PORÓWNANIE MECHANIZMÓW ZNISZCZENIA ZMĘCZENIOWEGO POLIMERÓW TERMOPLASTYCZNYCH POCHODZENIA NATURALNEGO I SYSNTETYCZNEGO

Transkrypt

1 Aneta LIBER-KNEĆ, Sabina śmudka, Stanisław KUCIEL Politechnika Krakowska Katedra Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki stask@mech.pk.edu.pl PORÓWNANIE MECHANIZMÓW ZNISZCZENIA ZMĘCZENIOWEGO POLIMERÓW TERMOPLASTYCZNYCH POCHODZENIA NATURALNEGO I SYSNTETYCZNEGO Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań zmęczeniowych dla dwóch rodzajów kompozytów na osnowie termoplastycznych polimerów: poliamidu 6 oraz biodegradowalnego polihydroksymaślanu pochodzenia naturalnego. Napełniaczami były odpowiednio wulkaniczny proszek tufu oraz włókna naturalne: pokrzywa i włos koński. Przeprowadzone badania wskazały na róŝnice mechanizmów zniszczenia zmęczeniowego badanych polimerów oraz potwierdziły moŝliwość wykorzystania metody Lehra do wyznaczania wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów na osnowie termoplastów. COMPARISION OF FATIGUE FAILURE MECHANISM FOR THERMOPLASTIC POLYMERS OF NATURAL OR SYNTHETIC ORIGIN Summary. In this work, results of fatigue tests for two types of composites based on thermoplastic polymers: polyamide 6 and biodegradable polyhydroxybutyrate of natural origin were presented. As fillers there were used mineral volcanic tuff and natural fibers: ramie and horse hair. The tests showed differences in failure fatigue mechanism between tested polymers and confirmed possibility of using Lehr method for estimation of fatigue strength for composites based on thermoplastics.

2 Porównanie mechanizmów zniszczenia WSTĘP Nakładanie się na badany materiał zmiennych w czasie obciąŝeń (np. sinusoidalnych) prowadzi do zmęczenia materiału, zjawiska opisanego w XIX wieku dla określenia zniszczenia części metalowych przy napręŝeniach znacznie niŝszych niŝ tych wyliczanych dla statycznych napręŝeń zrywających. Istnieją dwa podstawowe mechanizmy zniszczenia zmęczeniowego kompozytów polimerowych: - poprzez propagację pęknięcia (np. metale i wykazujące kruche zachowanie polimery, takie jak poliwęglan czy polimetakrylan metylu). Materiały polimerowe zawierają róŝne mikroskopijne defekty (mikrokawitacja, nieciągłość materiału, linie płynięcia, linie spoiny, itp.), które pod działaniem obciąŝenia mogą spowodować miejscową koncentrację napręŝeń, a w konsekwencji wzrost szczeliny i jej propagację aŝ do pęknięcia; - nagrzewanie lepkospręŝyste (histerezowe - szczególnie częste dla materiałów polimerowych). LepkospręŜyste zachowanie materiałów polimerowych powoduje, iŝ podczas deformowania napręŝenia i odkształcenia nie są w jednej fazie, lecz występuje określone opóźnienie o kąt δ, w konsekwencji powstaje pętla histerezy mechanicznej, której rezultatem jest dyssypacja energii mechanicznej. Zjawisko to prowadzi do akumulacji energii wewnętrznej i wzrostu temperatury samowzbudnej materiału oraz w konsekwencji do jego termicznego zniszczenia zmęczeniowego. Dla wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na osnowie termoplastów (takich jak poliamid czy polietylen) napełnianych krótkimi włóknami lub cząstkami decydującymi są trzy występujące równocześnie zjawiska: - nagrzewanie się lepkospręŝystej matrycy polimerowej i postępujące procesy zmęczenia termicznego - objawiające się pełzaniem całego kompozytu, - utrata adhezji pomiędzy osnową i włóknem wskutek cyklicznych napręŝeń stycznych na ich granicy, - pękanie i rozdrobnienie włókien - długość ich maleje osiągając wartości poniŝej tzw. długości krytycznej - zmniejsza się zdolność do wzmocnienia kompozytu. Wiadomo równieŝ, iŝ sam wzrost temperatury ma wpływ tak na podstawowe właściwości mechaniczne (np. napręŝenia przy plastycznym płynięciu czy moduł spręŝystości), jak i przemiany fazowe polimeru (temperatura zeszklenia) oraz charakter i cechy jego mikrostruktury. Wyznaczanie standardowych charakterystyk zmęczeniowych w postaci wykresu Wöhlera jest długotrwałe, czasochłonne oraz bardzo kosztowne, stąd teŝ poszukiwania przyspieszonych metod oceny parametrów zmęczeniowych. W przypadkach, w których ocena wytrzymałości na zmęczenie nowych kompozycji nie wymaga tak restrykcyjnych warunków badań naleŝałoby rozwaŝyć metodę, która w wystarczający sposób dla potrzeb oceny nowych materiałów polimerowych pozwalałaby określić ich właściwości zmęczeniowe. Metodą taką,

