Badanie wp³ywu wybranych substancji chemicznych na odpornoœæ tworzyw polimerowych czêœæ II

Transkrypt

1 440 Katarzyna MAZIK, Przemys³aw POSTAWA, Mariola WOJCIECHOWSKA Katarzyna MAZIK, MAZIK*, Przemys³aw POSTAWA, Mariola WOJCIECHOWSKA Zak³ad Przetwórstwa Polimerów, Politechnika Czêstochowska Al. Armii Krajowej 19 C, Czêstochowa * Autor do korespondencji; lubczynska@ipp.pcz.pl Badanie wp³ywu wybranych substancji chemicznych na odpornoœæ tworzyw polimerowych czêœæ II Streszczenie: W drugiej czêœci artyku³u przedstawiono wyniki badañ wp³ywu dzia³ania substancji chemicznych na tworzywa polimerowe. W przeprowadzonych badaniach u yto piêæ gatunków tworzyw polimerowych transparentnych: PS, SAN, MABS, PC, PMMA. Próbki poddano dzia³aniu substancji chemicznych powszechnie dostêpnych i u ywanych takich jak np. chemia gospodarstwa domowego, chemia samochodowa, paliwo do samochodów i maszyn. Chc¹c uzyskaæ wyniki przyœpieszone, próbki dodatkowo zosta³y obci¹ one naprê eniem wstêpnym. Przeprowadzone badania pozwoli³y wykazaæ, które z tworzyw degraduj¹ pod wp³ywem dzia³ania danego czynnika chemicznego. EFFECT OF CHEMICAL AGENTS ON THE RESISTANCE OF SOME PLASTIC POLYMER PART II Abstract: In the second part of this paper the results of investigation of the impact of chemicals on the polymers were presented. Five species of different transparent polymers: PS, SAN, MABS, PC and PMMA were used in the studies. The samples were treated with chemical fluids commonly available and used, such as household chemicals, automotive chemicals, fuel for cars and machines. In order to obtain accelerated results, the samples were additionally tightened with a preload. The study demonstrated which polymers degrade under the action of different chemicals. WPROWADZENIE Materia³y polimerowe s¹ wra liwe na dzia³anie agresywnych œrodowisk chemicznych w ró nym stopniu, zale nym od sk³adu chemicznego i struktury cz¹steczkowej. Odpornoœæ chemiczna tworzywa wzrasta wraz ze wzrostem energii wi¹zañ wewn¹trz cz¹steczkowych. Dla tworzyw o wiêkszej gêstoœci dyfuzja jest znacznie mniejsza, dlatego te tworzywa o wiêkszym stopniu krystalicznoœci na ogó³ s¹ w wiêkszym stopniu odporne chemicznie [1]. Procesy degradacji szybciej zachodz¹ w polimerach o liniowej budowie ni tych, których makrocz¹steczki s¹ rozga³êzione. Im wiêksza masa cz¹steczkowa polimeru, tym procesy degradacji s¹ wolniejsze, poniewa degradacja to nic innego jak skracanie siê d³ugich makrocz¹steczek i stopniowe przechodzenie ze zwi¹zku makro do ma³ocz¹steczkowego [2,3]. Dlatego bardzo istotne jest przeprowadzenie badañ wykazuj¹cych czy dany materia³ polimerowy jest odporny na dzia³anie substancji chemicznych, w których przyjdzie mu pracowaæ. Pozwoli to na dobór odpowiedniego tworzywa i wykluczy mo liwoœæ uszkodzenia wyrobu wywo³an¹ degradacj¹ chemiczn¹. Okres u ytkowania elementów wykonanych z tworzyw powinien byæ mo