390 Pawe³ PALUTKIEWICZ, Adam GNATOWSKI, Justyna POLICIÑSKA Pawe³ PALUTKIEWICZ, PALUTKIEWICZ*, Adam GNATOWSKI, Justyna POLICIÑSKA Politechnika Czêstochowska, Instytut Technologii Mechanicznych * e-mail palutkiewicz@ipp.pcz.pl Badanie wybranych w³aœciwoœci i struktury transparentnego ABS z dodatkiem poroforu i piasku kwarcowego Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badañ kompozytu ABS piasek kwarcowy z dodatkiem poroforu. Przedstawiono wyniki badañ oraz sposób wykonania kompozytów. Badania obejmowa³y pomiary masy i gruboœci próbek oraz zmiany w³aœciwoœci mechanicznych, Przeprowadzono analizê struktury badanych materia³ów z wykorzystaniem mikroskopii optycznej. Zarejestrowano zmiany w³aœciwoœci mechanicznych, masy oraz gruboœci próbek badanych materia³ów w odniesieniu do terpolimeru akrylonitryl-butadien-styrenu. W badaniach mikroskopowych kompozytu z dodatkiem poroforu zaobserwowano zmniejszenie efektu porowania ABS. S³owa kluczowe: kompozyty, w³aœciwoœci mechaniczne, struktura, ABS, piasek kwarcowy, porofor THE INVESTIGATIONS OF SELECTED PROPERTIES AND STRUCTURE OF MOULDED PARTS FROM TRANSPARENT ABS WITH ADDITIONS OF THE BLOWING AGENT AND QUARTZ SAND Summary. The results of investigations of the ABS composite with quartz sand and with the addition of a blowing agent was presented in this work. This article presents results of measurements of weight and thickness of the parts, changes in their mechanical properties, and structure analysis carried out using the microscope investigations. The changes in mechanical properties, and also changes in weight and thickness of the parts wall has been shown. The structure investigations of the ABS quartz sand composite with the addition of blowing agent reducing foaming effect was observed. Keywords: composites, mechanical properties, structure, ABS, quartz sand, blowing agent 1. WPROWADZENIE Modyfikowane kompozyty polimerowe stanowi¹ dobrze rozwijaj¹c¹ siê grupê materia³ów o szerokim zastosowaniu. Szeroka gamma zastosowania powoduje, e modyfikowane kompozyty polimerowe bardzo czêsto wypieraj¹ z zastosowania elementy pochodzenia metalowego. Ponadto mo liwoœæ zastosowania ró nych typów modyfikacji pozwala na polepszenie ró nych w³aœciwoœci np. mechanicznych [1-7]. Modyfikacji mo na dokonaæ na drodze chemicznej, fizycznej lub fizykochemicznej. G³ównym celem modyfikacji mo e byæ polepszenie w³aœciwoœci u ytkowych, w³aœciwoœci przetwórczych, stabilnoœci wymiarowej, sztywnoœci i wiele innych. Nie jest mo liwe uzyskanie polepszenia we wszystkich wspomnianych wczeœniej aspektach. Nale y projektowaæ i wytwarzaæ materia³y o w³aœciwoœciach spe³niaj¹cych wymagania do produkcji wyrobów zgodnie z przewidzianym zastosowaniem [1,3,4]. Celem badañ jest analiza zmian w³aœciwoœci mechanicznych i struktury akrylonitryl-butadien-styrenu (ABS) modyfikowanego piaskiem kwarcowym i poroforem. Strukturê porowat¹ wyprasek wtryskowych uzyskuje siê w wyniku rozk³adu lub reakcji poroforu z tworzywem ciek³ym w temperaturze przetwórstwa, wydzielaniu siê gazowych produktów rozk³adu (azotu, wodoru lub dwutlenku wêgla) i ich mieszaniu z tworzywem uplastycznionym [8,9]. Proces porowania mo e byæ realizowany przy zastosowaniu wtryskarek konwencjonalnych bez specjalistycznego oprzyrz¹dowania, co w sposób istotny wp³ywa na koszty wytwarzania. Porofory w niewielkich iloœciach mo na stosowaæ miêdzy innymi w celu polepszenia jakoœci wyprasek, g³ównie redukcji ich skurczu i zapadniêæ [8,9]. Coraz powszechniej wykorzystuje siê wypraski mikroporowate, jak równie wypraski z kompozytów ze wzglêdu na mo liwoœæ obni enia kosztów wytwarzania. Porofory pozwalaj¹ na zmniejszenie czasu docisku a nawet na ca³kowite jego wyeliminowanie przy zachowaniu dobrego odwzorowania gniazda formy [8-10]. 