Monika Trojanowska-Tomczak1, Ryszard Steller1
Streszczenie: W artykule dokonano oceny wpływu środków pomocniczych na właściwości mechaniczne kompozytów na bazie polichlorku winylu z 20% obj. zawartością niskotopliwego stopu Wooda. Wykonano trzy warianty próbek: kompozyty bez dodatków, z dodatkiem 1,5% wag. stearynianu cynku oraz 9 % wag. plastyfikatora. Na podstawie wyników badań nie stwierdzono wpływu stearynianu cynku na właściwości mechaniczne otrzymanych materiałów. Natomiast dodatek plastyfikatora zwiększył udarność kompozytów powodując jedynie nieznaczne zmniejszenie twardości i wytrzymałości na zginanie.
Słowa kluczowe: kompozyty, polichorek winylu, niskotopliwy stop metali, właściwości mechaniczne
1. Wprowadzenie
Kompozyty polimerowe, tak jak inne materiały kompozytowe, cieszą się nieustannie dużym zainteresowaniem inżynierów ze względu na swoje unikatowe cechy. Odpowiedni dobór matrycy i napełniacza daje bowiem możliwość sterowania ich właściwościami. Polimery poza kilkoma wyjątkami, takimi jak poliacetylen czy polianilina, nie przewodzą prądu elektrycznego. Aby zmienić ich właściwości elektryczne i termiczne stosuje się dodatki metali, które w matrycy polimerowej mogą występować w postaci włókien, proszków czy płatków. Układy takie są wykorzystywane np. jako powłoki antystatyczne lub osłony pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne [1-3].
Autorzy artykułu w swoich wcześniejszych pracach [4] opracowali metodę otrzymywania kompozytów polimer termoplastyczny - niskotopliwy stop metali, w których zarówno faza polimerowa jak i metaliczna jest ciągła a układ posiada strukturę wzajemnie przenikających się składników. Dowiedziono, że taka struktura pozwala uzyskać kompozyty przewodzące prąd przy mniejszej zawartości metalu niż w przypadku klasycznych układów. Pomimo iż zostało wykazane, że materiały te cechuje dobre przewodnictwo prądu elektrycznego i wysoka skuteczność ekranowania promieniowania elektromagnetycznego już przy 10% obj. metalu, to wzmacniający wpływ metalu był mniejszy niż oczekiwano. Dlatego podjęto próbę poprawy właściwości mechanicznych kompozytów, za pomocą środków pomocniczych dodanych do polichlorku winylu na etapie wytwarzania matrycy.
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu stearynianu cynku oraz plastyfikatora uniepalniającego Roflex 50 na wytrzymałość mechaniczną kompozytów PVC - stop Wooda.
Przedstawiono wyniki badań udarności, wytrzymałości na zginanie oraz twardości Brinella.
Klasyczną funkcją stearynianu cynku jest stabilizacja termiczna polichlorku winlu. Jednak ze względu na jego budowę założono, że może on dodatkowo działać jak swoisty kompatybilizator, co przełoży się na poprawę udarności (większa spójność układu, większa udarność). Plastyfikatory są to substancje zmniejszające oddziaływania międzycząsteczkowe oraz zwiększające ruchliwość łańcuchów polimerowych. Powoduje to obniżenie temperatury zeszklenia polimeru, zwiększa jego odkształcalność i sprężystość.
1 Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Inżynierii i Technologii Polimerów, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, e-mail: monika.trojanowska-tomczak@pwr.wroc.pl
163
2. Cześć doświadczalna 2.1. Materiały
W badaniach zastosowano następujące materiały:
- Suspensyjny polichlorek winylu Polanvil S-67 HBD (Anwil S.A., Polska).
- Niskotopliwy stop Wooda (Stanlab, Polska), skład: Bi50 Pb25 Sn12,5 Cd12,5, temperatura topnienia ok. 70 °C, gęstość 9.7 g/cm3.
- Stearynian cynku (Sigma Aldrich).
- Plastyfikator Roflex 50 (PCC Rokita, Polska).
2.2. Otrzymywanie kompozytów
Porowate matryce polimerowe z PVC otrzymano stosując metodę spiekania. Proszek polimerowy zasypywano do stalowej formy i po wstępnym zagęszczeniu przez wibrację umieszczano w suszarce laboratoryjnej na 20 minut. Optymalna temperatura spiekania wynosiła 170°C. Po tym czasie formę zamykano pokrywą i odstawiano do ochłodzenia. Otrzymane spieki miały postać krążków o średnicy 32 mm i grubości 4,5 mm.
Wykonano trzy serie matryc: z czystego polichlorku winylu, z PVC z dodatkiem 1,5% wag.
stearynianu cynku oraz z PVC z dodatkiem 9% wag. plastyfikatora. Kompozycje z dodatkami zostały przygotowane za pomocą mieszadła z wysoko ścinającą końcówką firmy Pendraulik GmbH.
Powyższe środki pomocnicze zostały użyte w standardowych dla przetwórstwa PVC ilościach.
Wytworzenie kompozytów przebiegało w następujących etapach. Stalowy autoklaw ze stopem Wooda we wnętrzu ogrzewano w 100°C aż do całkowitego stopienia metalu. Następnie ogrzaną uprzednio matrycę polimerową umieszczano w środku autoklawu, który zamykano pokrywą zaopatrzoną w obciążnik z metalowej siatki. Obciążnik zapobiega wypływaniu lekkiego polimeru na powierzchnię stopionego metalu. Po dokładnym zamknięciu autoklawu usuwano z niego powietrze za pomocą pompy próżniowej po czym przeprowadzano intruzję stopu Wooda do wnętrza porów matrycy stosując ciśnienie azotu (0,4MPa). Zgodnie z równaniem Washburna [5]
ciśnienie stosowane w procesie pozwala zapełnić pory o średnicy większej od ca. 1 µm.
