SZAKDOLGOZAT. Klinger Dávid

Átírás

1 SZAKDOLGOZAT 212

2

3 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK PP ÉS SZÁLERŐSÍTETT PP KOMPOZIT ANYAGOK KÚSZÁSI VISELKEDÉSÉNEK LEÍRÁSA A HŐMÉRSÉKLET-IDŐ EKVIVALENCIA SEGÍTSÉGÉVEL SZAKDOLGOZAT KLINGER DÁVID KONZULENSEK: PROF. DR. VAS LÁSZLÓ MIHÁLY BAKONYI PÉTER 212

4

5

6

7 TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉS- ÉS RÖVIDÍTÉSJEGYZÉK BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉSE IRODALMI ÁTTEKINTÉS A POLIMEREK MECHANIKAI VISELKEDÉSE A FÉMEKHEZ HASONLÍTVA VISZKOELASZTIKUS VISELKEDÉS Lineáris viszkoelaszticitás Nem lineáris viszkoelaszticitás KÚSZÁS A kúszás fenomenológiai leírása A polimerek szerkezeti felépítésén alapuló modellek FESZÜLTSÉGRELAXÁCIÓ A MECHANIKAI ANYAGVIZSGÁLATOK ÁLTALÁNOS SÉMÁJA KÚSZÁS VIZSGÁLATA DINAMIKUS JELLEMZŐK PERIODIKUS GERJESZTÉS ESETÉN ALAPVETŐ KÚSZÁSMÉRÉSI MÓDOK Húzó igénybevételű kúszásmérés Hajlító igénybevételű kúszásmérés Speciális kúszási deformáció Kúszásvizsgálatok során kapott eredmények feldolgozási lehetőségei KÚSZÁS VIZSGÁLATA DMA BERENDEZÉSSEL HŐMÉRSÉKLET-IDŐ HASONLÓSÁGI ELV POLIMER KOMPOZITOK MECHANIKÁJA CÉLKITŰZÉS FELHASZNÁLT ANYAGOK, BERENDEZÉSEK ÉS MÉRÉSI MÓDSZEREK FELHASZNÁLT ANYAGOK FELHASZNÁLT BERENDEZÉSEK ÉS MÉRÉSI MÓDSZEREK MFI mérés Hajlító igénybevételű DMA vizsgálat Húzó igénybevételű DMA vizsgálat Frekvenciafüggő tulajdonságok vizsgálata Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat Fénymikroszkópos vizsgálat VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ALAPANYAG VIZSGÁLATA DMA-VAL MÉRT HAJLÍTÓ IGÉNYBEVÉTELŰ KÚSZÁS DMA-VAL MÉRT HÚZÓ IGÉNYBEVÉTELŰ KÚSZÁS DINAMIKUS JELLEMZŐK VIZSGÁLATA PÁSZTÁZÓ ELEKTRONMIKROSZKÓPOS VIZSGÁLAT FÉNYMIKROSZKÓPOS VIZSGÁLAT ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY IRODALOMJEGYZÉK KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS MELLÉKLETEK

8 Jelölés- és rövidítésjegyzék PP polipropilén polypropylene DMA dinamikai mechanikai analizátor/analízis dinamic mechanical analyser/analysis ΔL [m] hosszváltozás elongation PS polisztirol polystyrene SAN akrilnitril-sztirol styrene-acrylonitrile PMMA polimetil-metakrilát polymethyl -methacrylate PC polikarbonát polycarbonate PEI poliéter-imid polyiethylenimine PA6/66 poliamid 6/66 polyamide PBT poli(butilén-tereftalát) polybutylene-terephthalate ABS akrilnitril-butadién-sztirén acrylonitrile-butadiene-styrene HIPS ütésálló polisztirén high impact polystyrene ν [-] Poisson tényező Poisson factor σ [MPa] feszültség stress η [Pa s] dinamikai viszkozitás dynamic viscosity v [m/s] sebesség velocity σ xy [MPa] nyírófeszültség shear stress G [MPa] nyíró rugalmassági modulus shear modulus E [MPa] rugalmassági modulus elastic modulus ε(t) [-] alakváltozás deformation ε [1/s] alakváltozási sebesség deformation velocity t [s] idő time ε r, ε k (t) ε m (t) [-] rugalmas-, késleltetett rugalmas-, maradó- elastic, viscoelastic, viscous deformációs komponens deformation component T [⁰C] hőmérséklet temperature X(t) bemenő jel input Y(t) kimenő jel output S [X] anyag viselkedését leíró operátor operator to represent material behavior ω [rad/s] szögsebesség angular velocity J k (t) [1/MPa] kúszási érzékenység creep compliance J m, J r, J k [1/MPa] maradó-, rugalmas-, késleltetett kúszási viscous, elastic, viscoelastic creep érzékenység összetevő compliance component δ [⁰] fázisszög phase angle f [Hz] frekvencia frequency T [s] periódusidő periodic time σ o [MPa] feszültség amplitúdó stress amplitudo ε o [-] alakváltozás amplitúdó deformation amplitudo E* [MPa] komplex rugalmassági modulus complex modulus E [MPa] tárolási modulus dynamic modulus E [MPa] veszteségi modulus loss modulus tanδ [-] veszteségi tényező loss factor ISO Nemzetközi Szabványügyi Szervezet International Organization of Standards ASTM Amerikai Szabványügyi Szervezet American Society for Testing and Materials DIN Német Szabványügyi Intézet German Institute for Standardization 6

9 E k [MPa] kúszási modulus creep modulus a [-] T eltolási tényező shift factor T g [⁰C] üvegesedési átmeneti hőmérséklet glass transition temperature T o [⁰C] referencia hőmérséklet reference temperature WLF William-Landel-Ferry összefüggés William-Landel-Ferry equation c 1, c 2 állandók constants E a [J] viszkoelasztikus aktiválási energia viscoelastic activation energy R [J/mol K] gázállandó gas constant L C [mm] minimális szálhossz minimal fiber length D [μm] szál átmérő fiber diameter σ f [MPa] szál szilárdság fiber strength τ [MPa] nyírófeszültség shear stress LDPE kis sűrűségű polietilén low density polyetylene MFI [g/1 perc] Folyási Mutatószám Melt Flow Index GF üvegszál Glass Fiber TTS Idő-Hőmérséklet Ekvivalencia Time-Temperature Superposition V [N] nyíróerő shear force M h [Nm] hajlítónyomaték bending moment L o [m] kezdeti hossz starting length HRC Rockwell keménységi mérőszám Rockwell hardness SEM Pásztázó Elektronmikroszkóp Scanning Electron Microscope 7

10 1. Bevezetés és célkitűzése A polimerek az emberiség megjelenése óta szerves részét képezik életünknek, azonban a modern értelemben vett műanyagok (mesterséges polimerek) a XX. században indultak igazán hódító útjukra. Fejlődésük azóta is töretlen, köszönhetően a számos előnyös tulajdonságuknak. Napjaink polimer felhasználásában még mindig a csomagolástechnika játssza a főszerepet, hiszen a világ polimer termelésének 4%-át használják fel erre a célra [1], ugyanakkor a fejlesztések eredményeképp egyre több helyen találkozhatunk polimerekkel, mint szerkezeti anyagokkal. Kis fajsúlyuk, rugalmasságuk, kompozitok esetén a tömegükhöz viszonyított szilárdságuk mind-mind olyan előnyös tulajdonságok, amelyek a teherviselő elemek esetében rendkívül hasznosak lehetnek [2]. A szerkezeti anyagokat használatuk során különböző mértékű mechanikai igénybevétel érheti. A mérnök feladata ezek feltérképezése és az alkatrész tervezésénél való figyelembevétele. Polimerek esetében számolni kell azzal is, hogy a terhelésekkel szembeni reagálásuk jelentősen eltér a fémekétől, mechanikai tulajdonságaik ugyanis erős hőmérséklet- és időfüggőséget mutatnak. Akár hétköznapi körülmények (hőmérséklet, relatív páratartalom, sugárzás stb.) mellett is jelentős kúszás és feszültségrelaxáció léphet fel. A polimereknek ezt a fémektől eltérő viselkedését viszkoelasztikusnak nevezik, amely a két klasszikus reológiai anyag-osztály, a tisztán rugalmas szilárd anyag és a viszkózus folyadék viselkedése között helyezkedik el. Élettartamra való méretezésnél, tehát fontos lenne tudni az adott anyag szilárdsági paramétereinek és az időnek vagy azzal összefüggő mennyiségeknek a kapcsolatát. A több évre való becsléshez hosszútávú mérésekre lenne szükség, ami meglehetősen gép- és költségigényes feladat. Ebből kifolyólag a mai napig kevés ezzel kapcsolatos adat áll rendelkezésre a szakirodalmakban. Megfelelő megoldás lehet költségkímélő és jóval egyszerűbben kivitelezhető rövidtávú vizsgálatok végzése, majd az eredmények kiterjesztése valamilyen módon. Az így kapott eredményeket azonban fenntartásokkal kell kezelni, mivel a kiterjesztés az esetleges mérési hibákat felnagyítja. A polimerek viselkedésével kapcsolatos modellek tökéletesítése és ezzel a becslések pontosságának javítása az elkövetkező idők egyik nagy célja lehet [3, 5]. A dolgozatom célja polipropilén és üvegszál erősítésű polipropilén kúszásának DMA (Dynamic Mechanical Analysis) készülékkel történő vizsgálatán keresztül bemutatni műanyagok időfüggő jellemzőit, hosszútávú viselkedésük becslését, valamint elemezni a száltartalom hatását a deformációjukra. 8

11 2. Irodalmi áttekintés A korszerű technikai megoldásoknak köszönhetően a polimertechnika hatalmas fejlődésen ment keresztül az elmúlt évtizedekben. Ez könnyen észrevehető, hiszen a jelen emberét körülveszi a műanyag termékek sokasága, még ha ez nem is tudatosul bennük. Az alacsonyabb szintű csomagoló-, burkoló anyagok és egyszerű funkcióval bíró tömegtermékek mellett egyre több helyen jelennek meg a teherviselő elemként funkcionáló szerkezeti műanyagok és kompozitjaik. A hajózás, a repülés, az űrtechnológia mind olyan területek, ahol a fejlesztések a legszembetűnőbbek a hétköznapi ember számára. A fák, fémek és kerámiák szerepét egyre több helyen átveszik, azokat kiváltják a polimerek. A polimerek szerkezeti anyagként való alkalmazása hatalmas lehetőségeket rejt magában, de ehhez alaposabban meg kell ismerni mechanikai viselkedésüket. Az első kísérletek az 193-as években kezdődtek, mára a polimerek már külön fejezetet képeznek a szilárd test mechanikában. Ennek oka, hogy nemcsak a már ismert jellemzők nagyságában különböznek a korábban megismertektől, hanem teljesen új tulajdonságokat mutatnak, amelyek csak részben ismertek. Az egyik ilyen a kúszás jelensége. Kúszás alatt olyan alakváltozást kell érteni, amely során az anyag deformációja az időben folyamatosan nő, annak ellenére, hogy terhelése állandó. A kúszás a többi mechanikai tulajdonsághoz hasonlóan jelentős hőmérséklet-idő függőséget mutat, amely széles relaxációs tartománnyal párosul. A polimerek tartósfolyásának mértéke a többi szerkezeti anyaghoz viszonyítva jelentős és akár alacsony hőmérsékleteken is végbemehet (pl.: szobahőmérsékleten). A nyúlás értéke akár több száz százalékos is lehet a szakadás pillanatában, ezáltal a feszültségcsúcsra való méretezés értelmét veszti és általában a maximális deformáció az, ami elsődleges szempont az alkatrészek tervezésekor. A kúszás folyamatának megértése és megfelelő modellezése kulcsfontosságú a teherviselő alkatrészek biztonságos tervezéséhez. A feladat, tehát, minél alaposabban feltárni ezeket a fémekétől eltérő tulajdonságokat, vizsgálni a polimerek hosszúidejű alakváltozásának és tönkremenetelének okait, majd olyan mérnöki módszereket kialakítani, amelyek segíthetnek a polimerből készült szerkezeti elemek tervezésében [3]. 9

12 2.1. A polimerek mechanikai viselkedése a fémekhez hasonlítva A fémek izotrópnak és homogénnek tekinthetőek, tehát a mechanikai terhelésre adott válaszuk irányfüggetlen, ezzel szemben a polimerek orientált, részben kristályos szerkezetükből adódóan anizotróp és inhomogén anyagok. Ez a termék funkciójától függően előny és hátrány is lehet. A feszültség-deformáció kapcsolat a fémekhez hasonlóan a legtöbb esetben nemlineáris, azonban a két jelleggörbe között lényeges eltérések vannak. A fémek esetében elaszto-plasztikus viselkedésről lehet beszélni, amely a rugalmassági határig (folyáshatár) ideálisan rugalmas, a felett maradó plasztikus jelleget takar (1/a. ábra). Ezzel szemben a megterhelt makromolekulájú polimer anyagok viszkoelasztikus viselkedésűek, amely a feszültség-deformáció kapcsolat időfüggésében jelentkezik (1/b. ábra). 1. ábra Lágyacél (a) és különböző polimer anyagok (b) általános szakítódiagramjai [6, 7] A polimerek rugalmassági modulusa 1-2 nagyságrenddel kisebb a fémekénél. Polimerek esetében a rugalmassági modulus a szakítógörbe kezdeti érintőjének meredeksége, meghatározását szabvány rögzíti [8]. Szakítószilárdságuk széles skálán mozog, az általánosságot tekintve egy nagyságrenddel kisebb a fémekénél, azonban találhatóak olyan polimerek is, amelyeknél ez a szám akár az acélokét is meghaladja (pl. szénszál). A deformációjuk a fémekénél nagyobb. Általában 1-2 nagyságrend a különbség, de előfordulnak olyan elasztomerek, amelyek képesek 7-8%-os nyúlásra, mielőtt elszakadnának. Az átlagot tekintve a Poisson tényező nagyságrendileg megegyezik a fémekével, ugyanakkor a polimereknél szélsőséges értékekkel is találkozni lehet. A gumiknál, gumiszerű anyagoknálν, 5, míg a természetes parafa esetében ν is előfordul. 1

13 Polimerek fémekre vonatkoztatott súrlódási tényezője kicsi, ez olyan helyeken jelenthet előnyt, ahol fontos az alkatrészek egymáson való lehető legsimább siklása. A fentiekben említett tulajdonságok nagy része a polimerek esetében erősen függ a hőmérséklettől és - egyes polimerek jelentős nedvszívó képessége miatt - a relatív nedvesség-tartalomtól. Utóbbi látható a 2. ábrán, ahol különböző légnedvesség tartalmak mellett végzett szakítóvizsgálatok eredményei vannak feltüntetve [2]. 2. ábra PA66 szakítógörbéje,2%-os (a), 2,5%-os (b) és 8,5%-os (c) nedvesség tartalom mellett [9] 2.2. Viszkoelasztikus viselkedés A kismolekulájú anyagok viselkedését általában a két ideális anyag-modell alapján szokás tárgyalni, amelyek a rugalmas szilárd és a viszkózus folyékony. Az előbbi esetében, ha egy meghatározott geometriájú testre külső erők hatnak, az deformálódik és új egyensúlyi állapotot vesz fel. Amint az erőhatások megszűnnek, a test azonnal visszanyeri eredeti alakját. A szilárd test tárolja a külső erők munkáját, ami később rendelkezésre áll, így amint az erők megszűnnek képes felvenni eredeti alakját. A viszkózus folyadéknak nincs meghatározott alakja és külső erők hatására maradandó alakváltozást szenved [1]. A polimerek egyik legérdekesebb tulajdonsága, hogy a hőmérséklettől és az alkalmazott terhelésváltozási sebességtől függően a rugalmas szilárd és a viszkózus folyadék között bármilyen jelleget felvehetnek. Jó példa a pattogó gyurma játék, amely több órás állandó igénybevétel mellett folyik, lassan deformálva alakítható akár egy gyurma, de a földhöz dobva visszapattan [11]. Az egyes esetekben az alakváltozás sebessége a meghatározó. Ezt a viselkedési formát, amikor az anyag a szilárd és a folyékony jelleget egyesíti magában viszkoelasztikus viselkedésnek nevezik [1]. 11

