92/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 26, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 26, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-538 WPŁYW OBCIĄŻEŃ ZMĘCZENIOWYCH NA WYSTĘPOWANIE ODMIAN POLIMORFICZNYCH PA6 Z WŁÓKNEM SZKLANYM J. LISAK 1, A. LIBER-KNEĆ 2 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków STRESZCZENIE W pracy oceniono wpływ obciążeń zmiennych w czasie na występowanie odmian polimorficznych w kompozycie na osnowie poliamidu 6. Dwa rodzaje kompozytów poliamidowych, zawierających 25 i 5% włókna szklanego poddano obciążeniom zmiennym w czasie. Następnie przeprowadzono badania rentgenograficzne, na powierzchni i w rdzeniu badanych próbek. W oparciu o analizę dyfraktogramów rentgenowskich stwierdzono, iż pod wpływem obciążeń zmiennych w czasie zachodzą zmiany udziału poszczególnych odmian polimorficznych PA. Key words: polyamide 6, glass fiber, polimorphic modification 1. WPROWADZENIE Jedną z charakterystycznych cech struktury poliamidu 6 jest polimorfizm krystalograficzny, czyli zdolność do wykształcenia różnych odmian sieci przestrzennej. PA 6 może krystalizować w dwóch fazach krystalograficznych, różniących się stopniem i doskonałością uporządkowania makrocząsteczek: termodynamicznie bardziej stabilnej jednoskośnej fazie α oraz mniej stabilnej jednoskośnej lub pseudoheksagonalnej fazie γ. Powstawaniu fazy γ sprzyja szybkie chłodzenie i niższa temperatura krystalizacji, podczas gdy wolne chłodzenie i wyższa temperatura krystalizacji sprzyjają tworzeniu się fazy krystalograficznej α. Odmiana poliamidu γ jest bardziej elastyczna niż 1 dr inż.,lisak@mech.pk.edu.pl 2 mgr inż., aliber@pk.edu.pl
poliamidu α, jest więc korzystniejsza w polimerze ze względu na odporność na obciążenia zmęczeniowe. W dostępnej literaturze technicznej pojawia się opinia, że na skutek działania naprężeń mechanicznych występujących w czasie pracy poliamidu może dochodzić do zmian jego budowy wewnętrznej. Wiadomo, ze struktura krystalograficzna wpływa na właściwości mechaniczne polimerów, dlatego ważna jest informacja w jaki sposób obciążenia zmienne w czasie wpływają na występowanie i zmianę form krystalograficznych poliamidu w kompozytach z włóknem szklanym [1-3]. 2. MATERIAŁ I ZAKRES BADAŃ Do badań użyto kompozytów na osnowie poliamidu 6 Tarnamidu T-27 wytwarzanego w Zakładach Azotowych S.A w Tarnowie. Próbki wiosełkowe o zawartości włókna szklanego 25 i 5% wytworzono metodą wtrysku po uprzednim napełnieniu granulatów włóknem na linii do kompaundowania. Tak wytworzone próbki poddano obciążeniom zmiennym w czasie na maszynie wytrzymałościowej Instron typ 8511 w 1 cykli rozciągania ściskania przy częstotliwości 5 Hz. Przyjęto poziom obciążenia równy,5 maksymalnej siły uzyskanej w statycznej próbie rozciągania. Na próbkach poddanych obciążeniom zmęczeniowym wykonano następnie badania rentgenograficzne, na ich powierzchni i w rdzeniu. Do badań wykorzystano dyfraktometr rentgenowski z goniometrem HZG4A, stosując lampę kobaltową. 3. WYNIKI BADAŃ Na dyfraktogramach rentgenowskich kompozytu PA 6 z włóknem szklanym można wydzielić składowe natężenia promieniowania ugiętego przez obszary krystaliczne i amorficzne (rys. 1). 1 1 1 15 2 25 3 35 2 Theta[ o ] Rys. 1. Dyfraktogram rentgenowski kompozytu PA z 5 % włókna szklanego. Fig. 1. X-ray photograph of PA composite with 5% of glass fibre. 284
W tabeli 1 opisano piki zarejestrowane na dyfraktogramach próbek kompozytu PA z 25% włókna szklanego przed i po obciążeniu zmiennym w czasie. Tabela 1. Opis pików zarejestrowanych na dyfraktogramach próbek kompozytu PA z 25% włókna szklanego przed i po obciążeniu, siła na poziomie,5 P (P = 5,2 kn) Table 1. Description of peaks on X-ray photograph for PA composite with 25% of glass fibre before and after variable loading, load on the level of,5 P (P = 5,2 kn) Obciążenie 2Θ [º] d hkl Refleks dyfrakcyjny α γ względna I/I [%] POWIERZCHNIA 23º75 4,35 2-97 24º85 4,21 21-1 26º5 3,89-21 84 24º 4,35 2-9,5 P 24º95 4,21 21-93 26º7 3,89-21 81 RDZEŃ 23º75 4,35 2-84 27º7 3,72 2+22-1,5 P 23º75 4,35 2-87 27º7 3,72 2+22-86 Na rys. 2 porównano dyfraktogramy uzyskane na powierzchni i w rdzeniu badanych próbek kompozytu PA 6 z 5% włókna szklanego w stanie wyjściowym, tj. przed zastosowaniem obciążeń mechanicznych. 1 1 1 1 1 2 2 25 3 35 2 Theta [ o ] 1 Rys.2. Dyfraktogramy rengenowskie kompozytu PA z 5% włókna szklanego wykonane na powierzchni i w rdzeniu próbek nieobciążonych, 1-powierzchnia, 2-rdzeń. Fig. 2. X-ray photograph of PA composite with 5% of glass fibre carried out in skin and core of specimen before load, 1-skin, 2-core. 285
