OZONOWANIE JAKO METODA AKTYWOWANIA WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH W OPERACJACH KLEJENIA Mariuz KŁONICA, Józef KUCZMASZEWSKI W różnych rozajach ykonyanych rzemyśle ołączeń materiałó kontrukcyjnych ykorzytuje ię ahezyjne łaściości arty ierzchniej. Dlatego ażnym elementem technologii ołączeń ahezyjnych jet ooienie rzygotoanie tej arty. Baania łaściości arty ierzchniej mają inżynierii oierzchni ażne znaczenie raktyczne. Warta ierzchnia oróżnieniu o oierzchni może mieć różną grubość i jet zależna o cech fizycznych i chemicznych anego materiału kontrukcyjnego. Poierzchnia enie fizycznym jet jenym z otaoych ojęć geometrii, efinioana jet jako zbiór unktó lub rotych, a zatem nie oiaa grubości. W literaturze otyczącej analizy oierzchni czaem określa ię ją jako artę o grubości o 1 o 4 zenętrznych art atomoych. Stouje ię także określenie arta oierzchnioa lub arta rzyoierzchnioa [1, 20 22]. Baania łaściości arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych, takich jak zilżalność i obona energia oierzchnioa ą o bliko ięćzieięciu lat obiektem zaintereoań ielu ycylin naukoych: fizyki, chemii, inżynierii materiałoej oraz biotechnologii [5, 8, 9]. Zilżalność różnymi cieczami materiałó ykorzytyanych rzemyśle ma uże znaczenie raktyczne, głónie takich roceach rzemyłoych, jak klejenie, uzczelnianie, maloanie, rukoanie oraz nanozenie różnego rozaju ołok ochronnych. Stoy aluminium należą o tej gruy materiałó, których aktyoanie energetyczne arty ierzchniej jet niezbęne o uzykania ooienich łaściości ołączeń ahezyjnych z ich uziałem. Aktyacja ta najczęściej okonyana jet rzez traienie kąielach o oczynie kaśnym lub zaaoym. Ze zglęu na ochronę śrooika celoe jet ozukianie meto roekologicznych. Najbarziej obiecującą metoą moyfikacji arty ierzchniej jet oziałyanie ozonu na oierzchnię materiałó kontrukcyjnych [2 4, 6, 10, 12, 13]. Ze zglęu na ilne łaściości utleniające i ronikotórcze ozonu metoa ta może mieć zerokie zatooanie rzemyśle torzy ztucznych, buonictie, lotnictie, rzemyśle metalurgicznym i ceramicznym [14 16]. W orónaniu z innymi metoami moyfikacji arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych ozonoanie jet metoą rotą ykonaniu, o nikich koztach ekloatacji i braku oaó negatynie łyających na tan śrooika naturalnego. Głónym celem niniejzej racy jet analiza łaściości energetycznych arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych tooanych rzemyśle lotniczym rze i o moyfikacji atmoferze ozonu. Określenie obonej energii oierzchnioej baanych materiałó obya ię na otaie ynikó omiaró kąta zilżania cieczami omiaroymi. Wyznaczenie obonej energii oierzchnioej Najczęściej artość obonej energii oierzchnioej materiałó kontrukcyjnych określa ię oób ośreni ykorzytujący omiar kątó zilżania ybranymi cieczami omiaroymi. Itotę oziałyania omięzy ciałem tałym i cieczą oiuje rónanie Younga (1) [11, 17, 18, 19]. σ = σ + σ coθ S V S L L V V (1) gzie: σ SV naięcie oierzchnioe na granicy faz ciało tałe gaz, σ SL naięcie oierzchnioe na granicy faz ciało tałe ciecz, σ LV naięcie oierzchnioe na granicy faz ciecz gaz, Θ V rónoagoy kąt zilżania. Na ry. 1 rzetaiono oób urozczony graficzną interretację rónania Younga. Ry. 1. Graficzna interretacja rónania Younga oraz omiar kąta zilżania Z bilanu energetycznego la unktu rónoagi trzech faz rónanie to jet zaiane otaci (2): S V = S L + L V coθ (2) V gzie: ymbol oznacza oboną energię oierzchnioą, a ozotałe ymbole zachoują znaczenie, jak rónaniu (1). Najczęściej tooaną metoą o yznaczania obonej energii oierzchnioej jet metoa Oena- -Wenta, [11, 18], której rzyjęto, że obona energia oierzchnioa jet umą (3) óch kłaoych: yeryjnej (4) i olarnej (5): 38
