energiê oierzchnio¹ coraz czêœciej ykorzystuje siê jako miarê ³aœcioœci ahezyjnych [21, 23 26]. W³aœcioœci takie ogryaj¹ istotn¹ rolê n. rocesach klejenia, kitoania, maloania, lakieroania it., a ich znajomoœæ ozala na stêne rognozoanie ytrzyma³oœci o³¹czeñ ahezyjnych. Istotnym zaganieniem analizie charakterystyki ahezyjnej baanych oierzchni jest sosób ich rzygotoania, ziêki któremu mo na konstytuoaæ ooienie ³aœcioœci ahezyjne. Niektóre yniki baañ otycz¹cych tego roblemu rzestaiono ublikacjach [21, 27 29]. Celem niniejszej racy by³o okreœlenie ³aœcioœci ahezyjnych oierzchni trzech ybranych komozytó eoksyoych na ostaie omiaró k¹tó zil ania roaz¹cych o yznaczenia artoœci sobonej energii oierzchnioej i jej sk³aoych, a tak- e scharakteryzoanie struktury geometrycznej oierzchni tych komozytó. Materia³y CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA W baaniach ykorzystano róbki ykonane z komozytó szklano-eoksyoych, aramioo-eoksyoych oraz grafitoo-eoksyoych, których charakterystykê rzestaiono tabeli 1. Komozyty ochoz¹ z PZL Œinik SA. T a b e l a 1. Charakterystyka baanych materia³ó T a b l e 1. Characteristics of the materials stuie L. *) Naza materia³u **) Próbki solimeryzoane o ymiarach 3 3 mm z tkaniny szklano-eoksyoej (,14 mm), kierunek u³o enia oolny Próbki solimeryzoane o ymiarach j. z tkaniny szklano-eoksyoej (,3 mm), kierunek u³o enia oolny Próbki solimeryzoane o ymiarach j. z tkaniny aramioo-eoksyoej KV-EP (,3 mm), kierunek u³o enia oolny Próbki solimeryzoane o ymiarach j. z tkaniny aramioo-eoksyoej KV-EP (,3 mm), kierunek u³o enia oolny Próbki solimeryzoane o ymiarach j. z tkaniny grafitoo-eoksyoej GR-EP (,24 mm), kierunek u³o enia oolny Próbki solimeryzoane o ymiarach j. z tkaniny grafitoo-eoksyoej GR-EP (,33 mm), kierunek u³o enia oolny *) Numery róbek rzyo³yane alszym tekœcie. **) Materia³y uarstoe, naiasach gruboœæ jenej arsty. Wymienione komozyty ykorzystuje siê rzemyœle lotniczym, ykonuj¹c z nich ró ne elementy konstrukcyjne stosoane buoie samolotó. Metoy baañ Sobona energia oierzchnioa Do okreœlenia sobonej energii oierzchnioej ( s ) ykorzystano metoê Oensa Wenta [21, 24, 3]. Zastosoano rzy tym ie ciecze omiaroe biolarn¹ (oê estyloan¹) i aolarn¹ (ijoometan) o znanym naiêciu oierzchnioym oraz znanych artoœciach sk³aoych olarnej ( s ) i sk³aoej ysersyjnej ( s ) sobonej energii oierzchnioej. Woa estyloana jest ciecz¹ silnie olarn¹, gy artoœæ jej sk³aoej olarnej ynosi 51 mj/m 2, a sk³aoej ysersyjnej 21,8 mj/m 2. Sk³aoe sobonej energii oierzchnioej ijoometanu ynosz¹ ooienio: olarna = 2,3 mj/m 2, ysersyjna = 48,5 mj/m 2 [21].

