Kártolt elõgyártmányból melegpréselt bazaltszál erõsítésû polipropilén mátrixú kompozitok vizsgálata

Átírás

1 Kártolt elõgyártmányból melegpréselt bazaltszál erõsítésû polipropilén mátrixú kompozitok vizsgálata 1. Bevezetés A hõre lágyuló mátrixú polimer kompozitok piacán a szilárdsági követelmények mellett egyre nagyobb hangsúlyt kapnak a gazdasági szempontok. Ebbõl kifolyólag az egyik legjellemzõbb mátrixanyag a polipropilén, ami olcsósága mellett kiváló tulajdonságokkal rendelkezik (relatív nagy szilárdság, jó feldolgozhatóság, hõállóság stb.) [1]. A nagyobb költséget a kompozitok készítése során azonban nem a mátrix, hanem az erõsítõszál jelenti. Eddig a legjobb megoldásnak, az ár/teljesítmény hányadost tekintve, az üvegszál bizonyult (440 Ft/kg). Az általunk alkalmazott bazaltszál az üveg árának alig 5%-a (100 Ft/kg) []. A bazaltszálat korábban elsõsorban kõzetgyapotként használták fel szigetelésekhez, de kedvezõ mechanikai tulajdonságai és alacsony ára miatt kompozit erõsítõanyaként való felhasználása is indokolt [3, 4]. Közleményünkben ezért ezzel a szállal erõsített polipropilén mátrixú kompozitok gyártástechnológiáját és mechanikai vizsgálatait mutatjuk be. A kompozitok szilárdságát határfelületi adalékok segítségével módosítottuk. Számos, a szál-mátrix tapadást elõsegítõ anyag közül a legelterjedtebbek a különféle szilánok (amino-, vinil-, epoxiszilán), ezeket közvetlenül a szálra viszik fel, a maleinsav alapú adalékok, így pl. PP-re ojtott maleinsav anhidrid (PP-g-MA), illetve felületaktív tenzidek [5], amelyeket a mátrixhoz adalékolnak [6]. Kártolással elõállított kompozitok esetén a kiinduló mátrix anyaga is szál formátumú, ezért a technológia jellegébõl adódóan a száloldali kezelés módszerét választottuk.. Kompozitok elõállítása és vizsgálati módszerei A bazaltszál egyik hátránya a törékenység, valamint a Junkers-féle gyártástechnológiából adódóan kb. 0% szálfejtartalom, aminek a kompozit mechanikai tulajdonságaira kedvezõtlen hatása van [7]. Ezért a szálakat minél inkább kímélõ, és a szálfejek eltávolítására is alkalmas technológiát választottunk, a kártolást. Az így elõállított paplant tûnemezelõ gépen tömörítettük, majd melegpréseltük. A bazaltszálak határfelületét módosítottuk. PÖLÖSKEI KORNÉL * PhD hallgató DR. CZIGÁNY TIBOR * egyetemi docens.1. Felhasznált anyagok Mátrixként TVK gyártmányú Tippfil 100 PP szálat, erõsítõanyagként a TOPLAN RT. által Junkers eljárással gyártott, szigetelésekhez alkalmazott bazaltszálakat használtunk, amelyek átlagos szálátmérõje d=10±5 µm, hossza l=50 mm, szakítószilárdsága R m =600. A bazaltszálak kémia összetételét a 1. táblázat mutatja. 