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011 gzie: + = (3) kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej, kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej. ( ) 0,5 = ( coθ + 1) ( coθ + 1) 2 (4) = 21,8 [mj/m 2 ], = 50,8 [mj/m 2 ], = 2,3 [mj/m 2 ], = 48,5 [mj/m 2 ] [8, 9, 18, 21]. Pomiar kąta zilżania zaróno oą etyloaną, jak i ijoometanem był ykonany minimum zieięć razy na każej z baanych róbek. Na ry. 3 chematycznie rzetaiono tanoiko laboratoryjne o yntezy ozonu i moyfikacji arty ierzchniej baanych róbek. Baane róbki umiezczone były zklanej komorze reakcyjnej (5). ( ) 0,5 (coθ + 1) = 2 ( ) 2 (5) gzie: obona energia oierzchnioa ijoometanu, kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej ijoometanu, obona energia oierzchnioa oy, kłaoa yeryjna obonej energii oierzchnioej oy, kłaoa olarna obonej energii oierzchnioej oy, Θ kąt zilżania ijoometanem, Θ kąt zilżania oą. Stanoiko baacze Na ry. 2 rzetaiono oób urozczony chemat blokoy omiaru kąta zilżania oraz yznaczenia na jego otaie obonej energii oierzchnioej. Użyte ciecze omiaroe były nanozone otaci kroli o tałej objętości 4 µl na baaną oierzchnię oób automatyczny rzez mechanizm goniometru. Ry. 2. Schemat blokoy omiaru kąta zilżania oraz yznaczenia SEP Do omiaró kąta zilżania użyto óch cieczy omiaroych: oy etyloanej oraz ijoometanu. Przyjęto natęujące artości tałych obonych energii oierzchnioych cieczy omiaroych oraz ich kłaoych olarnej i yeryjnej: = 72,8 [mj/m2 ], = 51,0 [mj/m 2 ], Ry. 3. Schemat tanoika o ozonoania: 1 koncentrator tlenu, 2 rzełyomierz z regulacją, 3 generator ozonu, 4 miernik tężenia ozonu, 5 komora reakcyjna, 6 róbki oaane moyfikacji arty ierzchniej, 7 etruktor ozonu, 8 omka ąca Wyniki baań Prze rzytąieniem o omiaró kątó zilżania cieczami omiaroymi okonano omiaró chrooatości baanych róbek. Do omiaru chrooatości zatooano rofilografometr firmy Taylor Hobon Surtronic3+. Długość ocinka elementarnego rzyjęto g tabeli [7] na oziomie L c = 0,8mm. W tabeli 1 rzetaiono yniki omiaró chrooatości la róbek ykonanych ze tou aluminium EN-AW-1050A. Tabela 1. Chrooatość oierzchni baanych róbek ykonanych ze tou aluminium EN-AW-1050A (A1) Nr róbki Ra Rq Rz Rt Ry Rm 1 1,23 1,70 8,27 12,73 12,00 75,67 2 1,27 1,60 8,07 9,97 9,57 90,00 3 1,97 0,87 4,77 7,53 7,47 79,67 4 0,73 0,96 5,17 7,13 7,00 81,67 5 0,85 1,09 5,73 8,60 8,27 80,33 6 0,95 1,25 6,27 8,87 8,27 72,67 7 0,85 1,18 6,00 9,87 9,07 65,33 Baane róbki, ykonane ze tou aluminium EN-AW-1050A (A1) i ze tou EN-AW-2017A (PA6), rze omiarem chrooatości były oane obróbce mechanicznej za omocą narzęzia nayoego o ziarnitości P320 celu uunięcia arty fizyorcyjnej i itniejących tlenkó oraz naania chrooatości truk- 39