liwie jak najd³u szy i wynosiæ przynajmniej kilka lat (w szczególnych warunkach eksploatacji dopuszcza siê skrócone okresy u ytkowania do kilku miesiêcy). Aby uzyskaæ wiarygodne wyniki odpornoœci chemicznej, badania przeprowadza siê w warunkach przyœpieszonych, (podwy szona temperatura, roztwory o wy szym stê eniu, wprowadzenie naprê eñ do próbek, oddzia³ywanie promieniami UV). BADANIA EKSPERYMENTALNE Tworzywa oraz warunki przygotowania próbek Badania przeprowadzono dla piêciu gatunków tworzyw polimerowych transparentnych, maj¹cych zastosowanie w produkcji detali dla przemys³u AGD i motoryzacyjnego, nale ¹ do nich: PS (Owispol ), PMMA (Optix ), SAN (Luran KR 2636), PC (Makrolon 2405), MABS (Terlux 2812TR). Próbki u yte do badañ mia³y kszta³t prostopad³oœcianów o wymiarach: mm (d³ugoœæ, szerokoœæ, gruboœæ). Do przygotowania próbek wykorzystano wtryskarkê typu Krauss Maffei KM65-160C1 o napêdzie hydraulicznym, z dwugniazdow¹ form¹ wtryskow¹ zasilan¹ systemem zimnokana³owym oraz dwuobiegowym uk³adem termostatowania firmy Wittmann. Parametry procesu wtryskiwania zosta³y ustawione zgodnie z zaleceniami producentów tworzyw. Stanowisko badawcze W celu przeprowadzenia badañ przygotowano piêæ specjalnych stanowisk do k¹pieli korozyjnej (rys. 1). W celu wywo³ania dodatkowego naprê enia w badanych próbkach wygiêto je na profilu wykonanym z grubej blachy ze stali kwasoodpornej (rys. 2). Zgodnie z norm¹ EN ISO :2007 promieñ wygiêcia próbek wynosi³ 1000 mm [9]. Próbki umieszczono pomiêdzy profilem, a p³askownikami, dziêki temu podczas dokrêcania p³askowników, próbki wygina³y siê przyjmuj¹c kszta³t blachy znajduj¹cej siê pod spodem. Odkszta³cenie próbek powodowa³o

2 Badanie wp³ywu wybranych substancji chemicznych na odpornoœæ tworzyw polimerowych czêœæ II 441 Rys. 1. Stanowiska badawcze do k¹pieli korozyjnej Fig. 1. The benches for bath corrosion wywo³anie zadanego naprê enia, przy czym w dolnej czêœci próbki wystêpowa³y naprê enia œciskaj¹ce, a na powierzchni górnej naprê enia rozci¹gaj¹ce. Przykrêcone do uchwytu próbki umieszczano w pojemniku nastêpnie zalano substancj¹ chemiczn¹ w taki sposób aby ca³a próbka znajdowa³a siê pod powierzchni¹ cieczy. Badanie zosta³o przeprowadzone zgodnie z norm¹ PN-78/C [10] w ustabilizowanych warunkach, w temperaturze otoczenia wynosz¹cej 21 C ±2. Obserwacja mikroskopowa próbek po procesie starzenia chemicznego Po zakoñczonym procesie starzenia chemicznego przyst¹piono do oceny efektów z wykorzystaniem mikroskopii œwietlnej. Ocenie poddano charakter zmian powierzchni próbek, pêkniêcia, zmiany spowodowane degradacj¹ chemiczn¹ w odniesieniu do próbek pierwotnych. Do badañ wykorzystano mikroskop inspekcyjny stereoskopowy model NIKON SMZ800 kamer¹ cyfrow¹ NI- KON DIGITAL SIGHT DS-5M. Próbki by³y obserwowane Rys. 2. Próbki wygiête na promieniu 1000 mm Fig. 2. Bended samples-radius 1000 mm w œwietle odbitym. Wyniki