PRZETWÓRSTWO TWORZYW Czasopismo naukowo-techniczne. Ukazuje się od 1994 r. Czasopismo publikuje artykuły recenzowane. Czasopismo punktowane, notowane na ogólnokrajowej liście B MNiSzW. Wersja drukowana jest podstawową (referencyjną) wersją czasopisma. Skrót nazwy czasopisma w j. polskim PT Rada Programowa: Przewodniczący: prof. Robert Sikora Politechnika Lubelska, Polska/Poland Członkowie: prof. Marek Bieliński Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz, Polska/Poland prof. Elżbieta Bociąga, Politechnika Częstochowska, Polska/Poland dr Krzysztof Bortel, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, O/Gliwice, Polska/Poland prof. Michael Bratychak, Lviv Polytechnic National University, Lwów, Ukraina/Ukraine prof. Jarosław Diakun, Politechnika Koszalińska, Polska/Poland prof. Józef Flizikowski, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz, Polska/Poland prof. József Gál, University of Szeged, Hungary/Węgry prof. František Greškovič, Technical University of Kosice, Słowacja/Slovakia dr Przemysław Hruszka, firma Wavin-Metalplast, Buk, Polska/Poland mgr Janusz Jastrzębski Basell Orlen Polyolefins Płock, Polska/Poland Simone Maccagnan, Gimac Castronno, Włochy/Italy prof. Antonio Torres Marques, Universidade do Porto, Porto, Portugalia/Portugal prof. Janusz W. Sikora, Politechnika Lubelska, Polska/Poland Thomas Simoner HOBAS, Austria dr Joachim Stasiek, Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Toruń, Polska/Poland prof. Tomasz Sterzyński, Politechnika Poznańska, Polska/Poland prof. Oleg Stoianov, Kazan National Research Technological University, Kazań, Rosja/Russia prof. Oleh Suberlyak, Lviv Polytechnic National University, Lwów, Ukraina/Ukraine prof. Gabriel Wróbel, Politechnika Śląska, Gliwice, Polska/Poland prof. Gennady E. Zaikov, Russian Academy of Sciences, Moskwa, Rosja/Russia prof. Marian Żenkiewicz, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz, Polska/Poland Wydawca: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu 87-100 Toruń, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55 Tel./fax: 56 / 650-03-33 Kontakt: e-mail: Sekretariat@impib.pl; Mirosława Lubańska Redaguje zespół: Redaktor Naczelny: mgr inż. Henryk Tomanek Z-ca Red. Naczelnego: mgr inż. Błażej Chmielnicki Redaktorzy do spraw językowych: Jacek Leszczyński, IMPiB Toruń, j.leszczynski@impib.pl, (j. polski) Willem Jacobus Lowne-Hughes, SJ Quaderno wjlownehughes@yahoo.co.uk (j. angielski) Redaktor tematyczny: Dr Krzysztof Bortel, IMPiB OFiT Gliwice, k.bortel@impib.pl Kolportaż: Bogumiła Klimczyk Adres Redakcji: Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu, Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach 44-101 Gliwice, ul. Chorzowska 50 A tel.: 32/231-90-41, fax: 32/231-26-74 e-mail: h.tomanek@impib.pl, gp@impib.pl PRZETWÓRSTWO TWORZYW POLYMER PROCESSING CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE POŚWIĘCONE PROBLEMOM PRZETWÓRSTWA TWORZYW POLIMEROWYCH Nr 5 (161) / 20 WRZESIEŃ PAŹDZIERNIK 2014 R.
366 Spis treœci OD REDAKCJI 367 Kamil ELAZEK, Janusz W. SIKORA, Ivan GAJDOS W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ II. Wyniki badañ 368 Jacek ANDRZEJEWSKI, Marcin DEMBICKI, Olga KO ODZIEJCZAK Zastosowanie urz¹dzenia o zmodyfikowanej konstrukcji w pomiarach przebijalnoœci 375 Mateusz BARCZEWSKI, Marek SZOSTAK, Maciej RATAJEWSKI, Krzysztof TOMASZEWICZ, Kamil STOLICKI Wp³yw warunków przetwórstwa na w³aœciwoœci kompozytu poliwêglanu nape³nionego w³óknem szklanym 381 Karol BULA, Leszek RÓ AÑSKI, Maciej BUCZKOWSKI Badania procesu wtryskiwania z wykorzystaniem termografii w podczerwieni 386 Danuta CHMIELEWSKA, Mateusz BARCZEWSKI Palnoœæ i w³aœciwoœci termiczne kompozytów epoksydowych nape³nionych odpadowym poliestrem BMC 394 Monika DOBRZYÑSKA-MIZERA, Mateusz BARCZEWSKI Wp³yw dodatku nape³niacza organicznego na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytów na osnowie polipropylenu 399 Krystyna KELAR, Kinga MENCEL Wp³yw obróbki cieplnej na strukturê i w³aœciwoœci nanokompozytów poliamid 6/nanorurki haloizytowe 405 Krzysztof LEWANDOWSKI, Kazimierz PISZCZEK, Stanis³aw ZAJCHOWSKI, Jacek MIROW- SKI, Bartosz MAJCHROWICZ Wyznaczanie charakterystyki reologicznej tworzyw polimerowych przy du ych wartoœciach szybkoœci œcinania 410 Agnieszka MARCINIAK Polimery wzmacniane w³óknami metalowymi 415 Monika MARGOL, Dariusz KWIATKOWSKI, Anna WACOWSKA Wp³yw parametrów tolerancji skrêtowej na skurcz termiczny polipropylenowej przêdzy w³ókienniczej stosowanej do produkcji tkanin filtracyjnych 422 Pawe³ PALUTKIEWICZ Badanie wybranych w³aœciwoœci i struktury kompozytu porowatego z PP nape³nionego talkiem 427 Andrzej PUSZ, Ma³gorzata SZYMICZEK Ocena wp³ywu anizotropii p³yt wyt³aczanych z polietylenu du ej gêstoœci na wytrzyma³oœæ zmêczeniow¹ 436 Agnieszka RICHERT, Maciej WALCZAK, Rafa³ ADAMCZYK, Wojciech NAPIERALSKI Podatnoœæ folii PHB i jej mieszanin na biodegradacjê w osadzie czynnym, wodzie rzecznej, morskiej 443 Marek SZOSTAK, Natalia ANTCZAK, Mateusz BARCZEWSKI, Jacek ANDRZEJEWSKI, Tomasz KLEPKA Kompozyty polimerowe z zeolitami 451 Ma³gorzata SZYMICZEK Wp³yw degradacji termiczno-zmêczeniowej na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe kompozytów poliestrowo-szklanych 458 Mariola WOJCIECHOWSKA, Dariusz KWIATKOWSKI, Wioletta TUZIKIEWICZ Wp³yw w³ókna szklanego na w³aœciwoœci mechaniczne i krystalicznoœæ kompozytów POM i PA6 462 WSKAZÓWKI DLA AUTORÓW 468
367 Od Redakcji Szanowni Czytelnicy, Koniec okresu wakacyjnego to nie tylko powrót wielu z nas do codziennych obowi¹zków, ale tak e powrót wielu instytucji, jednostek naukowo-badawczych i wy szych uczelni do aktywnoœci w zakresie konferencji i spotkañ naukowo-technicznych. Jak wiadomo i jak informowaliœmy tak e na ³amach Przetwórstwa Tworzyw w dniach 22 24 wrzeœnia odbêdzie siê: II Konferencja Naukowo-Techniczna p.t. POLIMERY NAUKA PRZEMYS Organizatorem konferencji jest Zak³ad Przetwórstwa Polimerów Instytutu Technologii Mechanicznych Politechniki Czêstochowskiej. Konferencja odbywaæ siê bêdzie w miejscowoœci S³ok ko³o Be³chatowa. Kierownictwo naukowe konferencji sprawuje Pani prof. dr hab. in. El bieta Boci¹ga, sprawami organizacyjnymi zaœ kieruje Pan dr hab. inz Dariusz Kwiatkowski, prof. PCz. W bie ¹cym numerze Przetwórstwa Tworzyw zamieszczono artyku³y, które potem zaprezentowane zostan¹ podczas konferencji w S³oku. To druga czêœæ artyku³ów, pierwsz¹ zamieszczono w numerze 4/2014. W numerze 5/2014 zamieszczono tak e trzy artyku³y spoza konferencji. Serdecznie zapraszamy do lektury. Redakcja PT