Na dyfraktogramach powierzchni próbek zidentyfikowano fazę α przy 2Θ ok. 23,6º i 24,6º oraz fazę γ przy 2Θ ok. 26,4º, natomiast w rdzeniu fazę α przy 2Θ ok. 23,6º i 27,7º. Na rys. 3 pokazano dyfraktogramy PA 6 z 5% włókna szklanego dla próbki przed i po obciążeniu, wykonane na jej powierzchni. Na dyfraktogramie próbki nieobciążonej widać wyraźny pik od płaszczyzny 21 fazy α przy 2Θ ok. 24,6º oraz dwa niewielkie piki od płaszczyzny 2 fazy α przy 2Θ ok. 23,6º i od płaszczyzny 21 fazy γ przy 2Θ ok. 26,4º. W przypadku próbki, która była poddana obciążeniom zmiennym występują te same piki, jednakże w tym przypadku następuje spadek intensywności względnej dla formy α, natomiast wzrost dla fazy γ i nieznaczne przesunięcie kata ugięcia 2Θ dla wszystkich pików. 9 7 5 3 1 2 1 1 2 3 4 2 Theta [ o ] Rys. 3. Dyfraktogramy rengenowskie kompozytu PA z 5% włókna szklanego, 1 próbka nieobciązana, 2 - próbka po obciążeniu, siła na poziomie,5 P (P = 7,9 kn), powierzchnia. Fig. 3. X-ray photograph of PA composite with 5% of glass fibre, 1- specimen before load, 2 specimen after variable loading, load on the level of,5 P (P = 7,9 kn), skin. 286
Na rys. 4 pokazano dyfraktogramy PA 6 z 5% włókna szklanego dla próbki przed i po obciążeniu, wykonane w jej rdzeniu. Na dyfraktogramie próbki nieobciążonej widać dwa wyraźne piki od płaszczyzny 2 i 2+22 fazy α przy 2Θ ok. 23,7º i 27,7º. Na dyfraktogramie próbki, która była poddana obciążeniom zmiennym w czasie, również pojawiają się dwa wyraźne piki od tych samych płaszczyzn, następuje jednakże wzrost ich intensywności. 1 1 1 2 1 2 25 3 35 2 Theta [ o ] Rys. 4. Dyfraktogramy rengenowskie kompozytu PA z 5% włókna szklanego, 1 próbka nieobciążana, 2 - próbka po obciążeniu, siła na poziomie,5 P (P = 7,9 kn), rdzeń. Fig. 4. X-ray photograph of PA composite with 5% of glass fibre, 1- specimen before load, 2 specimen after variable loading, load on the level of,5 P (P = 7,9 kn), core. 4. WNIOSKI Wyróżnienie refleksów pochodzących od różnych odmian fazy krystalicznej jest trudne szczególnie w przypadku próbek badanych na powierzchni, gdyż piki na dyfraktogramach pokrywają się. Przeprowadzone analizy pozwalają jednak stwierdzić, że w badanym PA 6 faza krystaliczna jest mieszaniną fazy α i γ, przy czym dominującą jest faza α. Badane próbki wykazują różnice w występowaniu odmian polimorficznych poliamidu pomiędzy rdzeniem, a ich powierzchnią (rys.2). W rdzeniu zaobserwowano tylko fazę α poliamidu, natomiast na powierzchni pojawił się refleks dyfrakcyjny także od fazy γ. Jest to zjawisko charakterystyczne dla próbek wtryskiwanych, a dodatkowo 287
prawdopodobnie związane jest z różnymi warunkami odprowadzania ciepła powstałego w procesie zmęczenia kompozytów w wyniku oddziaływania obciążeń zmiennych w czasie [4]. W kompozytach poddanych wielokrotnemu obciążeniu zmienia się udział poszczególnych odmian polimorficznych poliamidu 6. Następuje obniżenie intensywności poszczególnych refleksów, co wskazuje na niższą zawartości fazy krystalicznej w kompozycie. LITERATURA [1] W. Albrecht: Poliamidy. WNT, Warszawa 1964. [2] E. Klata, S. Borysiak, K. Velde, J. Garbarczyk, I. Krucińska: Crystallinity of polyamide 6 matrix in glass fibre/polyamide-6 manufactured from hybrid yarns. Fibre and Textiles 24, vol. 12, no. 3(47). [3] L. Wojnar (red).: Struktura i właściwości kompozytów na osnowie termoplastów. Politechnika Krakowska, Kraków 25. [4] T.D. Fornes, D.R. Paul: Crystallization behavior of nylon 6 nanocomposites, Polymer 23, vol. 44, no. 14. INFLUENCE OF FATIGUE LOAD ON OCCURRENCE OF POLYMORPHIC MODIFICATION IN POLYAMIDE 6 WITH GLASS FIBRES SUMMARY In this work, the influence of load variable in time on occurrence of polymorphic modification in polyamide 6 matrix composites was presented. Two types of composites with 25 and 5% of glass fibres were tested under load variable in time. Then on the surface and in the core of each specimen X-ray radiography was carried out. We can observe the difference in occurrence of polymorphic modification in polyamide 6 between its skin and core as well as before and after durations of load variable in time. Recenzował: prof. Stanisław Rzadkosz. 288