Andrzej PUSZ, Łukasz WIERZBICKI, Krzysztof PAWLIK Politechnika Śląska Instytut Materiałów InŜynierskich i Biomedycznych E-mail: lukasz.wierzbicki@polsl.pl BADANIE CIEPLNE LAMINATÓW EPOKSYDOWO-SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań przewodności cieplnej próbek z laminatu epoksydowo szklanego starzonych w wodzie o temperaturze 90 o C. Po określonym czasie starzenia próbki poddano suszeniu w temperaturze 60 o C przez 30 dni i zmierzono ich przewodność cieplną. THERMAL RESERACH OF GLASS/EPOXY LAMINATED AGING IN WATER Summary. The article presents results of the thermal conductivity of the glass-epoxy samples after boiling in water at 90 o C. After ageing time the samples were dried at 60 o C for 30 days and measured their thermal conductivity 1.WSTĘP Jednym z obszarów zastosowań laminatów epoksydowo szklanych jest przemysł jednostek i sprzętu pływającego oraz zbiorników i rurociągów do magazynowania i przesyłania płynów. W takich przypadkach istotną rolę odgrywa chłonność wody i innych substancji ciekłych przez laminat. Zjawisko spadku własności wytrzymałościowych pod wpływem oddziaływania, a w tym chłonności cieczy jest znane od dawna.[1]. Zapobiega się jej przez odpowiednią dla danego zastosowania preparację włókna, w tym przypadku szklanego. Absorpcja i oddziaływanie cieczy związane są z penetracją po powierzchni włókna cząsteczek cieczy równoznaczne jest z oddziaływaniem chemicznym na osnowę. Oznacza to utratę adhezji osnowy do włókna i osłabienie samej osnowy. Skutkiem tego następuje
328 A. Pusz, Ł. Wierzbicki, K. Pawlik spadek własności wytrzymałościowych laminatu. W laminatach pracujących w środowisku gazowym, np. powietrza - utratę adhezji moŝna ocenić na podstawie np. pomiarów termograficznych wykrywających spadek przewodności cieplnej. Obecność szczelin wypełnionych gazem zmienia układ faz w ośrodku jakim jest laminat. Z ośrodka dwu fazowego tworzy się układ trójfazowy na którego przewodność cieplną zastępczą wpływa obecność szczelin gazowych. Ze względu na znacznie mniejszą przewodność cieplną wszystkich gazów z stosunku do przewodności szkła i Ŝywicy nastąpi zmniejszenie przewodności cieplnej laminatu ze szczelinami dekohezyjnymi. Kiedy laminat pracuje w ośrodku cieczowym szczeliny dekohezyne wypełnione zostają cieczą. a osnowa wejdzie z nią w reakcję. W zaleŝności od przewodności cieplnej cieczy nastąpi odpowiednia zmiana przewodności cieplnej zastępczej. Aby ocenić rzeczywisty stopień dekohezji na podstawie zmian przewodności cieplnej laminat wymaga dokładnego wysuszenia. W ramach przeprowadzonych badań wykonano pomiary przewodności cieplnej próbek z laminatu epoksydowo szklanego starzonych w wodzie o temperaturze 90 0 C, a następnie suszonych w temperaturze 60 0 C przez 30 dni. WaŜono je podczas procesu starzenia i po starzeniu. 2 BADANIA WŁASNE 2.1 Cel badań Celem badań było określenie wpływu starzenia laminatów epoksydowo-szklanych w wodzie na wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Zakres pracy obejmował zwaŝenie próbek po 30-dniowym suszeniu w piecu w temperaturze 60 C oraz przeprowadzenie badań cieplnych na stanowisku pomiarowym. 2.2 Badany materiał Badaniom zostały poddane próbki wycięte z płyt wykonanych z laminatu epoksydowo szklanego TSE-2 Produkcji IZO-ERG w Gliwicach. Wymiary badanych próbek to 25x250x4mm (rys.2).
Badanie cieplne laminatów... 329 Rys.2. Wymiary próbek do badań Fig.2. Sample dimension for analysis Do badań wybrano 55 próbek i posegregowano je w serie po 5 próbek. Seria A nie została poddana starzeniu i była serią porównawczą do dalszych badań. Pozostałe serie próbek zostały poddane starzeniu w wodzie o temperaturze 90 C. Czas starzenia kaŝdej serii próbek był zwiększany o 168 godzin: czas starzenia serii B to 168 godzin, serii C 336 godzin, seria D 504 godziny, seria E 672 godziny, seria F 840 godzin, seria G 1008 godzin, seria H 1176 godzin, seria I 1344 godziny, seria J 1512 godzin, seria K 1680 godzin. 2.3 Omówienie wyników badań WaŜenia próbek dokonano po 30-dniowym suszeniu w piecu w temperaturze 60 C. Wyniki pomiarów zostały porównane z wynikami waŝenia z przed starzenia. Masy próbek po starzeniu i po suszeniu podano w tabeli 1 Pomiary przewodności cieplnej zostały wykonane na stanowisku opisanym w [3].