badañ zapisano w postaci zdjêæ cyfrowych. WYNIKI BADAÑ zniszczonych przez benzynê Podczas obserwacji mikroskopowej próbek wyjêtych z k¹pieli korozyjnej zaobserwowano g³êbokie pêkniêcia (rys. 3) bez zmian wygl¹du powierzchni w wypraskach z PC œwiadcz¹ce o obni eniu w³aœciwoœci mechanicznych polimeru przez badan¹ substancjê. Pêkniêcia w próbkach SAN s¹ bardzo g³êbokie i nast¹pi³y w wyniku os³abienia materia³u przez badany czynnik (rys. 4). Nie zaobserwowano zmiany wygl¹du powierzchni, co œwiadczy o nierozpuszczalnoœci polimeru SAN w benzynie. W próbkach z PMMA wyraÿnie nast¹pi³a degradacja powierzchni (rys. 5). Benzyna spowodowa³a powstanie pêkniêæ na powierzchni oraz degradacjê materia³u poprzez powiêkszenie pêkniêæ we wszystkich kierunkach. Próbki wykonane z MABS nie posiada³y zmian w postaci rys naprê eniowych ani pêkniêæ. Zaobserwowa- Rys. 3. Pêkniêcia w próbce PC pod wp³ywem benzyny: a) widok z góry, b) widok z boku Fig. 3. Cracks of PC sample immersed in gas: a) top view, b) side view

3 442 Katarzyna MAZIK, Przemys³aw POSTAWA, Mariola WOJCIECHOWSKA Wyniki obserwacji mikroskopowych próbek zanurzonych w oleju napêdowym Rys. 4. Próbka SAN, widok z boku Fig. 4. Sample of SAN, side view no zmianê wygl¹du powierzchni (rys. 6). Próbki przesta- ³y byæ transparentne. Œwiadczyæ to mo e o rozpuszczaniu MABS przez benzynê. W próbce wykonanej z PS pod wp³ywem dzia³ania oleju napêdowego powsta³y g³êbokie pêkniêcia oraz zupe³ne przerwanie wypraski (rys.7). Charakter pêkniêæ potwierdza ma³¹ odpornoœæ materia³u na badane medium. Nie zaobserwowano zmian powierzchni oraz prze- Ÿroczystoœci próbki. Zmiany w próbkach wykonanych z SAN to g³êbokie rysy naprê eniowe, bez wyraÿnych zmian na powierzchni oraz przeÿroczystoœci (rys. 8). Œwiadczy to o obni eniu w³aœciwoœci mechanicznych oraz braku rozpuszczalnoœci polimeru SAN przez olej napêdowy. zanurzonych w p³ynie do ch³odnic W próbkach wykonanych z PS (rys. 9) oraz SAN (rys. 10) zaobserwowano rysy korozyjne. Rys. 5. Próbka PMMA: a) widok z góry, b)widok z boku Fig. 5. Sample of PMMA: a) top view, b) side view Rys. 6. Próbka MABS, widok powierzchni Fig. 6. Sample of MABS, view of the surface Rys. 7. Próbka PS Fig. 7. Sample of PS

4 Badanie wp³ywu wybranych substancji chemicznych na odpornoœæ tworzyw polimerowych czêœæ II 443 Rys. 8. Próbka SAN Fig. 8. Sample of SAN Rys. 11. Próbka PS Fig. 11. Sample of PS zanurzonych w uniwersalnym œrodku czyszcz¹cym W wypraskach wykonanych z PS (rys. 11) i SAN (rys. 12) zaobserwowano g³êbokie rysy korozyjne. Charakter pêkniêcia próbki PC (rys. 13) œwiadczy o os³abieniu zewnêtrznych warstw wypraski przez badan¹ substancjê. Kruche pêkniêcie przez œrodkow¹ czêœæ potwierdza badania polaryskopowe, które wykaza³y du e naprê enia w³asne w rdzeniu próbki, czyli mniejsz¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ warstwy œrodkowej. Pod mikroskopem uda³o siê równie zaobserwowaæ minimalne rysy powierzchni, go- ³ym okiem nie zaobserwowane wczeœniej. zanurzonych w œrodku czyszcz¹co-dezynfekuj¹cym Rys. 9. Próbka PS Fig. 9. Sample of PS Podczas obserwacji mikroskopowej próbek wyjêtych z k¹pieli korozyjnej w œrodku œrodka czyszcz¹co dezynfeku- Rys. 10. Próbka SAN Fig. 10. Sample of SAN Rys. 12. Próbka SAN Fig. 12. Sample of SAN