tury nieukierunkoanej. W tabeli 2 rzetaiono yniki omiaró chrooatości la róbek ykonanych ze tou aluminium EN-AW-2017A (PA6). Tabela 2. Chrooatość oierzchni baanych róbek ykonanych ze tou aluminium EN-AW-2017A (PA6) Nr róbki Ra Rq Rz Rt Ry Rm 1 0,61 0,87 4,00 6,77 6,60 83,67 2 0,63 0,85 4,33 5,93 5,93 85,00 3 0,50 0,63 3,47 4,60 4,30 77,00 4 0,53 0,69 3,60 4,47 4,23 68,00 5 0,65 0,83 4,00 5,07 5,07 89,00 6 0,59 0,79 4,00 5,93 5,73 78,67 7 0,54 0,75 4,00 6,30 6,07 71,33 Jak można zauażyć, chrooatość oierzchni o obróbce tych amych arunkach analizoanych toó Al itotnie ię różni. Jak iaomo, nie jet to bez łyu na metoologiczne aekty baania kątó zilżania. Warto jenak określić obrą otarzalność arametró chrooatości la anej gruy materiału. Dla anej gruy materiałoej oraz la każej z erii baań analizoano o ieem róbek. Wartości obonej energii oierzchnioej, yznaczonej na otaie omiaró kąta zilżania cieczami omiaroymi, uśreniono i rzetaiono na ryunkach 4 9. Na ry. 4 rzetaiono ły tężenia ozonu rzy tałym czaie ozonoania na artość obonej energii oierzchnioej tou aluminium EN-AW-1050A (A1). Na ry. 5 rzetaiono artości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej o ozonoaniu tou aluminium EN-AW-1050A (A1). Charakterytyczny jet itotny zrot artości kłaoej olarnej, który był około trzykrotnie yżzy tounku o róbek oczyzczonych oób mechaniczny i otłuzczonych. Ry. 5. Wartości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej o ozonoaniu tou aluminium EN-AW-1050A (A1) Ry. 6. Wły tężenia ozonu, rzy tałym czaie ozonoania (0,25 h), na artość obonej energii oierzchnioej tou aluminium EN-AW-2017A (PA6) Ry. 7. Wartości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej o ozonoaniu tou aluminium EN-AW-2017A (PA6) Ry. 4. Wły tężenia ozonu, rzy tałym czaie ozonoania (0,25 h), na artość obonej energii oierzchnioej tou aluminium EN-AW-1050A (A1) Na ry. 6 rzetaiono ły tężenia ozonu rzy tałym czaie ozonoania na artość obonej energii oierzchnioej tou aluminium EN-AW-2017A (PA6). Na ry. 7 rzetaiono artości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej o ozonoaniu tou aluminium EN-AW-2017A (PA6). Poobnie jak rzyaku tou EN-AW-1050A (A1) oberujemy znaczącą ynamikę zrotu artości kłaoej olarnej SEP o ozonoaniu. Na ry. 8 orónano artości obonej energii oierzchnioej baanych toó aluminium o ozonoaniu arunkach różnego tężenia ozonu. Na ry. 9 orónano artości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej baanych toó aluminium o ozonoaniu. Zaróno la tou aluminium EN-AW-1050A (A1), jak i la EN-AW-2017A (PA6) zauażono znaczny zrot artości kłaoej olarnej, 40
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2011 który był około trzykrotnie yżzy tounku o baanych róbek rze moyfikacją arty ierzchniej atmoferze ozonu., mj/m 2 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 12 Stężenie ozonu, g/m 3 EN-AW-1050A (A1) EN-AW-2017A (PA6) Ry. 8. Wartości obonej energii oierzchnioej la toó aluminium: EN-AW-1050A (A1) i EN-AW-2017A (PA6) o ozonoaniu, cza ozonoania 0,25 h Ry. 9. Wartości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej la toó aluminium: EN-AW-1050A (A1) i EN- -AW-2017A (PA6) o ozonoaniu Z rzetaionych na ryunkach rezultató omiaró ynika ozytyny ły ozonoania na artość obonej energii oierzchnioej, a złazcza na jej kłaoą olarną. Wnioki Na otaie analizy rzeroazonych baań można rzetaić natęujące nioki: Dla toó aluminium analizoanych racy, ażnej gruy materiałó tooanych rzemyśle