2. MATERIA I METODYKA BADAÑ W badaniach stosowano ABS o nazwie handlowej Polylac 758 Transparent firmy Chi Mei Corporation o temperaturze miêknienia wg Vicata wynosz¹cej 104 C wyznaczonej metod¹ A50 (50 C/h, 10N) i 96 C metod¹ B50 (50 C/h, 50N) oraz objêtoœciowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MVR) równym 34 ml / 10 min (wyznaczonym w temperaturze 220 C i przy obci¹ eniu 10 kg). Strukturê porowat¹ wyprasek uzyskano przez dodanie do tworzy- Tabela 1. W³aœciwoœci i sk³ad nape³niacza [11] Rodzaj nape³niacza piasek o drobnym uziarnieniu Frakcja g³ówna 0,10/0,016/0,071 WskaŸnik jednorodnoœci 91% Temperatura spiekania 1550 C Wilgotnoœæ do 5,5% Sk³ad chemiczny SiO 2 99,2% Fe 2 O 3 0,1% Wêglany 0,08%
Badanie wybranych w³aœciwoœci i struktury transparentnego ABS z dodatkiem poroforu i piasku kwarcowego 391 Tabela 2. Parametry wtryskiwania ABS ABS + 30% piasku ABS + 2% poroforu Temperatura wtryskiwania, C 220 ABS + 30% piasku + 2% poroforu Ciœnienie docisku, MPa 80 80 0 0 Prêdkoœæ wtryskiwania, mm/s 40 Czas wtrysku, s 0,9 2 1,6 2 Czas docisku, s 20 20 0 0 Czas ch³odzenia, s 10 10 20 15 Temperatura formy, C 20 wa ABS 2% poroforu Hostatron P 1941 firmy Clariant, w postaci granulatu (30% substancji czynnej, 70% noœnika PE-LD), o endotermicznym przebiegu rozk³adu i temperaturze dekompozycji 200 C. Do tworzywa dodano równie 30% piasku kwarcowego produkcji GRUDZEÑ LAS Sp. z o.o. W tabeli 1 zestawiono w³aœciwoœci i sk³ad nape³niacza. Tworzywo zosta³o zmieszane z piaskiem i z poroforem przed procesem uplastyczniania. Próbki badawcze mia³y postaæ wiose³ek do statycznej próby rozci¹gania o gruboœci 4 mm, zgodnie z norm¹ PN-EN ISO527-2:1998. W badaniach strukturalnych nape³nionego tworzywa z poroforem stosowano równie próbki badawcze w postaci wyprasek schodkowych o zmiennej gruboœci, od 3 do 6 mm. Taki kszta³t próbki umo liwi³ ocenê wp³ywu gruboœci œcianki wypraski na przebieg procesu porowania nape³nionego tworzywa. Kszta³t i wymiary takich próbek przedstawiono na rysunku 1. Próbki wytwarzano przy u yciu wtryskarki KM65-160 C4 firmy Krauss-Maffei o sile zamykania 650 kn. Wypraski wytwarzano z nastêpuj¹cym materia³ów: nienape³nionego tworzywa ABS, ABS nape³nionego 30% piasku kwarcowego, ABS z dodatkiem 2% poroforu, ABS nape³nionego 30% piasku kwarcowego i z 2% zawartoœci¹ poroforu. W przypadku wyprasek z dodatkiem poroforu, mo liwe by³o wytwarzanie wyprasek bez ciœnienia docisku i skrócenie cyklu wtryskiwania. Ze wzglêdu na odmienne w³aœciwoœci reologiczne tworzywa nape³nionego. W celu wykonania poprawnych wyprasek, konieczne by³o zastosowanie zmiennych parametrów wtryskiwania dla ka - dego cyklu Warunki wtryskiwania zastosowane w badaniach przedstawiono w tabeli 2. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie ( m ) i wyd³u enie przy sile maksymalnej ( m ) okreœlono w statycznej próbie jednoosiowego rozci¹gania. Badania przeprowadzono przy u yciu maszyny wytrzyma³oœciowej Inspekt Desk 20 firmy Hegewald & Peschke. Prêdkoœæ rozci¹gania wynosi³a 50 mm/min. Okreœlono masê wyprasek z jednego gniazda formy, a uzyskane wyniki uœredniono stosuj¹c œredni¹ arytmetyczn¹. Masê wyprasek wyznaczano z dok³adnoœci¹ ±0,1 mg przy u yciu wagi laboratoryjnej typu CP225 firmy Sartorius, z zamkniêt¹ przestrzeni¹ pomiarow¹. Gruboœæ wyprasek zosta³a zmierzona w œrodkowej czêœci wyprasek za pomoc¹ mikrometru cyfrowego, z dok³adnoœci¹ ±0,01 mm. Udarnoœæ (a cu ) badano dla kszta³tek bez karbu metod¹ Charpy