www.ptcer.pl/mccm
M
ARCINŚ
RODA1*, M
ARIANG
ĄSIOR2, Ł
UKASZ
S
UDOŁ21AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków 2KROSGLASS S.A., ul. Tysiąclecia 17, 38-400 Krosno
*e-mail: msroda@agh.edu.pl
1. Wprowadzenie
Włókna szklane i wyroby produkowane z ich udziałem znajdują szerokie zastosowania w przemyśle okrętowym i lotniczym, w budownictwie, transporcie i motoryzacji, elektronice i elektrotechnice, w meblarstwie, sporcie i tury-styce. Tak szerokie zastosowanie wynika z ich właściwości użytkowych [1]. Włókna szklane charakteryzują się wyższą wytrzymałością mechaniczną niż typowe, masywne wyroby ze szkła. Mogą służyć jako elementy zbrojeniowe. Ich zaletą jest 3-krotnie mniejsza, w porównaniu do stali, gęstość, a ich odporność termiczna jest większa niż wyrobów organicznych i węglowych. Samo szkło cechuje dodatkowo dobra odpor-ność chemiczna oraz właściwości dielektryczne.
W produkcji laminatów poliestrowo-szklanych stosuje się szkło typu E. Podstawowymi składnikami takiego szkła są tlenki krzemu, wapnia, glinu i boru. Skład chemiczny jest tak dobrany, aby stopiona masa szklana charakteryzowała się dobrymi parametrami rozwłókniania. W Polsce do jego produkcji wykorzystuje się następujące surowce: piasek szklarski, kaolin, kolemanit, kreda techniczna, fl uoryt, soda,
Wpływ wypełniaczy kaolinu i kredy na właściwości
mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego
Streszczenie
W pracy zbadano wpływ wypełniaczy na właściwości mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego. W procesie otrzymywania lami-natu zastosowano maty EM-1002/450 i EM-1002/600 fi rmy Krosglass S.A. oraz żywicę poliestrową - Polimal 109. Maty zostały wykonane techniką emulsyjną. Jako wypełniacze zastosowano kredę i kaolin. Były one dodawane w ilości 5%, 10% i 15% mas. Określono ich wpływ na wytrzymałość na rozciąganie i zginanie. Stwierdzono, że ich dodatek nie powoduje zmniejszenia wytrzymałości. Otrzymane laminaty posiadały wytrzymałość na zginanie ok. 250-300 MPa, a na rozciąganie 105-110 MPa. Dodatek wypełniaczy wpłynął na barwę laminatów. Kreda powodowała zmianę barwy z białej na kremową, a kaolin wywoływał szare zabarwienie.
Słowa kluczowe: laminaty szklano-epoksydowe, wytrzymałość mechaniczna, wypełniacz, włókno szklane
EFFECT OF KAOLIN AND LIMESTONE ADMIXTURES ON MECHANICAL PROPERTIES OF GLASS-EPOXY LAMINATE
Glass-epoxy laminates with extenders were studied. EM-1002/450 and EM-1002/600 made by Krosglass S.A. and polyester resin Polimal 109 were used to obtain the laminates. The mats were prepared based on the emulsion method. The kaolin and limestone extenders were added to the laminates in an amount of 5 wt.%, 10 wt.% or 15 wt.%. Their infl uence on tensile strength and fl exural strength was studied. It has been found that the extenders do not cause a decrease in mechanical strength. The laminates showed the fl exural and compression strength of 105-110 MPa and 250-300 MPa, respectively. The extenders’ admixture impacts colour of the laminates. The limestone shifts the colour from white to cream and the kaolin induces grayness.