lotniczym, aktyoanie energetyczne arty ierzchniej atmoferze ozonu może być alternatyą la tooanych obecnie meto chemicznych, jeżeli funkcją celu jet onieienie artości obonej energii oierzchnioej. Znaczny rzyrot artości obonej energii oierzchnioej uzykano, toując yżze tężenie ozonu, rzy tym amym czaie ekozycji, kazuje to na możliość kracania tej oeracji. Szczególnie itotnym efektem jet znaczny zrot artości kłaoej olarnej obonej energii oierzchnioej o roceie ozonoania, co może mieć itotne znaczenie kontytuoaniu ytrzymałości ługotrałej kontrukcyjnych ołączeń klejoych. Ozonoanie może być roekologiczną technologią ykorzytyaną rzemyśle, zęzie tam gzie ahezja ogrya ażną rolę, jenak zatooanie rzemyśle mui być oarte alzymi baaniami. Ważnym roblemem o analizy jet ły ozonoania na ytrzymałość ołączeń ahezyjnych: czy ziękzenie artości SEP bezośrenio oraia ytrzymałość, czy też orotnie, ołabia ytrzymałościoo artę ierzchnią materiału, torząc ołączeniu ahezyjnym ołabiającą artekę graniczną. Baania realizoane ramach Projektu Wykorzytanie ozonoania jako ekologicznej metoy moyfikacji łaściości arty ierzchniej materiałó kontrukcyjnych, Nr 2965/B/T02201039. LITERATURA 1. Blicharki M.: Inżynieria oierzchni. Wyanicto Naukoo-Techniczne, Warzaa 2009. ISBN 978-83-204-3421-7. 2. Catalo F., Angelini G.: Some aect of the ozone egraation of oly(vinyl alcohol). Polymer Degraation an Stability 91 (2006) 2793 2800. 3. Catalo F.: Stability of olyyne in air an their egraation by ozonolyi. Polymer Degraation an Stability 91 (2006) 317 323. 4. Catalo F.: The action of ozone on olymer having unconjugate an cro or linearly conjugate unaturation: chemitry an technological aect. Polymer Degraation an Stability 73 (2001) 511-520. 5. Chiboki E., Gonzalez-Caballero F.: Interretation of contact angle hyterei. Journal of Aheion Science an Technology. 11 (1993) 1195 1209. 6. Frierich J., Wigant L., Unger W., Liitz A., Wittrich H.: Corona, ark an combine UV an ozone moification of olymer film WeBP23. Surface an Coating Technology 98 (1998) 879 885. 7. Humienny Z. (re.): Secyfikacje Geometrii Wyrobó (GPS) ykła la uczelni technicznych. Oficyna yanicza PW, 2001,. 540. 8. Jańczuk B., Białoiotroicz T.: Sobona energia oierzchnioa niektórych olimeró. Polimery. 32 (1987) 269 271. 9. Kłonica M., Kuczmazeki J.: Analiza energetyczna arty ierzchniej o ozonoaniu materiałó kontrukcyjnych tooanych rzemyśle lotniczym. Inżynieria oierzchni. Wybrane zaganienia. Monografie, Stuia, Rozray M17 o reakcję Bogana Antozekiego. Politechnika Śiętokrzyka, Kielce 2011. PL ISSN 1897-2691,. 171 180. 10. Kłonica M., Kuczmazeki J., Ozonek J.: Ocena orónacza łaściości energetycznych arty ierzchniej tou tytanu. Inżynieria Materiałoa nr 5 (171) 2009,. 396 399. 11. Kuczmazeki J.: Funamental of metal-metal aheive joint eign. Politechnika Lubelka. Oział PAN Lublinie, 2006. ciąg alzy tr. 46 41