3 2 A. Liber Kneć, S. śmudka, S. Kuciel stosowaną w badaniach zmęczeniowych metali jest metoda Lehra, pozwalająca na przybliŝoną ocenę wytrzymałości zmęczeniowej materiału. Wykorzystuje ona zjawisko polegające na tym, iŝ po przekroczeniu wartości amplitudy napręŝeń zmiennych (bliskiej wytrzymałości zmęczeniowej) w badanym materiale występuje wyraźny wzrost temperatury, odkształcenia oraz rozproszenia energii. Istotą tej metody jest zastosowanie zmiennego obciąŝenia o amplitudach rosnących i równoczesne rejestrowanie wartości wydłuŝenia, energii rozproszonej i temperatury. Przyspieszoną ocenę własności zmęczeniowych kompozytów zaproponowano w pracy [3], w której idee metody Lehra zaadoptowano do tworzyw sztucznych. W pracy podjęto próbę wykorzystania tej metody do wyznaczania wytrzymałości granicznej zmęczeniowej kompozytów polimerowych oraz porównania mechanizmów zmęczeniowych termoplastycznych polimerów syntetycznych i tych pochodzenia naturalnego. 2.MATERIAŁ I METODA BADAŃ Przedmiotem badań były kompozyty wytworzone z dwóch rodzajów granulatów: polihydroksymaślanu (PHB) z włóknami naturalnymi (pokrzywą i włóknem końskim) oraz poliamidu 6 z cząstkami mineralnego wulkanicznego tufu. Na osnowę biokompozytów wykorzystano biopolimer Biomer P226 produkcji niemieckiej firmy Biomer, który jest termoplastycznym homopoliestrem kwasu 3-hydroksybutanowego, ulegającym całkowitej degradacji w kompoście oraz poliamidu 6 (Tarnamidu T-27) produkowanego w Zakładach Azotowych w Tarnowie. Do wytworzenia biokompozytów wykorzystano włókno rodzimej pokrzywy oraz włosie końskie z rzeźni (cięte na długość ok. 4-6 mm). Włókna preparowano w 5% roztworze NaOH przez 3 minut, następnie płukano i suszono. Próbki do badań w kształcie wiosełek wytworzono metodą wtrysku w Zakładach Azotowych S.A. w Tarnowie zgodnie z normą PN-EN ISO 294-1:22. Próby zmęczeniowe realizowano na maszynie wytrzymałościowej Instron typ z oprogramowaniem TestWorks 4 i sterownikiem firmy MTS przy poziomie częstotliwości 5 Hz, wykonując 5 cykli na kaŝdym poziomie obciąŝenia. Pętle histerezy mechanicznej zapisywano do pliku w układzie siła - wydłuŝenie próbki i rejestrowano przebieg, co 1 pętli, ze względu na duŝą ilość danych (4 punktów dla jednej pętli). Dla zarejestrowanych pętli wyliczano energię mechaniczną rozproszoną w kaŝdym cyklu oraz przyrost wydłuŝenia. Poziom siły wymuszającej ustalano w proporcji do maksymalnej siły wyznaczonej w statycznej próbie rozciągania: dla kompozytów na osnowie poliamidu 6 na poziomie 1,75 kn, a dla tych na osnowie naturalnego PHB 1, kn. W trakcie badań rejestrowano równieŝ temperaturę na powierzchni próbek.