Keywords: Glass-epoxy laminates, Mechanical strength, Extender, Fiberglass
sulfat, Calumite i dolomit. Zestaw szklarski na szkło E wy-maga temperatury topienia ok. 1550 °C. Włókna formuje się metodą Goslera, opartą na swobodnym wypływie masy szklanej przez fi liery umieszczone w łódkach platynowo--rodowych i nawijaniu powstającego włókna na bęben [2]. Jednoczesne nawijanie wielu włókien tworzy tzw. rowing. W trakcie nawijania stosuje się preparacje silanowe. Z otrzy-manego rowingu produkuje się tkaniny. Pocięty rowing wy-korzystuje się natomiast do produkcji mat. Włókna są wtedy spajane za pomocą środka wiążącego. Takie lepiszcze musi być rozpuszczalne w żywicy, aby można było użyć maty do produkcji laminatów. Ze względu na rodzaj zastosowanego lepiszcza otrzymuje się maty emulsyjne, w których emulsją jest polioctan winylu oraz proszkowe z użyciem sproszko-wanych żywic poliestrowych. Na bazie takich mat można otrzymać materiały kompozytowe. Należą do nich laminaty organiczno-szklane. Ich wytrzymałość i sztywność jest za-leżna od rodzaju i kierunku ułożenia włókien szklanych. To one przede wszystkim przenoszą siły ściskające i rozciąga-jące, natomiast substancja łącząca przenosi siły ścinarozciąga-jące, zapewniając dobre połączenie między włóknami. Dlatego
też przy produkcji laminatów istotny jest, odpowiednio do-brany, stosunek ilości substancji łączącej do ilości szkła. Jej niedobór lub nadmiar prowadzi do spadku wytrzymałości, która wynika ze zmian rozkładu naprężeń w laminacie [3].
Celem pracy było zbadanie wpływu rodzaju oraz ilości wypełniaczy mineralnych na właściwości mechaniczne laminatu poliestrowo-szklanego. Dodatek wypełniacza w po-staci kredy lub kaolinu może pozwolić na obniżenie kosztów produkcji laminatu, dzięki zmniejszeniu zużycia żywicy oraz poprawić parametry termomechaniczne laminatu.
2. Otrzymanie laminatów
Do badań przygotowano laminaty, stosując maty szklane typu EM 1002/450 i EM 1002/600 [4], żywicę poliestrową Polimal 109, naftenian kobaltu – przyspieszający proces polimeryzacji, Ketonox – działający jako utwardzacz żywicy oraz kaolin lub kredę jako wypełniacze. Laminaty o rozmia-rach 500 mm × 300 mm otrzymywano poprzez przesycanie kolejnych warstw maty żywicą za pomocą mechanicznego prasowania wałkiem. Uformowane próbki przetrzymywano w prasie w temperaturze pokojowej przez 24 godz., a następ-nie przenoszono do suszarki. Suszenastęp-nie prowadzono w temp. 40 °C przez 16 godz. W ten sposób otrzymano dwa laminaty: pierwszy o gramaturze 450 g/m2 z czterema warstwami maty
szklanej i drugi o gramaturze 600 g/m2 z trzema warstwami
maty. Laminaty te charakteryzowały się takim sam udziałem masowym włókna szklanego w próbkach, tj. 1800 g/m2. W ten
sposób otrzymano kolejne serie laminatów, stosując dodatek 5%, 10% i 15% mas. kredy lub kaolinu.
3. Badanie właściwości mechanicznych
laminatów
3.1. Wytrzymałość na rozciąganie
Badanie wytrzymałości na rozciąganie przeprowadzono zgodnie z normą [5] na maszynie wytrzymałościowej Texten-ser typ FY-40 węgierskiej fi rmy Computext. Próbki do badań wycięto z laminatów za pomocą piły diamentowej. Z każdego laminatu przygotowano po 10 próbek o wymiarach: 250 mm × 15,3 mm × 3,9 mm w przypadku użycia mat szklanych EM 1002/450 i 250 mm × 15,2 mm × 3,7 mm przy zastosowaniu mat szklanych EM 1002/600. W przeprowadzonych bada-niach prędkość obciążenia wynosiła 10 mm/min. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie dla otrzymanych laminatów przedstawiono w Tabeli 1.
