WPŁYW MODYFIKACJI POLIETYLENU WODOROTLENKIEM GLINU NA WARTOŚĆ SWOBODNEJ ENERGII POWIERZCHNIOWEJ

Transkrypt

1 Teka Kom. Bu. Eksl. Masz. Elektrotech. Bu. OL PAN, 2008, WPŁYW MODYFIKACJI POLIETYLENU WODOROTLENKIEM GLINU NA WARTOŚĆ WOBODNEJ ENERGII POWIERZCHNIOWEJ Bronisła amujło *, Anna Ruaska ** *Katera Procesó Polimeroych, **Katera Posta Inżynierii Proukcji, Politechnika Lubelska, ul. Nabystrzycka 36, Lublin treszczenie. Elementy konstrukcyjne i instalacyjne ykonyane z olietylenu (PE) uniealnionego coraz częściej łączy się za omocą klejenia oraz nanosi na nie różnego rozaju ołoki. W racy rzestaiono baania łyu roazenia oorotlenku glinu ATH i innych śrokó omocniczych o olietylenu na jego łaściości ahezyjne, określone rzez artość sobonej energii oierzchnioej (EP). Ustalono, że roazenie ATH o PE nie łya znacząco na łaściości ahezyjne, natomiast nastęuje ich ogorszenie o roazeniu śrokó omocniczych. łoa kluczoe: olietylen, oorotlenek glinu, łaściości ahezyjne, sobona energia oierzchnioa WTĘP W coraz iększym stoniu elementy konstrukcyjne i instalacyjne ykonyane z olietylenu (PE), takie jak artykuły yosażenia nętrz, elektrotechniczne, buoy ojazó, są rzeznaczone o łączenia metoą klejenia oraz o nanoszenia ołok. Jenocześnie częstym ymaganiem staianych tym elementom jest ich ograniczona alność. Cecha ta jest osiągana orzez zastosoanie różnoronych śrokó oóźniających alenie, którymi coraz częściej są uażane za najbarziej bezieczne nietoksyczne i zmniejszające yzielanie ymu nieorganiczne oorotlenki metali, tym oorotlenek glinu (ATH) [ikora 1991, Hilao 1998, amujło i in. 2006]. tosoanie ATH o zmniejszania alności PE-LD jest naal ograniczone ze zglęu na truności rzy jego roazaniu o olietylenu ooieniej ilości, arunkującej znaczny stoień uniealnienia, roazeniu raiłoych i yajnych rocesó rzetórsta, tym ytłaczania oraz otrzymaniu ytoró o ymaganych łaściościach. W ostęnej literaturze można onaleźć stosunkoo nieiele informacji na temat otrzymyania, ytłaczania oraz łaściości PE-LD zaierającego ATH ilości oyżej 50% i są to najczęściej oracoania otyczące rocesó roazonych skali laboratoryjnej [Co-