4 Porównanie mechanizmów zniszczenia KOMPOZYTY POLIAMIDU 6 Z TUFEM Warunki badań zmęczeniowych (siłę wymuszającą i liczbę cykli) dla PA 6 napełnionego cząstkami tufu pokazano w tabeli 1. Średnia liczba cykli do zniszczenia przy narastającym obciąŝeniu wynosiła maksymalnie 49 dla PA 6 napełnionego 1% dodatkiem tufu. Wraz ze wzrostem ilości napełniacza w kompozycie następowało obniŝenie granicznej liczby cykli do zniszczenia. Dla wszystkich badanych kompozytów na odnowie PA 6 zniszczenie próbek nastąpiło przy poziomie obciąŝenia,7 (1,2 kn). Poziom siły wymuszającej od,1 do PA6+1% tuf,3,35 Warunki badań zmęczeniowych [3],4,45,5,55,6, PA6+15% tuf PA6+25% tuf Tabela 1, zniszczeni e próbki zniszczeni e próbki zniszczeni e próbki Przykładowe pętle histerezy mechanicznej dla kompozytów PA 6 z 25% zawartością napełniacza tuf dla kolejnych poziomów siły wymuszającej pokazano na rysunku 1. Rys.1. Przykładowe pętle histerezy dla PA6 z 25% zawartością tuf dla róŝnych poziomów siły wymuszającej [3] Fig. 1. Example of hysteresis loops for PA6 with 25% of tuff for different levels of exciting force [3]

5 22 A. Liber Kneć, S. śmudka, S. Kuciel W wyniku oddziaływania obciąŝeń zmiennych w czasie moŝemy zauwaŝyć wyraźny wzrost pola powierzchni pętli histerezy mechanicznej, co świadczy o wzroście wartości energii dyssypacji dla kompozytów, wydłuŝenia oraz temperatury dla PA 6 z napełniaczem tuf (rys. 2, 3- poziom siły wymuszającej naleŝy pomnoŝyć przez 1.75kN). Dla PA 6 z 1% zawartością tufu graniczna wytrzymałość zmęczeniowa wynosi ok. 27 MPa, dla 25% zawartości tufu ok. 25 MPa [3]. [mm] [ o C] 3 6 przyrost wydłuŝenia przyrost temperatury przyrost energii [mm 2 ] Rys. 2. Fig Poziom siły wymuszającej [kn] Zmiana wydłuŝenia, temperatury i energii dyssypacji PA6 z 1% zawartością napełniacza tuf The change of extension, temperature and dissipated energy for PA 6 with 1% of tuff [mm] [ o C] przyrost wydłuŝenia przyrost temperatury przyrost energii [mm 2 ] Rys. 3. Fig Poziom siły wymuszającej [kn] Zmiana wydłuŝenia, temperatury i energii dyssypacji PA6 z 25% zawartością napełniacza tuf The change of extension, temperature and dissipated energy for PA 6 with 25% of tuff

6 Porównanie mechanizmów zniszczenia BIOKOMPOZYTY NA OSNOWIE PHB W tabeli 2, pokazano warunki badań zmęczeniowych dla czystego PHB oraz jego kompozytów z 15% dodatkiem pokrzywy lub włosia końskiego. Średnia liczba cykli do zniszczenia przy narastającym obciąŝeniu wynosiła 37 dla nienapełnionego biopolimeru przy maksymalnym poziomie siły wymuszającej,65 kn. Dodatek włókien spowodował obniŝenie zdolności PHB do przenoszenia obciąŝeń cyklicznych. Lepsze rezultaty uzyskano dla kompozytu PHB z włóknem pokrzywy, dla którego liczba cykli do zniszczenia wynosiła średnio 32 przy poziomie siły wymuszającej,6 kn. Tabela 2 Warunki badań zmęczeniowych dla PHB i jego kompozytów dla narastającej wartości siły wymuszającej i narastającej liczbie cykli Poziom siły wymuszającej od,1 do,3,35,4,45,5,55,6,65 PHB ± 1 zniszcze nie próbki PHB + pokrzywa ± 1 zniszczen ie próbki PHB + włosie ± 1 zniszcz enie próbki Rys.4. Przykładowe pętle histerezy dla PHB z 15% dodatkiem włókien pokrzywy dla róŝnych poziomów siły wymuszającej Fig. 4. Example of hysteresis loops for PHB with 25% of ramie for different levels of exciting force

