216 Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 3. B³a ej CHMIELNICKI Politechnika Œl¹ska w Gliwicach, Wydzia³ Mechaniczno-Technologiczny Semestr IX, Grupa specjalizacyjna Przetwórstwo i Obróbka Metali i Tworzyw Gra yna RYMARZ, Teresa AK Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników Oddzia³ Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach e-mail: G.Rymarz@impib.pl Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 3. Badania wybranych w³aœciwoœci mechanicznych wyrobów z poliamidów i innych tworzyw konstrukcyjnych (uzupe³nienie) Procesy starzenia powoduj¹ niekiedy wyst¹pienie powa nych awarii w konstrukcjach, zmuszaj¹cych do wykonania okreœlonych czynnoœci naprawczych, a w razie zapobiegania nieprzewidzianej w czasie usterki, do profilaktycznego wymienienia elementów. Podczas starzenia zachodz¹ w polimerze w wyniku reakcji chemicznych, takich jak: sieciowanie, utlenianie (termooksydacja), degradacja i destrukcja, zmiany najczêœciej nieodwracalne. Niniejsza publikacja podejmuje problem starzenia wytworów z poliamidu wzmacnianego w³óknem szklanym. Ageing processes sometimes cause serious failure of constructions and repairing works have to be undertaken. In order to avoid an unforeseen defect it is necessary to replace some parts in advance. The following chemical reactions like: oxidation (thermo oxidation), degradation and destruction take place during ageing process of polymers. These changes are usually permanent. The article refers to a problem of ageing of polyamide products reinforced with glass fiber. Starzenie, któremu poddane zosta³y próbki, wp³ynê³o ujemnie na ich w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. Wystêpuj¹ca na powierzchni próbek sadza sugeruje, e w wyniku d³ugotrwa³ego dzia³ania na nie ciep³a w czasie procesu starzenia, rozpocz¹³ siê proces degradacji materia- ³u. Ró nica wytrzyma³oœci próbek niestarzonych i starzonych przez 500 godzin jest znacznie wiêksza ni próbek starzonych przez 500 godzin i 1000 godzin. Co oznacza, e najbardziej drastyczne zmiany w³aœciwoœci mechanicznych badanych materia³ów nastêpuj¹ w pierwszych etapach procesu starzenia. Ma to prawdopodobnie zwi¹zek z depolimeryzacj¹ najkrótszych ³añcuchów polimerów pod dzia- ³aniem ciep³a. Dalsze zmiany strukturalne przebiegaj¹ ju znacznie wolniej. Proces starzenia cieplnego wywiera ujemny wp³yw, podobnie jak w przypadku wytrzyma³oœci, tak i w przypadku wyd³u enia przy zerwaniu dla badanych tworzyw. Starzenie cieplne ma zdecydowanie negatywny wp³yw na materia³u. We wszystkich badanych próbkach zaobserwowano spadek udarnoœci po starzeniu. Spowodowane to jest destrukcj¹ materia³u i zwiêkszeniem jego kruchoœci na skutek os³abienia struktury wewnêtrznej tworzywa. Starzenie cieplne tworzyw ma równie wp³yw na modu³ sprê ystoœci E. Obni enie siê modu³u sztywnoœci dla niektórych próbek po starzeniu 1000 godzinnym, poprzedzonym jego wzrostem dla próbek starzonych przez 500 godzin sugeruje, e po tyle trwaj¹cym starzeniu nast¹pi³o uszkodzenie po³¹czeñ polimer wzmocnienie; odpowiedzialnoœæ za sztywnoœæ tworzywa ponosz¹, w g³ównej mierze wzmocnienia. Wyniki badañ Badania wybranych w³aœciwoœci mechanicznych i wytrzyma³oœciowych materia³ów przeprowadzono na próbkach w postaci wiose³ek,
Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 3. 217 wykonanych technik¹ wtryskiwania. Badaniom poddano kszta³tki wtryskowe wykonane z nastêpuj¹cych tworzyw: Rodzaj materia³u Zawartoœæ wzmocnienia Oznaczenie materia³u PA 66 50% C-1 PPA 30% C-2 PPA 35% C-3 PPS 40% C-4 PET 35% C-5 Wykonano nastêpuj¹ce badania: a) wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu wg PN-EN 527-1:1998, PN-EN 527-2:1998 w warunkach: b) modu³ przy rozci¹ganiu wed³ug PN-EN ISO 527: c) wg Charpy ego PN-EN ISO 179- -1,2:2004: temperatura 30 o C; Wyniki Wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu i wyd³u enie wzglêdne przy zerwaniu Metoda badania PN-EN ISO 527-2, prêdkoœæ 5 mm/min Wyniki przedstawiono w tabelach: Tabela nr 11 wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu seria C Tabela nr 12 wyd³u enie wzglêdne przy zerwaniu wszystkich próbek po starzeniu Tabela 11. Wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu seria C Temp. badania ( o C) C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 23 o C (0 h) 189,8 9,1 153,1 3,6 196,3 1,0 180,9 8,2 254,1 3,0 500 h 187,7 10,5 89,9 0,3 134,2 6,7 140,8 2,4 146,3 9,4 1000 h 181,7 0,0* 78,5 5,5 117,3 12,0 131,5 5,7 122,6 0,2 * próbki ³ama³y siê w uchwytach Tabela 12. wzglêdne przy zerwaniu po starzeniu cieplnym Rodzaj próbki wzglêdne 0 h 500 h 1000 h Odchyl. wzglêdne Odchyl. wzglêdne Odchyl. C-1 4,8 0,09 3,2 0,27 3,3 0,18 C-2 3,9 0,1 2,9 0,0 2,7 0,1 C-3 5,0 0,2 3,8 0,3 4,1 0,3 C-4 3,3 0,18 3,7 0,1 4,0 0,1 C-5 4,9 0,1 3,7 0,1 3,4 0.2
218 Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 3. Wytrzyma³oœæ [MPa] 300 250 200 150 100 50 0 Wytrzyma³oœæ materia³u 0 500 1000 Czas starzenia [h] C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 Rys. 8. Wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu w zale noœci od czasu starzenia seria C wzglêdne [%] 6 5 4 3 2 1 0 wzglêdne przy zerwaniu 0 500 1000 Czas starzenia [h] C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 Rys. 9. wzglêdne przy zerwaniu w zale noœci od czasu starzenia seria C Tabela 13. Wyniki oznaczania udarnoœci z karbem (kj/m ) Próbka Temperatura ( o C) Czas starzenia (h) 23-30 500 1000 C-1 11,8 0,2 10,4 0,3 9,5 0,3 7,8 0,3 C-2 4,3 0,2 3,5 0,3 4,0 0,5 3,2 0,4 C-3 5,2 0,3 4,7 0,1 4,9 0,3 4,4 0,3 C-4 5,9 0,13 5,1 0,4 4,6 0,3 4,2 0,4 C-5 7,7 0,3 6,1 0,15 7,1 0,3 5,5 0,2
Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów. Cz. 3. 219 W 3 czêœci pracy zamieszczono te dwa rysunki (wykresy): Rysunek nr 8 wytrzyma³oœæ przy rozci¹ganiu w zale noœci od czasu starzenia cieplnego Rysunek nr 9 wyd³u enie wzglêdne przy zerwaniu wszystkich próbek po starzeniu Udarnoœæ wed³ug Charpy ego z karbem (kj/m ) Do badañ udarnoœci wszystkie próbki suszono do sta³ej masy w temperaturze 70 80 o C w czasie 5 6 h (tabela 13). Modu³ przy rozci¹ganiu Rysunek 10. Prze³om próbki nie poddanej starzeniu Tabela 14. Wyniki oznaczania modu³u sprê ystoœci Lp. Oznaczenie próbek E œr. 1 C1-0 