368 Kamil ELAZEK, Janusz W. SIKORA, Ivan GAJDOS Kamil ELAZEK, 1), JanuszW. W. SIKORA, Ivan 2), Ivan GAJDOS 3) 1) Inergy Automotive Systems, ul. Budowlana 28, 20-469 Lublin; e-mail: zelazekkamil@gmail.com 2) Politechnika Lubelska, Katedra Procesów Polimerowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin; e-mail: janusz.sikora@pollub.pl 3) Technical University of Kosice, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Technologies and Materials, Kosice, Slovakia; e-mail: ivan.gajdos@tuke.sk W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ II. Wyniki badañ Streszczenie Wraz ze wzrostem zastosowañ wyrobów z tworzyw polimerowych z ró nego rodzaju nape³niaczami, poznanie w³aœciwoœci przetwórczych uzyskanych kompozytów jest niezbêdne w celu opracowania efektywnego i wydajnego procesu przetwórstwa, jak i uzyskania wyrobów o za³o onej, wysokiej jakoœci. W niniejszej czêœci publikacji przedstawiono wyniki badañ wp³ywu nape³niacza w postaci w³ókna szklanego, kredy i talku w ró nych iloœciach masowych na wtryskiwalnoœæ oraz w³aœciwoœci mechaniczne (twardoœæ, udarnoœæ, wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie) i temperaturê ugiêcia pod obci¹ eniem kompozytu polipropylenowego. PROPERTIES AND PROCESABILITY OF POLYPROPYLENE COMPOSITES VS. THE KIND AND QUANTITY OF FILLER. PART II. RESULTS OF THE RESEARCH Summary With the increase of using of polymeric products and their combination with various types of fillers, processing properties knowledge obtained in this way composite is necessary to develop more efficient and effective manufacturing process and obtain a predetermined final product quality. In the present part of study attempts to investigate the effect of fillers in the form of fiber glass, chalk and talc in various mass quantities on material processability and mechanical properties (hardness, impact, tensile strength) and determination of heat deflection temperature. Wstêp W czêœci pierwszej artyku³u [1] przedstawiono przegl¹d literatury, okreœlono cel i zakres badañ oraz zdefiniowano najwa niejsze pojêcia dotycz¹ce tematyki badañ. Dokonano za³o eñ odnoœnie czynników badanych, parametrów przetwórczych, jak i techniki prowadzenia badañ. Scharakteryzowano badane tworzywo oraz opisano maszyny, urz¹dzenia i aparaturê wykorzystan¹ do przeprowadzenia badañ, wraz z powo³aniem siê na odpowiednie normy. Czêœæ pierwsza publikacji jest wstêpem teoretycznym i ugruntowaniem stanu wiedzy dotycz¹cym przeprowadzenia za³o onych badañ. Wtryskiwalnoœæ Na wykresie (rys. 1) przedstawiono zmianê œredniej d³ugoœci wypraski w kszta³cie spirali w zale noœci od udzia³u masowego nape³niacza w postaci krótkiego w³ókna szklanego. Widoczny jest wp³yw wzrostu iloœci nape³niacza na zmniejszenie d³ugoœci otrzymanej wypraski, która jest miar¹ wtryskiwalnoœci. Œrednie ró nice d³ugoœci pomiêdzy kolejnymi wypraskami z ró n¹ iloœci¹ nape³niacza przedstawiaj¹ siê nastêpuj¹co. Wypraski z 20% zawartoœci¹ w³ókna szklanego s¹ krótsze od tych z 10% zawartoœci nape³niacza œrednio o 60 mm. Wypraski z 30% GF s¹ krótsze od wyprasek z 20% zawartoœci¹ nape³niacza œrednio
W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ II. Wyniki badañ 369 Rys. 1. Zale noœæ d³ugoœci wypraski od udzia³u masowego w³ókna szklanego wartoœci œrednie Fig. 1. The dependence between the length of the molding and glass fiber mass fraction average values o 33 mm, wypraski z 40% GF s¹ krótsze od wyprasek z 30% zawartoœci¹ nape³niacza o ok. 25 mm, natomiast wypraski z 50% udzia³em w³ókna szklanego s¹ krótsze od wyprasek z 40% zawartoœci¹ nape³niacza o ok. 35 mm. Œrednia ró nica d³ugoœci pomiêdzy wypraskami z 50% zawartoœci¹ w³ókna szklanego a 0% zawartoœci¹ wynios³a ok. 250 mm. Z kolei na rysunku 2 pokazano wyniki œrednich d³ugoœci wyprasek kompozytu z talkiem. Z wykresu mo na odczytaæ niemal linowy wp³yw zawartoœci talku na przetwarzalnoœæ kompozytu. Wraz ze wzrostem iloœci nape³niacza w tworzywie maleje jego przetwarzalnoœæ. Kolejne wypraski w kszta³cie spirali s¹ coraz krótsze. Ró nice œrednich d³ugoœci pomiêdzy kolejnymi wypraskami, wraz ze wzrostem zawartoœci talku, przedstawia³y siê nastêpuj¹co: 29 mm, 29 mm, 51 mm, 42 mm. Œrednia ró nica d³ugoœci pomiêdzy wypraskami z 50% zawartoœci¹ talku a 0% zawartoœci¹ wynios³a ok. 217 mm. Na wykresie (rys. 3) przedstawiono d³ugoœci wyprasek kompozytu z kred¹. Charakterystyka wykresu jest bardzo zbli ona do wykresu zale noœci d³ugoœci otrzymanych wyprasek kompozytowych od udzia³u masowego nape³niacza w postaci talku. W przypadku kredy mo na równie odczytaæ niemal linowy wp³yw nape³niacza na przetwarzalnoœæ kompozytu. Wraz ze wzrostem iloœci kredy w tworzywie maleje jego przetwarzalnoœæ. Kolejne wypraski w kszta³cie spirali s¹ coraz krótsze, œrednio o: 25, 47, 41 oraz 49 mm. Œrednia ró - nica d³ugoœci pomiêdzy wypraskami z 50% zawartoœci¹ kredy a 0% zawartoœci¹ wynios³a ok. 227 mm. Rys. 3. Zale noœæ d³ugoœci wypraski od udzia³u masowego kredy wartoœci œrednie Fig. 3. The dependence between the length of the molding and chalk mass fraction average values Rys. 2. Zale noœæ d³ugoœci wypraski od udzia³u masowego talku wartoœci œrednie Fig. 2. The dependence between the length of the molding and talc mass fraction average values Dane z wykresów pokazanych na rysunkach od 1 do rysunku 3 wskazuj¹ na zbli on¹ wtryskiwalnoœæ tworzywa przy u yciu nape³niacza w postaci kredy lub talku. Wp³yw nape³niacza w postaci w³ókna szklanego, zgodnie z przypuszczeniami, znacznie odbiega od wp³ywu pozosta³ych nape³niaczy. W³ókno szklane w najwiêkszym stopniu wp³ywa na
