WPŁYW SORPCJI I DESORPCJI NA WŁASNOŚCI CIEPLNE I MECHANICZNE LAMINATÓW

Transkrypt

1 Łukasz WIERZBICKI, Andrzej PUSZ Politechnika Śląska Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych lukasz.wierzbicki@polsl.pl WPŁYW SORPCJI I DESORPCJI NA WŁASNOŚCI CIEPLNE I MECHANICZNE LAMINATÓW Streszczenie. W publikacji zaprezentowano wyniki eksperymentu nad wpływem chłonności laminatów na własności mechaniczne oraz cieplne. Badany laminat epoksydowo-szklany podlegał przyśpieszonemu starzeniu w wodzie a następnie suszeniu w powietrzu. Zachodzące procesy fizyczne sorpcji i desorpcji wody spowodowały trwałe zmiany w laminacie. Zmiany te widoczne są w spadku własności mechanicznych i cieplnych. INFLUENCE OF THE SORPTION AND DESORPTION ON THE THERMAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF LAMINATES Summary. The publication presents the results of an experiment on the effects of absorption on the mechanical and thermal properties of laminates. The tested epoxyglass laminate was subjected to accelerated aging in water and next air drying. Physical processes, sorption and desorption are cause of permanent changes in the laminate. These changes are visible in the decrease of mechanical and thermal properties. 1.WSTĘP Wpływ absorpcji i desorpcji wody na własności laminatów jest badany od wielu lat [1,2]. Istnieje więc duży zasób informacji zarówno odnośnie wpływu na różne materiały polimerowe, jak i na ich napełniacze. Dotyczy to także laminatów. Głównie spotyka się informacje dotyczące wpływu tychże procesów fizycznych (sorpcji i desorpcji) na obniżenie własności wytrzymałościowych.

2 524 Ł. Wierzbicki, A. Pusz Literatura podaje przykładowo maksymalną chłonność laminatów epoksydowoaramidowych na poziomie nawet 7%. Natomiast dla laminatów szklanych o osnowie winyloestrowej podaje się 6% jako wartość maksymalną. Powyższe wartości odnoszą się do laminatów moczonych w wodzie destylowanej [3]. Badania prowadzone w innym medium będą miały odmienne wartości, na przykład w wodzie morskiej nastąpi spadek absorpcji, gdyż będzie ona hamowana poprzez wydzielanie NaCl [3]. W środowisku korozyjnym w warstwach przed frontem pęcznienia powstają naprężenia rozciągające, mogące samodzielnie wywołać mikropęknięcia także w tworzywach ciągliwych. Zjawisko to uznaje się za analogiczne z zachodzącym podczas desorpcji, kiedy w szybciej wysychającej warstwie zewnętrznej powstają naprężenia rozciągające. W przypadku stosowania zbrojenia hybrydowego - złożonego z różnego typu materiałów (na przykład z włókien aramidowych i szklanych) może wystąpić niekorzystne zróżnicowanie naprężeń wewnętrznych spowodowanych nierównomierną absorpcją wody, co przekłada się na stan obciążeń wewnętrznych w całym kompozycie [ 3]. Autorzy tej publikacji stawiają tezę, że zmiana własności cieplnych, będąca skutkiem sorpcji i desorpcji, może być miarą procesów degradacyjnych objawiających się spadkiem własności mechanicznych. 2. EKSPERYMENT 2.1 Badany materiał Materiałem użytym do badań były próbki laminatu epoksydowo-szklanego o wymiarach 25x250x4 mm. Próbki wycięto z płyt, o oznaczeniu handlowym TSE-2, produkcji IZO-ERG z Gliwic. Laminat ten cechuje się bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi i mechanicznymi, a także niską chłonnością wody. Duża zawartość włókna szklanego, w postaci gęstej tkaniny, nadaje bardzo dużą wytrzymałość mechaniczną, a w pełni usieciowana żywica epoksydowa wysoką stabilność wymiarową i odporność na wysokie temperatury.

3 Wpływ sorpcji i desorpcji na własności Procedura eksperymentu Do badań użyto 55 próbek, które zostały podzielone na serie po 5 próbek. Serie otrzymały oznaczenie od A do K, natomiast poszczególne próbki zostały oznaczone numerami od 1-5. Seria A, jako seria wzorcowa, nie została poddana starzeniu, natomiast pozostałe serie poddane zostały starzeniu w odpowiednio wydzielonych czasach dla każdej z serii. Czasy starzenia próbek kształtowały się następująco: seria B godzin, seria C godzin, seria D godziny, seria E godziny, seria F godzin, seria G godzin, seria H godzin, seria I godziny, seria J 1512 godzin, czas starzenia serii K to 1680 godzin. Próbki były starzone w wodzie w temperaturze 90 C. Przed zabiegiem starzenia próbki zostały zważone. Po przeprowadzeniu starzenia, nastąpiło ich suszenie w suszarce komorowej przez okres 30 dni, w temperaturze 60 C, a następnie dokonano ponownego zważenia. Analizując wyniki pomiarów wag próbek z przed starzenia i po starzeniu oraz suszeniu, zauważono różnice w wynikach dla poszczególnych próbek, co wiąże się ze zjawiskiem pochłaniania wody przez badany laminat. Chłonność wody wyrażoną w procentach wagowych nazywa się nasiąkliwością wagową i definiuje się jako stosunek ciężaru wody pochłoniętej przez próbkę badanego tworzywa do ciężaru tej próbki w stanie suchym. Chłonność wody zależy od makro- i mikrostruktury tworzywa, a więc również od powierzchni wewnętrznej badanej próbki, gdyż zjawisko to związane jest silnie z absorpcją. Ponadto na chłonność wody, a więc na absorpcję wilgoci wpływa charakter chemiczny danego tworzywa [4]. W następnym etapie wyznaczono przewodność cieplną próbek. Stanowisko do badań cieplnych laminatów epoksydowo szklanych zostało skonstruowane w oparciu o założenia zawarte w normie PN-EN 12667:2002 [5] oraz wytyczne z normy ASTM: E [6]. Stanowisko zostało opisane w pracach [7,8,9]. Badanie wytrzymałości na zginanie próbek zostało przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej FPZ 100/1 firmy Fritz Heckert zgodnie z normą PN-EN ISO [10] Wyniki Dla przedstawionej procedury badawczej, starzenia próbek laminatowych w wodzie, obliczono średnie zmiany w chłonności laminatu dla każdej serii próbek. Zmiany te przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiono graficzne przedstawienie wartości średnich z każdej serii. Ilustracji podlegały zmiany własności cieplnych przed i po suszeniu a także zmiana wytrzymałości próbek (po ich wysuszeniu). W tabeli 1 zestawiono legendę wykresu.