14 Lineáris viszkoelaszticitás Newton viszkozitás-törvénye (1) szerint a folyadékban ébredő feszültség arányos a sebességgradienssel egy folyadékban: V σ = η (1) y, ahol V a sebesség és y a sebességgradiens iránya. A feszültség xy sík esetén kiegészül az x irányú sebesség gradienssel (2). V V x y σ = + xy η (2) y x V x = u/ t és V y = v/ t, ahol u és v elmozdulások az x és y irányokba, ezért az összefüggés az alábbi formára hozható (3). u v u v exy σ xy = η + = η + = η (3) y t x t t y x t Látható, hogy a nyírófeszültség σ xy egyenesen arányos a nyírási alakváltozás időbeni változásával. Ez a forma kiemeli az analógiát a Hooke-törvény és Newton viszkozitás-törvénye között. A Hooke-törvény esetében a feszültség lineáris kapcsolatban van az alakváltozással, míg a viszkozitás-törvény a feszültség és alakváltozási sebesség lineáris kapcsolatát mutatja. A Hooke-törvény (4) az ideálisan rugalmas szilárd test viselkedését, a Newton-törvény (5) az ideálisan viszkózus folyadék viselkedését írja le. (σ ) = Ge (4) xy E xy e xy ( σ xy ) V = η (5) t A lineáris viszkoelasztikus viselkedés egyik leírásmódja (6) ezt a két összefüggést egyesíti, azzal a feltételezéssel élve, hogy a nyíró feszültségek összegezhetőek. exy σ xy = ( σ xy ) + ( σ xy ) = Ge E V xy + η (6) t Ez a leírásmód megfelel a Kelvin-Voigt modellnek, amelyről a későbbiekben lesz szó. Összegezve tehát: lineáris viszkoelaszticitás esetében a feszültség- vagy deformáció-változásokra adott anyag-válaszok lineárisan összeadódnak, így általános mennyiségi előrejelzések tehetők. A gyakorlatban azonban, ahogyan a Hooke-törvény is csak kis deformációig és a Newton-törvény is csak kis deformáció sebességig érvényes, 12

15 úgy viszkoelasztikus anyagoknál is minimális deformációig viselkedik az anyag lineárisan viszkoelasztikusan. Ez körülbelül 1%-os nyúlást jelent, e felett a viszkoelaszticitás már nem lineáris. Nagyobb terhelésszintek, alakváltozások és terhelési idők tartományában a különbségek nem elhanyagolhatóak, így nem lehet lineáris egyszerűsítéssel élni [1] Nem lineáris viszkoelaszticitás Amint a polimer anyag viselkedése túllépi a lineáris viszkoelaszticitás érvényességi tartományát, a viszkoelasztikus jellemzők a hőmérsékleten és az időn kívül a terhelés mértékétől is függeni fognak. Attól kezdve mechanikai viselkedése nem írható le lineáris differenciálegyenlet segítségével. A keletkező nem lineáris egyenletek matematikai megoldása rendkívül bonyolult, egyszerűsítések nélkül gyakorlatilag lehetetlen, ezért ezt a gyakorlatban nem is alkalmazzák. A nem lineáris viszkoelaszticitás leírására általánosan érvényes elmélet jelenleg nem ismeretes, azonban különböző módszerek léteznek, melyek figyelembe veszik [4, 12] Kúszás A kúszás az előzőekben részletezett viszkoelasztikus jelleg egyik következménye, amely a tartósan igénybevett szerkezeti elemeknél okozhat problémát. Polimerekben a terhelés hatására létrejövő deformáció pontos leírása meglehetősen nehéz feladat, ezért a kutatók egyik legfontosabb célkitűzése olyan modellek kidolgozása, amelyek a lehető legjobban megközelítik a reális polimerek viselkedését. Ennek a bonyolult viselkedésnek a leírására két féle irányzat alakult ki. Az egyik a polimerek szerkezeti felépítésén alapuló állapotegyenleteket hoz létre, míg a másik a belső felépítést figyelmen kívül hagyva, az anyagot, mint fekete dobozt kezelve írja le a viselkedést. Az utóbbit fenomenológiai leírásnak nevezik. Mindkét esetben fontos a megfelelő egyensúly fenntartása a közelítések pontossága és a gyakorlati felhasználhatóság között, ennek érdekében a gyakorlatban legfeljebb 4-5 állandóval végzik az eredmények közelítését [4] A kúszás fenomenológiai leírása A kúszás fenomenológiai leírása esetében ezt az összetett viselkedést az ideális anyag-tulajdonságok kombinációjaként kezelik, amelyek mind egyszerre érvényesülnek, így a legegyszerűbb modellek (pl. Burgers-modell) feltételezik, hogy az igénybevétel 13

16 hatására kialakuló összdeformáció 3 komponensből tevődik össze, amelyek a pillanatnyi rugalmas, a késleltetett rugalmas, valamint a maradó alakváltozás. Az összetevők idealizált megjelenítésére különböző analóg modelleket használnak. Ezeknek a szemléletesség mellett a másik nagy előnye, hogy egyszerű elemek összekapcsolásával sok variációs lehetőség adódik, amelyekkel gyakorlati szempontból leírható a polimerek viselkedése [13, 14]. Pillanatnyi rugalmas deformáció esetén a rendszer belső energiája változik meg, a külső erőhatásnak a részecskék között ható vonzást-taszítást kell legyőzni. A deformáció során az atomtávolságok és a vegyértékszögek változnak meg. Az alakváltozás a terhelés pillanatában azonnal létrejön és annak megszűntével késedelem nélkül teljes mértékben visszaalakul. A deformáció és a befektetett munka is teljes mértékben visszaalakul, azaz úgy mechanikailag, mint termodinamikailag reverzibilis. A folyamat legegyszerűbben a Hooke-törvényt (7) követő ideális rugóval modellezhető (3/a. ábra), amely azonban lineáris karakterisztikája révén jelentős egyszerűsítést jelent. σ ( t) = E ε ( t) (7) Egy másik deformációs összetevő a maradó alakváltozást jeleníti meg, amely a molekulaláncok egymáshoz képesti elcsúszása és az oldalkötések felszakadása miatt alakul ki. Ezekhez a folyamatokhoz időre van szükség, ezért a deformáció állandó terhelés esetén is nő és időben halmozódik. Az erőhatás megszűnte után a deformáció megmarad, tehát az alakváltozás mechanikailag és termodinamikailag is irreverzibilis. A befektetett munka egésze hővé alakul. E deformációkomponens legegyszerűbb modellje a Newton- törvényt (8) követő ideálisan viszkózus elem (3/b. ábra). dε σ = ηε = η (8) dt 3. ábra Az idealizált modellelemek és jellemzőik: ideális rugó (a) és az ideálisan viszkózus elem (b) [2] 14

17 Az alakváltozás késleltetett rugalmas komponense mikroszerkezetileg az egymásba tekeredett láncmolekulák részleges kiegyenesedésére és visszagöngyölődésére vezethető vissza. A láncok kiegyenesítése egy rendezettebb állapotot eredményez, amely entrópia csökkenéssel jár. A deformáció a terhelést, ill. a tehermentesítést késleltetve követi, tehát időfüggő. Mechanikailag reverzibilis folyamatról van szó, mivel a terhelés megszűnése után láncmolekulák visszatérnek az eredeti, termodinamikailag valószínűbb, rendezetlenebb állapotukba. A 4. ábrán látszik, hogy az alakváltozás termodinamikailag irreverzibilis, így a deformációs görbék nem esnek egybe. Ennek oka a belső súrlódás, amelynek során a deformációba fektetett munka egy része hővé alakul. Ennek nagyága a hiszterézis hurok területével arányos. A komponens modellje az előbbi esetekben említett ideális rugóból és viszkózus elemből párhuzamos kapcsolással előállított Kelvin-Voigt elem (5. ábra). 4. ábra A fel- és leterhelésre vonatkozó feszültség-deformáció görbék az egyes deformációs komponensek esetében [14] 5. ábra Kelvin-Voigt elem [2] Az említett 3 alapmodell sorba kapcsolásával kapható a legkisebb elemszámú és legegyszerűbb összetett úgynevezett Burgers-modell (6. ábra) a hőre lágyuló polimerek kúszási viselkedésének minőségi leírásához [13, 14]. 15

18 6. ábra Burgers-modell és annak válaszfüggvénye [14] Állandó terhelés mellett (σ=konst.) érvényes a nyúláskomponensek szuperpozíciójának elve, tehát az összdeformáció az egyes alakváltozási komponensek összege. Ez az össznyúlás válaszfüggvényre is igaz (6. ábra), így az a Burgers-modellt alkotó modell elemek válaszfüggvényeinek összegzésével (9) előállítható [13, 14]. ε ( t) = ε + ε ( t) + ε ( t) (9) r A Burgers-modell mellett léteznek más lineáris fenomenológiai modellek is a különféle polimerek mechanikai viselkedésének közelítésére. Ilyenek például a Standard-Solid vagy az úgynevezett ötparaméteres modell [2], amelyekkel leggyakrabban a feszültségrelaxáció folyamatát modellezik. Ezek előnye az egyszerűség és a szemléletesség, azonban használhatóságuk meglehetősen korlátolt. A valós polimerek viselkedését nem tudják pontosan közelíteni, mivel azok szerkezetükből adódóan nem jellemezhetőek egy vagy két időállandóval, mint az analóg modellek. A közelítések pontosságát a modellháló további variálásával, a különböző időállandójú modellekből egyazon művelettel (pl. soros kapcsolás) kialakított modellek szerkesztésével vagy új, speciális modellelemek létrehozásával lehet tovább növelni, amely azonban a számításokat, a megfelelő paraméterek meghatározását sok esetben túlzottan bonyolulttá teszi [4] A polimerek szerkezeti felépítésén alapuló modellek A fenomenológiai modellek létrehozása mellett a másik módszer a polimerek mikroszerkezeti felépítésére fókuszál. Ugyan az analóg modellekkel viszonylag egyszerűen modellezni lehet az egyes polimerek viselkedését, de ugyanakkor k m 16

19 alkalmazásuknak korlátaik vannak. Többek között nem képesek egy másfajta terhelésre adott válasz pontos megadására. Ez a polimerek rendkívül összetett szerkezetének eredménye, amelynek egyes részletei a mai napig nem tisztázottak. A szerkezeti leíráson belül többféle elgondolás született, ilyen például a Rouse-elmélet [4], amely a makromolekulákat szemcsékből építi fel, amiket azonos rugóállandójú rugók kapcsolnak egymáshoz (7. ábra). Ezeknek a modelleknek a polimertechnika fejlődésében vitathatatlan szerepe van, azonban dolgozatom terjedelmi szűkössége miatt részletes ismertetésüktől eltekintek [4]. 7. ábra Rouse-modell sematikus ábrázolása [15] 2.4. Feszültségrelaxáció A feszültségrelaxáció tulajdonképpen a kúszás inverzeként felfogható jelenség. Ha egy polimer anyag deformációját állandó értéken tartják, akkor a benne ébredő feszültség folyamatosan csökken, egyes esetekben akár teljesen fel is oldódhat. 8. ábra Ugrásszerű deformációra adott feszültség válasz termoelasztikus polimerek (a) és elasztomerek (b) esetében [2] A 8. ábrán jól látszik, hogy az anyag az ugrásszerű alakváltozásra feszültség ugrással reagál. A t= időpillanatban mért összdeformáció egésze rugalmas jellegű, ami az 17

20 időben folyamatosan alakul át késleltetett rugalmassá illetve maradóvá. Hasonló folyamat figyelhető meg a tehermentesítést követően, amikor is a rugalmas alakváltozási komponens azonnal átalakul, majd ezt követve fokozatosan a késleltetett rugalmas is. Hőre lágyuló polimerek esetében az alakváltozás a maradó komponens által meghatározott határértékhez tart. Termoplasztikus polimerek esetében a terhelési tartományban a feszültség zérushoz tart, mivel az egyes molekulaláncok képesek elmozdulni egymáshoz képest. Az elasztomerekről ez nem mondható el, mert az egyes makromolekulák elmozdulását keresztkötések akadályozzák. Ennek eredményeként a feszültség egy σ> értékhez tart a terhelés alatt. Tehermentesítés után az alakváltozás zérushoz tart a maradó alakváltozási komponens hiánya miatt. A feszültségrelaxáció jelensége meghatározó anyagalakításkor is. Ekkor a lehető legkisebb alakítási idő az előnyös, amely alatt a darabban lévő feszültségek képesek közel nullára redukálódni. Ezt a hőmérséklet emelésével tudják elérni. A hőmérsékletemelés hatása a Deng és Zhou által [16] PP varratokon végzett mérésekből is jól látható (9. ábra). Fontos továbbá a polimer termékekben kényszer egyensúlyi állapotban megmaradó feszültségek csökkentése, beállítása, mivel azok károsodáshoz, tönkremenetelhez vezethetnek. Ezt általában a technológiai folyamat és/vagy a termék optimalizálásával érik el [2, 4] 9. ábra PP varratokban ébredő feszültség az idő függvényében, különböző hőmérsékleti szinteken [16] 18

21 2.5. A mechanikai anyagvizsgálatok általános sémája A mechanikai anyagvizsgálatok általános sémáját a 1. ábra szemlélteti. Az anyagmintára X bemenő gerjesztés hat, majd abból Y válasz távozik. Az X és Y jelek időfüggvények, amelyeket az anyagmintát reprezentáló S operátor kapcsol össze. Az X(t) gerjesztés időbeli lefutása általában egységugrás, sebességugrás vagy periodikus gerjesztés [2]. 1. ábra A mechanikai anyagvizsgálat sémája [4] Kúszás vizsgálata lehetséges egységugrás függvénnyel, ilyenkor a gerjesztő jel az állandó feszültség (X=σ), a válasz az alakváltozás (Y=ε). Feszültségrelaxáció esetén fordítva, a bemenő jel a deformáció, a kimenő jel pedig a feszültség időbeni lefutása. Természetesen a valóságban a gerjesztő függvények kiegészülnek a felfutási idővel is, de ezek általában a mérések időtartamához képest elhanyagolhatóan rövidek. Szakítógörbék felvételénél sebességugrás gerjesztést használnak, hiszen ilyenkor a befogó állandó sebességgel mozog létrehozva az állandó alakváltozási sebességet. A bemenő jel ekkor az alakváltozási sebesség (X=ε ), míg a kimenő a feszültség (X=σ). Dinamikus mechanikai vizsgálatok esetén általában szinuszos gerjesztést (1) alkalmaznak, mely lehet feszültség és alakváltozás is [4]. X = X sin( ωt) (1) 2.6. Kúszás vizsgálata Ahogyan az már kiderült, a polimerek mechanikai karakterisztikájának felderítésére használt egyik módszer a kúszásvizsgálat. Ennek leggyakrabban előforduló változata, amikor egytengelyű húzásnak teszik ki a próbatestet. A darabra állandó feszültséget kapcsolnak elméletileg t= időegység alatt és mérik annak alakváltozását az időben (11. ábra). A feszültséggerjesztés felfutási idejének minimalizálására kell törekedni, azonban egyes próbadarabokban túl rövid idő (nagy gyorsulás) esetén akkora dinamikus és inercia hatások keletkezhetnek, amelyeket már nem lehet figyelmen kívül hagyni. Az optimális felterhelési időt ennek tükrében kell megválasztani. Lényeges, hogy a vizsgált próbatestnek vizsgálatmentesnek kell lennie, ami azt jelenti, hogy előzőleg semmilyen 19

22 feszültség vagy deformáció terhelésnek nem volt kitéve. Ha mégis, akkor valamilyen módon vissza kell állítani az eredeti szerkezetét. Ennek egyik módszere, hogy darabot megfelelő hőmérsékletre melegítik, majd lassan lehűtik [17]. 11. ábra Kúszási és deformációfeloldódás görbék termoplasztikus polimerek és elasztomerek esetében [17] Kúszás esetén az alakváltozás az időben folyamatosan nő annak ellenére, hogy a terhelés állandó marad. A deformációs görbe azonban különbözik a hőre lágyuló műanyagok és az elasztomerek esetében. A különbséget 11. ábra szemlélteti. A feszültségugrásra az anyag ugrásszerű deformációváltozással reagál, amit folyamatos alakváltozás követ. Elasztomerek esetén ez egy meghatározott értékhez tart, míg termoplasztikus polimereknél folyamatosan nő. A görbe ezen szakaszát, amelynél az állandó terhelés fent áll kúszásgörbének nevezik. A kúszásvizsgálatok második, egyformán hangsúlyos része az anyag deformációjának vizsgálata a terhelés megszűnését követően. Ez a deformációfeloldódás szakasza, amelyet szintén jól mutat a 11. ábra. A tehermentesítést követően a deformáció egy része ugrásszerűen visszaalakul (ennek a mértéke a pillanatnyi rugalmas alakváltozási komponenssel egyenértékű), a másik része az időben késleltetve (késleltetett rugalmas deformáció komponenssel egyenértékű). Ideális elasztomerek esetében a deformáció zéróhoz fog tartani egy bizonyos idő után, ami akár a terhelési idő többszöröse is lehet. Ennek okaként a már ismertetett makromolekulák közti keresztkötéseket lehet említeni, amelyek gátolják a láncok egymáshoz képesti elmozdulását (emiatt a maradó alakváltozási komponens gyakorlatilag nullával egyenlő). Az ideális termoplasztikus polimerek esetében 2