ego. Badania przeprowadzano na m³ocie Charpy-Izod 25 J Model IT 503 firmy Toropol, z oprogramowaniem Impact. Pomiary wykonywano zgodnie z norm¹ PN-EN ISO 179-2:2001 II 2001. Próbki badawcze do pomiarów udarnoœci o wymiarach 80 10 4 mm wyciêto z próbek do badania wytrzyma³oœci na rozci¹ganie. Badania strukturalne w przekroju prostopad³ym do kierunku przep³ywu tworzywa przeprowadzono w œwietle odbitym przy u yciu mikroskopu inspekcyjnego stereoskopowego Nikon SMZ800. Preparaty stosowane do obserwacji mia³y postaæ prze³omów uzyskanych z próbek o zmiennej wysokoœci gniazda formuj¹cego, przedstawionych na rysunkach 1 i 2 oraz z próbek do statycznej próby rozci¹gania o sta³ej gruboœci 4 mm. W przypadku badañ z wykorzystaniem wk³adki formuj¹cej o zmiennej wysokoœci, konieczne by³o wyznaczenie obszarów, w których dokonano obserwacji. Oznaczenia tych obszarów przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Wypraska wraz z elementami zestalonymi w kana³ach przep³ywowych uzyskiwana z wk³adki formuj¹cej stosowanej w badaniach z zaznaczonymi strefami o ró nej wysokoœci gniazda formuj¹cego 3. WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE Wyniki pomiarów w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Analizuj¹c wyniki
392 Pawe³ PALUTKIEWICZ, Adam GNATOWSKI, Justyna POLICIÑSKA Rys. 2. Wymiary wyprasek stosowanych w badaniach badañ mo na zauwa yæ, e dodanie piasku w iloœci 30% do tworzywa ABS przyczynia siê do 10% spadku wytrzyma³oœci na rozci¹ganie i 23% spadku wyd³u enia przy sile maksymalnej uzyskanych wyprasek w stosunku do wyprasek bez nape³niacza. Dodanie 2% poroforu do tworzywa przyczyni³o siê do spadku wytrzyma³oœci na rozci¹ganie i wyd³u enia o oko³o 20% przy sile maksymalnej, w odniesieniu do wyprasek z ABS nienape³nionego. W przypadku wyprasek uzyskiwanych z dodatkami piasku i poroforu, wyst¹pi³ najwiêkszy spadek wytrzyma³oœci (30%) i wyd³u enia przy sile maksymalnej (36%). Dodanie 30% piasku to tworzywa przetwarzanego przyczyni³o siê do wzrostu masy wyprasek o oko³o 17% w porównaniu do wyprasek litych, co jest oczywiste. Porofor w niewielkim stopniu mia³ wp³yw na zmniejszenie masy wyprasek zarówno litych, jak i z dodatkiem nape³niacza, kolejno o 5,5% dla wyprasek z dodatkiem poroforu (w stosunku do wyprasek z tworzywa nienape³nionego) i 8,5% dla wyprasek z dodatkiem poroforu i piasku (w stosunku do wyprasek z pisakiem) (Rys. 5). Najwiêksz¹ gruboœci¹ charakteryzowa³y siê wypraski uzyskane z ABS z dodatkiem piasku (Rys. 6). W przypadku wyprasek porowatych, zarówno nape³nianych jak i nienape³nianych, nie stwierdzono istotnych ró nic w Rys. 4. Wyd³u enie przy sile maksymalnej wyprasek z ABS uzyskanych z ró nymi dodatkami Rys. 3. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie wyprasek z ABS uzyskanych z ró nymi dodatkami Rys. 5. Masa wyprasek z ABS uzyskanych z ró nymi dodatkami
Badanie wybranych w³aœciwoœci i struktury transparentnego ABS z dodatkiem poroforu i piasku kwarcowego 393 Rys. 6. Gruboœæ wyprasek z ABS uzyskanych z ró nymi dodatkami Rys. 7. Udarnoœæ wyprasek z ABS uzyskanych z ró nymi dodatkami gruboœci w stosunku do wyprasek litych, pomimo nie stosowania ciœnienia docisku. Najwiêksza udarnoœci¹ charakteryzowa³y siê wypraski uzyskiwane z litego tworzywa bez nape³niacza (Rys. 7). Dodatek poroforu wp³yn¹³ na zmieszenie udarnoœci o 52,2% wyprasek nienape³nionych i nape³nionych. Stosowanie samego nape³niacza w postaci piasku kwarcowego przyczyni³o siê do zmniejszenia udarnoœci o 34,5% w porównaniu do wyprasek z litego ABS. Wyniki badañ strukturalnych w przekroju prostopad- ³ym do kierunku przep³ywu tworzywa przedstawiono