4 526 Ł. Wierzbicki, A. Pusz Chłonność [%] 0.6 Y = * X * X 2 R 2 = Czas starzenia [h] Rys. 1. Chłonność wody [8] Fig. 1. Water absorption [8] Oznaczenie na wykresie Legenda wykresu Tabela 1 Parametr zmiany Funkcja korelacji R 2 + współczynnik przewodzenia ciepła przed suszeniem Y = 0,39 7,83E-005 * X + 6,30E-009 * X 2 0,96 współczynnik przewodzenia ciepła po Y = 0,39 2,35E-007 * X 2 0,77 o suszeniu wytrzymałość na zginanie po suszeniu ln(y) = -0,095 * ln(x) + 6,032 0,90

5 Wpływ sorpcji i desorpcji na własności Wytrzymałość na zginanie [MPa] Współczynnik przewodności cieplnej [W/mK] Czas starzenia [h] Rys.2. Wykres zależności własności cieplnych i mechanicznych w zależności od czasu starzenia (legenda w tabeli 1) Fig.2. A graph of the thermal and mechanical properties depending on aging time (legend in Table 1) 3. WNIOSKI I OMÓWIENIE WYNIKÓW Analizując wykres zamieszczony na rysunku 2 można zauważyć istotną zmianę w przewodności cieplnej po ok godzinach starzenie (seria G). Analogicznie w tym punkcie widoczny jest skokowy spadek średniej wytrzymałości próbek laminatowych. Dowodzi to, że pomiar własności cieplnych może być bardzo dobrym narzędziem diagnostyki procesów degradacyjnych kompozytów polimerowych. Jednocześnie ekstremum funkcji określającej zależność współczynnika przewodności cieplnej od czasu starzenia wskazuje na nieodwracalne zmiany spowodowane sorpcją wody. O ile do czasu ok. 1008h zmiany

6 528 Ł. Wierzbicki, A. Pusz spowodowane sorpcją są odwracalne to po tym czasie, mimo desorpcji spowodowanej suszeniem, mają już charakter trwałych zniszczeń. Na przebieg charakterystyk z rysunku 2 mają też wpływ procesy degradacji cieplnej wynikające z wysokiej temperatury (90 o C) sztucznego starzenia. W dalszych badaniach należałoby uwzględnić nie tylko charakter fizyczny zachodzących zmian, ale również zjawiska chemiczne zachodzące w osnowie laminatu. BIBLIOGRAFIA 1. Holliday L.: Composite Materials. Elsevier Sciance Limited Stabik J.: Ageing of laminates in boiling NaCl water solution. Polymer Testing 24 (2005) s Imielińska K., Wojtyra R.: Wpływ absorpcji wody na własności laminatów winyloestrowych wzmocnionych włóknem aramidowym i szklanym. Kompozyty 3(2003)7 s Broniewski T., Iwasiewicz A., Kapko J., Płaczek W.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa Norma PN-EN 12667:2002: Właściwości cieplne materiałów i wyrobów budowlanych; określenie oporu cieplnego metodami osłoniętej płyty grzejnej i czujnika strumienia cieplnego. Wyroby o dużym i średnim oporze cieplnym. 6. Norma ASTM: E Standard test method for thermal conductivity of solids by means of the guarded-comparative-longitudinal heat flow technique. 7. Pusz A., Michalik K., Szymiczek M.: Założenia konstrukcyjne i metodologiczne konstrukcji aparatu do pomiaru własności cieplnych laminatów wzmocnionych włóknem szklanym. Monografia: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wyd. Logos Press, Cieszyn Wierzbicki Ł., Stabik J., Pusz A.: Przewodność cieplna laminatów epoksydowoszklanych starzonych w wodzie. Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne. Cieszyn Pusz A., Wierzbicki Ł., Pawlik K.: Badania cieplne laminatów epoksydowo-szklanych starzonych w wodzie. Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne. Cieszyn Norma PN-EN ISO Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknem. Oznaczanie właściwości przy zginaniu.