23 ezzel szemben a molekulaláncok elmozdulhatnak egymáshoz képest, így a deformáció egy része végtelen hosszú idő alatt sem képes visszaalakulni (maradó alakváltozási komponens). A deformáció ebben az esetben ε p értékhez tart a diagramon. A deformabilitáshoz - amely a rugalmassági modulus reciproka - hasonlóan, kúszás esetében is definiálható az úgynevezett kúszási érzékenység (11), amely a kúszásvizsgálattal kapott ε(t) válasz és az alkalmazott σ o terhelés hányadosa. A hányados reciproka a kúszási modulus [4, 17]. ε ( t) J ( t) = = J + J + J (11) σ K o J m, J r, J k rendre a maradó, a rugalmas és a késleltetett alakváltozási komponensekhez kapcsolódó mennyiségek. A lineárisan amorf polimerek jelentős maradó kúszási érzékenységet (J m ) mutatnak az üvegesedési hőmérsékletük felett, egészen a próbatest szakadásáig, azonban alacsonyabb hőmérsékleteken rugalmas (J r ) és a késleltetett (J k ) kúszás érzékenységi összetevők dominálnak. Keresztkötésekkel rendelkező elasztomerek esetében a J m komponens nagysága gyakorlatilag zérus, mivel maradó alakváltozásuk nincs, ugyanez a helyzet a nagyon nagymértékben kristályosodott polimereknél. Az érzékenység szétválasztása pillanatnyi és késleltetett összetevőkre bizonyos mértékben önkényes, mivel J r -t a kísérletileg elérhető legrövidebb idő alatt lehet csak meghatározni. Az eredmények kiértékeléséhez azonban fel kell tételezni, hogy tényleges különbség van a két alakváltozási válasz között. A kezdeti rugalmas alakváltozást gyakran relaxálatlan deformációnak is hívják, mivel ekkor még nem telt el elég idő a relaxációs folyamatok beindulásához, azonban a késleltetett és maradó alakváltozás megjelenésével már relaxált deformációról lehet beszélni. A kúszás teljes megismerésének könnyítésére az egyik legjobb módszer a kúszási érzékenység logaritmusának ábrázolása az idő logaritmusának függvényében egy széles időtartományban (12. ábra). Ekkor látható, hogy rövid gerjesztési időknél a polimer üvegszerű szilárd testként viselkedik, kúszási érzékenységük tipikusan 1-9 m 2 /N nagyságrendű érték és gyakorlatilag független az időtől. Hosszú időknél a kúszási érzékenység körülbelül 1-5 m 2 /N nagyságú és szintén független az időtől. A két sáv között helyezkedik el a viszkoelasztikus viselkedés, amely láthatóan időfüggő [1, 18]. m r k 21

24 12. ábra Kúszási érzékenység az idő függvényében [18] Egy adott polimerre vonatkozó, a 12. ábrához hasonló görbe elkészítése meglehetősen bonyolult és időigényes feladat, mivel a hosszú idejű vizsgálatoknak több éves intervallumot kellene lefedniük, míg a rövid idejű vizsgálatoknál problémát jelentenének a görbék felfutási szakaszára eső mérési pontok. A 13. ábra a polipropilén kúszási érzékenységét mutatja különböző feszültség-szinteken. Jól látható, hogy a Dean és Broughton által végzett kísérletek [19] alapján generált görbék is csak a viszkoelasztikus tartományt fedik le [4]. 13. ábra PP kúszási érzékenysége a viszkoelasztikus tartományban különböző feszültségszinteken mérve [19] 22

25 2.7. Dinamikus jellemzők periodikus gerjesztés esetén Polimerek viszkoelasztikus tulajdonágainak feltárására gyakran használnak periodikus gerjesztést a különböző dinamikus vizsgálatok során. Ilyenkor az anyagot általában tiszta, szinuszosan változó feszültség-, vagy deformációváltozásnak teszik ki és mérik annak válaszát az időben. Lineárisan viszkoelasztikus anyagok esetében az egyensúlyi állapot beállta után az anyag válasza is szinuszos lesz, azonban nem lesz egy fázisban a gerjesztéssel (14. ábra) [1]. 14. ábra Periodikus feszültséggerjesztés esetén a deformáció δ/ω késéssel követi a feszültséget[2] Az állandósult állapotot ábrázolva a feszültség-deformáció diagramon egy ellipszis alakú hiszterézis görbe rajzolódik ki (15. ábra), amelynek területe az anyagban hővé alakuló energia mennyiségével arányos. Ez a veszteségi energia a polimer anyag csillapításából adódik. 15. ábra Állandósult feszültség-deformáció diagram tiszta szinuszos gerjesztés esetén[17] 23

26 Szinuszos deformációgerjesztés alkalmazása esetén a deformáció nagysága (12) bármely időpillanatban: ε = ε sin( ω ), (12) t ahol ω a forgó vektor szögsebessége (ω=2 л f=(2 л)/t, ahol f a körfrekvencia nagysága Hertzben (Hz) és T egy periódus időtartama). A polimer anyag feszültség válasza ebben az esetben (13): σ = σ sin( ωt + ), (13) δ ahol δ a fáziseltolás szöge. Ez matematikai átalakítással a következő formára hozható (14): ahol σ = σ sinωt cosδ + σ cosωt sinδ. (14) Az összefüggést ε -val osztva a rugalmassági modulusnak két összetevője adódik, E ' a feszültséggel fázisban lévő (15) és E " a feszültséghez képest 9⁰-al eltolt komponens (16). modulus (17): σ cos δ E ' = (15) ε σ sin δ E " = (16) ε Komplex számsíkon ábrázolva (16. ábra) definiálható az E* komplex rugalmassági ahol i a képzetes egység ( i = 1 ). σ 2 2 E = = E' + E" = E' + ie", (17) ε 16. ábra A komplex rugalmassági modulus és összetevői a komplex síkon [22] A rugalmassági modulus valós részét ( E ') tárolási vagy dinamikus modulusként szokás jelölni, mivel ez az anyagban tárolt rugalmas energiával kapcsolatos mennyiség. Képzetes része ( E ") a veszteségi modulus, amely a darabban disszipálódó energiával függ össze [1, 21]. A képzetes és valós rész által bezárt szög alapján definiálható a veszteségi tényező (18), amely az anyagcsillapítást jellemzi [2]. 24

27 E" tanδ =. (18) E' A rugalmassági modulus összetevőinek és a veszteségi tényezőnek a frekvencia szerinti eloszlását a 17. ábra szemlélteti. 17. ábra A rugalmassági modulus és a veszteségi tényező a frekvencia függvényében [4] Ismert frekvencia tartományban működő alkatrészeknél általában dinamikus méréseket végeznek próbadarabokon, amelyekből megismerhető az adott frekvencián E " és tanδ nagysága. A tárolási modulus ismerete pontos képet ad az anyag merevségéről, ezzel segítve a méretezést. A veszteségi modulus, ill. a veszteségi tényező meghatározása a polimer anyagok nagyfokú hőérzékenysége miatt fontos, mivel túl nagy csillapítás esetén az anyagot könnyen akkora hőterhelés érheti, ami a szerkezeti elem tönkremeneteléhez vezethet [2]. E ', 2.8. Alapvető kúszásmérési módok A legtöbb fém szerkezeti anyag fontos mechanikai jellemzői jól megismerhetőek különböző rövididejű mérések által (pl.: szakítóvizsgálat). Mivel a fémeknél a kúszás szerepe csak magasabb feszültség- és hőmérséklet szinteken jelentős, ezért ezek a paraméterek a legtöbb esetben elegendőek egy elem méretezéséhez. Ezzel szemben a polimerek viszkoelasztikus jellege miatt már kis hőmérsékletváltozás is jelentős deformáció változást idézhet elő, ami előtérbe helyezi a különböző hosszútávú vizsgálati módszereket [23]. A kúszás- és feszültségrelaxációs vizsgálatok már régóta használatosak a polimer anyag hosszútávú terhelésre adott válaszának alaposabb megértéséhez. A kettő közül a kúszásvizsgálatot alkalmazzák gyakrabban, mivel a feszültségrelaxációs vizsgálatok 25

28 kivitelezése bonyolultabb és az eredmények kiértékelésekor gyakran kúszásvizsgálatból szerzett adatokra van szükség [24]. A kúszás vizsgálata történhet húzó, nyomó, hajlító vagy csavaró igénybevétel használatával. A méréseket több feszültségszinten megismétlik más-más hőmérséklet vagy egyéb körülmény mellett (a vizsgálat céljától függően). Mivel a kúszás többek között függ a műanyag típusától, a terhelés mértékétől, a hőmérséklettől és az időtől, ezért a mérés folyamatát, körülményeit és a próbatesteket szabványosították [25]. Ilyen szabványok a nemzetközi ISO 899 [26], az amerikai ASTM D299 [27] és a német DIN [28], DIN [29] és DIN [3] Húzó igénybevételű kúszásmérés Az anyagok kúszásvizsgálatakor a leggyakrabban alkalmazott módszer, amikor a próbatestet egytengelyű húzásnak teszik ki ISO szabvány alapján. A vizsgálat során egy mintát statikusan terhelnek és mérik annak nyúlásváltozását az időben (18. ábra) [12]. 18. ábra A húzó igénybevételű kúszásvizsgálat általános sémája, lehetséges elrendezések [31] Termoplasztikus polimerek esetében próbatestként általában a szabványos szakítóvizsgálathoz [8] alkalmazott próbatesteket (19. ábra) használnak fel, amely paramétereit az ISO 3167-es szabvány rögzíti [12]. 19. ábra Szabványos piskóta alakú fröccsöntött próbatest [8] 26

29 A vizsgálat elvégzésére használhatóak az univerzális mérőberendezések, amelyekkel a kúszáson kívül számos más tulajdonság vizsgálható. Az ilyen berendezések fő elemei a mérőkeret, egy rögzített és egy mozgatható axiálisan csapágyazott keresztfej, meghajtó motor, erőmérő cella, elmozdulás mérő-, adatrögzítő- és vezérlő egység. A befogók a keresztfejeken a vizsgált igénybevételnek megfelelően cserélhetőek. Univerzális mérőberendezéssel végzett kísérleteknél az állandó vizsgálati körülmények fenntartása meglehetősen bonyolult, ezért a kúszást inkább kifejezetten az ilyen mérésekre fejlesztett célberendezéseken mérik. Ezekből létezik többféle elrendezés is, azonban elvben és felépítésben hasonlóak az univerzális mérőberendezésekhez, azzal a különbséggel, hogy ellátták őket egy kisméretű zárt mérőtérrel, amiben a stabil körülmények kis ingadozással fenntarthatóak [23, 32]. A próbatest deformációjának mérésére többféle módszer használatos: befogók elmozdulásának mérése, próbatest két pontjának az elmozdulásának mérése extenzométerrel, próbatestre rögzített érintkezők elmozdulásának mérése mérőórával vagy nyúlásmérő bélyegek használata. A befogókon való elmozdulás mérést húzó igénybevételű méréseknél általában kerülik, mivel szabványos próbatest (ISO 3167) alkalmazásakor a nyúlás nem lesz egyenletes annak teljes hossza mentén. Ha a nyúlás több mint 5%-os, akkor leggyakrabban extenzométert használnak, amelynek a próbatesttel való kapcsolata alapján két típusa van. Az egyik körmös szorítókkal kapcsolódik a próbatesthez és a nyúlást elektronikus jelekké alakítva méri, míg a másik a próbatesten lévő jelölések távolságát méri optikai úton. Nyúlásmérő bélyegekkel nagy pontossággal mérhető az alakváltozás, ugyanakkor csak kis nyúlás mellett alkalmazható és rögzítése a felületre gondos előkészítést igényel [32] Hajlító igénybevételű kúszásmérés A hajlító igénybevételű kúszásmérést a 3 pontos hajlítás (2. ábra) (vagy ritkábban 4) sémája alapján végzik az ISO szabványban leírtak alapján. A vizsgálat során állandó terhelés mellett mérik a darab lehajlásának változását az időben. 2. ábra 3 pontos hajlítás általános sémája [32] 27

30 A próbatest paramétereit az ISO 178-as szabványban rögzítették, ezek készülhetnek fröccsöntéssel vagy kimunkálhatóak a 21. ábrán látható módon a szabvány piskóta alakú próbatestekből. 21. ábra Hajlításhoz használatos szabványosított próbatest [12] A szabvány összefüggéseket is tartalmaz a különböző mechanikai jellemzők számítására. Ilyen a hajlító kúszási modulus (19), melyet a következőképpen definiál: E h 3 1 L 4 bh = 3 F, (19) f ahol L az alátámasztási távolság, b a próbatest szélessége, h a próbatest vastagsága, F / f az erő-lehajlás görbe meredeksége [33]. A vizsgálatokhoz a húzó igénybevételű méréseknél már ismertetett berendezéseket használják a megfelelő hajlító befogókkal. A deformációt vagy a befogók elmozdulása alapján, vagy a nyúlásmérő bélyegekhez hasonló úgynevezett lehajlásmérők segítségével határozzák meg [23] Speciális kúszási deformáció Amikor alkatrészeket más típusú igénybevétel éri, akkor az arra érvényes feszültség-deformáció kapcsolat képezi a vizsgálatok tárgyát. Ritkábban előfordul, hogy nyomó igénybevétel éri az alkatrészt, ekkor tehát ilyen jellegű vizsgálatokat kell végezni. A nyomó igénybevételnek kitett elemek leggyakrabban habok, azonban előfordulnak merev műanyagok is. Előbbieknél kis magasságú, nagy kiterjedésű, míg az utóbbiaknál hasáb, henger vagy kocka alakú próbatesteket alkalmaznak. A mérésekhez univerzális mérőberendezést használnak vagy szakító berendezést úgynevezett nyomó ketreccel [34]. A nyírási rugalmassági modulus meghatározásának egyik vizsgálati módszere a torziós vizsgálat, amelynek során egy henger alakú próbatestet egyik végét befogva, a másikra állandó nyomatékot kapcsolva hoznak létre csavaró igénybevételt. Az ilyen mérések előnye, hogy nagy deformáció érhető el anélkül, hogy a próbatestek befoglaló méretei lényegesen megnövekednének, ez a lebonyolításban egyszerűsítést jelent. A csavarás során szögelfordulást mérnek [35]. 28

31 Kúszásvizsgálatok során kapott eredmények feldolgozási lehetőségei Polimerek mechanikai vizsgálatai az igénybevételtől függetlenül lehetnek rövid vagy hosszú távúak. A hosszútávú vizsgálatok többségénél valamilyen deformációt mérnek az idő függvényében állandó terhelés és körülmények mellett. A 22. ábrán Wu és társai által [36] cukornád-rost erősítésű PP kompozit próbatesteken végzett mérések eredményei láthatóak. A vizsgálatokat DMA berendezéssel készítették hajlító igénybevétel mellett és célja a kompozit anyag kúszásának vizsgálata volt, ezért mérték az anyag alakváltozását az időben. A folyamat szemléltetése azonban nem csak ilyen diagramokon lehetséges, az összehasonlítás megkönnyítésére vagy egyes tulajdonságok kihangsúlyozására a kiértékelés folyamán számos megjelenítés használatos [31]. 22. ábra A hosszútávú vizsgálatok egyik alapvető ábrázolása: deformáció az idő függvényében [36] A 22. ábrán látható és a hasonló diagramok egyik hátránya, hogy az adatok közvetlenül nem használhatóak fel tervezési célra és az anyagok összehasonlítását sem teszik lehetővé. Sok esetben ezért közvetlen használható formára alakítják. Ilyen lehet a kúszási modulus ábrázolása, mely az alkalmazott feszültség és az alakváltozás-válasz hányadosa (2). Az összehasonlítást sok esetben megkönnyíti, de ez még mindig nem egy anyagra jellemző állandó, mivel ez is idő-, hőmérséklet- és környezetfüggő. E k ( t) = σ ε ( t) (2) A 23. ábra a kúszási modulust ábrázolja az idő függvényében. A Kassel-i egyetem kutatói, Bledzki és Faruk [37] különböző száltartalmú PP-fa kompozitok mechanikai teljesítőképességét hasonlította össze. Ennek szemléltetésére kúszási modulus-idő diagramot használtak [31]. 29