5 444 Katarzyna MAZIK, Przemys³aw POSTAWA, Mariola WOJCIECHOWSKA Rys. 13. Próbka PC Fig. 13. Sample of PC Rys. 15. Próbka PC Fig. 15. Sample of PC os³abieniu przez badan¹ substancjê wytrzyma³oœci mechanicznej w zewnêtrznych warstwach wypraski. PODSUMOWANIE Rys. 14. Próbka PS Fig. 14. Sample of PS j¹cego, wykazano zmiany tylko w wypraskach z tworzywa PS oraz PC. W próbkach z PS (rys. 14) zaobserwowano rysy korozyjne i pêkniêcie siêgaj¹ce prawie do 2/3 gruboœci wypraski. Natomiast w próbce z PC (rys. 15) zaobserwowano niewidoczne go³ym okiem rysy korozyjne w górnej warstwie próbki. Charakter pêkniêcia PC œwiadczy o W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badañ odpornoœci wybranych tworzyw polimerowych na dzia³anie substancji chemicznych. Na podstawie przeprowadzonych badañ doœwiadczalnych okreœlono odpornoœæ i zachowanie siê polimerów podczas zanurzenia w ró - nych substancjach agresywnych (tab. 2). Badania wykaza³y, i najmniej odpornym tworzywem na badane substancje chemiczne jest PS. Próbki wykonane z tego materia³u s¹ szczególnie wra liwe na dzia³anie benzyny bezo³owiowej 95. W chwili kontaktu z benzyn¹ próbki popêka³y, a w kolejnych godzinach ulega³y rozpuszczeniu. Bardzo agresywny w stosunku do PS okaza³ siê równie olej napêdowy. Próbki PS zanurzone w tej substancji pêka³y w niespe³na 5 minut po zanurzeniu. Polistyren nie jest odporny na dzia³anie: p³ynu do ch³odnic, uniwersalnego œrodka czyszcz¹cego oraz œrodka czyszcz¹co dezynfekuj¹cego. Na badanych wypraskach pojawi³y siê rysy naprê eniowe œwiadcz¹ce o obni eniu przez substancje chemiczne w³aœciwoœci mechanicznych polimeru. Polistyren (PS) nie nadaje siê zatem do u ytkowania w œrodowisku tych substancji. Tab. 2. Wyniki badañ odpornoœci chemicznej tworzyw polimerowych Table 2. The results of chemical resistance of plastics Substancja chemiczna Badane tworzywo polimerowe PS PMMA SAN PC MABS benzyna brak brak brak brak brak olej napêdowy bezsiarkowy brak odporne brak odporne odporne p³yn do ch³odnic samochodowych brak odporne odporne odporne odporne detergent odt³uszczaj¹cy brak odporne brak brak odporne œrodek czyszcz¹co dezynfekuj¹cy brak odporne odporne brak odporne