370 Kamil ELAZEK, Janusz W. SIKORA, Ivan GAJDOS przetwarzalnoœæ tworzywa. Przy takiej samej iloœci procentowej nape³niacza, d³ugoœæ wypraski kompozytu z w³óknem szklanym jest znacznie mniejsza od d³ugoœci otrzymanej wypraski kompozytowej z talkiem czy kred¹. Wyjaœnieniem zaobserwowanego zjawiska s¹ si³y tarcia wystêpuj¹ce pomiêdzy elementarnymi w³óknami szklanymi a cz¹steczkami tworzywa bazowego, œciankami uk³adu uplastyczniaj¹cego wtryskarki czy œciankami formy jak i zwiêkszenie lepkoœci tworzywa nape³nionego w³óknem szklanym [2]. Stopieñ wype³nienia gniazda spiralnego wynosi³ odpowiednio: dla czystego polipropylenu 19%, dla w³ókna szklanego od 9% do 15% w zale noœci od iloœci masowej nape³niacza, dla kredy od 10% do 16% w zale noœci od iloœci masowej nape³niacza, dla talku od 11% do 16% w zale noœci od iloœci masowej nape³niacza. Wyniki stopnia wype³nienia gniazda spiralnego, uzyskane dla ró nych wartoœci zawartoœci masowej nape³niaczy, przedstawiono na rysunku 4. Najmniejszy stopieñ wype³nienia gniazda spiralnego formy wtryskowej uzyskano przy zastosowaniu w³ókna szklanego jako nape³niacza (rys. 4). Wynik ten powtarza³ siê dla wszystkich wartoœci masowych nape³niaczy u ytych w badaniu. Wp³yw kredy i talku na przetwarzalnoœæ tworzywa jest podobna. Dla obydwu nape³niaczy i poszczególnych wartoœci masowych, ró nica w wynikach dla stopnia wype³nienia gniazda spiralnego nie przekracza 1%. Wyniki pomiarów twardoœci metod¹ Shore a dla wykonanych wyprasek z nape³niaczem w postaci w³ókna szklanego, kredy i talku zosta³y przedstawione na rysunku 5. Przedstawione na wykresie wyniki s¹ wartoœciami œrednimi z dziesiêciu pomiarów twardoœci dla poszczególnych wyprasek z dan¹ iloœci¹ masow¹ nape³niacza. Wp³yw kredy i talku jako nape³niacza na twardoœæ kompozytu PP jest bardzo zbli ony. Dodatek ich w wysokoœci 10% do pierwotnego polipropylenu powoduje wzrost twardoœci o ok. 3 ShD, podczas gdy taka sama iloœæ masowa w³ókna szklanego powoduje wzrost twardoœci o 1 ShD, co mo na uznaæ za wynik mieszcz¹cy siê w przedziale b³êdu pomiarowego. Zgodnie z rysunkiem 5, wzrost twardoœci próbek z w³óknem szklanym mo na uznaæ za liniowy w ca³ym zakresie zmiennoœci ich zawartoœci. Pomimo uzyskania ró nych zale - Rys. 4. Wp³yw udzia³u masowego danego nape³niacza na stopieñ wype³nienia gniazda spiralnego formy wtryskowej. Kolor bia³y PP bez nape³niacza, jasnoszary w³ókno szklane, czarny kreda, szary talk Fig. 4. Influence the mass fraction of the filler on the degree of filling of the spiral mold. Color: white PP without filler, light gray fiberglass, black chalk, gray talc Rys. 5. Wp³yw udzia³u masowego danego nape³niacza na twardoœæ wyprasek: 1 w³ókno szklane, 2 kreda, 3 talk Fig. 5. Influence of the mass fraction of the filler on the hardness of the molding parts: 1 glass fiber, 2 chalk, 3 talc
W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ II. Wyniki badañ 371 noœci twardoœci badanych próbek od rodzaju i zawartoœci nape³niacza ich przebieg jest podobny. Przy zawartoœci w³ókna szklanego mniejszej ni 25%, wiêksz¹ twardoœæ wykazuj¹ próbki z tak¹ sam¹ iloœci¹ kredy i talku, natomiast powy ej zawartoœci 25% w³ókna szklanego, próbki z tym nape³niaczem maj¹ ju wiêksz¹ twardoœæ. Rys. 7. Wp³yw udzia³u masowego w³ókna szklanego na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie próbek: 1 PP bez nape³niacza oraz z zawartoœci¹ w³ókna szklanego odpowiednio: 2 10% (10GF), 3 20% (20GF), 4 30% (30GF), 5 40% (40GF) oraz 6 50% (50GF) Fig. 7. Influence of the mass fraction of glass fiber on tensile strength. 1 PP without filler, 2 10GF 3 20GF, 4 30GF, 5 40GF, 6 50GF Rys. 6. Wp³yw udzia³u masowego danego nape³niacza na udarnoœæ wyprasek. S³upek jasnoszary w³ókno szklane, czarny talk, szary kreda Fig. 6. Influence of the mass fraction of the filler on impact strength of molded parts. Post light gray glass fiber, black talc, gray chalk Na rysunku 6 przedstawiono wyniki wp³ywu rodzaju nape³niacza i jego iloœci na udarnoœæ kompozytów polipropylenowych. Próbka bez karbu z czystego polipropylenu nie pêka. Dodatek w³ókna szklanego wp³ywa na wzrost udarnoœci otrzymanego kompozytu, niezale nie od jego udzia³u. Dodatek kredy do 30% powoduje wzrost udarnoœci, a nastêpnie ju mniej intensywne zmniejszanie siê tej w³aœciwoœci. Spadek udarnoœci jest zauwa alny dla talku jako nape³niacza, co potwierdzaj¹ inne wyniki badañ [3]. Dla 50% udzia³u masowego nape³niaczy u ytych w badaniu wyniki udarnoœci przedstawiaj¹ siê nastêpuj¹co: w³ókno szklane 51 kj/m 2, kreda 31 kj/m 2, talk 20 kj/m 2. Powy sze wyniki znajduj¹ potwierdzenie w innych publikacjach [4]. Na rysunku 7 pokazano wyniki badañ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie wyprasek typu A1 z w³óknem szklanym. Maksymalne odkszta³cenie uzyskano dla wypraski z 10-procentow¹ zawartoœci¹ w³ókna szklanego 5,60% przy naprê eniu zrywaj¹cym 44,50 MPa krzywa (2). Wraz ze wzrostem udzia³u masowego nape³niacza odkszta³cenie przy zerwaniu zmala³o do ok. 4% ± 0,5% przy sta³ym wzroœcie naprê eñ zrywaj¹cych, a do 94,50 MPa dla 50GF krzywa (6). Przebieg wykresów od 2 do 6 wskazuje na kruchoœæ badanego materia³u, co by³o spowodowane dodatkiem w³ókna szklanego [5]. Na wykresie krzyw¹ (1) rozci¹gania uzyskan¹ dla polipropylenu bez nape³niacza. Taka charakterystyka cechuje materia³y ci¹gliwe [5]. Zauwa alne jest niemal dwukrotnie wiêksze wyd³u enie wypraski bez nape³niaczy od wypraski z 10% zawartoœci¹ GF. W³ókno szklane wp³ywa na zmniejszenie ci¹gliwoœci i umocnienie materia³u [6]. Kolejne wyniki badañ w próbie statycznego rozci¹gania wyprasek polipropylenowych nape³nionych talkiem i kred¹ przedstawiono w tabelach 1 oraz 2. Wraz ze wzrostem udzia³u masowego talku w polipropylenie wytrzyma- ³oœæ badanych próbek na rozci¹ganie maleje. Najwiêksze odkszta³cenie uzyskano dla 10% zawartoœci nape³niacza 7,67% przy naprê e-
372 Kamil ELAZEK, Janusz W. SIKORA, Ivan GAJDOS niu zrywaj¹cym 26,52 MPa. Ró nica wytrzyma³oœci na rozci¹ganie pomiêdzy polipropylenem bez nape³niacza a polipropylenem nape³nionym 50% zawartoœci¹ talku wynios³a 11,04 MPa. Ró nica naprê eñ zrywaj¹cych przy 0% oraz 50% zawartoœci talku wynios³a 4,93 MPa. Tabela 1. Wyniki wytrzyma³oœci na rozci¹ganie dla polipropylenu z talkiem Table 1. The results of tensile strength for PP with the talc Udzia³ masowy nape³niacza [%] Modu³ rozci¹gania E t [MPa] Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie m [MPa] Odkszta³cenie przy zerwaniu m [%] Naprê enie przy zerwaniu b [MPa] 0 T 1400,00 31,60 8,10 24,27 10 T 1492,17 29,45 7,67 26,52 20 T 1627,21 27,74 5,43 25,88 30 T 1919,63 24,92 4,21 23,25 40 T 2125,78 22,70 3,24 21,06 50 T 2318,51 20,56 2,27 19,34 Wraz ze wzrostem udzia³u masowego kredy w polipropylenie wytrzyma³oœæ badanych próbek na rozci¹ganie maleje, co potwierdzaj¹ wyniki uzyskane przez innych badaczy [7]. Najwiêksze wyd³u enie uzyskano dla 10% zawartoœci nape³niacza 6,13%, przy naprê eniu zrywaj¹cym 24,94 MPa. Powy sze otrzymane rezultaty, dla wszystkich rodzajów nape³niaczy u ytych w badaniach, nie odbiegaj¹ od wyników publikowanych w innych publikacjach [4]. Ró nica wytrzyma³oœci na rozci¹ganie pomiêdzy czystym polipropylenem a polipropylenem nape³nionym z 50% zawartoœci¹ kredy wynios³a 10,82 MPa. Powy sza wartoœæ wskazuje na niemal e jednakowy wp³yw kredy i talku na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie tworzywa nape³nionego. Ró nica naprê eñ zrywaj¹cych przy 0% i 50% zawartoœci kredy wynios³a 7,04 MPa. Jest to wartoœæ wy sza od analogicznie uzyskanej dla talku o 2,11 MPa. Oznacza to, i po przekroczeniu maksymalnych obci¹ eñ rozci¹gaj¹cych m,próbkizkred¹ w postaci nape³niacza ulegn¹ zniszczeniu przy mniejszych wartoœciach naprê eñ rozci¹gaj¹cych b, ni próbki z talkiem. Tabela 2. Wyniki wytrzyma³oœci na rozci¹ganie dla polipropylenu z kred¹ Table 2. The results of tensile strength for PP with the chalk Udzia³ masowy nape³niacza [%] Modu³ rozci¹gania E t [MPa] Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie m [MPa] Odkszta³cenie przy zerwaniu m [%] Naprê enie przy zerwaniu b [MPa] 0 K 1400,00 31,60 8,10 24,27 10 K 1509,16 29,56 6,13 24,94 20 K 1714,11 27,25 5,15 23,68 30 K 1882,82 24,02 4,10 19,75 40 K 2036,28 22,70 3,14 18,90 50 K 2208,55 20,78 2,27 17,23 W tabeli 3 zestawiono wyniki pomiarów temperatury ugiêcia HDT wyprasek z w³ók- Tabela 3. Wyniki pomiarów temperatury ugiêcia HDT Table 3. The results of measurements of heat deflection temperature HDT Iloœæ masowa nape³niacza [%] Ugiêcie [mm] W³ókno szklane Kreda Talk Temperatura [ C] Ugiêcie [mm] Temperatura [ C] Ugiêcie [mm] Temperatura [ C] 0 0,32 61,4 0,32 61,4 0,32 61,4 10 0,32 92,5 0,32 54,9 0,32 55,4 20 0,32 109,8 0,32 56,5 0,32 55,7 30 0,13 119,3 0,33 58,1 0,33 58,7 40 0,11 119,3 0,33 59,8 0,32 62,7 50 0,10 119,3 0,33 63,8 0,32 65,6
W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ II. Wyniki badañ 373 nem szklanym, kred¹ i talkiem jako nape³niaczami. Wp³yw kredy i talku jako nape³niaczy na temperaturê ugiêcia kompozytu PP w ca³ym zakresie pomiarowym mo na uznaæ za podobny. W obu przypadkach zaobserwowano pocz¹tkowe obni anie siê temperatury ugiêcia po dodaniu nape³niaczy w odniesieniu do czystego PP. Wraz ze zwiêkszaniem iloœci masowej kredy oraz talku obserwowano wzrost temperatury ugiêcia, a do odpowiednio 63,8 i 65,6 C, co w odniesieniu do temperatury ugiêcia polipropylenu bez nape³niaczy jest przyrostem rzêdu od 2 do 4 C. W przypadku w³ókna szklanego, ju przy 10% zawartoœci masowej tego nape³niacza zaobserwowano wzrost temperatury ugiêcia o oko³o 30 C. Dla zawartoœci masowej od 30 do 50% w³ókna szklanego ugiêcie badanych próbek nie osi¹gnê³o wartoœci zadanej, przewidzianej w normie, mimo, e temperatura oleju silikonowego osi¹gnê³a zadan¹ wartoœæ 120 C. Dla 50% zawartoœci masowej w³ókna szklanego, przy temperaturze 119,3 C uzyskano 0,10 mm ugiêcia badanej próbki. Tak jak w przypadku poprzednich pomiarów, otrzymane wyniki temperatury ugiêcia próbek polipropylenowych z ró n¹ zawartoœci badanych nape³niaczy nie odbiegaj¹ od wyników publikowanych w innych artyku³ach [4, 8]. Podsumowanie Po przeprowadzonych badaniach stwierdzono, i najwiêkszy wp³yw na wtryskiwalnoœæ tworzyw kompozytowych w osnowie polipropylenu mia³ nape³niacz w postaci w³ókna szklanego. Dla nape³niaczy w postaci talku i kredy stwierdzono podobne charakterystyki d³ugoœci wyprasek w zale noœci od udzia³u masowego danego nape³niacza. Polipropylen z talkiem i kred¹ mo e byæ stosowany do wytwarzania wyprasek o wiêkszym stopniu skomplikowania kszta³tu, o d³u szej drodze przep³ywu przez uk³ad wlewowy formy wtryskowej ni przy zastosowaniu w³ókna szklanego jako nape³niacza. Badania w³aœciwoœci mechanicznych oraz temperatury ugiêcia pod obci¹ eniem potwierdzi³y ró norodny wp³yw u ytych w badaniach nape³niaczy na w³aœciwoœci wyprasek. Dodatek ka dego z nape³niaczy spowodowa³ wzrost twardoœci tworzywa. Wp³yw kredy i talku na temperaturê ugiêcia pod obci¹ eniem jest zbli ony i nieznaczny, jednak ju udzia³ 10% w³ókna szklanego powoduje wzrost temperatury ugiêcia o ok. 30 C. Podczas badañ udarnoœci stwierdzono, e wzrost zawartoœci talku w polipropylenie powoduje zmniejszanie siê udarnoœci, a wzrost zawartoœci w³ókna szklanego, wprost przeciwnie zwiêkszanie siê udarnoœci. Zawartoœæ kredy do 30% udzia³u masowego zwiêksza udarnoœæ, natomiast powy ej tej wartoœci nastêpuje spadek udarnoœci. Nape³niacz w postaci w³ókna szklanego wp³ywa równie znacz¹co na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, gdzie zauwa ono systematyczny wzrost wytrzyma³oœci wraz ze zwiêkszaniem udzia³u masowego nape³niacza. Kreda oraz talk wp³ywa na obni enie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie otrzymanych wyprasek kompozytowych. Praca by³a finansowana i zosta³a wykonana w ramach miêdzynarodowego projektu pt.: Technological and design aspects of extrusion and injection molding of thermoplastic polymer composites and nanocomposites realizowanego w ramach FP7 Marie Curie Actions, PEOPLE, International Research Staff Exchange Scheme (IRSES), umowa PIRSES-GA-2010-269177. Literatura 1. elazek K., Sikora J.W., Gajdos I.: W³aœciwoœci i przetwarzalnoœæ kompozytów polipropylenowych a rodzaj i iloœæ nape³niacza. Czêœæ I. Charakterystyka badañ. Przetwórstwo tworzyw 2014, 4, 276-283. 2. Krzy ak A., Bondyra R., Dulebova L., Moravsky V.: WskaŸnik szybkoœci p³yniêcia kompozytów na osnowie polipropylenowej z dodatkiem ciêtego w³ókna szklanego oraz talku. Postêpy Nauki i Techniki, 2012, 13, 78-85.
374 Kamil ELAZEK, Janusz W. SIKORA, Ivan GAJDOS 3. Grellmann W., Kotter I., Schone J.: Properties of polypropylene talc compounds with different talc particle size. Journal of Plastics Technology, 2012, 8, 2, 230-251. 4. Rothon R. N.: Particulate Filled Polymer Composites. Second Edition. Rapra Technology Limited, Telford, 2008, 357-424. 5. Praca zbiorowa pod redakcj¹ Sikory R.: Przetwórstwo tworzyw polimerowych, WydawnictwoPolitechniki Lubelskiej, Lublin, 2006, 526. 6. Kot P., Lisowski E.: Badania symulacyjne si³ownika pneumatycznego wykonanego z tworzywa sztucznego. Czasopismo Techniczne, 2011, 4-M, 7, 239-247. 7. Mai Y., Xie X., Zhang Q.: Crystalization and impact energy of polypropylene/caco 3 nanocomposites with nonionic modifier. Polymer, 2004, 45, 5985-5994. 8. Duleba B., Gajdos I., Greskovic F.: Influence of mineral fillers on polypropylene mechanical properties. Lviv Polytechnic Publishing House, Lviv, 2013, 115-126.