32 23. ábra 5% nedvességcsökkentő adalékot tartalmazó PP-fa kompozit kúszási modulusa 4%, 5% és 6%-os száltartalmak mellett [37] További egyszerűsítést jelent, ha a kúszási modulus logaritmusát ábrázolják. A görbék így kisimulnak, a kapcsolat közel lineáris lesz, ami extrapolációs számításoknál, a polimerek hosszútávú viselkedésének becslésekor nagyon hasznos [23]. Előfordul, hogy egy alkatrész tönkremenetelének várható ideje is fontos szempont a tervezésnél. Ez, hasonlóan a kúszási modulushoz, erősen hőmérsékletfüggő. A darab kúszási viselkedését ilyenkor egészen a törésig fel kell térképezni. A kúszási tönkremenetel ábrázolására kétféle diagram használatos, a 24/a. ábrán látható σ-logt, ill. a 24/b. ábrán ábrázolt logσ-logt típusú függvény, amelyek a töréshez szükséges feszültséget mutatják az idő függvényében. A műanyagok többségénél a tönkremenetelig hónapok, évek telhetnek el, így 24/b. ábrán látható log-log diagram célravezetőbb lehet [31]. 24. ábra Kúszás ábrázolása a tönkremenetelig [31] A mérnöki gyakorlatban rengetegszer előfordul, hogy egy alkatrész méretezésekor különböző polimer anyagokat kell összehasonlítani. Az eddig említett alapvető görbék alapján ezt nem lehet teljes mértékben elvégezni, mivel legtöbbször a különböző anyagoknál más-más feszültségszinteken végzik a teszteket. A megoldás az úgynevezett izokrón, azaz a feszültség-alakváltozás kapcsolatát az egyes anyagoknál azonos mérési időpillanatban mutató görbék használata. Az összehasonlítást jól szemlélteti a 25. ábra. 3

33 Zhang és társai [38] a manapság népszerű nanokompozitok témakörében végeztek húzó igénybevételű kúszásvizsgálatokat. Különböző töltőanyag arányú PA66 kompozitokat vizsgáltak, majd az eredményeket izokrón diagramon ábrázolták. Könnyen megállapítható, hogy a PA/21-SM és a PA/21 típusú kompozitok teljesítenek a legjobban, hiszen ezeknek a legkisebb a nyúlásuk egy választott terhelő feszültség mellett [23]. 25. ábra PA66 nanokompozitok kúszási nyúlásának összehasonlítása izokrón diagramon t=36s-nál [38] Izokrón diagram előállításához az adott anyag nyúlását több terhelés szinten le kell mérni, majd az adott időhöz tartozó deformáció értékeket ábrázolni kell a feszültségalakváltozás diagramon [23]. Az előzőhöz hasonló módon, lehetséges állandó deformációgörbék ábrázolása feszültség-idő vagy kúszási modulus-idő diagramokon (26. ábra). Ez esetben izometrikus görbéről van szó [31]. 26. ábra Izometrikus görbék [31] 2.9. Kúszás vizsgálata DMA berendezéssel A DMA (Dynamic Mechanical Analysis) egy vizsgálati technológia és azon alapuló berendezés betűszava, amely képes a szilárd polimer anyag fizikai jellemzőinek mérésére. Ezzel egyidejűleg a készülék mérhet erőt, feszültséget, deformációt, frekvenciát vagy hőmérsékletet a beállított programtól függően. A kapott értékek tárolása számítógépes alkalmazásban történik, amelyből az adatokat exportálva a megfelelő programba a kiértékelések egyszerűen elvégezhetőek [39]. 31

34 DMA készülékkel a viszkoelasztikus jellemzők mérése lehetséges időben állandó nagyságú vagy periodikusan változó gerjesztéssel. Ennek alapján hat különböző vizsgálati módszert lehet megkülönböztetni: hőmérséklet söprés: komplex rugalmassági modulus és csillapítás mérése változó hőmérséklet mellett, frekvencia söprés: komplex rugalmassági modulus és csillapítás mérése változó frekvencia mellett, feszültség söprés: komplex rugalmassági modulus és csillapítás mérése a mintában változó feszültség mellett, deformáció söprés: komplex rugalmassági modulus és csillapítás mérése a próbadarab deformációját változtatva, tranziens mérések: kúszás, deformációfeloldódás, feszültségrelaxáció mérése időben állandó nagyságú gerjesztéssel, összetett söprés: mérés a fent említett módszerek lehetséges kombinációival [39, 4]. Kúszás vizsgálatakor a mintadarabra először egy úgynevezett előterhelést adnak, amely elhanyagolhatóan kicsi, de arra elég, hogy a próbatestet stabilan a helyén tartsa. A készülék közben elkezdi a mérőtér hőmérsékletének beállítását a megadott hőmérsékletre. Amint a temperálás befejeződött, a készülék rákapcsolja a teljes terhelést a próbadarabra. A felfutási idő és az abból adódó hiba elhanyagolhatóan kicsi, ezért a feszültség-idő diagramon a terhelést ideális egységugrás függvényként szokás feltüntetni. A gép előre meghatározott ideig állandó nagyságú erővel terheli a próbatestet, miközben egy elmozdulás érzékelő segítségével jegyzi annak alakváltozását az időben. Az idő lejárta után tehermentesítés, majd a mérés formájától függően hőmérsékleten tartás, annak kiegyenlítése a környezetire vagy változtatása következik. Ha kúszás után deformációfeloldódást is vizsgálnak, akkor a készülék a hőmérsékletet a megadott szinten tartja, hiszen ilyenkor arra is kíváncsiak, hogy az anyag deformációjának visszaalakulása milyen jelleggörbe szerint megy végbe. A mérésből tetszőleges számú ciklus lefuttatható, mielőtt a darabot eltávolítanák. A többciklusú mérést példázzák az Otaigbe és társai által [41] DMA-val halolaj származék polimeren végzett kúszás/deformációfeloldódás vizsgálatok, amelyeket 4 ciklusú formában folytattak le (27. ábra). 32

35 27. ábra Biodegradábilis halolaj-polimeren különböző hőmérsékleten végzett 4-4 ciklusból álló kúszás/deformációfeloldódás vizsgálat [41] A második lehetőség a hőmérsékletváltoztatás, ilyenkor a készülék az előre beállított, általában magasabb szintre emeli a hőmérsékletet. Amint az eléri a kívánt értéket újabb kúszásvizsgálati ciklust folytat le. Ez különösen akkor hasznos, amikor mestergörbe szerkesztéshez több hőmérsékleten kell méréseket végezni, mivel nem kell minden egyes ciklus végén kicserélni a mintát, azzal időt vesztegetve. Ilyenkor a próbadarab maradó alakváltozását elhanyagolják, ugyanakkor a különböző próbatestek inhomogenitási hibáiból (pl. száltartalom, szálirány) adódó lehetséges mérési hibákat kiküszöbölik. Harmadik lehetséges esetben, hőmérsékletkiegyenlítéskor a vizsgálat véget ér, a próbadarab eltávolítható a befogókból. Az eddig említett mérések esetében a hőmérséklet volt a környezeti tényező, de egyes modern DMA készülékekkel lehetséges vizsgálatokat végezni más külső hatások változtatása mellett is (pl. légnedvességtartalom) [42]. A 28. ábra a DMA készülék felépítését ábrázolja leegyszerűsítve. A meghajtásról elektromotor gondoskodik, amely a választott terhelési formát a tengelyen és a befogókon keresztül adja át a próbadarabnak. A befogókat külön fejegységben helyezték el, így azok könnyen cserélhetőek attól függően, hogy milyen igénybevétel mellett kívánják a vizsgálatot elvégezni. Léteznek különféle húzó, nyomó, hajlító, befogott végű hajlító és nyíró igénybevételű befogók (28. ábra). A mérőtér felfűtését a köré épített fűtőberendezés végzi, míg a hűtést általában folyékony nitrogén segíti. A DMA egyik nagy előnye ebben rejlik, hogy a meghatározott környezetet csak egy kis mérőtérben kell fenntartani ellenben egy szakítógépen végzett méréssel, ahol az egész helységben kellene azt megtenni. A hőmérsékletérzékelő a lehető legközelebb helyezkedik el a mintadarabhoz a pontos szabályozás érdekében [4, 43]. 33

36 28. ábra DMA készülék sematikus ábrája és az alkalmazható befogók: húzó(a), 3 pontos hajlító(b), hajlító befogott végekkel(c), nyomó(d), nyíró(e) [43] 2.1. Hőmérséklet-idő hasonlósági elv Új szerkezeti elemek tervezésekor gyakran előfordul, hogy egy polimer anyag mechanikai viselkedését hosszú, akár 2-5 éves időtartományban kell előre megbecsülni. Ehhez azonban különböző hosszúidejű tartósfolyási mérések eredményeire volna szükség. Könnyen belátható, hogy ezek a mérések nem gazdaságosak, ráadásul kivitelezésük is problémákba ütközhet, hiszen tartós ideig, akár több hónapig/évig kellene fenntartani egy adott körülményt, miközben a felhasznált anyagok tulajdonságait a gyártók folyamatosan változtatják, javítják. Mivel még az ugyanolyan típusú, de különböző gyártásokból származó polimerek esetében is lehetnek szerkezeti eltérések, ezért az eredmények általánosítása se elfogadható. A probléma megoldására alternatívát jelenthetnek a gyorsított vizsgálatok, amelyekkel meghatározott feltételek között megbecsülhető a polimer viselkedése a teljes felhasználói és alakváltozási tartományban. A becslés történhet extrapolációs vagy hasonlósági módszerrel. Extrapoláció esetén egy matematikai modellel közelítik a polimer viselkedését, amihez a szükséges állandókat rövididejű mérésekből határozzák meg. A becsléshez az a feltételezés szükséges, miszerint a kapott modell a valójában elvégzett kísérlet tartományán kívül is érvényes. A hasonlósági módszerek egyike a mechanikai tulajdonságok időbeni és hőmérsékletbeli változásának kapcsolatán alapszik. Ez a hőmérséklet-idő hasonlósági elv vagy hőmérséklet-idő ekvivalencia [3, 17]. A műanyagok egyes mechanikai tulajdonságai jelentős idő- és hőmérsékletfüggőséget mutatnak. Az egyes jellemzők összes hőmérsékleten mutatott viselkedését meglehetősen időigényes lenne összegyűjteni, azonban ha már egy bizonyos tartományban ismert, akkor lehet interpolálni a keresett pontra. Így például, ha keresett egy 34

37 minta kúszási görbéje 4⁰C-on, de 2⁰C és 6⁰C-on rendelkezésre állnak megfelelő adatok, akkor lineáris interpoláció segítségével elfogadható közelítések kaphatóak. Hasonló módon ad lehetőséget a nehezen megvalósítható időtartományok tanulmányozására a hőmérsékletidő ekvivalencia elv. A 29. ábra a kúszási modulus időbeni változását mutatja, amelyet több hőmérsékleten lemérve egy sor hasonló görbe kapható. Látható, hogy bármelyik hőmérsékleten az üvegszerű és a gumiszerű viselkedés tartományában a rugalmassági modulus független az időtől, a görbék maradék, viszkoelasztikus jelleg tartományába eső szakaszai pedig közel párhuzamosak egymással. Ennek alapján definiálható az úgynevezett a T eltolási tényező, amely a két görbe távolságát adja meg az időskálán [21]. 29. ábra Rugalmassági modulus-idő görbék különböző hőmérsékleteken [21] Ha tehát egy T 1 hőmérsékleten ismert az anyag viselkedése és t időbeli T 2 hőmérsékleten várható rugalmassági modulus a keresett érték, akkor szükség van egy időértékre t / a ) ami a T 1 hőmérsékleten mért modulus görbéhez kapcsolódik (3. ábra). ( T 3. ábra Rugalmassági modulus görbék két különböző hőmérsékleten [21] A modulus matematikailag a (21) formulával a következőképpen írható le: 35

38 [ E( t) ] T2 t = E a, (21) T T1 ahol T 2 >T 1 és a T a hőmérséklet-idő eltolási tényező [2, 21]. T g feletti hőmérsékleten az a T és hőmérséklet közötti kapcsolat leírására leggyakrabban a tapasztalati eredményeken alapuló Williams-Landel-Ferry (WLF) egyenletet (22) használják: log a T c1( T T ) =, (22) c + ( T T ) 2 ahol c 1 és c 2 állandók, T a referencia hőmérséklet. Vonatkoztatási hőmérsékletként általában a T g üvegesedési átmenet hőmérsékletét választják, mivel ekkor a molekulaláncok mozgékonysága azonos függetlenül a kémiai szerkezetüktől. Az állandók értéke a legtöbb amorf hőre lágyuló polimer esetében c 1 = és c 2 =51,6. A WLF egyenlet ezek alapján a következő formában (23) írható fel: log a T 17,44( T Tg ) =. (23) 51,6 + ( T T ) T g alatti hőmérséklet tartományban az Arrhenius egyenletet (24) használják az eltolási tényező hőmérsékletfüggésének leírására. g Ea 1 1 ln a = T, (24) R T T ahol E a a polimer ún. viszkoelasztikus aktiválási energiája [2, 4]. Az előzőek alapján tehát a különböző hőmérsékleten mért anyagi jellemzők, mint például a kúszási alakváltozás vagy a rugalmassági modulus idő-tengely menti eltolásával egy úgynevezett mestergörbét lehet létrehozni, ami azt széles időintervallumban ábrázolja. Fontos, hogy az eltolási tényező csak akkor alkalmazható, ha a jellemző időbeli változása ismert, hiszen a T csak horizontális eltolást jelent [4, 21]. Mestergörbe szerkesztésekor az adott terhelési tartományban különböző hőmérsékleten végzett mérések görbéit tolják az idő- vagy frekvencia-tengely mentén addig, amíg azok egy görbére nem esnek. A mestergörbe az időfüggő jellemző T referencia hőmérsékleten való változását mutatja meg [2]. A mestergörbe szerkesztését a 31. ábra szemlélteti, amelyen Yusoff és társai [44] által bitumenen, kis frekvenciatartományban végzett mérések eredményei és az azokból szerkesztett mestergörbe látható. 36

39 31. ábra Mestergörbe szerkesztés menetének bemutatása bitumenen [44] Mestergörbék alkalmazásával lehetőség nyílik kis idő- vagy frekvenciatartományban végzett kísérletek eredményeinek széles intervallumra való kiterjesztésére, így például rövididejű kúszási mérésekből következtetni lehet a polimer anyag hosszútávú viselkedésére. A módszerrel a kis terhelési tartományok is megismerhetőek, hiszen ezeket a kicsi intervallumokat könnyen át lehet számítani szélesebb időtartományra [2]. A hőmérséklet-idő ekvivalencia előnye a hatékonyságában rejlik, de ugyanakkor ez is, mint más hosszúidejű becslést segítő módszer csak egy közelítést ad, egy iránymutatást a tervezéshez. Érdemes azonban az eljárás határainak kibővítésével és a közelítések pontosságának növelésével foglalkozni, amelyekre jó lehetőséget adnak a témában végzett mérések, kísérletek [3] Polimer kompozitok mechanikája A definíció szerint a kompozit elnevezés olyan többfázisú, összetett rendszerből álló szerkezeti anyagot takar, ahol a nagyszilárdságú erősítőanyag és a szívós mátrix között kiváló adhéziós kapcsolat van. Ezen előnyös tulajdonságok egyesítése miatt emelkedtek a polimer kompozitok napjaink legkorszerűbb műszaki célú szerkezeti anyagai közé [45]. Az erősítőanyag legtöbbször szál formájában van jelen, aminek három fő magyarázata van. Az egyik szerint az alkatrészek többségét csak egy kitüntetett irányban éri a terhelés, ezért csak ebben az irányban kell nagyobb szilárdságot mutatnia, ami az erősítőszálak orientálásával, megfelelő elrendezésével könnyen elérhető. A második ok a hibahelyek száma az adott térfogatban, ami a lehető legkisebb átmérőjű szál 37

