KATARZYNA BIRUK-URBAN WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA BAZIE KLEJÓW EPOKSYDOWYCH MODYFIKOWANYCH MONTMORYLONITEM 1. WPROWADZENIE W ostatnich latach można zauważyć bardzo szerokie zastosowanie klejenia jako sposobu łączenia materiałów konstrukcyjnych w wielu gałęziach przemysłu. Dlatego też wytrzymałość połączeń klejowych w konstrukcjach nabiera coraz większego znaczenia. Właściwości mechaniczne (np. współczynnik sprężystości, granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie itp.) materiałów konstrukcyjnych jakimi są kleje, badane są od wielu lat. Zwykle podczas badania połączeń klejowych wykonuje się w laboratorium połączenia symulujące połączenia konstrukcyjne, stosując podłoża z tych samych materiałów, ten sam klej, taki sam cykl utwardzania, itd., po czym mierzy się wytrzymałość i inne właściwości mechaniczne. Na wytrzymałość połączeń klejowych ma wpływ wiele czynników konstrukcyjnych i technologicznych, wśród których wyróżnia się [3]: własności zastosowanego kleju oraz łączonych materiałów, rodzaj i grubość łączonych elementów, kształt i wymiary oraz sposób obciążania połączenia, czas i temperatura utwardzania, sposób przygotowania powierzchni przeznaczonych do klejenia, długość zakładki spoiny klejowej, temperatura oraz środowisko pracy połączenia klejowego. Przyjmując jako kryterium sposób i kierunek działania sił zewnętrznych wywołujących naprężenia w materiale rozróżnia się wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, ścinanie, oddzieranie, przedstawione na rysunku poniżej [5].
Rys. 1. Rodzaje obciążeń połączeń zakładkowych wraz z rozkładem naprężeń [6] W przypadku połączeń klejowych najczęściej rozpatruje się połączenia obciążone na ścinanie, ponieważ mogą one przenosić największe obciążenia. Dlatego też, są one tak projektowane, aby dominowały w nich obciążenia ścinające. Bardzo często przeprowadza się próby ścinania z pojedynczą zakładką. Naprężenia ścinające powstają w wyniku działania w płaszczyźnie warstwy kleju sił przeciwstawiających się ruchowi podłoża w kierunkach przeciwnych. W praktyce nie można otrzymać czystego naprężenia ścinającego w próbce zakładkowej, jednak ponieważ czyste naprężenie ścinające nigdy nie występuje w rzeczywistych klejonych konstrukcjach metalowych, to ten typ próbki jest dla większości zadań zupełnie wystarczający [4]. O ile przy standardowych klejach producenci podają ich charakterystyki, o tyle problematyczna staje się kwestia klejów modyfikowanych fizycznie poprzez dodanie odpowiednich napełniaczy. Fizyczne modyfikacje mają za zadanie nadanie klejom nowych właściwości oraz cech użytkowych. Wprowadzone napełniacze, w zależności od ich rodzaju, rozmiaru, kształtu cząstek itp. mogą wpływać na [1]: - przedłużenie czasu życia kompozycji, zmniejszenie efektu cieplnego reakcji, - wzrost współczynnika przewodzenia ciepła i zmniejszenie rozszerzalności cieplnej, - zwiększenie wytrzymałości cieplnej i stabilności termicznej modyfikowanego kleju,
- dodatni wpływ na niektóre właściwości mechaniczne, jak np. twardość, wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie, czy moduł sprężystości, - zmniejszenie naprężeń wewnętrznych, - wzrost odporności chemicznej, - zwiększenie odporności na starzenie itp. Dlatego też istotne jest przeprowadzenie badań eksperymentalnych dotyczących modyfikowanych klejów epoksydowych, aby określić ich nowe właściwości. Czynnikiem mającym istotny wpływ na właściwości utwardzonych modyfikowanych żywic epoksydowych jest temperatura. Zmiana temperatury powoduje przemiany budowy fizycznej polimerów, a w konsekwencji zmianę ich właściwości. Od temperatury zależy oddziaływanie środowiska, w jakim dany klej będzie pracował. Na skutek wzrostu temperatury następuje przyspieszenie agresywnego działania cieczy oraz zwiększa się szybkość reakcji chemicznych, jakie mogą zachodzić w trakcie użytkowania kleju. Ponadto utwardzony klej może ulegać degradacji lub depolimeryzacji w zbyt wysokiej temperaturze [2]. Wzrost temperatury powoduje również wzrost intensywności różnorodnych drgań oraz ruchów atomów, merów a także segmentów łańcuchów głównych w polimerze. Mogą występować przemieszczenia w obrębie budowy danego tworzywa polimerowego. Dlatego tak istotne jest określenie wpływu temperatury na wytrzymałość połączeń klejowych pracujących na ścinanie. Badania wytrzymałościowe miały na celu określenie wpływu napełniacza w postaci montmorylonitu NanoBent ZR-1 na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych pracujących w różnych temperaturach dla dwóch rodzajów żywic epoksydowych: Epidian 53 oraz Epidian 57, mieszanych z napełniaczem przy zastosowaniu homogenizatora ultradźwiękowego oraz mieszania mechanicznego. 2. METEODYKA BADAŃ W przeprowadzonych badaniach modyfikacji fizycznej zostały poddane dwie żywice epoksydowe: Epidian 53 oraz Epidian 57. Modyfikacja polegała na dodaniu nanonapełniacza NanoBent ZR-1 (produkt firmy ZGM Zębiec S.A) o zawartości 2% masowo. Stosowany