Zastosowanie urz¹dzenia o zmodyfikowanej konstrukcji w pomiarach przebijalnoœci 375 Jacek ANDRZEJEWSKI, 1,, Marcin DEMBICKI, Olga 2, Olga KO ODZIEJCZAK 2 1 Politechnika Poznañska, Instytut Technologii Materia³ów, ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznañ 2 VOX Profile Sp. z o.o.; ul. Gdyñska 143, 62-004 Czerwonak * Autor korespondencyjny; e-mail: jacek.andrzejewski@put.poznan.pl Zastosowanie urz¹dzenia o zmodyfikowanej konstrukcji w pomiarach przebijalnoœci G³ównym tematem prezentowanej pracy jest przedstawienie wyników prac konstrukcyjnych i badawczo-wdro eniowych dotycz¹cych zastosowania pomiarów przebijalnoœci w badaniach p³yt sidingowych wykonanych z poli(chlorku winylu). Zaprezentowana w artykule aparatura pomiarowa zosta³a skonstruowana i wykonana w celu odzwierciedlenia warunków prowadzenia testu przebijalnoœci, jednak zastosowane rozwi¹zania w formie napêdu sprê ynowego oraz zmniejszenie rozmiarów zewnêtrznych pierwowzoru, mia³y na celu miniaturyzacjê urz¹dzenia w celu jego zastosowania jako przenoœny aparat pomiarowy. W celu weryfikacja sprawnoœci i powtarzalnoœci dzia³ania urz¹dzenia przeprowadzono szereg testów porównawczych, których celem by³o sprawdzenie poprawnoœci dzia³ania zaproponowanej konstrukcji. THE APPLICATION OF MODIFIED EQUIPMENT FOR IMPACT MEASUREMENTS The main theme of this work is to present the results of the design and implementation research on the use of measurement in research of the impact resistance of siding plates made of poly (vinyl chloride). The presented measuring apparatus has been designed and constructed to reflect the conditions of Gardner drop test, but the solutions in the form of the drive spring and reduced size of the prototype, aimed at miniaturization of the device for its use as a portable measuring apparatus. In order to verify the efficiency and reproducibility of the device, a number of comparative tests was performed, the aim was to check the correct operation of the proposed construction. WSTÊP Poli(chlorek winylu) jest jednym z najpopularniejszych tworzyw termoplastycznych produkowanych na œwiecie. Charakteryzuj¹ go dobre w³aœciwoœci fizyczne odpornoœæ na substancje chemiczne i wodê oraz zarysowania jak równie dobre w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. Znajduje on szerokie zastosowanie w przemyœle budowlanym i maszynowym. Niestety g³ównym problem w przetwórstwie tego polimeru jest jego wra liwoœæ na dzia³anie warunków atmosferycznych, promieniowania UV oraz obecnoœci tlenu, ma to du y wp³yw na w³aœciwoœci koñcowe produkowanych wyrobów. Dlatego, te do osnowy poli(chlorku winylu) w procesie przetwórstwa wprowadza siê du ¹ iloœæ antyoksydantów, stabilizatorów, nape³niaczy i dodatków uszlachetniaj¹cych. Wyroby wytwarzane z polichlorku winylu opanowa³y przemys³ budowlany ze wzglêdu na swoj¹ cenê oraz wygodny sposób monta u i kszta³towania nie wymagaj¹cy wielu dedykowanych narzêdzi. W³aœciwoœci mechaniczne gotowych wyrobów badane s¹ wieloma metodami w zale noœci od wymagañ produkcyjnych, wymagañ klienta czy wymogów techniczno-konstrukcyjnych. Najczêœciej dla wyrobów wykonywanych z poli(chlorku winylu) i kompozytów na osnowie tego polimeru ocenie poddaje siê nastêpuj¹ce w³aœciwoœci mechaniczne: 1. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie 2. Odpornoœæ na zginanie
376 Jacek ANDRZEJEWSKI, Marcin DEMBICKI, Olga KO ODZIEJCZAK 3. Twardoœæ metod¹ Shore a D lub Brinella 4. Udarnoœæ metod¹ Charpy ego, Izoda lub Dynstat 5. Odpornoœæ na przebicie 6. Odpornoœæ na uszkodzenia w próbie udarnoœci przy swobodnym uderzeniu Spoœród dostêpnych testów mechanicznych najszerzej stosowane s¹ testy na przebijalnoœæ. Zastosowanie tego typu pomiarów posiada wiele zalet [1]. Podstawowe zalety i wady zosta³y wyszczególnione poni ej: Zalety: brak koniecznoœci wykonywania normalizowanych próbek przed ka dym testem (docinanie prostopad³oœciennych próbek, nacinanie karbów) ciê ar ok. 10 kg nie wymaga stosowania dodatkowego oprzyrz¹dowania (przek³adnie, czujniki, oprogramowanie) prosta intuicyjna zasada dzia³ania urz¹dzenia (niewymagane szkolenia i wiedza w zakresie mechaniki pêkania). Wady: koniecznoœæ stosowania prowadnicy rurowej (co zwiêksza gabaryty urz¹dzenia) brak informacji o przebiegu procesu pêkania(ocenawynikówtylkonapodstawie bezpoœredniej obserwacji wzrokowej) koniecznoœæ zachowania p³askiego charakteru badanego materia³u (wymagana próbka o okreœlonej œrednicy i sta³ej gruboœci). Dotychczas znane urz¹dzenia do pomiarów tego typu [2,3] charakteryzowa³y siê du ymi rozmiarami i koniecznoœci¹ stosowania na stacjonarnym stanowisku badawczym. Ograniczenia te zwi¹zane s¹ z charakterystyka testu, która wymaga stabilnego mocowania urz¹dzenia. Dla wiêkszoœci testów dynamicznych idea pomiaru zak³ada zastosowanie swobodnie opadaj¹cej masy, która powoduje zniszczenie badanej próbki. Dla wiêkszoœci urz¹dzeñ realizuje siê to za³o enie poprzez u ycie swobodnie opadaj¹cego bijaka (test Gardnera, pomiar z opadaj¹cym grotem) [4], lub wahad³a (jak w teœcie Charpy, Izoda, Dynstat). Regulacja energii pracy potrzebnej na zniszczenie próbki odbywa siê poprzez zmianê masy opadaj¹cego bijaka lub wahad³a [5,6]. G³ównym celem wynalazku jest uproszczenie i wyeliminowanie wad dotychczas stosowanych testów udarnoœci. Wady konieczne do wyeliminowania to przede wszystkim: 1) du e gabaryty dotychczas stosowanych urz¹dzeñ, 2) stosowanie próbek materia³owych o zdefiniowanej geometrii, 3) wyniki testu wymagaj¹ce przeliczeñ i obróbki statystycznej. Cel ten osi¹gniêto przez skonstruowanie urz¹dzenia, w którym ruch posuwisty bijaka jest wywo³ywany poprzez sprê ynê. Energia sprê ystoœci zgromadzona w sprê ynie w trakcie jej œciskania zostaje spo ytkowana na ruch bijaka. Regulacja energii uderzenia bijaka odbywa siê poprzez zmianê si³y nacisku œruby g³ównej. Przeznaczeniem urz¹dzenia jest pomiar wytrzyma³oœci na przebicie p³yt polimerowych wykonanych z nastêpuj¹cych tworzyw sztucznych: poli(chlorek winylu), polietylen, polipropylen, poliwêglan, polistyren, poli(metakrylan metylu). Funkcjonalnoœæ urz¹dzenia umo liwia prowadzenie ró nych rodzajów testów: 1) porównawczych gdy przy sta³ej sile naprê enia sprê yny badane s¹ p³yty odmiennych gatunków, lub 2) bezpoœrednie testy si³y przebicia, gdy p³yty jednego gatunku s¹ badane wielokrotnie przy zwiêkszaj¹cej siê sile naci¹gu sprê yny, a do osi¹gniêcia wyniku w postaci pe³nego przebicia materia³u badanego. PROWADZONE PRACE Konstrukcja urz¹dzenia Urz¹dzenie sk³ada siê z kilku zasadniczych elementów takich jak korpus, podstawa mocuj¹ca, oraz elementy naci¹gu. G³ówny celem proponowanego rozwi¹zania by³o zminimalizowanie gabarytów urz¹dzenia i umo liwienie prostej, intuicyjnej obs³ugi. Rys. 1 prezentuje widok ogólny ca³ego urz¹dzenia, z kolei przekrój na Rys. 2 przybli a koncepcjê dzia³ania urz¹dzenia. Energia bijaka generowana w trakcie rozprê ania sprê yny jest regulowana poprzez regulacjê nakrêtki, jednak w przypad-