1. táblázat. A bazaltszál kémiai összetétele Alkotó SiO 48,10 Al O 3 16,50 Fe O 3 9,70 CaO 8,50 MgO 8,15 Na O 3,05 TiO,0 K O 1,60 MnO 0,14 Egyéb 1,35 A bazaltszál alkotói és azok aránya nagyon hasonlítanak az üvegére, így vizsgálatunk elsõsorban arra irányultak, hogy a bazaltszál alkalmas-e az üvegszál helyettesítésére. A kompozitok tulajdonságai jelentõs mértékben függnek a szál és a mátrix között létrejövõ adhéziós kapcsolattól. Amennyiben az erõsített rendszer nem tartalmaz adalékot, a két komponens közvetlenül kapcsolódik egymáshoz. Ebben az esetben a szál és mátrix szilárdsági paraméterein túlmenõen a komponensek kapcsolódásának erõssége, a határfelületi adhézió határozzza meg a kompozit mechanikai tulajdonságait. E kapcsolat szilárdsága megfelelõ közvetítõ réteg segítségével tovább fokozható [3, 5]. Olyan kezelõanyagot kell alkalmazni, amely megfelelõ minõségben kapcsolódik mind a szálhoz, mind pedig a mátrixhoz. A bazaltszállal erõsített polipropilén mátrixú rendszer határfelületi módosításának szükségességét az indokolja, hogy a bazaltszál poláris, a polipropilén pedig apoláris. Mindkettõ önmagá- Kompozitok vizsgálata * BME, Polmertechnika Tanszék 449

2 hoz hasonló szerkezetû anyagokkal képes jó adhéziós kapcsolatot létesíteni, így az adalékanyagnak poláris és apoláris funkció csoportokat is kell tartalmaznia. Ebbõl kiindulva az alábbi anyagkombinációkat hoztuk létre: kezeletlen kompozit, glicol G F 31 (metakril-oxipropil-tri-metoxiszilán) adalékkal kezelt kompozit, GMO-TES (glicerinmonooleát-tetra-etoxiszilán) adalékkal kezelt kompozit. A hagyományos kezeléseknél a kezelõanyagot szerves vagy szervetlen, esetleg ezek keverékét alkotó oldószerben feloldják, ebbe behelyezik a kezelni kívánt szálakat, majd meghatározott idõ múlva az oldatból ezeket kivéve, az oldószer elpárologtatása után a kezelõanyag a szál felületén marad. A módszer elõnye egyszerûsége, hátránya, hogy a felvitt kezelõanyag mennyisége bizonytalan. A probléma kiküszöbölése érdekében finomítottunk a kezelés módszerén. Elõzetesen meghatároztuk az alkalmazott bazaltgyapot szálközi vízfelvételét. Kis adagokban a gyapotot desztillált vízben teljesen átnedvesítettük, majd a felesleget kézzel kipréseltük és lecsepegtettük. Megállapítottuk, hogy 1 kg bazaltgyapot 3,3 kg vizet képes stabilan magában tartani, ezért 1 kg bazaltszálra szánt kezelõanyag mennyiséget 3,3 liter oldószerben oldottunk fel (a glikol G F 31-gyel való kezelés desztillált vízben, a GME-TES-sel való kezelés aceton desztillált vizes oldatában történt). Az így kapott nedves gyapotot légcirkulációs kemencében 50 C-on tömegállandóságig szárítottuk. 1. ábra. A kártológép elvi vázlata. 1 etetõ asztal; etetõ hengerpár; 3 elõbontó henger; 4 fordítóhenger; 5 fõdob; 6 munkáshenger; 7 fordítóhenger; 8 leszedõ henger; 9 rezgõpenge; 10 gyûjtõdob; 11 kiemelõ henger.. A kompozit lapok elõállítása A szál formájában rendelkezésre álló bazaltot és polipropilént elõbontott állapotban a kártológép asztalára helyeztük. Az etetõ és elõbontó hengerek a szálakat a fõdobra juttatták (1. ábra). A fõdob szállította az anyagokat az egyes mûveleti ciklusok között. Az elõbontás után 4 lépést különböztetünk meg, három bontási szakaszt és a leszedést. A bontás elve minden esetben ugyanaz: a fordító henger a fõdobról leszedi a bontatlan szálcsomókat, majd errõl a jóval nagyobb kerületi sebességgel