3 454 POLIMERY 28, 53,nr6 Sk³aoe s i s baanych materia³ó oblicza siê z zale noœci (1) i (2) na ostaie artoœci k¹tó zil- ania Θ:,5 s = s gzie: s sk³aoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej baanych materia³ó, s sk³aoa olarna sobonej energii oierzchnioej baanych materia³ó, sobona energia oierzchnioa ijoometanu, sk³aoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej ijoometanu, sk³aoa olarna sobonej energii oierzchnioej ijoometanu, sobona energia oierzchnioa oy, sk³aoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej oy, sk³aoa olarna sobonej energii oierzchnioej oy, Θ k¹t zil ania ijoometanem, Θ k¹t zil ania o¹. Do omiaró ooienich artoœci Θ zastosoano metoê bezoœreniego omiaru k¹ta, jaki torzy krola cieczy omiaroej z baan¹ oierzchni¹, ykorzystuj¹c rogram o komuteroej analizy obrazu NIS-Elements D [31]. Struktura geometryczna oierzchni ( cos Θ + 1) ( cos Θ + 1),5 = 2 ( cos Θ + 1) Oceny geometrycznej oierzchni baanych komozytó rzeroazono za omoc¹ mikroskou skaningoego SEM oraz na ostaie uzyskanych rofilogramó oierzchni ,3 s, s, s, mj/m 37,3 2 s 46,4 38,4 2 7, 8, I II Rys. 1. Sobona energia oierzchnioa ( s, seria 1) oraz jej sk³aoe: ysersyjna ( s, seria 2) i olarna ( s, seria 3) komozytó szklano-eoksyoych: I komozyt nr 1, II komozyt nr 2 [32] (numery komozytó or. Tabela 1) Fig. 1. Surface free energy ( s, series 1) an its comonents: isersive ( s, series 2) an olar one ( s, series 3) of glass/eoxy comosites: I comosite 1, II comosite 2 [32] (numbers of comosites see Table 1) (1) (2) WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE Sobona energia oierzchnioa Wartoœci sobonej energii oierzchnioej baanych komozytó oraz jej sk³aoych rzestaiono na rys Tak iêc, brak jest istotnych ró nic uzyskanych artoœciach otycz¹cych ró nych komozytó. 2 s s s,,, mj/m ,3 38,3 8, 46,1 38,6 III IV Rys. 2. Sobona energia oierzchnioa ( s, seria 1) oraz jej sk³aoe: ysersyjna ( s, seria 2) i olarna ( s, seria 3) komozytó aramioo-eoksyoych: III komozyt nr 3, IV komozyt nr 4 (numery komozytó or. Tabela 1) Fig. 2. Surface free energy ( s, series 1) an its comonents: isersive ( s, series 2) an olar one ( s, series 3) of arami/eoxy comosites: III comosite 3, IV comosite 4 (numbers of comosites see Table 1) 2 s s s,,, mj/m ,4 39,7 45, 41,4 5,7 3,6 V VI Rys. 3. Sobona energia oierzchnioa ( s, seria 1) oraz jej sk³aoe: ysersyjna ( s, seria 2) i olarna ( s, seria 3) komozytó grafitoo-eoksyoych: V komozyt nr 5, VI komozyt nr 6 (numery komozytó or. Tabela 1) Fig. 3. Surface free energy ( s, series 1) an its comonents: isersive ( s, series 2) an olar one ( s, series 3) of grahite/eoxy comosites: V comosite 5, VI comosite 6 (numbers of comosites see Table 1) W ka ym rzyaku, niezale nie o rozaju komozytu sk³aoa ysersyjna by³a znacznie iêksza ni sk³aoa olarna (ona 8 % ogólnej artoœci SEP). Najmniejsze artoœci sk³aoej olarnej SEP ykazuj¹ komozyty grafitoo-eoksyoe. 7,5