9408 2 C1-500 15741 3 C1-1000 15727 3 C2-0 11198 4 C2-500 7710 5 C2-1000 12181 6 C3-0 11036 7 C3-500 15405 8 C3-1000 13603 9 C4-0 16466 10 C4-500 11665 11 C4-1000 15824 12 C5-0 11070 13 C5-500 10481 14 C5-1000 12266 Rysunek 11. Prze³om próbki poddanej starzeniu trwaj¹cemu 500 h Zdjêcia mikroskopowe próbek Zdjêcia mikroskopowe prze³omów technik¹ skaningowej mikroskopii elektronowej na mikroskopie skaningowym Zeiss Supra 35 przy napiêciu przyspieszaj¹cym 15 kv wykonano dziêki pomocy Pana Doktora Jaros³awa Koniecznego z Politechniki Œl¹skiej, za co autorzy sk³adaj¹ podziêkowania. Rysunek 12. Prze³om próbki poddanej starzeniu trwaj¹cemu 1000 h
220 Starzenie cieplne ma zdecydowanie negatywny wp³yw na materia³u. We wszystkich badanych próbkach zaobserwowano spadek udarnoœci po starzeniu. Spowodowane jest to destrukcj¹ materia³u i zwiêkszeniem jego kruchoœci na skutek os³abienia struktury wewnêtrznej tworzywa. Na zdjêciach mikroskopowych prze³omów powsta³ych w próbie udarnoœci (rys. 10 12) zarysowuj¹ siê wyraÿne ró nice struktury po starzeniu trwaj¹cym 500 i 1000 godzin. Na rysunku 11, przedstawiaj¹cym prze³om na próbce poddanej starzeniu przez 500 godzin, zauwa yæ mo na wyraÿne nieci¹g³oœci osnowy powsta³e wskutek wyrwania w³ókien szklanych stanowi¹cych elementy wzmacniaj¹ce tworzywa. Natomiast brak takich otworów w prze³omie próbki po starzeniu 1000-godzinnym (rys. 12) sugeruje, i w wyniku degradacji os³abieniu uleg³a adhezja osnowy do zbrojenia. Stan taki skutkuje niemo noœci¹ przenoszenia w pe³ni naprê eñ przez wzmocnienie i naturalnym os³abieniem materia³u. Cykl trzech artyku³ów pod wspólnym tytu³em: Wybrane aspekty starzenia wzmocnionych poliamidów powsta³ na podstawie pracy przejœciowej studenta Politechniki Œl¹skiej B³a eja Chmielnickiego. W pracy wykorzystano wyniki badañ wykonanych w Oddziale gliwickim Instytutu In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników przez zespó³ pod kierownictwem mgr in. Gra yny Rymarz oraz wyniki badañ in. Teresy ak w ramach jednej z prac statutowych Instytutu. Literatura 1. Bo ena Kowalska, Gra yna Rymarz, Teresa ak, TYTU PRACY STATUTOWEJ, Sprawozdanie z niepublikowanej pracy statutowej 2. Danuta Ciesielska, Fizykochemia polimerów, Wydawnictwo Politechniki Poznañskiej, 1997 3. Izabela Hyla, Tworzywa sztuczne W³asnoœci Przetwórstwo Zastosowanie Wydawnitwo PWN, Warszawa 1984 4. Janusz Janecki, Zu ycie czêœci samochodowych wykonanych z tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Komunikacji i ¹cznoœci, Warszawa 1982 5. Jan Pielichowski, Technologia tworzyw sztucznych Wydawnictwo WNT, Warszawa1998. 6. Hansjurgen Saechtling Tworzywa sztuczne, Wydawnictwo WNT, Warszawa 1999 7. Zdzis³aw Torbus, Poliamidy, Wydawnictwo Chemia, Warszawa 1977 8. Geogre Wypych Handbook of Material Weathering Wydawnictwo Chemtec Publishing, Netanya 2007 9. Hans Zweifel Plastick Additives Handbook, Wydawnictwo Hanser Publishers Munich, Cincinnati 2005 10. Danuta uchowska, Polimery konstrukcyjne, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2000 11. PN-EN 527-1,2:1998 12. PN-EN ISO 527 13. PN-EN ISO 179-1,2:2004