Mikrostruktura KPG-B

Badania morfologii powierzchni przełomów, uzyskiwanych w wyniku kruchego łamania próbek w ciekłym azocie oraz morfologii powierzchni pochodzących z badań wytrzymałości na rozciąganie KPG-B, wykonano z wykorzystaniem metod SEM i TEM. Do badań wytypowano dwie odmiany kompozytów otrzymanych z lanych elastomerów uretanowych

LEU-B, zsyntezowanych przy stosunku molowym NCO/OH wynoszącym 1,00/1 i 1,20/1 oraz recyklatu gumowego zastosowanego w ilości od 10 do 90% mas. Kompozyty otrzymane przy stosunku NCO/OH równym 1,0/1 oraz 1,2/1 i różnej zawartości recyklatu gumowego oznaczono w pracy skrótami KPG-B-1,0-(10-90%) i odpowiednio KPG-B-1,2-(10-90%).

Wybór dwóch odmian KPG-B, różniących się strukturą poliuretanowych osnów oraz właściwościami mechanicznymi, umożliwił określenie w KPG-B współzależności pomiędzy morfologią materiałów kompozytowych, a ich składem. W oparciu o uzyskane rezultaty ustalono również wpływ ilości recyklatu gumowego oraz struktury poliuretanowej osnowy, na rodzaj i zakres defektów powstających w badanych kompozytach, podczas ich mechanicznego rozrywania.

Na rysunku 116 przedstawiono obrazy powierzchni kruchych przełomów KPG-B zarejestrowane za pomocą SEM. Analiza mikrostruktur obecnych w przełomach badanych kompozytów wykazała wyraźny wpływ ilości recyklatu gumowego, na rodzaj i zakres defektów powstałych podczas kruchego łamania KPG-B. W przypadku KPG-B posiadających osnowy o stosunku NCO/OH równym 1,0/1 i 1,2/1, zawierających w swym składzie 20% mas. recyklatu gumowego, na zdjęciach zamieszczonych na rys. 116 A i B wyróżnić można obszary (oznaczone okręgami), które wskazują na obecność w kruchych przełomach KPG-B ziaren recyklatu gumowego rozerwanych podczas łamania próbek.

Obecność omawianych mikrostruktur zauważono w przypadku obu badanych materiałów, co wskazuje na brak wpływu struktury osnowy na obserwowany mechanizm pękania KPG-B.

Jak wynika z topografii powierzchni badanych przełomów, dalszy kierunek pękania próbek przebiega promieniście od źródła powstałego defektu i nie wywołuje odrywania ziaren recyklatu gumowego od powierzchni osnowy. Jest to dowodem wysokiej adhezji recyklatu gumowego do poliuretanowej osnowy, w temperaturze kruchego zeszklenia komponentów użytych do otrzymania kompozytów.

W przypadku badań mikroskopowych KPG-B zawierających 80% mas. recyklatu gumowego, morfologia powierzchni ich przełomów wskazuje na zupełnie odmienny mechanizm pękania kompozytów. Jak wynika ze zdjęć zamieszczonych na rys. 116 B i C naprężenia wywołane zginaniem próbki w ciekłym azocie powodują adhezyjne odrywanie ziaren recyklatu gumowego od osnowy. Wskazują na to oznaczone strzałkami cząstki recyklatu, które uległy wyrwaniu z osnowy tworząc centrum mikropęknięcia KPG-B

Na podstawie analizy zdjęć SEM kruchych przełomów KPG-B można wnioskować, że głównym czynnikiem determinującym wytrzymałość kompozytów na ich kruche łamanie, w przypadku materiałów zawierających 20% mas. recyklatu, jest wytrzymałość mechaniczna

ich ziaren. Natomiast przy wysokich zawartościach recyklatu własności mechaniczne KPG-B wynikają z siły oddziaływań zachodzących między cząstkami recyklatu, a poliuretanową osnową.

A) KPG-B-1,00/1-10% B) KPG- B -1,20/1-10%

C) KPG- B -1,00/1-80% D) KPG- B -1,20/1-80%

Rys. 116 Obrazy morfologii powierzchni kruchych przełomów KPG- B, otrzymane przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego.