4 POLIMERY 28, 53,nr6 455 Struktura geometryczna oierzchni Wyniki baañ meto¹ SEM rzestaiaj¹ rys Obrazy toografii omaianych komozytó yraÿnie ró ni¹ siê miêzy sob¹. Wioczne s¹ yraÿne obszary, których znajuj¹ siê ³ókna (aramioe na rys. 5 oraz grafitoe na rys. 6). Najmniejszym zró nicoaniem toografii oierzchni charakteryzuje siê komozyt szklano-eoksyoy (rys. 4), co otierzaj¹ rónie baania izualne. Nie obseruje siê tu yraÿnych ³ókien na oierzchni, jak rzyaku n. komozytu grafitoo-eoksyoego. Warto okreœliæ, e mimo yró niaj¹cej siê omiennej struktury geometrycznej oierzchni komozytu Rys. 6. Struktura oierzchni komozytu grafitoo-eoksyoego (SEM, róbka nr 6 g tabeli 1), oiêkszenie 55. Fig. 6. Surface structure of grahite/eoxy comosite (SEM, samle 6, accoring Table 1, magnification 55 times) Rys. 4. Struktura oierzchni komozytu szklano-eoksyoego (SEM, róbka nr 1 g tabeli 1), oiêkszenie 55. Fig. 4. Surface structure of glass/eoxy comosite (SEM, samle 1, accoring Table 1, magnification 55 times) szklano-eoksyoego nie ystêuje, jak ju somniano, obicie istnienia tej struktury ostaci istotnej ró nicy artoœciach sobonej energii oierzchnioej. Profilogramy oierzchni komozytó, z³aszcza komozytu grafitoo-eoksyoego, obrazuj¹ jej falistoœæ, która nie jest tu jenak yraÿniejsza ni na obrazach SEM. Chrooatoœæ tego komozytu oisuj¹ oni sze ane liczboe: z³u róbki: chrooatoœæ maksymalna 3,36 µm, œrenia arytmetyczna ochylenia rofilu chrooatoœci,68 µm; orzek róbki: chrooatoœæ maksymalna 53,1 µm, œrenia arytmetyczna ochylenia rofilu chrooatoœci 6,42 µm. W rzyaku oierzchni falistej okonuje siê niekiey omiaru k¹ta zil ania na ocinku rostym falistoœci, baania obejmuj¹ boiem omiary k¹ta zil ania kilku kroel cieczy, które mog¹ rzecie znajoaæ siê ró nych czêœciach takiej oierzchni. Jest to rzyczyn¹ faktu, e omimo znacznych izualnych ró nic toografii oierzchni, z uzglênieniem jej charakterystyki geometrycznej, ró nice uzyskanej artoœci sobonej energii oierzchnioej nie s¹ zbyt u e. Oczyiœcie, interretacji ynikó ominiêty zosta³ asekt fizycznych i chemicznych ³aœcioœci oszczególnych sk³anikó analizoanych komozytó a rzestaione roza ania otycz¹ jeynie asektu geometrycznej secyfiki oierzchni. PODSUMOWANIE Rys. 5. Struktura oierzchni komozytu aramioo-eoksyoego (SEM, róbka nr 3 g tabeli 1), oiêkszenie 55. Fig. 5. Surface structure of arami/eoxy comosite (SEM, samle 3, accoring Table 1, magnification 55 times) Uzyskane oisyanej racy yniki œiacz¹ o tym, e baane komozyty eoksyoe, niezale nie o rozaju sk³anika zmacniaj¹cego, charakteryzuj¹ siê oœæ znaczn¹ artoœci¹ sobonej energii oierz-