6 Badanie wp³ywu wybranych substancji chemicznych na odpornoœæ tworzyw polimerowych czêœæ II 445 Czynnikiem niszcz¹cym dla PMMA okaza³a siê benzyna. Próbki wyjête po k¹pieli korozyjnej w benzynie przesta³y byæ przeÿroczyste, zmianie uleg³a powierzchnia. Badania mikroskopowe pozwoli³y wykazaæ, e benzyna powodowa³a degradacjê PMMA tworz¹c na powierzchni pêkniêcia i w ery. Wypraski wykonane z polimetakrylanu metylu nie nadaj¹ siê do u ytkowania w œrodowisku zawieraj¹cym benzynê, natomiast mog¹ byæ u ytkowane w œrodowiskach zawieraj¹cych pozosta³e badane substancje. Kopolimer SAN jest materia³em odpornym tylko na dzia³anie œrodka czyszcz¹co dezynfekuj¹cego. K¹piel korozyjna w pozosta³ych substancjach spowodowa³a zmiany w próbkach œwiadcz¹ce o braku odpornoœci. Uszkodzenia wyprasek SAN w kontakcie z olejem napêdowym, p³ynem do ch³odnic oraz uniwersalnym œrodkiem mia³y charakter rys naprê eniowych. W próbkach zanurzonych w benzynie powsta³y g³êbokie pêkniêcia, a po kilku godzinach próbki uleg³y przerwaniu. Badanie próbek wykonanych z PC wykaza³o, e polimer ten jest odporny tylko na dzia³anie oleju napêdowego i p³ynu do ch³odnic. Wypraski umieszczone w tych substancjach nie wykaza³y adnych zmian. Próbki umieszczone w benzynie uleg³y zniszczeniu ju w pierwszych godzinach od rozpoczêcia badania. Uniwersalny œrodek czyszcz¹cy oraz œrodek czyszcz¹co dezynfekuj¹cy dzia³a na wypraski wykonane z PC w sposób os³abiaj¹cy w³aœciwoœci mechaniczne. Pêkniêcia próbek nastêpowa³y w wyniku dodatkowo wprowadzonego naprê enia, po kilku godzinach od zanurzenia. Dziêki badaniom elastooptycznym (I czêœæ artyku³u) uda³o siê zaobserwowaæ, e wiêksze naprê enia w³asne wystêpuj¹ w œrodku wypraski (w rdzeniu). Taki charakter naprê eñ œwiadczy o tym, e wytrzyma³oœæ mechaniczna jest wiêksza w zewnêtrznych warstwach próbki, natomiast rdzeñ nie jest w stanie przenosiæ du ych naprê eñ. W wyniku os³abienia w³aœciwoœci mechanicznych w zewnêtrznych warstwach wyprasek przez substancje chemiczne oraz wprowadzanych dodatkowo naprê eñ przekraczaj¹cych dopuszczalne obci¹ enia dochodzi³o do prze³amania próbek. Analiza próbek z MABS wykaza³a, e jest on odporny na wszystkie badane substancje z wyj¹tkiem benzyny. Powierzchnia wyprasek umieszczonych w benzynie uleg³a zmianie, próbki sta³y siê mniej przeÿroczyste z powodu rozpuszczenia polimeru na powierzchni. Podczas badania zaobserwowano, i pêkniêcia i rysy naprê eniowe powstaj¹ w pierwszej kolejnoœci na œrodku wyprasek (w miejscu gdzie ugiêcie wypraski jest najwiêksze), spowodowane jest to najwiêkszymi naprê eniami dzia³aj¹cymi w tych czêœciach próbek. Literatura 1. Rojek M.: Metodologia badañ diagnostycznych warstwowych materia³ów kompozytowych o osnowie polimerowej, Open Access Library, Volume 2, 2011, s Broniewski T., Kapko J., P³aczek W., Thomalla J.: Metody badañ i ocena w³asnoœci tworzyw sztucznych. WNT, Warszawa Jansen J. A.: Ductile-to-brittle transition of plastic materials. Advanced Materials & Processes, February ASM International Publication EN ISO :2007 Tworzywa sztuczne Oznaczanie odpornoœci na œrodowiskow¹ korozjê naprê eniow¹ (ESC) Czêœæ 3: Metoda zgiêtej taœmy. 10. PN-78/C Tworzywa sztuczne. Oznaczanie odpornoœci na dzia³anie substancji chemicznych.