7 24 A. Liber Kneć, S. śmudka, S. Kuciel Przykładowe pętle histerezy mechanicznej dla kompozytów PHB z 15% zawartością włókien pokrzywy, otrzymane w trakcie badań dla narastających poziomów siły wymuszającej pokazano na rys. 4. Zarówno dla biopolimeru, jak i jego kompozytu nastąpił wzrost wartości wydłuŝenia i wartości energii dyssypacji, natomiast temperatura nieznacznie wzrosła dla PHB, a dla kompozytu pozostała na podobnym poziomie (rys. 5 i 6). W przypadku kompozytu z włóknami pokrzywy moŝemy zaobserwować prawie o połowę niŝszą wartość wydłuŝenia i o ok. 7% niŝszą wartość energii w porównaniu z nienapełnionym PHB. Dla polihydroksymaślanu graniczna wytrzymałość zmęczeniowa wynosi ok. 12,5 13 MPa, dla kompozytu z włóknami pokrzywy 11,5 12,5 MPa. [mm] [ o C] wydłuŝenie temperatura energia [J] Poziom siły wymuszającej [kn] Rys.5. WydłuŜenie, temperatura i energia rozproszona dla PHB dla narastających poziomów siły wymuszającej Fig. 5. The extension, temperature and dissipated energy for PHB [mm] [ o C] wydłuŝenie temperatura energia [J] Poziom siły wymuszającej [kn] Rys.6. WydłuŜenie, temperatura i energia rozproszona dla PHB z 15% dodatkiem włókien pokrzywy dla narastających poziomów siły wymuszającej Fig. 6. The extension, temperature and dissipated energy for PHB with 15% of ramie

8 Porównanie mechanizmów zniszczenia WNIOSKI Badania potwierdziły moŝliwość zastosowania metody Lehra do przybliŝonego oznaczania granicznej wartości wytrzymałości zmęczeniowej kompozytów polimerowych na osnowie termoplastów. Graniczna wytrzymałość zmęczeniowa odniesiona do wytrzymałości na rozciąganie kompozytów na osnowie poliamidu 6 napełnianych cząstkami wulkanicznego tufu okazała się wyŝsza niŝ tych na osnowie PHB z włóknami naturalnymi. Wzrost temperatury samowzbudnej kompozytów na osnowie poliamidu 6 z napełniaczem mineralnym był prawdopodobnie zarówno rezultatem spontanicznego narastania efektów dekohezji, jak i czynnikiem ułatwiającym jej wzrost. Większa ilość napełniacza w kompozytach na osnowie poliamidu 6 powoduje zmniejszenie granicznej liczby cykli wskutek zwiększenia prawdopodobieństwa pękania wiązań występujących na granicy napełniacz - polimerowa osnowa. Proces zmęczenia dla kompozytów na osnowie termoplastycznego biodegradowalnego polimeru pochodzenia naturalnego, jakim jest PHB przebiega bez wzrostu temperatury próbek poddanych narastającym cyklom wymuszenia dynamicznego. Prowadzi to do wniosku, iŝ w przypadku polimerów pochodzenia naturalnego lub tych z napełniaczami pochodzenia naturalnego (wymaga to dodatkowych badań) proces zmęczenia wskutek mniejszych wartości tarcia wewnętrznego przebiega inaczej, poniewaŝ o zniszczeniu decyduje w większym stopniu pękanie włókien i dekohezja na granicy włókno polimerowa osnowa niŝ wyczerpywanie się wytrzymałości samej polimerowej osnowy. W kaŝdym z przypadków moŝemy natomiast zaobserwować zmniejszanie się wartości modułu spręŝystości w trakcie kolejnych cykli (pochylenie pętli), narastanie procesów pełzania (wzrost odkształceń) oraz zdolności do rozpraszania energii. Prowadzi do wyczerpania się nośności granicznej i zniszczenia materiału niezaleŝnie od wartości temperatury samowzbudnej kompozytu. BIBLIOGRAFIA 1. Grabarski J.: Materiały i kompozyty niemetalowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Kuźniar P., Kuciel S., Bogucki R.: Biokompozyty na osnowie PHB z włóknami pokrzywy lub włosiem końskim, POMERANIA-PLAST, Kołobrzeg 21, praca przyjęta do druku. 3. Mazurkiewicz S., śmudka S.: Ocena własności zmęczeniowych kompozytów za pomocą badań przyspieszonych, XI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Rydzyna 21, praca przyjęta do druku. 4. Wojnar L. (red.): Struktura i właściwości kompozytów na osnowie termoplastów. Wyd. Politechnika Krakowska, Kraków 25.