utwardzacz w obu przypadkach to utwardzacz Z1, dodawany do żywicy w stosunku 1:10. Kompozycje z nanonapełniaczem były mieszane poprzez zastosowanie mieszania mechanicznego oraz ultradźwiękowego, a następnie dwukrotnie odpowietrzone przez 3 min. Powierzchnia próbek do klejenia została przygotowana w trzech etapach: szlifowanie, docieranie papierem ściernym P320 oraz 3krotne odtłuszczanie produktem Loctite 7063. Próbki zostały przygotowane w postaci jednozakładkowych połączeń klejowych, które były utwardzane w temperaturze pokojowej, a następnie dotwardzane po 24h przez 1h w temperaturze 80 C. Połączenia obciążane były na specjalnym stanowisku klejarskim. Czas sezonowania wynosił 168h. Połączenia były niszczone w temperaturach: 20 C, 60 C, 80 C, 100 C. 3. WYNIKI Badania wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu zostały przeprowadzone w temperaturach: 20 C, 60 C, 80 C oraz 100 C dla kompozycji przedstawionych w tab. 1. Tab. 1. Rodzaje kompozycji stosowane w badaniach Oznaczenie próbek Rodzaj kompozycji Technologia mieszania A Epidian 57 + utwardzacz Z-1 - B Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1 mechaniczne G Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1 ultradźwiękowe C Epidian 53 + utwardzacz Z-1 - E Epidian 53 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1 mechaniczne H Epidian 53 + 2% NanoBent ZR-1 + utwardzacz Z-1 ultradźwiękowe Przeprowadzone badania wytrzymałościowe miały na celu określenie wpływu napełniacza w postaci krzemianu płytkowego montmorylonitu NanoBent ZR-1 oraz sposobu mieszania (ultradźwiękowe oraz mechaniczne) na wytrzymałość na ścinanie jednozakładkowych
połączeń klejowych wykonanych na bazie żywic epoksydowych Epidian 53 oraz Epidian 57 z utwardzaczem Z-1 pracujących w różnych temperaturach. Poniższy wykres obrazuje otrzymane wyniki wytrzymałości na ścinanie dla próbek wykonanych na bazie 6 różnych kompozycji zrywanych w temperaturze pokojowej oraz podwyższonej. Rys. 1. Zestawienie wyników wytrzymałości na ścinanie dla 6 kompozycji na bazie żywic epoksydowych dotwardzanych po 24h w temperaturze 80 C przez 1h oraz niszczonych w temperaturach 20 C, 60 C, 80 C oraz 100 C: A czysta żywica epoksydowa Epidian 57, B kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie mechaniczne), G kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie ultradźwiękowe), C czysta żywica epoksydowa Epidian 53, E kompozycja żywica epoksydowa Epidian 53 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie mechaniczne), H kompozycja żywica epoksydowa Epidian 57 + 2% NanoBent ZR-1 (mieszanie ultradźwiękowe) 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań wytrzymałości na ścinanie dla 6 różnych kompozycji mieszanych różnymi metodami, oraz badanymi w różnym zakresie temperatur można sformułować następujące wnioski:
1. Połączenia klejowe wykonane na bazie żywicy epoksydowej Epidian 57 (modyfikowanej i niemodyfikowanej) odznaczają się wyższą wytrzymałością na ścinanie w zakresie temperatur 20-100 C w porównaniu z żywicą Epidian 53; 2. Analizując wyniki otrzymane dla połączeń niszczonych w temperaturze podwyższonej (60-100 C) nie zauważa się istotnego wpływu mieszania ultradźwiękowego na wzrost wytrzymałości połączeń klejowych pracujących w podwyższonych temperaturach w porównaniu z wynikami otrzymanymi dla kompozycji mieszanych mechanicznie; 3. Porównując 2 sposoby mieszania zauważa się istotny wpływ mieszania mechanicznego na wzrost wytrzymałości połączeń klejowych jedynie w przypadku badań niszczących w temperaturze pokojowej zarówno dla żywicy epoksydowej Epidian 53 oraz Epidian 57 w porównaniu z mieszaniem ultradźwiękowym; 4. Dodatek 2% nanonapełniacza NanoBent ZR-1 wpływa na wzrost wytrzymałości w podwyższonych temperaturach dla połączeń klejowych wykonanych na bazie żywicy epoksydowej Epidian 57. LITERATURA 1. Brojer Z., Hertz Z., Penczek P.: Żywice epoksydowe, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1982 2. Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 2000 3. Czaplicki J., Ćwikliński J., Godzimirski J., Konar P.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1987 4. Kleje i klejenie. Poradnik inżyniera i technika, Praca zbiorowa pod redakcją Ch. V. Cagle a, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa, 1977 r. 5. Prawdzińska L., Zygmunt H.: Kleje. Informator, Biuro Wydawnicze Chemia, Warszawa, 1976 r 6. World Wide Design Handbook. Materiały informacyjne firmy Loctite