Wyniki obserwacji próbek kompozytów poliuretanowo-gumowych z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) przedstawiono na rys. 117. W przypadku badań elektronomikroskopowych (TEM) analizie poddano próbki KPG-B o stosunku molowym NCO/OH wynoszących odpowiednio 1,00/1 i 1,20/1, zawierające w swym składzie od 10% do 90% mas. recyklatu gumowego.

A) KPG-B-1,00/1-10% B) KPG-B-1,20/1-20% C) KPG-B-1,20/1-30%

D) KPG-B-1,00/1-40% E) KPG-B-1,20/1-50% F) KPG-B-1,00/1-60%

G) KPG-B-1,00/1-70% H) KPG-B-1,20/1-80% I) KPG-B-1,00/1-90%

Rys. 117 Obrazy morfologii powierzchni kruchych przełomów KPG-B, otrzymane przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

Badania morfologii powierzchni kruchych przełomów kompozytów KPG-B, wykonane metodą TEM wykazały, że wzrost zawartości recyklatu wywołuje tworzenie się w ich strukturze aglomeratów o dużych rozmiarach, ale i o różnym stopniu nieuporządkowania.

Wyraźnie widoczne jest to na wszystkich zaprezentowanych zdjęciach. Obserwowane na rysunkach 117 A i B ziarna recyklatu gumowego posiadają regularny kształt i ostre krawędzie, co jest charakterystyczną cechą tego typu materiału, który otrzymywany jest podczas kriogenicznego kruszenia poużytkowych opon samochodowych.

W przypadku analizy mikrostruktur obecnych w poliuretanowej osnowie przeprowadzone badania TEM potwierdziły wpływ stosunku molowego NCO/OH na morfologie ich powierzchni. Zdjęcia TEM kompozytów KPG-B, otrzymanych z LEU-B zsyntezowanych przy stosunku molowym NCO/OH=1,0/1, wskazują na niepromienisty (nieradialny) charakter pękania osnów, który jest charakterystyczny dla poliuretanów liniowych (nieusieciowanych).

Natomiast w osnowie KPG-B otrzymanej z LEU-B o stosunku molowym NCO/OH wynoszącym 1,2/1, na rys. 117 B, widoczny jest promienisty wzór pękania z wyraźnie zaznaczonymi poszczególnymi figurami mikropęknięć oraz obecnością fazy rozproszonej I rodzaju. Wskazuje to na występowanie w osnowach tych kompozytów, lanych elastomerów uretanowych o strukturze silnie usieciowanej za pomocą wiązań allofanianowych.

Widoczne na prezentowanych zdjęciach TEM ziarna recyklatu oraz ich agregacje w postaci czarnych obszarów świadczą o tym, że podczas łamania próbek odrywają się one od osnowy. Powierzchnia przełomu przebiega, więc w przypadku wszystkich obserwowanych próbek na granicy pomiędzy fazą gumowa, a poliuretanową. W konsekwencji wskazuje to na fakt propagacji pęknięć próbek podczas kruchego łamania na granicy osnowa-recyklat, co wskazuje na adhezyjny mechanizm pękania próbek KPG-B. Jednak podobnie jak w przypadku kompozytów KPG-A, na rysunku 117 F, zauważyć można obszar (zaznaczony białym okręgiem), w których granica pękania przebiega w powierzchni przełomu ziaren recyklatu gumowego (przełomy transziarniste). W tych obszarach rozerwanie KPG-B ma charakter rozdzierania.

Obrazy SEM dla powierzchni dekohezji próbek KPG-B uzyskanych w badaniach ich wytrzymałości na rozciąganie przedstawiono na rys. 118. W tyn przypadku przedmiotem badań SEM były KPG-B zawierające w swym składzie recyklat gumowy, zastosowany w ilości 20% i 80% mas. Natomiast osnowę analizowanych kompozytów zsyntezowano z LEU-B o stosunkach molowych grup NCO/OH równych 1,0/1 i 1,2/1.