2 154 Bronisła amujło, Anna Ruaska ates i in. 1998, Pełka i Kucharski 2001, amujło 2003, amujło i in. 2006]. Z tego zglęu ojęto baania otyczące łyu roazenia ATH i innych śrokó omocniczych o olietylenu na jego łaściości ahezyjne. Właściości ahezyjne arsty ierzchniej materiałó konstrukcyjnych określają rzyatność ukonstytuoanej arsty ierzchniej o rocesó, których zjaisko ahezji ogrya istotną rolę [ikora 1991, Żenkieicz 2000, Ruaska i Kuczmaszeski 2005]. Do takich rocesó można zaliczyć m.in. klejenie, maloanie, lakieroanie, uszczelnianie, rukoanie i inne. Właściości ahezyjne mogą być określane za omocą różnych ielkości fizycznych. Ostatnio za miarę łaściości ahezyjnych najczęściej rzyjmuje się soboną energię oierzchnioą (EP). Jest ona jeną z funkcji termoynamicznych, oisującą stan rónoagi atomó arstie ierzchniej materiałó [Żenkieicz 2000]. tanoi charakterystyczną ielkość łaścią każemu ciału. Ozierciela secyficzny stan niezrónoażenia oziałyań mięzycząsteczkoych, jaki ystęuje na granicy faz óch ośrokó. obona energia oierzchnioa jest róna liczboo racy otrzebnej o utorzenia noej jenostki oierzchni oczas rozziału óch znajujących się rónoaze faz oracalnym rocesie izotermicznym. W celu określenia EP ciał stałych ykorzystuje się różne metoy ośrenie. Wśró nich można yróżnić metoę Foksa, Oensa-Wenta, Wu, Zismana, Neumanna oraz coraz barziej rozoszechnioną metoę van Ossa-Gooa [Della Vole i iboni 1997, Żenkieicz i in. 1999, Żenkieicz 2000, 2005]. W rezentoanej racy o określenia EP ykorzystano metoę Oensa-Wenta, która ozala na mniej racochłonne i skomlikoane obliczenia [Żenkieicz 2000]. Rónanie określające można zaisać ostaci: = + (1) gzie: sobona energia oierzchnioa (EP), skłaoa ysersyjna EP, skłaoa olarna EP. Przez ojęcie skłaoa olarna rozumie się sumę skłaoych ochozących o oziałyań mięzycząsteczkoych, m.in. olarnych, ooroych, inukcyjnych, kasoo-zasaoych, z yjątkiem ysersyjnych. Oziałyania ysersyjne stanoią skłaoą ysersyjną sobonej energii oierzchnioej [Żenkieicz 2000]. Aby obliczyć skłaoe ysersyjną (2) i olarną (3) sobonej energii oierzchnioej, należy zmierzyć kąt zilżania oierzchni baanych materiałó za omocą óch cieczy omiaroych o znanym naięciu oierzchnioym oraz znanych artościach skłaoych olarnej i ysersyjnej EP. Jena ciecz jest aolarna, ruga biolarna.

3 WPŁYW MODYFIKACJI POLIETYLENU WODOROTLENKIEM GLINU , ( ) s 5 ( cosθ + 1) ( cosθ + 1) = 2 (2) ( ) s ( cosθ + 1) 0, 5 = 2 2 s gzie: s skłaoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej baanych materiałó, s skłaoa olarna sobonej energii oierzchnioej baanych materiałó, sobona energia oierzchnioa ijoometanu, skłaoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej ijoometanu, skłaoa olarna sobonej energii oierzchnioej ijoometanu, sobona energia oierzchnioa oy, skłaoa ysersyjna sobonej energii oierzchnioej oy, skłaoa olarna sobonej energii oierzchnioej oy, Θ kąt zilżania ijoometanem, Θ kąt zilżania oą. CEL BADAŃ Celem baań było ustalenie łyu roazenia ATH i innych śrokó omocniczych o olietylenu na jego łaściości ahezyjne, określone rzez artość sobonej energii oierzchnioej. METODYKA W relacjonoanych baaniach ykorzystano jako torzyo bazoe olietylen małej gęstości Malen E FGNX 23-D022 (ρ = 924 kg/m 3, MFR (190ºC; 2,16 kg) = 2,0 g/10 min) ytarzany rzez firmę BAEL ORLEN POLYOLEFIN. Jako bezhalogenoy śroek oóźniający alenie zastosoano oorotlenek glinu Martinal OL-104G roukcji firmy ALBEMARLE ( 90 = 2,2 5,2 μm, ρ = 2400 kg/m 3, BET = 3 5 m 2 /g) roazany ilości 60%. Zastosoano także śroki omocnicze ami kasu erukoego, ami kasu oleinoego, amiy nienasyconych kasó karboksyloych i glicerylooleinian ostaci śroka materiałoego, którym nośnikiem był PE-LD. Wymieniony śroek oano ilości ustalonej na ostaie cześniejszych baań, tj. 3%. Moyfikację olietylenu rzeroazono rzy ykorzystaniu linii technologicznej ytłaczania z granuloaniem, której szczegółoą charakterystykę zamieszczono literaturze [amujło i in. 2006]. Proces ytłaczania otrzymanych torzy rzeroazono ytłaczarką laboratoryjną Plasti-Corer PLV 151 roukcji firmy Brabener, yosażoną głoicę ytłaczarską linioą o ytłaczania łyt oraz urzązenie obierające taśmoe. Proces ytłaczania roazono rzy stałej rękości ślimaka ν = 1,67 s -1, temeraturze oszczególnych strefach funkcjonalnych ukłau ulastyczniającego ytłaczarki oraz głoicy ytłaczarskiej ynoszącej ooienio t 1 = 165 C, t 2 = 175 C, t 3 = 185 C, t g = 180 C. (3)