rendelkezõ munkahenger veszi át, melyek során a szálcsomó jelentõsen orientálódik. Az elsõ hengerpár a durvább, a második a közepes, a harmadik pedig a legfinomabb csomók bontását végzi. A teljes mértékben kártolt anyagot a rezgõpenge segítségével a fõdobról leválasztjuk, majd a gyûjtõdobon összegyûjtjük. A kártolást követõen a dobra felcsévélt vattaszerû anyagot a dob alkotója mentén felvágtuk, s az így kapott kártolt paplant tûnemezeltük. A viszonylag nagy fajlagos térfogatú paplan nem alkalmas közvetlenül kompozit elõállítására. Ezért a paplant préselés elõtt tûnemezelni kell. A kártolt paplant vízszintes sík mentén csúsztatva, a paplan síkjára merõleges irányban tûket vezetünk át a kártolt anyagon forgattyús mechanizmus segítségével. A tûk áthatolása következtében a szálak kis hányada a tûkkel párhuzamos irányban kötést létesít, ezáltal az anyag tömörödik, és lényegesen kezelhetõbbé válik [8]. A tûzött bunda alkalmas kompozit lemezek elõállítására, amelyeket 00 C-ra történõ hevítéssel, 6 -ig fokozatosan növelt nyomáson, 10 perces hõntartással melegpréseltünk. A kompozit gyártása során a kezelt és kezeletlen bazaltszálból, illetve PP-bõl elkészített anyagok mechanikai tulajdonságait a függvényében vizsgáltuk [9, 10]. A. táblázatban megtalálható továbbá az egyes anyagfajták jelölése, névleges és valós száltartalmuk tömegszázalékban. alatt a kártolás során adagolt bazaltszál tartalmat értjük. A technológia jellegébõl kifolyólag számottevõ mennyiségû bazaltszál és szálfej kihullott. Ezért a kész kompozit lapokból kiégetéssel az MSZ EN ISO 117:000 alapján meghatároztuk az egyes anyagok valós erõsítõszál tartalmát. A textilipari technológiából adódóan az erõsítõszálak kis mértékû orientációja tapasztalható. Ezért minden egyes vizsgálati eljárás és minden egyes anyagminta 450 M ÛANYA G ÉS évfolyam, 11. szám

3 esetében hosszés keresztirányú próbatesteket munkáltunk ki..3. Vizsgálati módszerek Minden anyagtípusból 5 5 szabványos szakító ISO 57-1:1993 (E) és hárompontos Kezeletlen bazaltszálat hajlító ISO 178:001 (E) próbatesteket készítettünk. A próbatestek szakító- és hajlító szilárdságát, valamint szakító és hajlító rugalmassági moduluszát az (1 3) képletek alapján számítottuk. σ F szakító = A max 0 σ 1,5 F hajlító = b h σ E = ε σ ε 1 1 max, (1) L, (), (3) ahol a szakítószilárdság, ; F max a fellépõ maximális erõ, N; σ hajlító a hajlító feszültség, ; L az alátámasztási távolság, mm; b a próbatest szélessége, mm; h a próbatest magassága, mm; E a rugalmassági modulusz, ; σ és σ 1 a szakító és hajlító feszültségi értékek az ε, illetve az ε 1 pontban, ; ε és ε 1 a pillanatnyi megnyúlás értéke ε =0,005% és ε 1 =0,0005%. A statikus mechanikai tulajdonságokat ZWICK Z00 típusú anyagvizsgáló gépen, szobahõmérsékleten, 50%- os relatív páratartalom mellett vizsgáltuk, szakításnál v=1 mm/perc, hajlításnál v=5 mm/perc vizsgálati sebességet alkalmaztunk. A statikus rugalmassági moduluszok dinamikusakkal történõ összevetése, valamint ezek hõmérséklet függésének