Zastosowanie urz¹dzenia o zmodyfikowanej konstrukcji w pomiarach przebijalnoœci 377 Rys. 3. Sposób monta u podstawowych elementów aparatu Rys. 1. Urz¹dzenie do pomiaru przebijalnoœci poprzez usuniêcie nakrêtki regulacyjnej. Rozwi¹zanie to znacz¹co u³atwia kwestiê obs³ugi przez personel bez podstawowej wiedzy technicznej. Metodyka badañ Rys. 2. Widok przekroju poprzecznego aparatu do pomiaru przemijalnoœci. 1 nakrêtka regulacyjna, 2 bijak, 3 zamek, 4 mocowanie próbki, 5 dÿwignia naci¹gu, 6 korpus, 10 sprê yna napêdowa ku gdy potrzebne by³oby zwiêkszenie energii uderzenia, mo liwa jest wymiana sprê yny na model o wiêkszej sile naci¹gu. Jednym z podstawowych celów w trakcie konstruowania urz¹dzenia by³a jego maksymalnie prosta konstrukcja i mo liwoœæ szerokiej konfiguracji warunków prowadzonych testów, to jest si³y uderzenia bijaka oraz jego ewentualnej wymiany, powodowanej koniecznoœci¹ zmiany geometrii zakoñczenia bijaka. Widoczny na Rys. 3 schemat bazowych elementów urz¹dzenia prezentuje sposób monta- u podstawowych elementów w tym sprê yny oraz bijaka. Wymiana obu elementów nie wymaga u ycia narzêdzi poniewa odbywa siê Pomiar przebijalnoœci próbki rozpoczynamy od zamocowania badanego elementu w przestrzeni pomiarowej pomiêdzy korpusem i stopk¹. Mocowanie próbki realizowane jest poprzez dosuniêcie stopki przyrz¹du do korpusu i zabezpieczenie w pozycji za pomoc¹ œrub. Regulacja si³y uderzenia bijaka odbywa siê poprzez obrót nakrêtki regulacyjnej co powoduje zmianê wartoœci naprê enia sprê yny g³ównej. Naci¹g sprê yny odbywa siê poprzez przesuniêcie bijaka do pozycji pocz¹tkowej przy u yciu ramienia popychacza. Po osi¹gniê- Rys. 4. Widok nakretki regulacyjnej przy ró nych poziomach naciagu spre yny
378 Jacek ANDRZEJEWSKI, Marcin DEMBICKI, Olga KO ODZIEJCZAK Rys. 5. Wyniki prób prowadzonych dla 3 gatunków p³yt PVC
Zastosowanie urz¹dzenia o zmodyfikowanej konstrukcji w pomiarach przebijalnoœci 379 ciu pozycji pocz¹tkowej po³o enie bijaka jest zabezpieczane elementem zamka. Tak przygotowane urz¹dzenie jest gotowe do wykonania próby. Uruchomienie przyrz¹du nastêpuje w chwili obrotu dÿwigni zamka, co powoduje uwolnienie bijaka z mocowania i jego ruch w kierunku badanej próbki. Miejsce uderzenia po ka dym pomiarze by³o poddawane oglêdzinom oraz ka dorazowo fotografowane. Tak powsta³a dokumentacja zosta- ³a zestawiona w postaci tabel. Pojedynczy fragment badany by³ przy jednakowym obci¹ eniu sprê yny. Dla ka dego gatunku p³yt miejsca pomiarowe by³y przybli one tak by uzyskaæ powtarzalnoœæ wyników dla badanej serii p³yt. Spoœród dostarczonych p³yt do badañ, wybrano te o przybli onej gruboœci ok. 1 mm. Ka da z prezentowanych serii pomiarowych rozpoczyna siê od p³yt badanych przy naci¹gu sprê yny 15 mm, d³ugoœæ ta zosta³a wybrana doœwiadczalnie, gdy dla wiêkszoœci badanych p³yt próby przebicia, przy mniejszym naci¹gu sprê yny, nie dawa³y widocznych rezultatów. Zmiana regulacyjna odbywa siê, przypadku prezentowanych pomiarów, co 5 mm do daje nam próby prowadzone przy naci¹gu sprê yny 15, 20, 25, 30, 35, 40 mm (Rys. 4). Pomiar dla poszczególnych serii koñczy siê dla takiej wartoœci naci¹gu/energii, która zapewnia ca³kowite przebicie badanych profilów. Widoczne w tabelach wyników (Rys. 5) wartoœci naci¹gu sprê yny wyra one w [mm] skorelowane zosta³y z teoretyczn¹ energi¹ naci¹gu sprê yny, która przy pomijalnych wartoœciach masy bijaka i d³ugoœci przemieszczenia, stanowi¹ przybli on¹ wartoœæ energii generowanej przez bijak urz¹dzenia. W przypadku prezentowanych wyników zakres energii penetracji by³ zmienny w zakresie od 2 do 4,6 J. Finalnie jest to proponowana jednostka dla wyników prowadzonych testów. WYNIKI I ICH ANALIZA Wyniki zaprezentowane s¹ w formie tabel zestawiaj¹cych rezultaty testów prowadzonych na jednym typie p³yt. Tabele ukazuj¹ przebieg testu od zdjêæ próbek badanych przy naci¹gu 15 mm, a do próbki w ca³oœci zniszczonej. W tabeli znajduj¹ siê równie krótkie opisy zniszczeñ widocznych na p³ycie. Wyniki prowadzonych badañ œwiadcz¹ o poprawnoœci dzia³ania urz¹dzenia. Potwierdzeniem czego s¹ zdjêcia otrzymanych próbek, gdzie przebicia przy ustalonym naci¹gu sprê- yny napêdowej s¹ bardzo powtarzalne. Badania porównawcze prowadzone na aparacie z ciê arem opadaj¹cym grawitacyjnie, pozwoli³y na bezpoœrednie porównanie próbek testowanych przy zbli onej energii pracy bijaka. W tym przypadku równie prototypowe urz¹dzenie wykaza³o bardzo du ¹ zbie noœæ z wynikami dla klasycznego aparatu. PODSUMOWANIE Wyniki prowadzonych badañ potwierdzi³y mo liwoœæ stosowania napêdu sprê ynowego w urz¹dzeniach do badania przebijalnoœci. Zastosowanie odpowiedniej sprê yny pozwala na wygenerowanie energii wystarczaj¹cej do przebicia wiêkszoœci badanych p³yt polimerowych. Poprzez diametralne zmniejszenie gabarytów i masy urz¹dzenia sta³o siê mo liwe prowadzenie pomiarów poza laboratorium, co by³o pocz¹tkowym za³o eniem przy konstruowaniu aparatu Literatura 1. Tseng A.A., Borosky M.A., O Connor S.M., Knotts J.J., Impact behavior of modified PVC for outdoor applications, Advances in Polymer Technology Vol. 10, Issue 3 (1990), s. 205-218 2. Zoller P., Instrumentation for impact testing of plastics, Polymer Testing Vol. 3, Issue 3 (1983), s. 197 208 3. Belingardi G., Vadori R., Influence of the laminate thickness in low velocity impact behavior of composite material plate, Composite Structures vol.61 (2003), s. 27 38 4. ASTM D4226-11, Standard test methods for impact resistance of rigid poly(vinyl chloride) building products, DOI: 10.1520/D4226-11