40 alkalmazásakor a legkevesebb. Utolsó indok, hogy a fajlagos felület szál forma alkalmazása esetén a legnagyobb [9]. A szálerősített polimerek mechanikai viselkedését befolyásoló tényezők közül az egyik legfontosabb a szál-mátrix határfelületi adhézió. A szál és a befoglaló anyag között a lehető legtökéletesebb kapcsolatra kell törekedni, amit sokszor különböző adhéziót segítő adalékokkal vagy a szálak felületének kezelésével érnek el. Nem megfelelő tapadás esetén fennáll a szálkihúzódás, ezáltal az idő előtti tönkremenetel veszélye [45]. A különbséget a 32. ábra szemlélteti. 32. ábra Jó (a) és rossz (b) adhéziós kapcsolat [46] A vágott, rövid szállal erősített polimer kompozitok a 9-es években jelentek meg és mára az ipar számos területén sikerrel alkalmazzák őket. Ezek nagy része hőre lágyuló mátrixanyagból készül, amelyet leggyakrabban fröccsöntéssel dolgoznak fel. Az ilyen technológiával készült darabok tulajdonságai néhány pontban eltérnek a hagyományos hosszú szállal erősített társaikétól. 33. ábra Kúszás mértéke eltérő száltartalmak esetén: M az erősítés nélküli, míg C1-C6-ig rendre 1, 2,3, 4, 5, 6 % száltartalmú PP-t jelöli [47] Az egyik ilyen különbség a száltartalom, amely a technológiai korlátok miatt nem képes elérni akkora arányt, mint a hosszú szállal erősített kompozitoknál. Többek között ez 38

41 az egyik oka, hogy mechanikai tulajdonságok terén alulmaradnak a nagyszilárdságú kompozitokkal szemben. A 33. ábra PP-en és préselt önerősítéses PP kompozitokon DMA-val végzett kúszásvizsgálatok eredményeit ábrázolja különböző száltartalmak mellett. A Houshyar és társai [47] által végzett kísérletekből megfigyelhető, hogy a szálarány növelésével párhuzamosan milyen mértékben csökken a kúszási hajlam. Fontos továbbá a szálak hossza, ugyanis a szál-mátrix adhézió ismeretében meghatározható az a minimális szálhosszúság, amely alatt a szál a mátrixból kihúzódik. Ezt a Kelly-Tyson összefüggéssel (25) lehet számolni: ahol L σ C f =, (25) D 2τ L C a minimális szálhossz, D a szál átmérője, σ f a szál szilárdsága és τ a határfelületi nyírófeszültség nagysága. Fröccsöntés esetén a kiinduló szálhossz és a száltartalom mellett a gép beállítási paraméterei jelentős hatással vannak a szálak töredezettségére, ezért azok helyes megválasztására különös figyelmet kell fordítani. Fröccsöntött termékeknél a szálak orientációját fröccs-szimulációs szoftverek használatával, a meglövési pontok megfelelő megválasztásával részben lehetséges befolyásolni. A szálak irányultságát legnagyobb mértékben az ömledék áramlása határozza meg. Fröccsöntött polimer kompozitoknál figyelhető meg az úgynevezett mag-héj effektus (34. ábra). 34. ábra Mag-héj effektus és annak hatása a mechanikai tulajdonságok irányultságára [46] Mag-héj effektus esetén a szálak a termék felületéhez közel, az úgynevezett héjban, ahol nagyobb a nyírás, az áramlási iránnyal megegyező irányba állnak. Ennek oka az, hogy a polimer ömledék kitöltés közben, a hideg szerszámmal érintkezve hirtelen lehűl. A darab belsejében (magban), ahol a nyírás kisebb, a szálak többnyire a folyásirányra merőlegesen helyezkednek el. Ez természetesen hatással van a termék mechanikai viselkedésére 39

42 is (34. ábra). Folyásirányban a hajlítással, míg arra merőlegesen a húzással szemben mutat nagyobb szilárdságot, köszönhetően a szálak irányultságának. Manapság számos szimulációs szoftver (pl. Autodesk Moldflow) áll rendelkezésre, amelyekkel a mag-héj effektust is figyelembe véve a fröccsöntési paraméterek meghatározhatóak, így segítve a polimerből készült termékek tervezését. A jelenségre figyelni kell abban az esetben, ha egy vizsgálatot fröccsöntött polimer kompozit darabokból kimunkált próbatesteken végeznek, hiszen nem mindegy, hogy a kimunkált rész az eredeti fröccstermék mag vagy héj részét képezte [9, 45] Célkitűzés Méréseim elsődleges célja az irodalmi áttekintésben leírtakat a gyakorlatba átültetni és DMA berendezéssel történő kúszásvizsgálaton keresztül bemutatni a polimerek tartósfolyásának sajátosságait és hosszútávú viselkedésük becslését. A vizsgálatok során különböző erősítőszáltartalmú polipropilén próbatesteken szeretném mérni a tartós idejű állandó terhelés hatására bekövetkező alakváltozást és elemezni annak kapcsolatát a száltartalommal. A méréseket hajlító és húzó igénybevétel mellett, több hőmérsékletszinten is el szeretném végezni, hogy a kapott görbékből mestergörbe technikával közelítést adhassak az anyag hosszútávú deformációját illetően. A kúszásvizsgálatok mellett a szakdolgozatom másik célja a dinamikusan terhelt polimer anyagok tárolási és veszteségi modulusának, ill. veszteségi tényezőjének mérése. Szeretném bemutatni, hogy a száltartalom és a frekvencia változása hogyan befolyásolja ezeket a jellemzőket és a módosított viselkedéseknek megfelelően milyen tervezési szempontok merülhetnek fel az egyes dinamikusan terhelt alkatrészek tervezésekor. A kúszási alakváltozás és dinamikus jellemzők mérése mellett részletesen ki szeretnék térni a vizsgálatot megelőző, alapanyagot érintő előkészítő műveletekre, ellenőrző mérésekre, ill. a vizsgálat során fellépő problémák okainak minél alaposabb kivizsgálására. Célom, hogy a dolgozat elkészítése során, a vizsgálatok alatt lejátszódott folyamatokra, egyedi jelenségekre és mérési eredményekre minél alaposabb magyarázatot adjak, ill. ahol lehet képekkel és diagramokkal illusztráljam azokat. 4

43 3. Felhasznált anyagok, berendezések és mérési módszerek A következő fejezetben a kiválasztott hőre lágyuló alapanyagot, annak fontosabb jellemzőit, a vizsgálatok során használt mérőberendezéseket és a DMA berendezésen végzett vizsgálatok lefolyását kívánom bemutatni Felhasznált anyagok A mérésekhez a Tiszai Vegyi Kombinát által gyártott Tipplen H 949A típusú polipropilén homopolimert alkalmaztunk. A gyártó ezt az antisztatizáló adalékot és gócképzőt tartalmazó fröccsanyagot jó folyóképességgel jellemzi, ezért elsősorban vékonyfalú csomagolóedények, háztartási és konyhai felszerelések gyártására ajánlja. Az anyag megfelel a gyógyszer-, élelmiszer- és játékipari felhasználásra vonatkozó nemzetközi szabványoknak, így ezen csoportokba tartozó termékek gyártására is alkalmazható. A mátrixanyagként használt polipropilén homopolimer gyártó által mért és a technikai adatlapon [48] megadott fizikai tulajdonságait az 1. táblázat mutatja be. Mérés Szabvány Mértékegység Érték Folyásindex (MFR) (23 C / 2,16 kg) ISO 1133 g/1 perc 45 Rugalmassági modulus (hajlításból) ISO 178 MPa 19 Rugalmassági modulus (húzásból) ISO 527-1,2 MPa 18 Húzószilárdság ISO 527-1,2 MPa 37,5 Nyúlás folyáshatárnál ISO 527-1,2 % 9,5 Izod ütőszilárdság (bemetszett, 23 C) ISO 18/1A kj/m 2 2,5 Lehajlási hőmérséklet (HDT) (,46 N/mm 2 ) ISO 75-1,2 C 118 Rockwell keménység ISO 239/2 R skála táblázat A gyártó által megadott, nagyszámú mérések eredményeinek átlagolásával meghatározott fizikai tulajdonságok [48] Az anyag választásakor a legmeghatározóbb feltétel az volt, hogy olyan anyagon mérjünk, amit nagy tömegben állítanak elő és használnak fel a világban. A polipropilén a PVC és a LDPE mellett a harmadik legnagyobb mennyiségben gyártott szintetikus polimer [49], amelyet felhasználnak többek között a csomagoló-, vegyszer- és járműiparban is. Feldolgozására számos technológiát használnak. A kompozit erősítőanyagaként Skloplast (26 óta Johns Manville) által Szlovákiában előállított Thermoflow EC típusú üvegszálat használtunk. A szálak 41

44 névleges hossza 4 mm, átmérőjük 13 µm és felületük tapadásjavító szilánvegyülettel kezelt [5]. Az adhéziós kapcsolat további növelésére az üvegszál tömegének 2%-nak megfelelő mennyiségű a francia Arkema cégtől származó Orevac CA1 maleinsav-anhidriddel ojtott polipropilént [51] kevertünk a fröccsöntő granulátum extrudálása során a rendszerbe. A fröccsöntéshez szükséges 5, 1, 2, 3 és 4 tömegszázalék üvegszáltartalmú anyagot Brabender Plasti-Corder (USA) típusú, számítógép vezérlésű extruderrel állítottuk elő ⁰C zónahőmérsékletek mellett, majd az extrudátumot SB Plastics Machinery Srl granuláló berendezésen daráltuk le. Az eltérő termikus előélet elkerülése végett az erősítetlen polipropilénen is elvégeztük az említett műveleteket. A kész granulátumokból Arburg Allrounder 32 C-GE 5-17 típusú fröccsöntőgéppel ISO es szabvány szerinti 1A típusú piskóta próbatesteket állítottunk elő. A fröccsöntési beállítások a következőek voltak: fröccsöntési térfogat (44 cm 3 ), az átkapcsolási pont (12 cm 3 ), befröccsöntési sebesség (5 cm 3 /sec) minden töltöttségi szint mellett azonos volt, a fröccsnyomást (7-1 bar) és az utónyomást (5 7 bar) az üvegszál tartalom növekedésével emelni kellett. A csiga kerületi sebessége (15 m/perc), a szerszámhőmérséklet (4 C) és zónahőmérsékletek ( C) a gyártás folyamán nem lettek megváltoztatva Felhasznált berendezések és mérési módszerek MFI mérés A polimer ömledék folyóképessége fontos tulajdonság, ami tartósfolyásukat és az igénybe vehető feldolgozás-technológiákat is meghatározza. A folyóképességet jellemző MFI mérést a Polimertechnika Tanszéken található CEAST 727. típusú, számítógépvezérlésű kapilláris plasztométeren végeztük. A berendezésen a terhelést 12 és 21 N között, a hőmérsékletet 5 és 36⁰C között lehet megválasztani. Mi a vizsgálatot ISO 1133 szabvány szerint hajtottuk végre, így a folyási mutatószám megállapításához mértük polimer olvadék tömegét, ami a készülék szabványméretű kifolyónyílásán (2,95 x 8 mm) megadott idő alatt (1 perc) kifolyt az előírt hőmérsékleten (23 ⁰C-on) és terhelőerő (21,6 N) mellett. A kapott értékek mérőszáma (MFR) a tömegáramot határozza meg, de ez a polimer ömledék sűrűségének ismeretében könnyen átszámolható a térfogatáramot jellemző számra (MVR). 42

45 Hajlító igénybevételű DMA vizsgálat A hajlító igénybevételű vizsgálatokat DMA Q8 típusú dinamikus mechanikai analizátorral (35/a. ábra) végeztük, amelyre a mérésnek megfelelően hárompontos hajlító igénybevételű befogót (35/b. ábra) szereltünk fel. A feltét rögzítését csavarokkal végeztük, amiket nyomatékkulcs segítségével az előírt mértékben feszítettünk elő. 35. ábra DMA készülék (a) és a használt hárompontos hajlító befogó (b) A készülék hőmérséklet szabályzásáról egy mérőtérbe épített fűtőbetétből, egy próbatesthez közel elhelyezett érzékelőből és nitrogéngázos hűtőrendszerből álló számítógép vezérlésű precíz rendszer gondoskodik, amely -145⁰C-tól egészen 6⁰C-ig képes beállítani mérési hőmérsékletet. A készülék képes a 2.9. pontban ismertetett vizsgálati módszerek elvégzésére, amelyek közül mi a hajlító vizsgálat során tranziens méréseket végeztünk a beépített Creep TTS modul segítségével. Ennek alapján, egy-egy próbadarabon minden hőmérsékletszinten lemértük a kúszási deformációt, a mintákat nem cseréltük ki az egyes ciklusok között. 36. ábra A vizsgálat mechanikai modellje a hajlított tartó 43

46 A vizsgálatot a 36. ábrán látható hajlított tartóval lehet modellezni, az alátámasztási távolság minden esetben 5 mm, míg terhelés 5 MPa volt, ami a keresztmetszettől függően 1,7-1,9 N-os maximális terhelőerőt jelentett, azaz jóval a berendezés 18 N-os méréshatárán belül maradt. A vizsgálatokat a szabványos húzó igénybevételű vizsgálatnál [8] is alkalmazott fröccsöntött piskóta alakú próbadarabból (ISO 3167) készítettük úgy, hogy a két végét eltávolítottuk és a középső 6 mm hosszú 1x4 mm keresztmetszetű részt tartottuk meg (37. ábra). 37. ábra A hajlító igénybevételű vizsgálat során használt próbatest A hajlító igénybevételű kúszás vizsgálatokat egymás után végeztük el mind a 6 féle, különböző száltartalmú próbatesten. Ezek egyenként 14 ciklusú mérések voltak, mivel -4 C-tól kezdve, a vizsgálati hőmérsékletet 1 C-os ugrásokkal emelve egészen +9 C-ig mértük a deformáció-változást. Vizsgálati hőmérséklet [ C] Mérési idő [min] 38. ábra Kamrahőmérséklet változása a vizsgálat ideje alatt Ahhoz, hogy a berendezés a 9⁰C-os hőmérsékletszinten is elvégezze a mérést, a hőmérséklet-tartomány felső határát 1⁰C-ra kellett beállítani, így a gép csak azt elérve

47 fejezte be a vizsgálatot. A kívánt hőmérséklet elérése után 2 perces holtidőt iktattunk be, hogy a vizsgálati tér hőmérséklete stabilizálódjon és a próbatest is átvegye annak hőmérsékletét. A holtidő alatt a próbatesten csak egy,1 N nagyságú előterhelés volt. Az adott ciklus holtideje és vizsgálati ideje alatt a készülék szabályzó rendszere a mérőtér hőmérsékletét 2-3⁰C-os ingadozással közel állandó szinten tartotta. A 38. ábra a kamra hőmérsékletét mutatja a 3 perces vizsgálati idő alatt. A mérés lefolyását a 39. ábra szemlélteti. A 2 perces hőntartási idő után a vezérlés rákapcsolta az állandó nagyságú terhelést a próbatestre és azt 3 percen keresztül tartotta rajta. A ciklus végén a terhelést megszüntetve megkezdte a mérőtér hőmérsékletét a következő előre beállított értékre emelni. Amint ez megtörtént újabb ciklus kezdődött. 39. ábra A 14 ciklusból álló vizsgálat lefolyása A vizsgálatok során több pontban a nemzetközi ISO szabvány előírásait követtük. Ez a hajlító kúszási tulajdonságok vizsgálatára vonatkozó szabvány mind a merev, félmerev, erősített, szálerősített és töltött polimerekre is érvényes. Előírásokat tartalmaz a terhelő rendszerre, amelynek biztosítani kell a terhelés egyenletes felvitelét és annak tartós fenntartását maximum ±1%-os tűrésmezőn belül. Kerülni kell, hogy deformáció-mérő készüléknek bármilyen mechanikai, fizikai vagy kémiai hatása legyen a próbatestre és a mért értékek valóstól való eltérésének,1%-os hibahatáron belül kell lennie. A mérési környezetre vonatkozó előírásokat illetően az ISO 291 szabványban [52] leírtakra hivatkozik. A feszültség nagyságát úgy kell megválasztani, hogy a maximális lehajlás ne legyen nagyobb az alátámasztási távolság,1-szeresénél. A szabvány további ajánlásokat tartalmaz többek között az idő, deformáció, környezeti jellemzők és 45