3.2. Wytrzymałość na zginanie
Badanie wytrzymałości na zginanie przeprowadzono zgodnie z normą [6] na maszynie wytrzymałościowej fi rmy Textenser typ FY-40 węgierskiej fi rmy Computext metodą trójpunktowego zginania. Próbki do badań wycięto z lami-natów za pomocą piły diamentowej. Z każdego laminatu przygotowano po 10 próbek o wymiarach: 100 mm × 10,2 mm × 3,7 mm w przypadku użycia mat szklanych EM 1002/450 i 1000 mm × 10,4 mm × 3,7 mm przy zastosowaniu mat szklanych EM 1002/600. W przeprowadzonych badaniach prędkość obciążenia wynosiła 10 mm/min. Wyniki
wytrzyma-łości na zginanie dla otrzymanych laminatów przedstawiono w Tabeli 2.
4. Dyskusja wyników
Otrzymane laminaty zgodnie z danymi normowymi powinny mieć wytrzymałość na rozciąganie nie mniejszą niż 85 MPa [5]. Wszystkie badane próbki osiągnęły wytrzy-małość większą od dopuszczalnej. Zmiana rodzaju maty szklane, przy zachowaniu stałego jej masowego udziału
Tabela 1. Wytrzymałość laminatów na rozciąganie. Table 1. Tensile stress of laminates.
Rodzaj użytej maty szklanej Wypełniacz [% mas.] Średnia wytrzymałość na rozciąganie ± odchylenie standardowe [MPa] kreda kaolin EM-1002/450 – – 108 ± 15 5 – 103 ± 11 10 – 120 ± 13 15 – 102 ± 6 – 5 118 ± 7 – 10 123 ± 7 – 15 106 ± 11 EM-1002/600 – – 111 ± 7 5 – 118 ± 16 10 – 116 ± 16 15 – 105 ± 8 – 5 119 ± 11 – 10 117 ± 14 – 15 117 ± 12
Tabela 2. Wytrzymałość laminatów na zginanie. Table 2. Flexural strength of laminates.
Rodzaj użytej maty szklanej
Wypełniacz [% mas.] Średnia wytrzymałość na rozciąganie ± odchylenie standardowe [MPa] kreda kaolin EM-1002/450 – – 254 ± 41 5 – 175 ± 21 10 – 255 ± 23 15 – 256 ± 49 – 5 306 ± 38 – 10 281 ± 26 – 15 272 ± 47 EM-1002/600 – – 305 ± 30 5 – 229 ± 29 10 – 323 ± 33 15 – 278 ± 31 – 5 297 ± 39 – 10 269 ± 19 – 15 232 ± 45
w otrzymywanych laminatach, nie miała wpływu na wytrzy-małość na rozciąganie (Rys. 1 i 2). Kształtowała się ona na poziomie 110 MPa. Wprowadzenie do laminatu domieszek mineralnych nie spowodowało obniżenia tego parametru. Obserwowane zmiany mieściły się w zakresie odchylenia standardowego.
Badania wytrzymałości na zginanie pokazało, że otrzy-mane laminaty cechują się bardzo dobrymi parametrami mechanicznymi. W przypadku wszystkich próbek uzyskano wytrzymałość ponad dwukrotnie większą od przyjętej w nor-mie PN EN ISO 14125 : 2001, która wynosi 120 MPa [6]. Stwierdzono, że laminaty otrzymane z użyciem maty EM 1002/600 posiadały większą wytrzymałość niż te, w których zastosowano matę EM 1002/450 (Rys. 3 i 4). Może to wy-nikać z różnic w polu powierzchni granicy rozdziału żywica--szkło. W przypadku laminatu z matą EM 1002/450 (laminat
zbrojony czterema warstwami maty szklanej o gramaturze 450 g/m2; w przeciwieństwie do laminatu z matą EM 1002/600,
który był zbrojony trzema warstwami maty o gramaturze 600 g/m2) powierzchnia ta jest większa, tym samym
praw-dopodobieństwo wystąpienia defektów powierzchniowych w tym materiale jest większe. Defekty powierzchniowe szkła przyczyniają się do zmniejszenia wytrzymałości samego szkła [7]. Prowadzi to do obniżenia wytrzymałości całego laminatu. Dodatek wypełniaczy mineralnych nie wpłynął zna-cząco na zmianę wytrzymałości na zginanie. W przypadku laminatu z matą EM 1002/40 stwierdzono trend wzrostowy wytrzymałości przy dodatku kaolinu. Natomiast w laminacie z matą EM 1002/600 odnotowano zauważalny spadek wy-trzymałości przy dodatku wynoszącym 15% kaolinu. Wszyst-kie te zmiany mieszczą się jednak w zakresie odchylenia standardowego dla poszczególnych serii pomiarowych. Może
Rys. 1. Wpływ domieszki kredy i kaolinu na wytrzymałość na rozciąganie laminatu z matą EM 1002/450. Fig. 1. Tensile strength of laminates containing EM 1002/450 mat as a function of chalk or kaolin content.