330 A. Pusz, Ł. Wierzbicki, K. Pawlik Średnia masa oraz współczynnik przewodzenia Tabela 1 Seria Czas starzenia Waga pr. przed Waga pr. po Przew. ciepl. Przyrost godz starzeniem starzeniu W/mK wagi % A 0 -- -- 0,39122 -- B 168 49,30096 49,3444 0,43262 0,088094 C 336 49,7198 49,7784 0,51018 0,117814 D 504 48,8294 48,8824 0,572566 0,108398 E 672 49,53974 49,603 0,52071 0,127622 F 840 49,83588 49,9062 0,464386 0,140886 G 1008 49,35388 49,5885 0,55704 0,11994 H 1176 49,1929 49,489 0,531172 0,093688 I 1344 49,4456 49,3965 0,504942 0,136518 J 1512 49,82146 49,9155 0,424142 0,155548 K 1680 48,95732 49,12125 0,351762 0,1396 Wyniki pomiarów przewodności cieplnej przestawione są w tabeli 1 oraz na rys.2. Celem oceny zaleŝności przeprowadzono aproksymacje uzyskując funkcję w postaci: Y = 0,38427 + B3,40799E-4*X + 2,06933E-7*X2, (1) gdzie Y- przewodność cieplna, X- czas starzenia Współczynnik determinacji R 2 jest równy 0,430. Ze względu, Ŝe stwierdzono niewielki przyrost wagi próbek suszonych wyniki pomiarów przyrostu wagi przedstawiono na rys. 3. Równanie korelacji krzywej z rys. 3 przedstawiono poniŝej. Y=0,14417+-0,08233e (-X/386,7649) : (2) gdzie Y przyrost wagi, X- czas starzenia, Współczynnik determinacji wynosi: R 2 = 0,669
Badanie cieplne laminatów... 331 0,6 Przewodność cieplna W/mK 0,5 0,4 0,3-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Czas starzenia godz Rys. 2. ZaleŜność przewodności cieplnej od czasu starzenia Fig. 2. Influence of the boiling time influence on the heat conduction 0,18 0,16 0,14 Przyrost wagi % 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Czas starzenia godz. Rys.3. ZaleŜność przyrostu wagi próbek od czasu starzenia po suszeniu Fig. 3. Influence of the boiling time influence on the weight gain
332 A. Pusz, Ł. Wierzbicki, K. Pawlik 3.WNIOSKI KOŃCOWE Na podstawie przeprowadzonych badań moŝna wysunąć następujące wnioski: 1. Mimo 30 dniowego suszenia próbek waga ich pozostała nieco większa niŝ w próbkach przed starzeniem. 2. Na podstawie przeprowadzonych badań zaobserwowano wpływ czasu starzenia na wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Ze względu na niejednoznaczną ocenę zaplanowano weryfikację badań w dalszych próbach termowizyjnych. Praca sfinansowana z projektu badawczego PBU-16/RMT-1/2007 BIBLIOGRAFIA 1. Czub P., Bończa-Tomaszewski Z., Penczek P., Pielichowski J.; Chemia i technologia Ŝywic epoksydowych. WNT Warszawa 2002. 2. Pusz A., Michalik K., Szymiczek M.: ZałoŜenia konstrukcyjne i metodologiczne konstrukcji aparatu do pomiaru własności cieplnych laminatów wzmocnionych włóknem szklanym. Monografia: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wyd. Logos Press, Cieszyn 2009 3. Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i Metaloznawstwo, WNT Warszawa, 2002. 4. Dobrzański L.A.: Niemetalowe materiały inŝynierskie Wyd. Pol.Śl, Gliwice 2008. 5. PN-EN 12667: 2002: Właściwości cieplne materiałów i wyrobów budowlanych; Określenie oporu cieplnego metodami osłoniętej płyty grzejnej i czujnika strumienia cieplnego. Wyroby o duŝym i średnim oporze cieplnym. 6. ASTM: E1225-04 Standard test metod for thermal conductivity of solids by means of the guarded-comparative-longitudinal heat flow technique.