megismerése érdekében DMA hárompontos hajlító méréseket végeztünk az EN ISO 671 alapján Perkin- Elmer DMA7 típusú gépen. Az alkalmazott próbatest méretei 0 5 mm, az alátámasztási távolság 15 mm. A jellemzõ vizsgálati paraméterek: statikus erõ 1000 N, dinamikus erõ 800 N, frekvencia 1 Hz, hõmérséklettartomány C, felfûtési sebesség 5 C/perc. A mért adatokból a tárolási (a komplex modulusz valós része) rugalmassági moduluszt számítottunk [11].. táblázat. A névleges és a valós összehasonlítása G F 31-el kezelt bazaltszálat 3. Eredmények értékelése GMO-TES-el kezelt bazaltszálat KN10 10 G1 1 3 T1 1 4 KN0 0 5 G4 4 9 T KN G T KN G T KN G T KN KN Szakító vizsgálatok A kezeletlen kompozit szakítószilárdsága alacsony nál (10 ) kis mértékben csökkent, ami azzal magyarázható, hogy a kompozit mátrix jellegû tönkremenetelt mutatott. A PP-ben a bazaltszálak hibahelyként hatottak, és ezért csökkentették a szilárdságot. 0 erõsítõanyag tartalom fölött a szilárdsági értékek növekedtek, tehát a mátrix jellegû tönkremenetelt a kompozit jellegû váltotta fel. Így 35 -nál kis mértékben meg is haladta a mátrix szakító szilárdságát. Mindkét kezelõanyag kis mértékben rontotta a szilárdsági értékeket. A kezeletlen esetben tapasztalt tendenciák kisebb mértékben itt is megmutatkoztak. A keresztirányú szakítószilárdsági értékek csökkenõ tendenciát mutattak a függvényében (3. táblázat). A mátrix jellegû tönkremenetelt magasabb esetében sem tudta felváltani a kompozit jellegû, ami a szerkezetben tapasztalható kismértékû orientációval magyarázható. Vagyis a szálak számottevõ hányada a terhelés irányára merõlegesen helyezkedett el és hibahelyként funkcionált. A húzó rugalmassági modulusz értékek a függvényében lineárisan növekedtek. Mindhárom esetben os tartományban,5-szeres növekedést tapasztaltunk. A kezelõanyagok közül a G F 31 közel azonos mértékû erõsítést mutatott a kezeletlen kompozittal szemben, a GMO-TES kis mértékû romlást okozott. A keresztirányú erõsítés tendenciái hasonlóak a hosszirányúhoz, az erõsítés mértéke elhanyagolható mértékben kisebb. 3.. Hárompontos hajlító vizsgálatok A hosszirányban kimunkált hárompontos hajlító próbatesteken mért szilárdsági értékek határozottan növekedtek a függvényében (4. táblázat). A kezeletlen kompozit esetében 15 0 ez a növeke- 451

4 Kezelés Nincs Glikol G F 31 GMO-TES Kezelés Nincs Glikol G F 31 GMO-TES 3. táblázat. A szakítóvizsgálat eredményei Szakítóvizsgálat Hosszirány Keresztirány Bazaltszál tartalom 4. táblázat. A hárompontos hajlító vizsgálat eredményei dés meghaladta a 15%-ot, majd ezután nem változott. A G F 31-el kezelt kompozit 30 -nál több mint 5%-kal nõtt. A GMO-TES kisebb mértékû erõsítést 31,60±0,33 1,79±0,04 3,6±0,38 1,85±0,04 5 9,97±0,44 1,88±0,03 9,78±0,64 1,90±0,11 9 9,94±0,35,17±0,0 9,15±0,4 1,95±0, ,69±0,7,49±0,10 7,8±0,9,33±0, ,31±0,5,68±0,10 7,99±0,09,46±0, ,07±0,35 3,4±0,07 8,01±0,17,81±0,0 39 3,49±0,55 3,98±0,05 8,35±0,9 3,44±0, ,83±0,15 1,80±0,03 30,0±0,08 1,86±0, ,09±0,36,03±0,06 7,88±0,5 1,93±0, ,45±0,38,5±0,1 