na rysunkach 8 i 9. W pracy [1], w której badano strukturê wyprasek porowatych z polipropylenu z wykorzystaniem wk³adki foruj¹cej o zmiennej wysokoœci gniazda (od 1 do 4 mm) wykazano, e struktura porowata wystêpuje jedynie w strefach wypraski o wiêkszej gruboœci 3 i 4 mm, w których warunki œcinania tworzywa umo liwi³y powstanie i rozrost porów. Ponadto, w strefie o gruboœci 4 mm wystêpowa³a intensywniej sporowacona struktura ni w strefie o gruboœci 3 mm. Uzasadniono to faktem, e w strefie o wiêkszej gruboœci czas zestalenia tworzywa by³ d³u szy, intensywnoœæ œcinania by³a najmniejsza, co sprzyja³o rozrostowi porów. W badaniach omawianych w niniejszej Rys. 8. Prze³omy wyprasek z ABS z 30% zawartoœci¹ piasku i 2% zawartoœci¹ poroforu. Wypraski uzyskane z gniazda formuj¹cego o zmiennej wysokoœci
394 Pawe³ PALUTKIEWICZ, Adam GNATOWSKI, Justyna POLICIÑSKA a) b) c) Rys. 9. Prze³omy wyprasek typu wiose³ko z tworzywa ABS z piaskiem (a), z poroforem (b), z piaskiem i poroforem (c) pracy stwierdzono zmniejszenie sporowacenia struktury ABS z dodatkiem piasku kwarcowego. Dodatek piasku kwarcowego spowodowa³ zmniejszenie efektu porowania. Analizuj¹c obraz prze³omu próbek stwierdzono nierównomiernie rozmieszczone i tworz¹ce aglomeraty ziarna piasku kwarcowego. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania pozwoli³y stwierdziæ, e obecnoœæ poroforu i piasku kwarcowego w wypraskach z ABS pogarsza ich wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie i udarnoœæ. W badaniach mikroskopowych ABS modyfikowanego poroforem zaobserwowano strukturê porowat¹, w strefach wypraski o wiêkszej gruboœci, w których warunki œcinania tworzywa umo liwi³y powstanie i rozrost porów. Zastosowanie nape³niacza w postaci piasku kwarcowego o drobnym uziarnieniu i jego u³o enie wzd³u kierunku p³yniêcia mog¹ wp³ywaæ na zmniejszenie efektu porowania. Wynika st¹d prawdopodobieñstwo oddzia³ywañ miêdzycz¹steczkowych w polimerze, prowadz¹cych do zmniejszenia wp³ywu poroforu przy ch³odzeniu ABS z piaskiem kwarcowym. Publikacja wspó³finansowana w ramach projektu Nowoczesny in ynier przysz³oœci¹ naszej gospodarki atrakcyjne studia na kierunkach zamawianych nr UDA-POKL.04.01.02-00- -218/11-00 wspó³finansowanego ze œrodków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spo³ecznego, realizowana w ramach BS/PB-1-102-3060/2011/P. Literatura 1. Jurkowska B., Jurkowski B., Sporz¹dzanie kompozycji polimerowych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995. 2. Sterzyñski T., ŒledŸ I., Jednopolimerowe kompozyty polipropylenowe wytwarzanie, struktura, w³aœciwoœci, Polimery 2007, nr 6, 443-452. 3. Boci¹ga E., Palutkiewicz P., Szymañski D., Wybrane w³aœciwoœci i struktura wyprasek wtryskowych z polipropylenu z poroforem chemicznym. Praca zbiorowa pt. Materia³y polimerowe. CWA Regina Poloniae, Czêstochowa 2008, 15-23. 4. Gnatowski A., Wp³yw rodzaju nape³niacza na w³aœciwoœci wybranych mieszanin, Composites 2005, nr 2, 63-68. 5. Banasiak A., Sterzyñski T., W³aœciwoœci kompozytów polimerowych PE+talk, Composites 2002, nr 3, 126-130. 6. Królikowski W., Ros³aniec Z., Nanokompozyty polimerowe, Composites 2004, nr 9, 3-15 7. uchowska D., Polimery konstrukcyjne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995. 8. Bieliñski M., Techniki porowania tworzyw termoplastycznych, Wyd. Uczelnianie Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz 2004. 9. Boci¹ga E.: Specjalne metody wtryskiwania tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 2008. 10. B³êdzki A.K. (red.), Recykling materia³ów polimerowych. WNT, Warszawa 1997. 11. Witryna internetowa: www.grudzenlas.pl