5 456 POLIMERY 28, 53,nr6 chnioej, mieszcz¹c¹ siê rzeziale mj/m 2. Poniea SEP torzy olimeroych e³ug ró nych Ÿróe³ ynosi z regu³y o 2 o 56 mj/m 2 [21, 27, 28], s¹ to iêc jene z iêkszych artoœci SEP, co oznacza lesze ³aœcioœci ahezyjne. Mo na zatem ua aæ, i rzyaku klejenia takich komozytó istniej¹ lesze arunki energetyczne o uzyskania tra³ego o³¹czenia ni rzyaku innych torzy olimeroych, o mniejszej artoœci sobonej energii oierzchnioej (chocia nie jest to jeyny czynnik arunkuj¹cy uzyskanie tra³ego o³¹czenia ahezyjnego). Na uagê zas³uguj¹ te stierzone nieu e ró nice uzyskanych artoœciach SEP omimo omiennych obrazó SEM oierzchni komozytó falistoœci komozytó ze zmacniaczem aramioym lub grafitoym oraz jej braku rzyaku szklanego œroka zmacniaj¹cego. W alszych baaniach rzeiuje siê zestaienie artoœci SEP a tak e struktury geometrycznej oierzchni komozytó olimeroych z ytrzyma³oœci¹ o- ³¹czeñ klejoych na ich ostaie. LITERATURA 1. Boczkoska A., Kauœciñski J., Linemann Z., Witemberg-Perzyk D., Wojciechoski S.: Komozyty, Oficyna Wy. Politechniki Warszaskiej, Warszaa uchoska D.: Polimery konstrukcyjne, WNT, Warszaa Praca zbioroa (re. Sikora R.): Przetórsto torzy olimeroych. Postay logiczne, formalne i terminologiczne, Wy. PL, Lublin Dobrzyñski L.: Materia³y in ynierskie i rojektoanie materia³oe. Postay nauki o materia³ach i metaloznasto, WNT, Warszaa Park S. -J., Cho M. -S., Lee J. -R.: J. Colloi Interface Sci. 2, 226, uchoska D., Steller R., Meissner W.: Polimery 27, 52, Zaborski M., Piotroska M., akoska Z.: Polimery 26, 51, Sterzyñski T., ŒlêŸ I.: Polimery 27, 52, Pig³oski J., Kiorsnoski A., Do³êga J.: Polimery 26, 51, 74.. Kaczmar J. W., Pach J., Koz³oski R.: Polimery 26, 51, Galeski A., Piorkoska E.: Polimery 27, 52, Ryszkoska J., Zaazak E., Hreniak D., Strêk W., Kurzy³oski K. J.: Polimery 27, 52, Czub P., Boñcza-Tomaszeski Z., Penczek P., Pielichoski J.: Chemia i technologia yic eoksyoych, WNT, Warszaa Lee J., Drzal L. T.: Int. J. Ah. Ahesives 25, 25, Go³êbieski J., Ró añski A., Ga³êski A.: Polimery 26, 51, Majchrzak Z., Liczyñski J.: Polimery 27, 52, Sikora R.: Torzya ielkocz¹steczkoe. Rozaje, ³aœcioœci i struktura, Wy. Uczelniane PL, Lublin Wang C., Huang Y. D., Wang B.: Int. J. Ah. Ahesives 26, 26, a Silva L. F. M., Aams R. D: Int. J. Ah. Ahesives 27, 27, Benar Q., Fois M., Grisel M.: Int. J. Ah. Ahesives 25, 25, enkieicz M.: Ahezja i moyfikoanie arsty ierzchniej torzy ielkocz¹steczkoych, WNT, Warszaa Ruaska A., Zajchoski S.: Polimery 27, 52, enkieicz M.: Polimery 26, 51, enkieicz M.: Polimery 25, 5, Ho³ysz L.: J. Mat. Sci. 2, 35, Gonzalez-Martin M. L., Labajos-Brocano L., Jañczuk B., Bruque J. M., Gonzalez-Garcia C. M.: J. Colloi Interface Sci. 21, 24, Bernar Q., Fois M., Grisel M., Laurens P.: Int. J. Ah. Ahesives 26, 26, Zahao Q., Wang C., Lui Y., Wangs S.: Int. J. Ah. Ahesives 27, 27, Ruaska A., Kuczmaszeski J.: Klejenie blach ocynkoanych, Wy. Uczelniane PL, Lublin enkieicz M.: Polimery 27, 52, Instrukcja obs³ugi rogramu NIS-Elements D firmy Nikon Ruaska A.: Zeszyty Naukoe Instytutu Przetórsta Torzy Sztucznych Metalchem Toruniu, XII Profesorskie arsztaty Naukoe: Przetórsto torzy olimeroych, Toruñ 27, nr secjalny, czeriec 27, str Praca naukoa finansoana ze œrokó na naukê latach jako rojekt baaczy nr 3TC273.