380 Jacek ANDRZEJEWSKI, Marcin DEMBICKI, Olga KO ODZIEJCZAK 5. Moon J.S., Lee J.M., Lee S.H., Choi B.H, Effect of Process Conditions on the Dart Impact Properties of Thin-Wall Injection-Molded Polycarbonate Plates, Journal of Applied Polymer Science vol. 127, Issue 3 (2013), s. 1466-1474. 6. Martinez A. B., Arencon D., Navas J., Velasco J. I., Low Energy Impact Indentation of a Modified Polyethylene Terephtalate by Instrumented Falling Weight, Journal of Applied Polymer Science vol. 127, Issue 4 (2013), s. 2983-2989
Wp³yw warunków przetwórstwa na w³aœciwoœci kompozytu poliwêglanu nape³nionego w³óknem szklanym 381 Mateusz BARCZEWSKI, BARCZEWSKI*, Marek SZOSTAK, Maciej RATAJEWSKI, Krzysztof TOMASZEWICZ, Kamil Krzysztof STOLICKI TOMASZEWICZ, Kamil STOLICKI Politechnika Poznañska, Instytut Technologii Materia³ów * mateusz.barczewski@put.poznan.pl Wp³yw warunków przetwórstwa na w³aœciwoœci kompozytu poliwêglanu nape³nionego w³óknem szklanym Streszczenie: Celem przeprowadzonych badañ by³o okreœlenie wp³ywu przetwórstwa na w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu na osnowie poliwêglanu modyfikowanego w³óknem szklanym. Kompozyt zosta³ poddany przetwórstwu dwiema metodami wyt³aczania jedno oraz dwuœlimakowego wspó³bie nego w celu otrzymania zró nicowanych warunków obci¹ eñ termomechanicznych. Wp³yw warunków przetwórczych na w³aœciwoœci wtryskiwanych wyrobów oceniono na podstawie przeprowadzonej próby statycznego rozci¹gania oraz udarnoœci metod¹ DYNSTAT. Badania uzupe³nione zosta³y o ocenê struktury kompozytów poddanych obci¹ eniom termomechanicznym za pomoc¹ Skaningowej Mikroskopii Elektronowej (SEM). THE EFFECT OF PROCESSING ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE POLY- CARBONATE COMPOSITES WITH GLASS FIBER Abstract: The aim of the study was to determine the effect of processing on the mechanical properties of the polycarbonate composites with glass fiber. The composite material was processed by two various extrusion methods: one and twin-screw extrusion using in the secondmethod the co-extruder, in order to obtain different thermo-mechanical loading conditions. Influence of processing conditions on the properties of injection-molded products has been evaluated on the basis of static tensile and the DYNSTAT impact tests. Tests were supplemented by an assessment of structures of polycarbonate compositestreated by thermo-mechanical loads using the Scanning Electron Microscopy (SEM). 1. Wstêp Coraz lepsze w³aœciwoœci konstrukcyjne, technologiczne i u ytkowe kompozytów polimerowych sprawiaj¹, e znajduj¹ one coraz szersze zastosowanie w ró nych ga³êziach przemys³u zastêpuj¹c dotychczas stosowane elementy metalowe. Wp³ywa to nie tylko na znaczne zredukowanie masy gotowych wyrobów, ale mo liwoœæ nadania im œciœle okreœlonych w³aœciwoœci, dziêki odpowiedniej modyfikacji poszczególnych materia³ów sk³adowych stanowi¹cych kompozyt. O ile w dotychczasowej praktyce zdecydowan¹ wiêkszoœæ stosowanych kompozytów stanowi³y materia- ³y na osnowie tworzyw chemoutwardzalnych, to problem wynikaj¹cy z braku mo liwoœci ich powtórnego przetwórstwa, powoduje coraz czêstsze stosowanie kompozytów z osnow¹ termoplastyczn¹ [1-5]. Mo liwoœæ kompleksowej modyfikacji w³aœciwoœci termoplastycznych materia³ów polimerowych decyduje o ich uniwersalnoœci i wysokim potencjale aplikacyjnym. W wiêkszoœci przypadków po³¹czenie osnowy polimerowej wraz z modyfikatorami oraz nape³niaczami nastêpuje w procesie mieszania w stanie stopionym. Obecnie najczêœciej stosowan¹ technik¹ wysokowydajnego mieszania stanowi wyt³aczanie. Nieodpowiedni dobór parametrów procesu przetwórczego doprowadziæ mo e zarówno do otrzymania kompozycji b¹dÿ kompozytu o niewystarczaj¹cym stopniu zdyspergowania dodatków w osnowie poli-
382 Mateusz BARCZEWSKI, Marek SZOSTAK, Maciej RATAJEWSKI, Krzysztof TOMASZEWICZ, Kamil STOLICKI merowej, b¹dÿ do degradacji mieszanych materia³ów [6,7]. Na skutek zbyt wysokiej temperatury przetwórstwa oraz niew³aœciwego przygotowania materia³u, np. niedosuszenia, degradacji ulec mo e materia³ stanowi¹cy osnowê kompozytu [1,8,9]. W przypadku zastosowania uk³adu uplastyczniaj¹cego o niew³aœciwej konfiguracji, b¹dÿ zbyt wysokiej prêdkoœci obrotowej œlimaka, na skutek du ych naprê eñ œcinaj¹cych, degradacji ulec mo e podatny na uszkodzenie nape³niacz. Celem przedstawionej pracy by³o okreœlenie wp³ywu zastosowanego typu wyt³aczania (jedno- i dwuœlimakowego) oraz zastosowanych parametrów procesu przetwórczego na w³aœciwoœci kompozytu poliwêglanu (PC) modyfikowanego w³óknem szklanym (GF). 2. Metodyka badañ Materia³ i przygotowanie próbek Przedmiotem badañ by³ komercyjny kompozyt na osnowie poliwêglanowej w postaci granulatu zawieraj¹cego 20 % mas. krótkich w³ókien szklanych o nazwie handlowej Lexan 3412R. Gêstoœæ i wskaÿnik szybkoœci p³yniêcia badanego materia³u wynosi³y odpowiednio = 1,356 g/cm 3 oraz MFR=4,3 g/10 min (300 C, 1.2kg). Poliwêglan nape³niony w³óknem szklanym poddany zosta³ przetwórstwu dwiema metodami: wyt³aczania jednoœlimakowego z zastosowaniem dwóch prêdkoœci obrotowych (n = 30; 80 min -1 ) oraz dwuœlimakowego wspó³bie nego (n=100; 150 min -1 ). Materia³ przetwarzany by³ na wyt³aczarce jednoœlimakowej Metalchem W25-30D o œrednicy œlimaka d=25 mm i stosunku d³ugoœci do œrednicy œlimaka l/d=34 oraz na wyt³aczarce wspó³bie nej dwuœlimakowej Zamak o œrednicy œlimaków d=19 mm oraz konfiguracji segmentów mieszaj¹cych opisanej w publikacji [10]. Prêdkoœci obrotowe œlimaka dobrane zosta³y tak, aby masowe natê- enie przep³ywu w przypadku przetwórstwa obydwiema metodami by³y jednakowe. W obydwóch przypadkach temperatura g³owicy, zgodnie z zaleceniami producenta, wynios³a odpowiednio T g =300 C. Granulowanie wyt³oczyny wykonano na zimno po ch³odzeniu w k¹pieli wodnej. Próbki do badañ w postaci wiose³ek wytworzono przy u yciu wtryskarki Engel ES 80/20 HLS, stosuj¹c nastêpuj¹ce parametry procesu: prêdkoœæ wtrysku 90 mm/s, temperatura wtrysku 290 C, ciœnienie docisku 7,5 MPa, czas docisku 3 s, temperatura formy wtryskowej 80 C, czas ch³odzenia 45s. Do badañ zastosowano formê wtryskow¹, umo liwiaj¹c¹ wytworzenie dwóch znormalizowanych wyprasek: wiose³ek oraz próbek prostopad³oœciennych. Ka dorazowo przed przetwórstwem kompozyt poddawany by³ suszeniu przez 4 godziny w temperaturze 120 C. W dalszej czêœci pracy wytworzone próbki zosta³y oznaczone nastêpuj¹co: PC kompozyt PC/GF kszta³towany metod¹ wtryskiwania bez wczeœniejszej historii termomechanicznej, PC 30/1 kompozyt PC/GF przetwarzany z zastosowaniem wyt³aczarki jednoœlimakowej przy prêdkoœci wyt³aczania równej n=30 min -1, PC 80/1 kompozyt PC/GF przetwarzany z zastosowaniem wyt³aczarki jednoœlimakowej przy prêdkoœci wyt³aczania równej n=80 min -1, PC 100/2 przetwarzany z zastosowaniem dwuœlimakowej wyt³aczarki wspó³bie nej przy prêdkoœci wyt³aczania równej n=100 min -1, PC 150/2 przetwarzany z zastosowaniem dwuœlimakowej wyt³aczarki wspó³bie nej przy prêdkoœci wyt³aczania równej n=150 min -1. Ocena w³aœciwoœci mechanicznych w próbie statycznego rozci¹gania Ocenê w³aœciwoœci mechanicznych w próbie statycznego rozci¹gania przeprowadzono wg wytycznych opisanych w normie ISO 527. Znormalizowane próbki wiose³kowe o wymiarach przekroju poprzecznego 4 10 mm, w