8,48±0,36,5±0,07 1 9,80±0,1,87±0,11 8,43±0,40,68±0, ,86±0,68 3,41±0,10 7,87±0,08,97±0, ,34±0,39 1,99±0,18 30,31±0,31 1,83±0, ,65±1,7,14±0,04 8,6±0,18 1,86±0, ,66±0,44,7±0,05 6,71±0,04,71±0,3 7 8,57±0,33,98±0,01 3,96±0,1,4±0, ,40±0,14 4,08 ±0,10 3,51±0,33 3,5±0,05 Hajlítóvizsgálat Hosszirány Keresztirány Bazaltszál tartalom 43,97±0,85 1,70±0,04 43,93±1,18 1,67±0, ,37±0,66 1,77±0,08 43,94±0,51 1,70±0, ,47±0,76 1,99±0,05 44,41±0,17 1,86±0, ,80±1,17,36±0,05 45,59±0,39,6±0, ,80±1,17,9±0,08 50,10±1,0,56±0, ,48±0,74,56±0,17 45,18±0,56,7±0, ,46±0,96 3,00±0,1 47,31±0,66,99±0, ,9±0,53 1,46±0,01 40,08±0,47 1,41±0, ,9±0,8 1,68±0,0 43,87±0,60 1,85±0, ,50±1,6,17±0,10 44,75 ±0,35 1,94±0, ,66±1,13,17±0,1 43,68±0,5 1,84±0, ,4±0,83 3,11±0,19 49,±0,30,79±0,07 4 4,31±0,35 1,54±0,03 4,01±0,56 1,55±0,0 11 4,99±0,74 1,76±0,03 41,76±0,44 1,66±0, ,56±1,41,17±0,0 45,17±0,45 1,99±0, ,70±0,74,64±0,1 40,91±1,58,38±0, ,5±0,85 3,45±0,14 41,15±1,00,89±0,05 okozott, mint a másik kezelés. A keresztirányú vizsgálati eredmények is növekedést mutattak, de itt az erõsítés mértéke nagyon csekély. Kezeletlen esetben kb. 5%, G F 31 esetében 30 -nál 15%, és a GMO-TES-el kezelt bazalt tartalmú kompozit szilárdsága majdnem független a tól, vagyis minden mérési pontban a mátrixéval csaknem megegyezõk. A hajlító rugalmassági modulusz értékek tendenciái hasonlóak a szakítóéhoz. A maximális erõsítés értéke itt is majd,5-szeres, de ebben az esetben mindkét kezelés hatásosabbnak bizonyult, ugyanis a görbék iránytangense magasabb a kezeletlenénél. A keresztirányú rugalmassági modulusz értékek kb. 15%-kal maradtak el a hosszirányúhoz képest DMA vizsgálatok A növekvõ bazaltszál tartalom hatása kezeletlen esetben is egyértelmûen megmutatkozott a tárolási moduluszokban, a növekedés egyes hõmérséklet tartományokban több mint 3-szoros volt. A szobahõmérsékletén mért értékek jó egyezést mutatnak a statikus hárompontos hajlítás során mért értékekkel. A mátrix és a legmagasabb száltartalmú kompozit között a különbségek a C felhasználási tartományban voltak a legnagyobbak. Az üvegesedési hõmérséklet kis mértékben nõtt a függvényében. A kezeletlen kompozitok hosszirányú DMA mérési eredményeit a. ábra mutatja. A G F 31-el és GMO-TES-sel kezelt kompozitok esetén a görbék hasonló tendenciákat mutattak, mint a kezeletlen kompozitok A határfelületi módosítás ellenõrzése A határfelületi módosító adalékok felvitelének sikerességét pásztázó elektronmikroszkópos felvételekkel igazoltuk (3. ábra). A kezeletlen határfelületû bazaltot tartalmazó mintáknál tisztán felismerhetõ a szálkihúzódás jelensége, amely a szál és a mátrix közötti megfelelõ határfelületi kapcsolat hiányára utal, amit a mátrixban látható szálak 45 M ÛANYA G ÉS évfolyam, 11. szám