48 deformációfeloldódás mérésére, az egyes értékek számítására (pl. deformáció) és az adatok ábrázolására. Az alátámasztás hosszát illetően eltértünk a szabványtól, mivel annak ISO szerint a próbatest vastagságának 16±1 szeresének kellene lennie, ami 64 mm lenne az általunk alkalmazott 5 mm helyett. A mérésekre alkalmazott próbatestek hossza sem egyezik a szabványban leírtakkal, mivel azok 6 mm hosszúak ellenben a szabványban előírt 8 mm hosszú darabokkal [26] Húzó igénybevételű DMA vizsgálat A húzó igénybevételű kúszásméréseket szintén a Polimertechnika Tanszék laborjában található DMA Q8 típusú berendezésen végeztük, azonban a feltétet húzó elrendezésűre cseréltük (4. ábra). A próbatest behelyezése után a befogó szorítópofáit nyomatékkulccsal az előírt 6,77 Nm-es (5 lb) nyomatékkal feszítettük elő. 4. ábra A vizsgálathoz használt húzó elrendezésű feltét A hajlításhoz hasonlóan a húzó igénybevételű méréseket is 6 db, különböző száltartalmú próbatesten végeztük el a berendezés Creep TTS üzemmódját használva, azonban az egyes vizsgálatok teljes időtartama lényegesen nagyobb volt (21,5 óra), mivel azokat 4 C-tól végeztük, a vizsgálati hőmérsékletet 1 C-os ugrásokkal emelve egészen +15 C-ig. Egy teljes vizsgálat így 2 ciklusból állt, amelynek egy kiragadott részletét a 41. ábra mutatja. Valamilyen okból kifolyólag a húzó igénybevételű vizsgálatok során az egyes hőmérsékletek beállása több időt vett igénybe, ezért a holtidőt 35 percre kellett emelnünk. A kúszási deformációt a hajlító igénybevételű vizsgálatokhoz hasonlóan, de kisebb, 3 MPa állandó nagyságú terhelés mellett 3 percig mértük minden egyes ciklusban. A hőmérsékletemelés és holtidő ideje alatt a próbatesten csak a,1 N nagyságú előterhelés volt. A kezdeti befogási hossz minden esetben L = 25±,2 mm volt. 46

49 41. ábra Egy húzó igénybevételű mérés két ciklusa A húzó igénybevételű kúszásvizsgálatoknál használt próbatesteket szintén az ISO 3167 szabványban leírt piskóta alakú próbatestekből munkáltuk ki (42. ábra). Mivel a húzó igénybevételű befogókat eredetileg fém mintadarabok vizsgálatára tervezték, ezért a fémek nagyobb átlagos szilárdsága miatt csak vékonyabb próbatestek befogására alkalmas. A meglehetősen vékony,,5 mm vastagságú minták elkészítésekor először 6 mm hosszon marógép segítségével eltávolítottuk a darabok felső 3,5 mm vastag rétegét, majd két végüket fűrészlappal levágtuk. A próbadarabok tehát a fröccstermék héj részéből készültek, amelyet figyelembe kell venni a mérések esetleges megismétlésekor (2.11. fejezet). Az így elkészült 6 mm hosszú lapokból 15 mm-t eltávolítva, a kapott 45x1x,5 mm méretű mintadarabok már befoghatóak voltak. 42. ábra A húzó igénybevételnek kitett próbatestek izometrikus ábrája A marást gépműhelyben végeztük 8 bekezdéses vídia betétes szerszámmal felszerelt marógépen. A vídia betétekre az üvegszálak nagy keménysége miatt volt szükség, ami akár a különböző gyorsacélokét (~63-66 HRC [53]) is meghaladhatja, ezzel tönkretéve az abból készült szerszámot. A húzó igénybevételű kúszásvizsgálatokra vonatkozó nemzetközi előírásokat az ISO szabvány tartalmazza. A mérésekre bármilyen erősítetlen, szálerősített vagy töltött polimer anyagból készült próbatest használható. Ezek készülhetnek fröccsöntéssel 47

50 közvetlenül vagy kivághatóak fröccsöntött vagy más technológiával készült lapokból. A szabvány főbb pontjai megegyeznek a hajlítással foglalkozó változatnál említettekkel, így ez is tartalmaz előírásokat a mérés lefolytatására, a mérő- és szabályzó rendszerek pontosságára, mérési körülményekre, egyes jellemzők számítására, értékek ábrázolására stb. Az általunk végzett mérések több pontja megfelel ezeknek az előírásoknak. A szabvány inkább általánosságban ír a vizsgálatról, kevés az igénybevétel specifikus előírás. Ezek közül az egyik a próbatest befogására vonatkozik, amelyre csak fix befogók használhatóak, mozgásra képes önkiegyenlítő befogók nem. Próbatestként a húzó tulajdonságok meghatározására előírásokat tartalmazó ISO szabványban használt piskóta alakú darabot ajánlja, azonban a DMA készülék kisebb méretű minták vizsgálatára lett optimalizálva, ezért a fentebb említett kimunkált próbatesteket használtuk [26] Frekvenciafüggő tulajdonságok vizsgálata A polipropilénnek és szálerősített kompozitjainak dinamikus jellemzőit DMA berendezésen mértük hárompontos hajlító igénybevétel mellett, frekvencia söprés üzemmódban. A próbatestek paraméterei megegyeztek a hajlító igénybevételű kúszásmérésnél ismertetett darabokéval, így ennél is 6 db eltérő száltartalmú 6x1x4 mm méretű mintán végeztünk méréseket. Ezek a vizsgálatok a kúszás vizsgálatoknál jóval rövidebb időtartamúak, kevéssel több, mint 1 órásak voltak. Az egyes méréseket -4⁰C-tól +15⁰C-ig tartó hőmérséklettartományban végeztük. Első lépésként a készülék a hőmérsékletet -4⁰C-ig csökkentette, majd 5 perc hőntartás következett, amelynek során csak a,1 N nagyságú előterheléssel terhelte a próbadarabot. 5 perc után elkezdődött a mérés, a hőmérsékletet 3⁰C/perc ütemben növelte a készülék, miközben a frekvenciát folyamatosan váltogatta (43. ábra). 43. ábra Hőmérséklet lefutása az időben 48

51 A hőmérséklet emelése mellett a készülék a beállított program szerint sorban 1, 2, 5 és 1 Hz frekvenciájú periodikus gerjesztéssel terhelte a próbatestet. Az egyes frekvenciákat körülbelül 9 s-ig alkalmazta, majd ugrott a következő frekvenciaszintre. Amikor a 1 Hz-es gerjesztés lefutott, újra 1, 2, 5, majd 1 Hz következett, így végezte a vizsgálatot egészen addig, míg a hőmérséklet elérte a +15⁰C-ot. A beállított amplitúdó minden mérés esetében 3 μm volt. A DMA berendezéshez tartozó számítógépes alkalmazás folyamatosan számolta és tárolta a tárolási modulus, a veszteségi modulus és a veszteségi tényező értékeit. A programból txt fájlba exportáltuk az adatokat, majd a kiértékelést excelben végeztem el Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat A DMA vizsgálatokat követően a károsodott próbatestek vizsgálatára JEOL JSM 638LA (Japán) típusú pásztázó elektronmikroszkópot (SEM) használtunk, amelynek maximális felbontóképessége eléri az 1 nm-t. Segítségével könnyedén vizsgálhatóak a fénymikroszkópokkal már nem elérhető tartományok, emellett az elkészült képek mélységélessége is kiváló. A vizsgálathoz a polimer minták felületét elektromosan vezetővé kellett tenni, ehhez JEOL vákuumgőzölő berendezést használtunk, amellyel egyenletes aranyréteget vittünk fel a vizsgálandó darabokra Fénymikroszkópos vizsgálat A húzó igénybevételű vizsgálatoknál 2 próbatest esetében is apró repedések keletkeztek az anyag belsejében, amelyeket Olympus BX 51M típusú optikai mikroszkóppal vizsgáltunk. A próbatestek vékonyságából adódóan elég fény tudott átjutni a mintákon ahhoz, hogy éles felvételeket készítsünk. A mikroszkópra szerelt Olympus C- 56 CAMEDIA típusú digitális fényképezőgéppel különböző pontokra fókuszálva képeket készítettünk, majd azokat AnalySIS képfeldolgozó program segítségével egyesítettük. A program az egyes felvételek éles részleteit egy képen jeleníti meg, amelyen már jól láthatóak a repedések. 49

52 4. Vizsgálati eredmények 4.1. Alapanyag vizsgálata Az alapanyagok extrudálását követően Melt Flow Index (MFI) mérés segítségével meghatároztuk az eltérő üvegszáltartalmú granulátumokhoz tartozó folyási mutatószámokat, mivel azok szoros kapcsolatban vannak az anyag tartósfolyásával és az igénybe vehető feldolgozási technológiákkal. Vékonyfalú PP termékek fröccsöntésére MFI = 3-5 g/1perc folyóképességű, míg vastagfalú termékek fröccsöntésére MFI = 1-3 g/1perc folyóképességű anyagot ajánl a szakirodalom [9, 54]. A méréseket szabvány szerint (ISO 1133) 23 C-on és 2,16 kg-os terhelés mellett végeztük. A kapott eredmények a 44. ábrán láthatóak. 44. ábra Folyási mutatószám különböző üvegszáltartalom mellett A tényleges üvegszál tartalom meghatározására mind a 6 féle próbatestből 3-3-at kiégetésnek vetettünk alá. A vizsgálat során a próbatestek középső párhuzamos részét először kerámia csészékben gázégő fölött, majd maradék szerves anyagokat további 2 perc alatt 6ºC-on, Nabertherm típusú izzítókemencében égettük el. A PP mátrix elégetése után láthatóvá vált, hogy az anyag töltőanyagokat nem tartalmazott, csak a szervetlen erősítőanyag maradt meg. Az izzítási maradék tömegének és sűrűségének ismeretében a töltőanyag térfogatszázalékok kiszámolhatóak, amelyeket mérésünk esetében a 2. táblázat mutat. Anyag jelölése PP PP+GF5 PP+GF1 PP+GF2 PP+GF3 PP+GF4 Névleges GF tartalom % 5% 1% 2% 3% 4% Átlagos mért töltőanyag % 4,93% 1,37% 19,43% 29,9% 38,68% tart. 2. táblázat Névleges és valódi száltartalom az egyes minták esetében 5

53 4.2. DMA-val mért hajlító igénybevételű kúszás A hőmérséklet-idő ekvivalencia elvének alkalmazásával egy adott időtartományban mért kúszásgörbék segítségével meg lehet határozni az egyes erősítőanyag tartalmakhoz tartozó, a hosszú távú kúszási viselkedést választott hőmérsékleten becslő mestergörbéket. Ennek megfelelően előbb különböző hőmérsékletek mellett elvégeztük a kúszásvizsgálatokat az eltérő erősítőszál tartalmú kompozit próbatesteken. A mintavételezési pontok sűrűségét a deformáció-változás sebességének függvényében állítottuk be. A kapott mérési eredményekből Microsoft Excel 21 segítségével állítottam elő az idő-deformáció jelleggörbéket, amelyeket a 45. ábra mutat. A különböző száltartalommal rendelkező próbatestek kúszási görbéit összehasonlítva a különbség szembetűnő. A 3 perces mérés alatt a tömeg% száltartalmú mintadarab 2⁰C-on (közel szobahőmérsékleten) mért maximális deformációja,414% volt, míg ugyanezen a hőmérsékleten a 4 tömeg% száltartalmú darabnak,834%, tehát az erősítetlen PP alakváltozása majdnem 5-ször nagyobb volt. Ez egy maximális deformációra tervezett szerkezeti elem esetében jelentős élettartam különbséget jelenthet. A hosszútávú becslést segítő mestergörbék előállításához a DMA berendezés gyártója, a TA Instruments által fejlesztett Rheology Advantage Data Analysis szoftvert (verzió: 5.7.) használtuk. A készülék által regisztrált mérési eredményeket szöveg formátumba exportáltuk, majd ennek alapján a viszonyítási hőmérséklet beállítása után a szoftver előállította az eltolási tényezőt és a mestergörbét. Mestergörbe generálásához a program több lehetőséget is felajánl, választhatjuk a szoftver által felkínált referencia hőmérsékletet WLF modellel vagy egy általunk meghatározott hőmérsékletet beállítva kérhetjük WLF vagy Arrhenius modell szerinti mestergörbe generálást. Az egyes mérések során érdemes a lehető legnagyobb mintavételezési sűrűséget beállítani, mivel így a közelítés pontosságát növelhetjük. Ez azonban azzal jár, hogy a készülék olyan mérési pontokat is felvesz, amelyek alatt a terhelés még nem érte el az előre beállított értéket. Ezek a felterhelési szakaszba eső mérési pontok a mestergörbék pontosságát hátrányosan befolyásolják, így ezeket eltávolítottam a szövegfájlból. A hiba szemléltetésére a tömeg% száltartalmú PP minta mérési eredményeiből elkészítettem mestergörbéket anélkül, hogy a hibás pontokat kivettem volna (46. ábra). Látható, hogy az eltérés főként a kisebb időtartományokat érinti. 51

54 Vizsgálati hőmérséklet [ C]: ,5,8 Deformáció [%] 2 1,5 1,5 Deformáció [%],6,4, (a) Mérési idő [min] (b) 5 1 Mérési 15idő [min] ,5,3,4,25 Deformáció [%],3,2 Deformáció [%],2,15,1,1, (c) Mérési idő [min] (d) Mérési idő [min],25,2 Deformáció [%],2,15,1,5 Deformáció [%],15,1,5 (e) Mérési idő [min] (f) Mérési idő [min] 45. ábra Hajlító igénybevétel mellett mért kúszási deformáció hőmérséklet- és erősítőszál-tartalom függése: (a), 5 (b), 1 (c), 2 (d), 3 (e), 4 tömeg% (f) üvegszál tartalom 52

55 1 1 log(deformáció) [%] 1,1 referencia hőm. WLF választott hőm. WLF vál. hőm. Arrhenius 46. ábra Felterhelési szakaszon mért pontok okozta hiba (a) és az ezek nélkül generált mestergörbe (b) A 47. ábrán az erősítetlen próbatesten mért kúszási adatokból előállított mestergörbék láthatóak. Megfigyelhető, hogy a mért kúszási adatokból 2,4⁰C-os és 2⁰C-os referenciahőmérsékletet alkalmazva WLF és Arrhenius modellel előállított mestergörbék között jelentős különbség nincs, ezért az erősítőszál tartalom hatásának összehasonlító ábrázolására a továbbiakban a program által felajánlott 2,4⁰C-os viszonyítási hőmérsékletet és WLF modellt használtam a mestergörbék előállítására. log(deformáció) [%],1,1 1,E ,E ,E-1 1 1,E ,E ,E+ 1 1,E ,E ,E-1 1 1,E ,E ,E+2 1 (a) log(idő) [év] (b) log(idő) [év] 1,1 referencia hőm. WLF választott hőm. WLF vál. hőm. Arrhenius 1,5 1,5 Deformáció [%] 1,2,9,6, Idő [év] WLF szerint 2,4 C-on WLF szerint 2 C-on Arrhenius sz. 2 C-on Deformáció [%] 1,2,9,6 Mérési tartomány ( s),3 WLF szerint 2,4 C-on WLF szerint 2 C-on Arrhenius sz. 2 C-on 1,E-1 1 1,E ,E ,E-1,1 1,E+2 1 log(idő) [év] 47. ábra A program által felajánlott 2,4⁰C-os, ill. a választott 2⁰C-os referenciahőmérsékleten meghatározott WLF és Arrhenius szerinti mestergörbék a vizsgált tartományon együtt futnak A különböző kúszásgörbékből generált mestergörbék irreálisan hosszú, több száz, vagy több tízezer évre adnak becslést, amelyet fenntartással kell kezelni, mivel az ilyen óriási időtartamokra való becslés még erős közelítésnek sem mondható, ráadásul egy tervezési feladatban teljesen felesleges is, hiszen a polimer anyagok a környezeti hatások következtében degradálódnak. Általánosságban mondható, hogy a mestergörbék 53

56 felhasználhatóságának becsült ideje pár tíz, de maximum 1 év, ezért a mestergörbék becslési tartományát 1 évre redukáltam. A különböző száltartalmú PP kúszási deformációjának becsült trendjét az 48. és 49. ábrák mutatják be. Megfigyelhető, hogy az anyagok kúszási deformabilitása a száltartalom növelésével exponenciálisan csökken. 1,4 Deformáció [%] 1,2 1,8,6,4 Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4%, Idő [év] 48. ábra 1 éves időtartamra becslést adó mestergörbék különböző száltartalmak esetén 1,4 Deformáció [%] 1,2 1,8,6,4 Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4%,2 1,E-1 1 1,E ,E ,E-1,1 1,E+2 1 log(idő) [év] 49. ábra Mestergörbék logaritmikus időtengelyű diagramon A kapott mestergörbék a várakozásnak megfelelően a száltartalom növelésével jelentős kúszási deformáció csökkenést mutatnak. Az összehasonlítás megkönnyítésére mindegyik különböző száltartalmú PP-en mért kúszási adatsorból kiválogattam az 5, 1, 54