Wp³yw warunków przetwórstwa na w³aœciwoœci kompozytu poliwêglanu nape³nionego w³óknem szklanym 383 czêœci pomiarowej próbki, rozci¹gano z prêdkoœci¹ v=50 mm/min oraz 1 mm/min w przypadku wyznaczania wartoœci modu³u sprê ystoœci wzd³u nej. Pomiary wykonano przy u yciu uniwersalnej maszyny wytrzyma³oœciowej Instron 4481. Ocena udarnoœci metod¹ Dynstat Pomiar udarnoœci przeprowadzono stosuj¹c metodê Dynstat dla próbek bez karbu Metoda ta polega na z³amaniu próbki o wymiarach 10 15 mm, gruboœci 4,0 mm, mocowanej pionowo. Udarnoœæ jest miar¹ kruchoœci materia- ³ów okreœlan¹ przez pracê potrzebn¹ do dynamicznego z³amania próbki, odnoszon¹ do poprzecznego przekroju próbki. Udarnoœæ obliczono zgodnie z poni ej przedstawionym równaniem: L [kj/m 2 ] (1) bt a gdzie: L praca zu yta na dynamiczne z³amanie próbki [kj], b szerokoœæ próbki [m], t gruboœæ próbki [m]. 3. Wyniki badañ oraz ich omówienie W³aœciwoœci mechaniczne kompozytów PC/GF Na rysunku 1 przedstawiono wyniki badañ wytrzyma³oœciowych zrealizowanych dla kompozytów PC/GF poddanych zró nicowanym obci¹ eniom termomechanicznym w procesie wyt³aczania jedno- i dwuœlimakowego. Analizie poddano wyniki pomiarów otrzymanych podczas próby jednoosiowego statycznego rozci¹gania (modu³ sprê ystoœci wzd³u nej E, wytrzyma³oœæ doraÿna m, wyd³u enie przy zerwaniu B ) oraz udarnoœci a. Zarówno w przypadku wartoœci modu³u Young a, jak i wytrzyma³oœci doraÿnej mo na zaobserwowaæ podobn¹ tendencjê. Najwiêkszy spadek w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych obserwuje siê dla próbek PC 150/2. Zwi¹zane jest to z najwiêksz¹ intensywnoœci¹ si³ œcinaj¹cych oddzia³ywuj¹cych na w³óknisty nape³niacz nieorganiczny, powoduj¹cych jego najwiêksz¹ degradacjê mechaniczn¹. W przypadku próbek PC 30/1 oraz PC 100/2 obserwuje siê podobny spadek wartoœci E oraz m,pomimo znacznie mniejszych si³ œcinaj¹cych wystêpuj¹cych w trakcie wyt³aczania jednoœlimakowego. Wynikaæ to mo e z dodatkowej degradacji materia³u polimerowego stanowi¹cego osnowê kompozytu. W trakcie wyt³aczania jednoœlimakowego czas przebywania materia³u w uk³adzie uplastyczniaj¹cym by³ znacznie wiêkszy, a co za tym idzie zwiêkszy³o siê ryzyko czêœciowej degradacji poliwêglanu w atmosferze utleniaj¹cej [6]. W przypadku próbek oznaczonych jako PC 80/1 odnotowano mniejszy wp³yw przetwórstwa, w odniesieniu do kompozytu przetwarzanego z mniejsz¹ prêdkoœci¹ obrotow¹ PC 30/1, na zmiany wartoœci E oraz m. Zwiêkszenie prêdkoœci obrotowej doprowadzi³o do krótszego oddzia³ywania wysokiej temperatury na poliwêglan, co ograniczy³o ryzyko jego czêœciowej degradacji, w tym równie degradacji hydrolitycznej mog¹cej wynikn¹æ z niedosuszenia polimeru przed przetwórstwem. W przypadku oceny wartoœci wyd³u enia przy zerwaniu B, nie odnotowano znacz¹cych zmian. Aczkolwiek zauwa alny jest minimalny trend rosn¹cy, tj. dla próbek kompozytów poddanych w trakcie przetwórstwa najwiêkszym si³om œcinaj¹cym, prowadz¹cym do degradacji mechanicznej nape³niacza nieorganicznego w postaci w³ókien szklanych, wartoœci wyd³u eñ ulegaj¹ minimalnemu zwiêkszeniu. W przypadku zmian udarnoœci omawianych kompozytów, najwiêkszy spadek wartoœci tej w³aœciwoœci zaobserwowano równie dla próbki PC 150/2. Nale y jednak podkreœliæ, e wartoœci udarnoœci dla próbek poddanych wyt³aczaniu jednoœlimakowemu nie odbiega³y znacz¹co od udarnoœci dla próbek PC150/2. Mo e œwiadczyæ to o wiêkszym wp³ywie degradacji termicznej osnowy polimerowej na w³aœciwoœci mechaniczne w trakcie obci¹ eñ o charakterze udarowym. W przypadku czêœciowej degradacji poliwêglanu nastêpuje najprawdopodobniej zmniejszenie adhezji pomiê-
384 Mateusz BARCZEWSKI, Marek SZOSTAK, Maciej RATAJEWSKI, Krzysztof TOMASZEWICZ, Kamil STOLICKI Rys. 1. Wp³yw techniki przetwarzania na wybrane w³aœciwoœci mechaniczne kompozytu PC/GF; E modu³ Young a; m wytrzyma³oœæ doraÿna; B wyd³u enie przy zerwaniu; a udarnoœæ metod¹ Dynstat dzy osnow¹ polimerow¹ i nape³niaczem, prowadz¹c¹ do zwiêkszenia podatnoœci do kruchego pêkania. Najmniejszy spadek udarnoœci odnotowano dla próbki PC 100/2. W przypadku wyt³aczania dwuœlimakowego z zastosowaniem mniejszej prêdkoœci obrotowej, pomimo wystêpowania znacz¹co wy szych si³ œcinaj¹cych ni w przypadku wyt³aczania jednoœlimakowego, ograniczenie czasu obci¹ enia termicznego materia³u polimerowego nie doprowadzi³o to istotnych zmian udarnoœci, jak w przypadku próbek PC 30/1 i 80/1. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) Wykonanie mikrofotografii SEM pozwoli³o na ocenê stopnia degradacji mechanicznej w³óknistego nape³niacza nieorganicznego w postaci krótkich w³ókien szklanych. Na rysunku 2 zestawiono zdjêcia prze³omów dwóch próbek, tj. próbki PC 30/1 (a) oraz próbki kompozytu poddanego najintensywniejszym obci¹ eniom mechanicznym (b). Zaobserwowaæ mo na znacz¹cy spadek d³ugoœci w³ókien w przypadku wyt³aczania dwuœlimakowego z zastosowaniem wy szej szybkoœci obrotowej œlimaków. Stanowiæ to mo e potwierdzenie dla wniosków wyci¹gniêtych na podstawie zmian wartoœci w³aœciwoœci mechanicznych. Wnioski W pracy przedstawiono wyniki wytrzyma- ³oœciowe próbek kompozytów poliwêglanu modyfikowanego w³óknem szklanym w iloœci 20 % mas. poddanych przetwórstwu w stanie stopionym dwiema technikami mieszania przy ró nych warunkach procesu technologicznego. Na podstawie uzyskanych wyników badañ mo na stwierdziæ dominuj¹cy wp³yw naprê-