5 . ábra. Kezeletlen kompozitok DMA görbéi 3. ábra. Kezeletlen bazaltszállal erõsített PP kompozit 4. ábra. GMO-TES adalékkal kezelt bazaltszállal erõsített PP kompozit melletti üregek is alátámasztanak, bár a mechanikai tulajdonságokban az nem mutatkozik meg, ami a szálak nagyfokú töredezésére vezethetõ vissza. A licol G F 31-el kezelt bazalt tartalmú kompozit esetén (4. ábra) tisztán kivehetõ a szálat körülölelõ kezelõanyag, amely a poláris végei segítségével megfelelõ adhéziós kapcsolatot hozott létre a szállal, az apolárisak pedig a mátrixszal. Megállapítható, hogy a kezelõanyag felvitele sikeres volt. 4. Összefoglalás Bazaltszálat és polipropilén szálat kártoltunk össze, majd az így kapott paplant tûnemezeltük és melegpréseltük. A kompozit lemezekbõl kivágott szabványos próbatesteket szakító- és hárompontos hajlító-vizsgálatokkal jellemeztük. A bazaltszál kismértékben javította a hajlítószilárdságot. Mind a húzás, mind pedig a hajlítás esetén a és rugalmassági modulusz között lineáris összefüggés mutatkozott. Az erõsítés mértéke 40 bazalttartalom felett meghaladta a,5-szerest. A határfelületi módosítások csak kis mértékû változást okoztak, ezért az alkalmazott módszerek további optimalizálása, illetve új adalékok alkalmazása szükséges. Az eredmények megjelenését a TéT (JAP 6/00, D-16/ 0) pályázata támogatta, továbbá köszönjük a Szerveskémiai Technológia Tanszék munkatársainak közremûködését a felületkezelõ anyagok szintetizálásában. Irodalomjegyzék [1] Füzes, L.: Mûanyagok, Bagolyvár könyvkiadó, Budapest, [] Wojnárovics, I.; Rendessy, E.: A szilikátszálak mechanikai tulajdonságait befolyásoló tényezõk. Építõanyag, 45, (1993). [3] Botev, M.;, Betchev, H.; Bikiaris, D.; Panayiotou, C.: Mechanical properties and viscoelastis behaviour of basalt fiber-reinforced polypropylene. Journal of Applied Polymer Science, 74, (1999). [4] Czigány, T.; Vad, J.; Pölöskei, K.: Basalt fiber as a reinforcement of polymer composites. Periodica Politechnica Ser. Mech. Eng., (004), közlésre elfogadva. [5] Matkó, Sz.; Anna, P.; Marosi, Gy.; Szép, A.; Keszei, S.; Czigány, T; Pölöskei, K.: Use of reactive surfactants in basalt fiber reinforced polypropylene composites, Macromolecular Symposia, 0, (003). [6] Ségard, E.; Benmedahene, S.; Liksimi, A.; Lai, D.: Influence of the fiber-matrix interface on the behaviour of polypropylene reinforced by short glass fiber above glass transition temperature. Composites Science and Technology, 6, (00). [7] Pölöskei, K.; Matkó, Sz.; Czigány, T.; Marosi, Gy.: Szálmátrix határfelületi adhézió vizsgálata bazaltszál-erõsítésû polipropilén kompozit rendszerekben. Mûanyag és Gumi, 40, (003). [8] Császi, F.; Takács, Á.; Vas, L. M.: A szálbunda szerkezetének és szálorientációjának modellezése és kísérleti vizsgálata képfeldolgozó eljárással. Magyar Textiltechnika, 47, (1994). [9] Lee, N.; Jang, J.: The effect of fiber-content gradient on the mechnical properties of glass-fibre-mat/polypropypelene composites. Composites Science and Technology. 60, (000). [10] Lee, N.; Jang, J.: The effect of fiber content ont the mechanical properties of glass fiber mat/polypropylen composites. Composits: Part A, 30, (1999). [11] Czvikovszky, T.; Nagy, P.; Gaál, J.: A polimertechnika alapjai. Mûegyetemi Kiadó, Budapest,