57 15, 2 évhez legközelebb eső mérési pontokat és az azokban mért deformációkat ábrázoltam a száltartalom függvényében (5. ábra). Deformáció [%] 1,2 1,8,6,4,2 Elért deformáció: 2 év alatt 15 év alatt 1 év alatt 5 év alatt Száltartalom [tömeg%] 5. ábra 5, 1, 15 és 2 évig tartós állandó terhelés hatására fellépő kúszási deformációk a száltartalom függvényében Azért az 5-2 éves tartományt választottam az ábrázolásra, mert a mestergörbéket alkotó mérési pontok ezek körül még viszonylag sűrűn helyezkednek el, így könnyen található hozzájuk közeli értékek és mert az 5-2 éves működési időtartam reális szempont lehet egy szerkezeti elem tervezésekor. A diagramról látszik, hogy az alakváltozás exponenciálisan csökken a száltartalom növelésével és az, hogy az 5 és 2 évig tartó deformációk közti különbség a legmagasabb a 4 tömeg% száltartalmú PP-nél a legkisebb DMA-val mért húzó igénybevételű kúszás A kúszásvizsgálatok második fázisában a kúszási deformációt húzó igénybevételű terhelés mellett mértük különböző száltartalmak esetén. Az kapott eredmények alapján Excel-el generált kúszásgörbék az 51. ábrán láthatóak. A húzó igénybevételű méréseknél a beállított maximális hőmérséklet +15⁰C volt, de ezt nem mindig sikerült elérnünk, mivel a kisebb száltartalmú próbatestek már alacsonyabb hőmérsékletszinteken akkora alakváltozást szenvedtek, ami a készüléken beállított lehetséges maximális deformációnál nagyobb volt. Látható, hogy az erősítetlen próbatest esetében (51/a. ábra) a 12⁰C volt az utolsó olyan hőmérsékletszint, amit végig tudott mérni a berendezés, a 13⁰C-os mérésbe csak belekezdeni tudott, de szinte azonnal ( 8,3 s alatt) le is állt. 55

58 Deformáció [%] 3,5 3 2,5 2 1,5 1, (a) Mérési idő [min] Deformáció [%] 3,5 3 2,5 2 1,5 1, (b) Mérési idő [min] 1,5,6 1,25,5 Deformáció [%] 1,75,5,25 Deformáció [%],4,3,2, (c) Mérési idő [min] (d) Mérési idő [min],6,6,5,5 Deformáció [%],4,3,2,1 Deformáció [%],4,3,2, (e) Mérési idő [min] (f) Mérési idő [min] 51. ábra Húzó igénybevétel mellett mért kúszási deformáció hőmérséklet- és erősítőszál-tartalom függése: (a), 5 (b), 1 (c), 2 (d), 3 (e), 4 tömeg% (f) üvegszáltartalom 56

59 Nagyobb száltartalmú próbatestek használatával a készülék egyre magasabb hőmérsékleteken is képes volt elvégezni a teljes 3 perces méréseket, így 5 tömeg% esetében 13⁰C, míg 1 és a feletti tömeg% száltartalmú daraboknál 14⁰C volt az utolsó hőmérsékletszint, amin 3 percig tudott mérni a gép. 15⁰C-on egyik száltartalom esetében sem sikerült 3 perces mérést végezni, viszont a száltartalom emelkedésével a mérési idők is hosszabbak lettek, így 1 tömeg% esetén,4 s, 4 tömeg% esetén pedig 13,2 s. A különbség az egyes száltartalmak esetén a hajlító igénybevételű mérésekhez hasonlóan szembetűnő minden hőmérsékleten, az erősítés, ill. a száltartalom növelése jelentősen csökkentette a 3 perces állandó terhelés hatására elért alakváltozást. Az erősítetlen próbatest 2⁰C-on (közel szobahőmérsékleten) 3 perc alatt elért deformációja,27% volt, míg a 4 tömeg% üvegszállal erősített darabé,62%, ez egy húzásra igénybevett 1 méteres alkatrész esetén 28 mm-es hosszkülönbséget jelentene. Észrevehető, hogy a száltartalom növelésével a próbadarabok kúszásának hőmérsékletfüggése is csökken. Ennek szemléltetésére egy külön diagramban (52. ábra) ábrázoltam az egyes száltartalmak esetén -4⁰C-on és 12⁰C-on elért deformációk különbségét. Azért a 12⁰C-ot választottam felső határnak, mert ezen a hőmérsékleten minden próbatest esetében lefutott a teljes 3 perces mérés. Látszik, hogy a görbe exponenciális jellegű és a különbség hatalmas az erősítetlen és a 4 tömeg% üvegszállal erősített PP között. 3,5 Deformációkülönbség [%] 3 2,5 2 1,5 1, Száltartalom [%] 52. ábra A -4⁰C-on és +12⁰C-on mért deformációk különbsége az egyes száltartalmak esetében A hajlító igénybevételű mérésekhez hasonlóan a húzó igénybevétel mellett mért kúszásgörbékből is, azok időtengely menti eltolásával mestergörbéket szerkesztettem WLF modell szerint (53. ábra). A felterhelési szakaszba eső mérési pontokat itt is eltávolítottam, 57

60 azonban viszonyítási hőmérsékletnek most nem a program által felkínált 2,4⁰C-ot, hanem 2⁰C-ot állítottam be. A mestergörbéket a lineáris mellett logaritmikus időskálán (53/b. ábra) is ábrázoltam, hogy a kúszási deformációk a kisebb időtartományokban is jól követhetőek legyenek. A mestergörbék és azok logaritmikus idő skálával ellátott változatai ebben az esetben is hatalmas időtartományt fednek le, azonban én csak 1 évig bezáróan ábrázolom őket. Száltartalom: 1,2 % 5% 1% 2% 3% 4% Deformáció [%] 1,8,6,4,2 Deformáció [%] (a) 1,2 1,8,6, Idő [év] Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4%,2 1E-1 1,1 1-7,1 1-4,1 1 (b) log(idő) [év] 53. ábra A húzó igénybevételű kúszásgörbék alapján generált lineáris (a) és logaritmikus (b) időskálával ellátott mestergörbék 58

61 A különbség az erősítetlen és szálerősített próbatestek között a húzó igénybevételű mérésből kapott mestergörbéken is jelentős, azonban érdekes, hogy a 3 és 4 tömeg% erősítőszálat tartalmazó darabok görbéi nem különülnek úgy el, mint a hajlító igénybevételű méréseknél kapott görbék, sőt a 3 tömeg% száltartalmú PP kúszási deformáció szempontjából jobban teljesít a 4 tömeg% üvegszálat tartalmazó PP-nél. Ez, hogy a nagyobb száltartalom ellenére nagyobb deformációt ér el az anyag, bizonyítja azt, hogy milyen nehéz egy polimer anyagból készült alkatrészt méretezni, hiszen akár a legapróbb inhomogenitás az anyagon belül ekkora különbséget okozhat Dinamikus jellemzők vizsgálata A különböző erősítőszáltartalmú PP mintákat a statikus terhelési vizsgálatok mellett dinamikus terhelésnek is kitettük, hogy pontos képet kapjunk az anyag tárolási és veszteségi modulusáról ill. az azok hányadosaként definiált veszteségi tényezőről. Hajlító igénybevétel mellett vizsgáltuk, hogy ezek a dinamikus jellemzők miként változnak a -4-15⁰C-ig tartó hőmérséklettartományba. A méréseket mind a 6 különböző tömeg% erősítőanyagot tartalmazó próbatesten elvégeztük, így lehetővé téve a dinamikus jellemzők változásának megfigyelését a száltartalom függvényében. Az egyes vizsgálatoknál a DMA berendezés frekvenciasöprés üzemmódját használtuk, ezért a gép 1, 2, 5 és 1 Hz-es frekvenciaszinteken is gyűjtött adatokat. Frekvencia: Modulus (E', E"x1) [GPa] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 E"(f) E' 1Hz E"x1 1Hz E' 2Hz E"x1 2Hz E' 5Hz E"x1 5Hz E' 1Hz E"x1Hz tanδ 1Hz tanδ 2Hz tanδ 5Hz tanδ 1Hz,16 tanδ(f) E'(f E"(f) tanδ(f) Hőmérséklet [ C],14,12,8,6,4,2 54. ábra Erősítetlen PP minta dinamikus jellemzőinek változása a hőmérséklet függvényében,1 tanδ [-] 59

62 Miután a készülék befejezte a mérést, a kapott eredményeket txt szövegfájlba exportáltuk, amelyeket később Microsoft Excel 21 segítségével dolgoztam fel. Első lépésként mindegyik különböző üvegszáltartalmú minta mérési eredményeit szétválogattam és csoportosítottam erősítőszáltartalom és frekvencia szerint, majd ezekből az összehasonlítás megkönnyítésére diagramokat készítettem. A kirajzolódott jelleggörbék megfelelnek a szakirodalomban [2] ismertetett DMA görbéknek. Az 54. ábra az erősítetlen próbatest dinamikus jellemzőinek változását mutatja a hőmérséklet függvényében különböző frekvenciák mellett. A jobb láthatóság érdekében veszteségi modulus értékek tízszeresét ábrázoltam. Az eredmények tükrözik az előzetes várakozásokat, látható, hogy az anyag tárolási modulusa - amely az anyagban tárolt rugalmas energiával arányos - a hőmérséklet emelkedésével párhuzamosan csökken. Ennek oka, hogy a lágyulás miatt a viszkoelasztikus anyag kevésbé viselkedik elasztikusan (rugalmasan), egyre inkább viszkózus jelleget vesz fel. Ezzel együtt a polimer anyag kevesebb rugalmas energiát képes tárolni, így az alakváltoztatásba befektetett munka egyre nagyobb hányada válik veszteséggé, amely a komplex rugalmassági modulus megnövekedett veszteségi komponensében ill. a veszteségi hányadosban jelenik meg. Mivel a veszteségi tényező a veszteségi modulus és a tárolási modulus hányadosa, ezért a maximumát ott éri el, ahol a kettő különbsége a legnagyobb, jelen esetben 15⁰C-on, mivel ez volt a mérési hőmérséklettartomány felső határa. Az 55. ábrán jól látszik, hogy a tárolási és veszteségi modulus ill. a veszteségi tényező görbéjét hasonlóan módosítja a frekvencia mindegyik száltartalomnál. A tárolási modulus görbéje a nagyobb frekvencia alkalmazásakor feljebb tolódik, míg a veszteségi modulus különböző frekvencián mért görbéi többször is helyet cserélnek egymással (54. ábra). E maximuma előtt a frekvencia növelése feljebb csúsztatja a görbéket, azonban az után már lefelé tolja el őket, amelynek oka az, hogy a veszteségi modulus maximuma körül helyezkedik el az üvegesedési átmeneti hőmérséklet tartomány (T g ). Ez az üvegszerű és nagyrugalmas viselkedési tartomány között helyezkedik el, ami a mechanikai jellemzők (pl. E ) változásában mutatkozik meg. Érdemes még megfigyelni az 54. és 55. ábrán a veszteségi modulus maximumának és egyben a Tg-nek a vándorlását a frekvencia növelésének hatására. Világosan látszik, hogy a frekvencia emelése a T g -t jobbra, azaz magasabb hőmérséklet felé tolja el. 6

63 5,16 Modulus (E', E"x1) [GPa] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5,14,12,1,8,6,4,2 tanδ [-] Modulus (E', E"x1) [GPa] ,1,8,6,4,2 tanδ [-] (a) Hőmérséklet [ C] (b) Hőmérséklet [ C] 6 8 Modulus (E', E"x1) [GPa] ,1,8,6,4,2 tanδ [-] Modulus (E', E"x1) [GPa] ,1,8,6,4,2 tanδ [-] (c) Hőmérséklet [ C] (d) Hőmérséklet [ C] Modulus (E', E"x1) [GPa] (e) Hőmérséklet [ C],12,1,8,6,4,2 tanδ [-] Modulus (E', E"x1) [GPa] (f) Hőmérséklet [ C],12,1,8,6,4,2 tanδ [-] 55. ábra E', E" és tanδ jelleggörbék különböző száltartalmak mellett: tömeg% (a), 5 tömeg% (b), 1 tömeg%(c), 2 tömeg%(d), 3 tömeg%(e), 4 tömeg%(f) 61

64 A dinamikus mérések másik célja a frekvenciafüggés vizsgálata mellett, megfigyelni a száltartalom növelésének hatását az egyes dinamikai jellemzőkre. Ennek szemléltetésére az azonos száltartalom mellett kapott E és E görbéket egy színnel jelöltem (56. ábra), így azok jól elkülöníthetően megadják a száltartalom-modulus kapcsolatokat. A száltartalom növelésének hatására az anyag szilárdsága megnő, merevebb lesz, így a viszkoelasztikus anyag az elasztikus viselkedés irányába tolódik el, ami a tárolási modulus emelkedésében jelentkezik. Mivel az anyag egyre több rugalmas energiát tud tárolni (és tehermentesítéskor visszaadni azt), a disszipálódó energia mennyisége és ezzel a veszteségi modulus csökken. 12 Modulus (E', E"x1) [MPa] E"(Száltartalom) E'(Száltartalom) Hőmérséklet [ C] 56. ábra Száltartalom növelésének hatása a tárolási és veszteségi modulusra A jobb láthatóság érdekében a veszteségi tényezőt külön diagramon ábrázoltam (57. ábra), így tisztán látszik, hogy az a száltartalom növelésével csökkenő tendenciát mutat. Az erősítetlen PP-ben (piros) főként magasabb hőmérsékleten lényegesen nagyobb volt a veszteségi hányad a többihez képest, de ami igazán szembetűnő, hogy az erősítőszálat tartalmazó minták görbéi 1⁰C környékén elkezdenek összemosódni. 62

65 ,16,14,12 tanδ [-],1,8,6,4,2 tanδ(száltartalom) Hőmérséklet [ C] 57. ábra A veszteségi modulus az erősítőszáltartalom növelésével csökken A görbék összemosódása a polimerek egyik legnagyobb gyengepontjára világít rá, a kis hőállóságra. Látszik, hogy a száltartalom növelésével járó mechanikai tulajdonság javulás (ez esetben a veszteségi tényező csökkenése) mértéke a hőmérséklet emelkedésével csökken, ill. bizonytalanná válik. Ennek az erős hőmérsékletfüggésnek a csökkentése fontos technikai újítás lehet, hiszen olyan helyeken is alkalmazni lehetne a polimereket, ahol az üzemi hőmérséklet jóval szobahőmérséklet felett van Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat A 3 tömeg% üvegszál tartalmú próbatest 15⁰C-on történő húzó igénybevételű kúszásmérése során a próbatest elszakadt (58. ábra). Mivel ez a jelenség DMA készülékkel végzett vizsgálatok esetén ritkán fordul elő, ezért kíváncsiak voltunk mi áll a tönkremenetel hátterében. A szakadás okára a próbatest felületéből és töretfelületéből lehet következtetni, ezért azokat pásztázó elektronmikroszkóppal megvizsgáltuk. A darab felületéről készült képek (59. ábra) alapján elmondható, hogy a szál-mátrix határfelületi adhézió megfelelő volt, mivel a szálak a húzó igénybevétel hatására töredeztek. 63

66 58. ábra A 3 tömeg% üvegszáltartalmú próbatest a mérés kezdetét követően azonnal elszakadt A szálak szakadása kompozitok esetében a lehető legkedvezőbb tönkremeneteli forma, mivel legtöbbször arra utal, hogy az anyag elérte azt a maximális terhelhetőséget, amire tervezték. A mi esetünkben azonban nem a nagy terhelés okozta a károsodást, hiszen akkor a kisebb száltartalmú próbadarabok is elszakadtak volna. 59. ábra Szálak töredezése a kompozit próbatestben 6. ábra Elektronmikroszkóppal készített felvételek a töretfelületről 64

67 A tapadás további vizsgálatához a nagyítást növeltük és a szálakat a töretfelületen is megnéztük (6. ábra). A felvételekből nagyon jól látszik, hogy a mátrixanyag bevonja a szálakat, így biztosan kizárható, hogy a tönkremenetelt a gyenge adhézió miatti szálkihúzódás okozta volna. Valószínűsíthető, hogy a károsodást lokális túlmelegedés okozta, mivel a 15⁰C-os hőmérséklet nagyon közel van az anyag olvadáspontjához ( 16⁰C-os [55]). A túl nagy hőmérséklet miatt az anyag képtelen volt elviselni a 3 MPa-os terhelést, ezért elszakadt Fénymikroszkópos vizsgálat A húzó igénybevételű kúszásmérések során az 5 és 1 tömeg% erősítőszál tartalmú próbatesteken szemmel látható, a terhelés irányára merőleges repedések (61. ábra) keletkeztek az anyag szerkezetében, amelyek alaposabb vizsgálatára fénymikroszkópot használtunk. 61. ábra Repedések az 5 és 1 tömeg% üvegszáltartalmú próbatest belsejében A repedések az anyag belsejében voltak ezért azokat csak fénymikroszkóppal tudtuk vizsgálni. Ennek nagy előnye, hogy a próbadarabról készült különböző képek a hozzá tartozó képfeldolgozó program segítségével összemoshatók eggyé, így tökéletesen éles képeket lehet létrehozni. Mivel a próbatestek szinte film vékonyságúak, ezért elegendő fény képes áthatolni rajtuk ahhoz, hogy a képek kellően kontrasztosak legyenek. A repedésekről mind alsó (62. ábra) és felső (62. ábra) megvilágításban készítettünk felvételeket. A felső megvilágítással készített képekből látszik, hogy a repedések valóban az anyag belsejében vannak és nem érnek ki annak felületére. A 62. ábrán keresztirányú fekete foltként megjelenő repedések feltehetőleg növekedésnek indult mikrorepedések. A 65