A) KPG-B-1,00/1-20% B) KPG-B-1,20/1-20%

C) KPG-B-1,00/1-40% D) KPG-B-1,20/1-40%

E) KPG-B-1,00/1-80% F) KPG-B-1,20/1-80%

Rys. 118 Obrazy SEM morfologii powierzchni przełomów uzyskanych podczas jednoosiowego rozciągania KPG-B, zawierających 20, 40 i 80% mas. recyklatu gumowego.

Analiza topografii powierzchni na rys. 118 potwierdza heterofazową mikrostrukturę kompozytów, postulowaną na podstawie wyników analiz DMTA. Świadczy o tym obecność przełomów ziaren recyklatu gumowego, wyraźnie odróżniających się od poliuretanowej osnowy. Ziarna recyklatu gumowego nie zostały zmienione podczas ich przetwarzania w celu

uzyskania kompozytów i posiadają nadal regularny kształt i ostre krawędzie, charakterystyczne dla kriogenicznego kruszenia poużytkowych opon samochodowych.

Na podstawie analizy rezultatów badań ukazujących morfologię powierzchni przełomów KPG-B zawierających w swym składzie 20% i 40 % mas. recyklatu gumowego można stwierdzić, że wielkość stosunku molowego NCO/OH poliuretanowej osnowy nie wywiera wyraźnego wpływu na mechanizm rozrywania kompozytów, podczas ich jednoosiowego rozciągania. W KPG-B posiadających osnowę zsyntezowaną przy stosunku NCO/OH równym 1,00/1 i 1,20/1, zawierających 20% i 40% mas. RG-1, w powierzchniach ich przełomów przedstawionych na rys. 118 A i D wyróżnić można ziarna (oznaczone strzałkami), których morfologia powierzchni wskazuje na ich rozerwanie. Dowodzi to, że recyklat gumowy w tych materiałach wykazuje pewne oddziaływania adhezyjne z osnową, w wyniku czego podczas rozciągania próbek odkształca się razem z nią, do momentu przekroczenia jego granicznej wytrzymałości na rozciąganie. W wyniki tego ziarna recyklatu zostają rozerwane tworząc centrum mikropęknięcia, które inicjuje zerwanie próbek kompozytu. Poparciem tego stwierdzenia są wyniki badań właściwości mechanicznych kompozytów, które wykazały brak wpływu stosunku NCO/OH (w badanych przepadkach) na wytrzymałość na rozciąganie KPG-B.

Z kolei badania morfologii powierzchni KPG-B-1,00/1 posiadających w swym składzie 80% mas. recyklatu gumowego oraz KPG-B-1,20/1 zawierających 20% mas. RG-1, wskazują na zupełnie odmienny mechanizm rozrywania tych dwóch odmian kompozytów. Jak wynika ze zdjęć zaprezentowanych na rys. 118 D, podczas jednoosiowego rozciągania KPG-B koncentracja naprężeń w obszarze pojedynczych ziaren recyklatu gumowego, powoduje ich odrywanie od poliuretanowej osnowy. Wskazują na to ciemne obszary oznaczone na rys. 118 E okręgami, które przedstawiają miejsca po wyrwanych ziarnach recyklatu oraz same ziarna oderwane od jednej z powierzchni osnowy. Świadczy to o słabych oddziaływaniach adhezyjnych recyklatu gumowego z tym typem osnowy, które prowadzą do wytworzenia w KPG-B defektów, inicjujacych ich rozrywanie podczas rozciągania. Natomiast w materiałach KPG-B-1,20/1, zawierających taką sama ilość recyklatu gumowego (80% mas.), na rysunku 118 F wyróżnić można obszary (oznaczone strzałkami), w których widoczne są ziarna recyklatu, które zostały rozerwane podczas rozciągania KPG-B. Wynika z tego, że osnowa KPG-B o stosunku molowym NCO/OH równym 1,20/1 wykazuje lepsze oddziaływania międzyfazowe z recyklatem, niż lane elastomery uretanowe zsyntezowane przy równomolowym stosunku grup NCO i OH. Ma to swoje odzwierciedlenie w wynikach własności mechanicznych kompozytów, które zostały omówione w p. 6.3.2.2.