4 156 Bronisła amujło, Anna Ruaska Oznaczenie róbki Tabela 1. Charakterystyka baanych torzy Table 1. Characteristic of teste materials Polietylen bazoy Woorotlenek glinu uział masoy, % 1 100, ,0 60,0-3 37,0 60,0 3,0 4 97,0-3,0 Śroek omocniczy Do określania artości sobonej energii oierzchnioej ykorzystano metoę Oensa-Wenta oraz ooienie zależności (2) i (3). Jako ciecze omiaroe zastosoano oę i ijoometan. Niezbęne artości sobonej energii oierzchnioej oraz jej skłaoych ykorzystanych cieczy omiaroych zamieszczono tabeli 2 [ikora 1991, Żenkieicz 2000, Ruaska i Kuczmaszeski 2005]. Tabela 2. Wartości sobonej energii oierzchnioej L oraz jej skłaoych ykorzystanych cieczy omiaroych Table 2. urface free energy values L an its comonents of use measurement liquis Ciecz omiaroa mj/m 2 mj/m 2 mj/m 2 Woa 72,8 21,8 51,0 Dijoometan 50,8 48,5 2,3 W celu obliczenia sobonej energii oierzchnioej rzeroazono omiary kąta zilżania Θ analizoanych komozytó. Zastosoano rzy tym metoę bezośreniego omiaru kąta, jaki torzy krola cieczy omiaroej z oierzchnią baaną, ykorzystując rogram o komuteroej analizy obrazu. chemat stanoiska oraz szczegółoe ostęoanie oczas baań oisano racy Ruaskiej i Kuczmaszeskiego [2005]. WYNIKI BADAŃ Wartości sobonej energii oierzchnioej oraz jej skłaoych: olarnej i ysersyjnej analizoanych materiałó rzestaiono na rysunku 1. Wyniki baań oracoano statystycznie. Najyższą artość sobonej energii oierzchnioej (46,7 mj/m 2 ) uzyskano la materiału 2 mieszaniny olietylenu (40%), oorotlenku glinu (60%) oraz la materiału 1 olietylenu bazoego. Analiza tych óch artości ykazała brak statystycznie istotnych różnic na rzyjętym oziomie ufności 0,95. Najniższą artość EP (41,4 mj/m 2 ) otrzymano rzyaku trzeciego baanego materiału zaierającego 37% olietylenu, 60% oorotlenku glinu oraz 3% śroka omocniczego. Dla tego rzyaku otrzymano najiększą artość skłaoej olarnej EP (9,3 mj/m 2 ) oraz najniższą artość sośró baanych materiałó skłaoej ysersyjnej EP. Najmniejszą artość skłaoej olarnej sobonej energii oierzchnioej (4 mj/m 2 ) uzyskano la materiału olimeroego zaierającego 97% olietylenu i 3% śroka omocniczego.