68 kis száltartalom miatt a mikrorepedések terjedése kevésbé gátolt, mint nagyobb száltartalmak esetén és ezért szabad szemmel látható méretet öltenek. (a) (b) 62. ábra Keresztirányú repedések az 5 tömeg% üvegszáltartalmú próbatestben alsó (a) és felső (b) megvilágításban 66

69 5. Összefoglalás A polimerek kúszásának és ezzel mechanikai tulajdonságaik időbeli változásának a pontos megismerése nagymértékben hozzájárulhat a műanyagok szerkezeti anyagként való hasznosításához olyan területeken, ahol ez eddig nem volt lehetséges. Ehhez mindenekelőtt a viselkedésüket hosszútávon pontosan becslő eljárásokra van szükség, amelyek közül az egyik lehet a DMA berendezéssel mért rövidtávú kúszási viselkedés mestergörbe technikával történő kiterjesztése. A DMA berendezéssel mért hajlító- és húzó igénybevételű rövidtávú kúszásmérések során különböző száltartalmak mellett több hőmérsékletszinten mértük az anyag kúszási deformációját, majd az eredményekből a hőmérséklet-idő hasonlósági elvet alkalmazva mestergörbéket szerkesztettünk, amelyek 1 évig bezáróan becslik az anyagban állandó terhelés hatására létrejövő alakváltozást. A kapott jelleggörbék a várakozásnak megfelelően jelentős deformáció csökkenést mutattak a száltartalom növelésével, azonban a kettő közötti kapcsolat nem egyenesen arányos, ami határt szab a kompozitokkal elérhető maximális szilárdságnak. A mestergörbéket leíró függvények száltartalomfüggő paramétereinek meghatározásával, akár köztes száltartalmú anyagra is hozzávetőleges kúszási deformáció-becslés adható, ezért a téma további vizsgálatok alapja lehet. A mérések és az azok alapján meghatározott mestergörbék bizonyítják, hogy a rövidtávú mérések alapján használható, a szerkezeti elemek tervezéséhez irányt adó becslések készíthetőek, ugyanakkor a kisebb biztonsági tényezők használatához a közelítések pontosságán még javítani kell. A kúszásméréseket kiegészítve, DMA berendezéssel dinamikus vizsgálatokat végeztünk, amelyek során szinuszos deformációgerjesztést alkalmazva vizsgáltuk az anyag dinamikus jellemzőinek hőmérséklet szerinti változását a frekvencia és a száltartalom függvényében. Az eredmények a száltartalom növelésével jelentős szilárdságjavulást mutatnak, ami a nagyobb tárolási és a kisebb veszteségi modulusban nyilvánul meg. A frekvencia emelése a tárolási modulust az egész hőmérséklettartományban minden száltartalom mellett emelte, azonban a veszteségi modulust csak a viszkoelasztikus viselkedési tartományban csökkentette, ezzel alátámasztva a polimer anyagok mechanikai viselkedésének erős hőmérsékletfüggését. A veszteségi tényező általánosságban a polimer anyagok nagyfokú csillapítóképességét mutatja, amely a száltartalom növelésével csökken. A csillapítás csökkenése a dinamikus igénybevételnek kitett elemek hőterhelésből adódó károsodását küszöbölheti ki. 67

70 6. Summary One of the most characteristic feature of polymers is that, their mechanical properties show significant change in function of time and temperature. This feature limits the usage of plastics in those areas, where the part is subjected to a constant load. Thus, important to understand these properties of polymers to predict their long-term deformation. To measure the creep deformation of six samples with different fiber contents, we performed short-term creep tests with DMA machine in three-point bending and tensile mode. In the possession of creep datas we was able to generate master curves, using time-temperature equivalence, to estimate the deformation of the material in a 1 years long time interval. The results show significant deformation decrease as the fiber content increases, but the realationship between them is not linear, what limits the available maximum strength of the material. To approach the probable deformation of a PP material with random fiber content, it is necessary to determine the paramaters of the mastercurves, so the topic is suitable for further analysis. The tests and the generated master curves prove that, the predictions made from short-term test datas are useable to construct plastic structural parts, but it is necessary to improve the precision of the approximations in the future. We complete the research with dynamic mechanical tests, using sinusoidal excitation to measure the storage and loss modulus in function of fiber content and frequency. The results show significant increase in strength as the fiber content increases. Elevated frequency caused the storage modulus curves to move higher in the entire temeprature scale but loss modulus decreased only in the viscoelastic behavior region. It proves that, the mechanical properties of polymers strongly depends on temperature. Loss factor shows that the damping of polymer materials is significant and it decreases as the fiber content increases. Because of polymers poor heat resistance, getting to know the damping is important to avoid damage. 68

71 7. Irodalomjegyzék [1] Ronkay F. Gy.: Polimerek alkalmazástechnikája, BME, Gépészmérnöki képzés (212) [2] Bodor G., Vas L. M.: Polimer anyagszerkezettan, Műegyetemi Kiadó, Budapest (1998) [3] Ju. Sz. Urzsumcev, R. D. Makszimov: A műanyagok alakváltozása, Műszaki Könyvkiadó, Budapest (1982) [4] Nagy P.: Polimerek időfüggő mechanikai jellemzői, összefüggéseik elméleti és kísérleti elemzése, Phd dolgozat, BME (27) [5] Németh A.: Polimerek hosszúidejű törésmechanikai tulajdonságainak vizsgálata és modellezése, Phd dolgozat, BME (2) [6] Krállics Gy.: Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat, BME, Gépészmérnöki képzés (212) [7] L. M. Robeson: Polymer Blends: A Comprehensive Review. Hanser Gardner Publications, Macungie (27) [8] EN ISO 527: Műanyagok. Húzó tulajdonságok meghatározása (1994) [9] Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest (27) [1] I. M. Ward, J. Sweeney: An Introduction to The Mechanical Properties of Solid Polymers, John Wiley & Sons Ltd., Chichester (24) [11] ( ) [12] W. Grellmann, S. Seidler: Polymer Testing, Carl Hanser Verlag, München (27) [13] Nagy P. M.: Viszkoelasztikus szerkezeti polimerek tömbi és felületi mechanikai tulajdonságainak vizsgálata benyomódási méréstechnikával, Phd dolgozat. ELTE (27) [14] ( ) [15] ( ) [16] M. Deng, J. Zhou: Effect of temperature and strain level on stress relaxation behaviors of polypropylene sutures, J Mater Sci: Mater Med (26) 17: [17] H. F. Brinson, L. C. Brinson: Polymer Engineering Science and Viscoelasticity: An Introduction, Springer Science+Business Media, New York (28) 69

72 [18] T. K. Vaidyanathan, J. Vaidyanathan, Z. Cherian: Extended creep behaviour of dental composites using time-temperature superposition principle, Dental Materials 19 (23) [19] G.D. Dean, W. Broughton: A model for non-linear creep in polypropylene, Polymer Testing 26 (27) [2] G. Erhard: Designing with Plastics, Carl Hanser Verlag, München (26) [21] R. J. Crawford: Plastics Engineering, Butterworth-Heinemann, Oxford (1998) [22] J. E. Mark: Physical Properties of Polymers Handbook, Springer Science+Business Media, New York (27) [23] V. Shah: Handbook of Plastic Testing and Failure Analysis, John Wiley & Sons Inc., New Jersey (27) [24] Tim A. Osswald, Georg Menges: Materials Science of Polymers for Engineers, Carl Hanser Verlag, München (23) [25] A. Naranjo, M. P. Noriega, T. Osswald, A. Roldán-Alzate, J. D. Sierra: Plastics Testing and Characterization: Industrial Applications, Carl Hanser Verlag, München (28) [26] MSZ EN ISO 899-1/2: Műanyagok. Kúszási viselkedés meghatározása. Húzási/Hajlítási kúszás. (23) [27] ASTM D299: Standard Test Methods for Tensile, Compressive, and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics. (29) [28] DIN 53444: Prüfung von Kunststoffen, Zeitstand-Zugversuch (23) [29] DIN 54852: Prüfung von Kunststoffen; Zeitstand-Biegeversuch bei Dreipunktund Vierpunktbelastung (23) [3] DIN 16869: Rohre aus glasfaserverstärktem Polyesterharz (UP-GF), geschleudert, gefüllt - Teil 2: Allgemeine Güteanforderungen, Prüfung (23) [31] S. Lampman, B. Sanders, N. Hrivnak, J. Kinson, C. Polakowski: Characterization and Failure Analysis of Plastics, ASM Internationals, USA (23) [32] S. B. Driscoll: The Basics of Testing Plastics: Mechanical Properties, Flame Exposure, and General Guidelines, Conshohocken (24) [33] ( ) [34] Roger Brown: Handbook of Polymer Testing, Rapra Technology Limited, Shropshire (22) [35] G. M. Swallowe: Mechanical Properties and Testing of Polymers, Kluwer Academics Publishers, Dordrecht (1999) 7

73 [36] Y. Xu, Q. Wu, Y. Lei, F. Yao: Creep behavior of bagasse fiber reinforced polymer composites, Bioresource Technology 11 (21) [37] A. K. Bledzki, O. Faruk: Creep and impact properties of wood fibre polypropylene composites: influence of temperature and moisture content, Composites Science and Technology 64 (24) [38] J.-L. Yang, Z. Zhang, A. K. Schlarb, K. Friedrich: On the characterization of tensile creep resistance of polyamide 66 nanocomposites. Part I. Experimental results and general discussions, Polymer 47 (26) [39] ( ) [4] ( ) [41] F. Li, R. C. Larock, J. U. Otaigbe: Fish oil thermosetting polymers: creep and recovery behavior, Polymer 41 (2) [42] K. P. Menard: Dynamic Mechanical Analysis, Taylor & Francis Group, Boca Raton (28) [43] ( ) [44] N. I. Md. Yusoff, M. T. Shaw, G. D. Airey: Modelling the linear viscoelastic rheological properties of bituminous binders, Construction and Building Materials 25 (211) [45] Czigány T.: Polimer kompozitok technológiája, BME, Gépészmérnöki képzés (211) [46] Kovács J. G.: Fröccsöntés, BME, Gépészmérnöki képzés (212) [47] S. Houshyar, R. A. Shanks, A. Hodzic: Tensile creep behaviour of polypropylene fibre reinforced polypropylene composites, Polymer Testing 24 (25) [48] TVK Tripplen H 949A technikai adatlap ( ) [49] ( ) [5] Johns Manville Thermo Flow EC technikai adatlap ( ) [51] Arkema Overac CA1 technikai adatlap ( ) [52] ISO 291: Plastics. Standard Atmospheres for Conditioning and testing. (28) [53] Atinger I., Csikós G., Krállics Gy., Németh Á., Palotás B.: Fémek és Kerámiák Technológiája, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest (1997) 71

74 [54] Dunai A., Macskási L.: Műanyagok Fröccsöntése, Lexica Kft., Budapest (23) [55] ( ) 72

75 8. Köszönetnyilvánítás Dolgozatomban a BME Polimertechnika Tanszékén végzett mérések eredményeit foglaltam össze. Köszönöm konzulenseimnek, Dr. Vas László Mihálynak és Bakonyi Péternek, hogy biztosították a mérésekhez szükséges feltételeket, segítettek azok lebonyolításában és mindig tudtak időt szakítani arra, hogy megfelelő tanácsokkal segítsék a szakdolgozatom elkészítését. Köszönetemet fejezem ki az Országos Tudományos Alap (OTKA K és K 1949) anyagi támogatásáért. Végül, de nem utolsó sorban köszönöm szüleimnek, hogy egyetemi éveim és a szakdolgozat írása alatt is végig biztosították nekem a tanuláshoz nélkülözhetetlen otthoni hátteret. 73

76 9. Mellékletek Vizsgálati hőmérséklet [ C]: Deformáció [%] 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 PP+GF hajlítás Mérési idő [min] PP+GF5 hajlítás Vizsgálati hőmérséklet [ C]:, ,7 Deformáció [%],6,5,4,3,2, Mérési idő [min] 74

77 Vizsgálati hőmérséklet [⁰C]:,5 PP+GF1 hajlítás ,4 Deformáció [%],3,2, Mérési idő [min] Vizsgálati hőmérséklet [⁰C]:,3 PP+GF2 hajlítás ,25 Deformáció [%],2,15,1, Mérési idő [min] 75

78 Vizsgálati hőmérséklet [ C]:,25 PP+GF3 hajlítás ,2 Deformáció [%],15,1, Mérési idő [min] Vizsgálati hőmérséklet [ C]:,2 PP+GF4 hajlítás Deformáció [%],15,1, Mérési idő [min] 76

79 1,5 Különböző modellek alapján szerkesztett mestergörbék szemléltetése 1,2 Deformáció [%],9,6,3 WLF szerint 2,4⁰C-on WLF szerint 2⁰C-on Arrhenius sz.2⁰c-on Idő [év] 1,5 Különböző modellek alapján szerkesztett mestergörbék logaritmikus idő skálával Deformáció [%] 1,25 1,75,5 Mérési tartomány ( s),25 WLF szerint 2,4⁰C-on WLF szerint 2⁰C-on Arrhenius sz. 2⁰C-on 1,E-1 1 1,E ,E ,E-1,1 1,E+2 1 Idő [év] 77

80 1,4 Hajlító igénybevételű mérések alapján generált mestergörbék Deformáció [%] 1,2 1,8,6,4 Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4%, Idő [év] 1,4 Hajlító igénybevételű mérések alapján generált mestergörbék logaritmikus idő skálával Deformáció [%] 1,2 1,8,6,4,2 Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4% 1,E-1 1 1,E ,E ,E-1,1 1,E+2 1 Idő [év] 78

81 Száltartalom [%]: 3,5 PP+GF húzás Deformáció [%] 2,5 2 1,5 1, Mérési idő [min] Száltartalom [%]: 4 PP+GF5 húzás Deformáció [%] 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Mérési idő [min] 79

82 Száltartalom [%]: 1,5 PP+GF1 húzás ,25 Deformáció [%] 1,75,5, Mérési idő [min] Száltartalom [%]:,6 PP+GF2 húzás ,5 Deformáció [%],4,3,2, Mérési idő [min] 8

83 Száltartalom [%]:,6 PP+GF3 húzás ,5 Deformáció [%],4,3,2, Mérési idő [min] Száltartalom [%]:,6 PP+GF4 húzás ,5 Deformáció [%],4,3,2, Mérési idő [min] 81

84 1,2 Húzó igénybevételű mérések alapján generált mestergörbék Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4% 1 Deformáció [%],8,6,4, Idő [év] 1,2 1 Húzó igénybevételű mérések alapján generált mestergörbék logaritmikus idő skálával Száltartalom: % 5% 1% 2% 3% 4% Deformáció [%],8,6,4,2 1 1E-1,1 1-7,1 1-4,1 1 Idő [év] 82

85 Frekvenciafüggés PP+GF Modulus (E', E"x1) [GPa] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Hőmérséklet [ C],16,14,12,1,8,6,4,2 tanδ [-] Frekvenciafüggés PP+GF5 Modulus (E', E"x1) [GPa] 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Hőmérséklet [ C],11,1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 tanδ [-] 83

86 Frekvenciafüggés PP+GF1 Modulus (E', E"x1) [GPa] 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Hőmérséklet [ C],11,1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 tanδ [-] Frekvenciafüggés PP+GF2 Modulus (E', E"x1) [GPa] 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Hőmérséklet [ C],11,1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 tanδ [-] 84

87 Frekvenciafüggés PP+GF3 Modulus (E', E"x1) [GPa] Hőmérséklet [ C] Frekvenciafüggés PP+GF4,12,1,8,6,4,2 tanδ [-] Modulus (E', E"x1) [GPa] Hőmérséklet [ C],12,11,1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 tanδ [-] 85

88 86