Rys. 2. Wpływ domieszki kredy i kaolinu na wytrzymałość na rozciąganie laminatu z matą EM 1002/600. Fig. 2. Tensile strength of laminates containing EM 1002/600 mat as a function of chalk or kaolin content.
to świadczyć o tym, że dodatek wypełniaczy mineralnych ma mniejszy wpływ na parametry wytrzymałości mechanicznej niż sam technologiczny proces ich wytwarzania.
Dodatek wypełniacza mineralnego wpływał na ostatecz-ną barwę otrzymywanego laminatu. Wprowadzenie kredy wywołało barwę kremową, a kaolin zmieniał barwę laminatu na szarą.
5. Wnioski
Z przeprowadzonych badań właściwości mechanicznych laminatów z wypełniaczami mineralnymi wynika, że dodatek do 15% mas. kredy lub kaolinu nie wpływa na pogorszenie wytrzymałości na rozciąganie i zginanie otrzymanych la-minatów, a obserwowane zmiany mieszczą się z zakresie odchylenia standardowego. Laminaty te posiadały wyższe
parametry wytrzymałościowe niż zakładają to odpowiednie normy. Duży wpływ na wartość parametrów wytrzymałości ma sam sposób otrzymania laminatów, w tym odpowiednie przesycenie poszczególnych warstw maty szklanej żywicą, w taki sposób, aby nie dopuszczać do powstania pęcherzy powietrznych w materiale. Otrzymane laminaty charakte-ryzowały się wytrzymałością na zginanie mieszczącą się w przedziale 250-300 MPa, a ich wytrzymałość na rozcią-ganie wyniosła ok. 100-105 MPa.
Dodatki mineralne wpływają na barwę otrzymywanego laminatu.
Z przeprowadzonych badań wynika, że stosując dodatek wypełniacza można uzyskać zmniejszenie kosztów wytwa-rzania laminatu przy zachowaniu odpowiednich parametrów użytkowych.
Rys. 3. Wpływ domieszki kredy i kaolinu na wytrzymałość na zginanie laminatu z matą EM 1002/450. Fig. 3. Flexural strength of laminates containing EM 1002/450 mat as a function of chalk or kaolin content.
Rys. 4. Wpływ domieszki kredy i kaolinu na wytrzymałość na zginanie laminatu z matą EM 1002/600. Fig. 4. Flexural strength of laminates containing EM 1002/600 mat as a function of chalk or kaolin content.
Literatura
[1] Królikowski, W.: Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, PWN, Warszawa 2012.
[2] Zięba, B. (red.): Technologia szkła, cz. 2, Wyd. Arkady, Warsza-wa 1987.
[3] Liu, D.: Characterization of Impact Properties and Damage Process of Glass/Epoxy Composite Laminates, J. Composite
Materials, 38, 16. (2004). 1425-1442.
[4] http://krosglass.pl/.
[5] Norma PN EN ISO527 : 2012 „Tworzywa sztuczne -- Oznaczanie
właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu”.
[6] Norma PN EN ISO 14125 : 2001 „Kompozyty tworzywowe
wzmocnione włóknem. Oznaczanie właściwości przy zginaniu”.
[7] Ciecińska, M., Cholewa-Kowalska, K., Gil, A., Greiner-Wrona, E., Kokoszka, J., Kuciński, G., Lisiecki, M., Łączka, M., Nocuń, M., Reben, M., Środa, M., Terczyńska-Madej, A., Wasylak, J.: Technologia Szkła. Właściwości fi zykochemiczne. Metody badań. Cz. 2. Ceramika/Ceramics, vol. 113, 2012.