5 WPŁYW MODYFIKACJI POLIETYLENU WODOROTLENKIEM GLINU Wartości EP [mj/m 2 ] ,1 46,8 41,7 44,8 38,8 38,6 40,8 32,4 7,3 8,2 9,3 4, Torzyo 2 3 kłaoe EP Rys. 1. obona energia oierzchnioa oraz jej skłaoe analizoanych materiałó Fig. 1. urface free energy an its comonents of teste materials WNIOKI Na ostaie rzeroazonych baań można zauażyć, że: 1) oatek oorotlenku glinu o olietylenu bazoego nie oouje zrostu łaściości ahezyjnych (zrostu artości sobonej energii oierzchnioej) analiza statystyczna nie ykazała istotnych różnic uzyskanych artościach EP la tych rzyakó, 2) oatek o olietylenu bazoego śroka omocniczego obniża enym stoniu artość EP, zmniejsza się rónież znacznie uział części olarnej ogólnej artości EP; skłaoa olarna stanoi 9% ogólnej artości EP, oczas gy ozostałych rzyakach naet 22%, 3) najmniejszą artość sobonej energii oierzchnioej (najsłabsze łaściości ahezyjne) otrzymano la materiału zaierającego zaróno oatek oorotlenku glinu, jak i śroka omocniczego; jenocześnie la tego materiału określono najiększą artość części olarnej EP oraz najmniejszą skłaoą ysersyjną EP, 4) orónując olietylen moyfikoany oorotlenkiem glinu oraz z oatkiem oorotlenku glinu i śroka omocniczego można zauażyć, iż oatek śroka omocniczego łya na ogorszenie łaściości ahezyjnych (zmniejsza się artość sobonej energii oierzchnioej). Posumoując, olietylen moyfikoany oorotlenkiem glinu ma takie same łaściości ahezyjne jak olietylen bazoy. Doatek śrokó omocniczych łya niekorzystnie na te łaściości. Poouje zmniejszenie artości sobonej energii oierzchnioej, zaróno orónaniu z czystym olietylenem, jak i olietylenem moyfikoanym.

6 158 Bronisła amujło, Anna Ruaska PIŚMIENNICTWO Coates P.D., Rose R.M., Woohea M., Kelly A.L ensitivity of in line rheometry for extrusion of Mg(OH) 2 fille LDPE comouns. Int. Polymer Proc. 13, 172. Della Vole C., iboni ome Reflections on Aci-Base oli urface Free Energy Theories. J. Colloi an Interface ci. 195, 121. Hilao C.J Flammability hanbook for lastics. Technomic, Lancaster-Basel. Hutchinson A.R., Iglauer Ahesion of construction sealants to olymer foam backer ro use in builing construction. Int. J. Ahesion & Ahesives 26, 555. Michalski M.-C., Hary J., aramago B.J On the urface Free Energy of PVC/EVA Polymer Blens: Comarison of Different Calculation Methos. J. Colloi an Interface ci. 208, 319. Pełka J., Kucharski M Trunoalne, bezhalogenoe komozycje termolastyczne la rzemysłu kabloego na bazie szczeionego olietylenu linioego (PE-LLD). Noe kierunki moyfikacji i zastosoań torzy sztucznych. Politechnika Poznańska, Poznań. Ruaska A., Kuczmaszeski J Klejenie blach ocynkoanych. Wy. Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin. amujło B Charakterystyka rocesu ytłaczania olietylenu moyfikoanego antyirenami bezhalogenoymi i śrokami omocniczymi. Polimery 48, 540. amujło B., Garbacz T., Koalska B The olyethylene moification of halogen-free flame retarants, PP Euroe/Africa Meeting, Pretoria, RPA. ikora R Torzya ielkocząsteczkoe. Rozaje, łaściości i struktura. Wy. Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin. ikora R Postay rzetórsta torzy ielkocząsteczkoych. Wy. Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin. Żenkieicz M Ahezja i moyfikoanie arsty ierzchniej torzy ielkocząsteczkoych. WNT, Warszaa. Żenkieicz M., Gołębieski J., Lutomirski Dośiaczalna eryfikacja niektórych elementó metoy van Ossa-Gooa. Polimery 44, 212. INFLUENCE OF POLYETHYLENE MODIFFICATION BY ALUMINIUM TRIHYDRATE ON THE URFACE FREE ENERGY VALUE ummary. tructural an installation elements erforme from the unflammable olythene (PE) more an more often joint by gluing an rift on it the ifferent kin of the coat. This article resents research of the influence of the aluminum hyroxie ATH an other ais introuction to the olythene on his ahesive roriety, efinite by the value of the surface free energy (FE). One fixe that the introuction ATH to PE i not influence significantly on the ahesive roriety, instea follos their orsening after the introuction of ais. Key ors: olythene, aluminum hyroxie, ahesive roerties, surface free energy