chromianoania (rzy użyciu określonych czynnikó i arametró roceu) otrzymano najniżze yniki ytrzymałości baanych ołączeń. Wyniki te uzykano, toując określone arametry technologiczne roceu. Praooobnie zatooanie innych arametró ozoli na otrzymanie różnej ytrzymałości ołączeń klejoych. Praca realizoana ramach rojektu nr POIG. 01.01.02-00-015/08 Programie Oeracyjnym Innoacyjna Gooarka (POIG). Projekt ółfinanoany rzez Unię Euroejką ze śrokó Euroejkiego Funuzu Rozoju Regionalnego. LITERATURA 1. Gozimirki J.: Czynniki kztałtujące ytrzymałość ołączeń klejoych. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 4/1994. 2. Czalicki J. i in.: Klejenie torzy kontrukcyjnych, WKŁ, Warzaa 1987. 3. Gozimirki J.: Wytrzymałość oraźna kontrukcyjnych ołączeń klejoych. WNT, Warzaa 2002. 4. Gozimirki J., Kozakieicz J., Łunarki J., Zielecki W.: Kontrukcyjne ołączenia klejoe elementó metaloych buoie mazyn, Oficyna Wyanicza Politechniki Rzezokiej, Rzezó 1997. 5. Ruaka A., Łukaieicz M.: Wły obróbki mechanicznej na ytrzymałość ołączeń klejoych ybranych materiałó kontrukcyjnych. Przeglą Saalnicta nr 8/2008. 6. Critchlo G.W., Yenall K.A., Barani D., Quinn A., Are F.: Strategie for the relacement of chromic aci anoizing for the tructural boning of aluminium alloy. Int. J. Aheion an Aheive, 26/2006. 7. Kuczmazeki J.: Technologia Śmigłocó. Teoria i technika klejenia. Wyanicta Uczelniane PL, Lublin 1990. 8. Ruaka A., Kuczmazeki J.: Klejenie blach ocynkoanych. Wyanicta Uczelniane PL, Lublin 2005. 9. Kleje i klejenie. Poranik inżyniera i technika, Praca zbioroa o re. Ch. V. Cagle a. WNT, Warzaa 1977. Dr inż. Anna Ruaka jet raconikiem Katery Pota Inżynierii Proukcji Politechniki Lubelkiej. Mateuz Chruściel jet raconikiem Zakłaó Lotniczych PZL Śinik S.A. ciąg alzy ze tr. 41 12. Kiatkoki M., Kłonica M., Kuczmazeki J., Ozonek J.: Zatooanie roceu ozonoania o moyfikacji łaściości energetycznych arty ierzchniej oliamiu PA6. Monografia Komitetu Inżynierii Śrooika Polkiej Akaemii Nauk vol. 59. III Kongre Inżynierii Śrooika, Polka inżynieria śrooika ięć lat o tąieniu o Unii Euroejkiej. Tom 2 o reakcją Januza Ozonka, Artura Pałokiego, Lublin 2009.. 71 80. 13. Mahfouh A., Poncin-Éaillar F., Moian M., Barbeau J.: Effect of ry-ozone exoure on ifferent olymer urface an their reulting biocial action on orulate bacteria. Surface Science 604 (2010) 1487 1493. 14. Ozonek J.: Laboratorium yntezy ozonu. Wyanicta Uczelniane, Politechnika Lubelka, Lublin 1993. 15. Ozonek J.: Ozon uzatnianiu oy i oczyzczaniu zanieczyzczeń rzemyłoych. Ekoinżynieria, 7(1996), 20 24. 16. Ozonek J., Fijałkoki S.: Energetyczne i roceoe aekty roukcji i zatooań ozonu technice. Monografie Komitetu Inżynierii Śrooika PAN, Lublin 2007. 17. Ruaka A., Jacniacka E.: Analyi for etermining urface free energy uncertainty by the Oen-Went metho. International Journal of Aheion & Aheive 29 (2009) 451 457. 18. Ruaka A., Kuczmazeki J.: Surface free energy of zinc coating after finihing treatment. Material Science, Vol 24, No. 4 (2006). 19. Shalel-Levanon S., Marmur A.: Valiity an accuracy in evaluating urface tenion of oli by aitive aroache. Journal of Colloi an Interface Science 262 (2003) 489-499. 20. Żenkieicz M.: Porónacza ocena niektórych meto obliczania obonej energii oierzchnioej aktyoanej folii olietylenoej. Polimery 33 (1988) 328 331. 21. Żenkieicz M.: Ahezja i moyfikoanie arty ierzchniej torzy ielkocząteczkoych. WNT, Warzaa 2000. 22. Żenkieicz M.: Analiza głónych meto baania obonej energii oierzchnioej materiałó olimeroych. Polimery 52 (2007) 760 767. Prof. r hab. inż. Józef Kuczmazeki i mgr inż. Mariuz Kłonica ą raconikami Katery Pota Inżynierii Proukcji Politechniki Lubelkiej. 46