2.3. Metodyka badań
Mikroskopia SEM została wykonana za pomocną skaningowego mikroskopu elektronowego Zeiss EVO MA25. Próbki były polerowane i pokrywane węglem.
Udarność metodą Dynstat zbadano zgodnie z normą PN-68/C-89028. Wytrzymałość na zginanie wykonano metodą Dynstat wg. normy PN-72/C-04243. W obu przypadkach próbki pomiarowe miały wymiary: 15x10x4,5mm. Twardość metodą Brinella określono zgodnie z normą PN-EN ISO 2039-1:2004. Wszystkie badania przeprowadzono w temperaturze pokojowej.
3. Omówienie wyników
Wyniki badań właściwości mechanicznych przedstawione na wykresach 2-4 pokazują, że metal wywiera wzmacniający wpływ na polichlorek winylu. Powoduje wyraźny wzrost udarności i wytrzymałości na zginanie. Stop Wooda ze względu na zawartość ołowiu jest stosunkowo miękki, dlatego różnice w wartościach twardości między PVC a kompozytami nie są duże. Zdjęcie mikroskopii SEM (Rys. 1) świadczy o równomiernym rozmieszczeniu fazy metalicznej, która tworzy w matrycy sieć ścieżek. Taka struktura niewątpliwie dodatkowo sprzyja efektowi zbrojenia polimeru.
164
Rys. 1 Mikroskopia SEM kompozytu PVC-20% obj. stopu Wooda
W przypadku dodatku stearynianu cynku nie zaobserwowano spodziewanego korzystnego wpływu na wytrzymałość kompozytów. Można zatem stwierdzić, że PVC nie ulega rozkładowi podczas procesu spiekania, pomimo iż jest on prowadzony w temperaturze 170 °C. Stabilizator termiczny praktycznie nie zmienił udarności i twardości materiałów, a co ciekawe, w niewielkim stopniu zmniejszył wytrzymałość na zginanie. Pozytywny wpływ stearynianu był jednak obserwowany podczas usuwania spieku z formy, kiedy to działał jak środek poślizgowy i ułatwiał wysunięcie osnowy.
Odmienne rezultaty otrzymano dla modyfikacji matrycy za pomocą plastyfikatora Roflex 50. Jego dodatek spowodował prawie dwukrotny wzrost udarności kompozytów w porównaniu do kompozytów wyjściowych. Nieznacznie zmniejszyła się natomniast wytrzymałość na zginanie oraz twardośc materiałów, co było do przewidzenia, gdyż plastyfikatory przyczyniają się do obniżenia sztywności i twardości.
1 2 3 4
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Udarnośc kJ/m2
Rodzaj materiału
Rys.2 Udarność matrycy PVC 1) oraz oraz kompozytów: 2) PVC-stop Wooda, 3) PVC-stop Wooda z dodatkiem 1,5%
wag. stearynianu cynku, 4) PVC-stop Wooda z dodatkiem 9% wag. plastyfikatora
165
1 2 3 4
Rys.3 Wytrzymałość na zginanie matrycy PVC 1) oraz kompozytów: 2) PVC-stop Wooda, 3) PVC-stop Wooda z dodatkiem 1,5% wag. stearynianu cynku, 4) PVC-stop Wooda z dodatkiem 9% wag. plastyfikatora
Rys. 4 Twardość matrycy PVC 1) oraz kompozytów: 2) PVC-stop Wooda, 3) PVC-stop Wooda z dodatkiem 1,5% wag. stearynianu cynku, 4) PVC-stop Wooda z dodatkiem 9% wag. plastyfikatora
4. Podsumowanie
Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że dodatek stearynianu cynku nie wpływa na poprawę właściwości mechanicznych kompozytów PVC-niskotopliwy stop metali a wręcz zmniesza wytrzymałość na zginanie. Ułatwia natomiast usuwanie matrycy z formy do spiekania.
Z kolei modyfikacja matrycy plastyfikatorem uniepalniającym Roflex 50 przyczyniła się do znacznej poprawy udarności kompozytów przy obniżonej tylko w niewielkim stopniu twardości i wytrzymałości na zginanie. W celu poprawy właściwości użytkowych powyższych kompozytów, dodatek plastyfikatora jest jak najbardziej zasadny.
Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Literatura
[1] J. Milewski, H. Katz, Handbook of Reinforcements for Plastics, New York 1987.
[2] R. Mrozek, P. Cole, L. Mond, R. Rao, L. Bieg, J. Lenhart, Polymer 2010, 51, 2954-2958.
[3] A. Qureshi, A.Mergen, Journal of Macromolecules Science Part A 2008, 45, 462-469.
[4] M. Trojanowska-Tomczak, R. Steller, Przetwórstwo Tworzyw 2012, 5, 531-534.
[5] E. Washburn, Physics, 1921, 7, 115-116.
MODIFICATION OF POLYMER MATRIX AND ITS INFUENCE ON MECHANICAL PROPERTIES OF PVC/WOOD’S METAL
COMPOSITES
In this article composites based on poly(vinyl chloride) and low melting metal alloy were prepared. The strengthening effect of alloy was not as high as expected. For that reason the plastic additives were added to the polymer matrix and their influence on mechanical properties of composites was investigated. Three variants of composites were made: without additives, with addition of 1,5 wt % zinc stearate and 9 wt% plasticizer. Investigation results show that zinc stearate does not have an influence on mechanical strength of materials. However, aids to remove polymer matrix from the form after fabrication. Plasticizer causes significant improvement of impact and decreases hardness and flexural strength only slightly compared to the basic composites.
166