BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK POLIPROPILÉN ÉS KOMPOZITJAINAK HÚZÓ IGÉNYBEVÉTELŰ KÚSZÁSVIZSGÁLATA SZAKDOLGOZAT VARGYAS ANDRÁS STWO KONZULENSEK: DR. VAS LÁSZLÓ MIHÁLY BAKONYI PÉTER 23
2
3
4
TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉS- ÉS RÖVIDÍTÉSJEGYZÉK... 6. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS... 7 2. IRODALOMKUTATÁS... 9 2.. POLIMEREK... 9 2.2. POLIMER KOMPOZITOK... 2.3. POLIMEREK KÚSZÁSA... 6 3. FELHASZNÁLT ANYAGOK, GÉPEK, MÉRÉSI MÓDSZEREK... 3 4. EREDMÉNYEK ÉS KIÉRTÉKELÉSÜK... 33 4.. HÚZÓ IGÉNYBEVÉTELŰ KÚSZÁSVIZSGÁLATOK SZAKÍTÓGÉPEN... 33 4.2. MESTERGÖRBÉK SZERKESZTÉSE KÉZI ELTOLÁSSAL... 42 4.3. KÚSZÁSI DEFORMÁCIÓ BECSLÉSE BURGERS-MODELLEL... 44 5. ÖSSZEFOGLALÁS... 55 6. SUMMARY... 56 7. IRODALOMJEGYZÉK... 57 8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... 6 9. MELLÉKLETEK... 6 5
JELÖLÉS- ÉS RÖVIDÍTÉSJEGYZÉK Jelölések: T [ C] hőmérséklet J k (t) [MPa] kúszási engedékenység E c [MPa] kúszási modulus ε [%] relatív nyúlás σ [MPa] gerjesztő feszültség E [MPa] rugalmassági modulus η [Pas] dinamikai viszkozitás e [-] Euler szám τ [s] Maxwell-ág időállandója ε r [%] pillanatnyi rugalmas deformáció ε m [%] maradó deformáció ε k [%] késleltetett rugalmas deformáció F [N] terhelő erő A [mm 2 ] próbadarab keresztmetszete Rövidítések: PE polietilén PP polipropilén PA poliamid PS polisztirol ABS akrilnitril-butadién-sztirol kopolimer GF üvegszál (Glass Fiber) PTFE poli-tetrafluot-etilén PVC polivinil-klorid LDPE kis sűrűségű polietilén PU poliuterán HDPE nagy sűrűségű polietilén WLM Williams-Landel-Ferry 6
. Bevezetés és célkitűzés A mai fejlett társadalmakban a polimerek és a kompozitok felhasználása az acélok fölé nőtt és ez a különbség egyre csak növekszik a polimerek javára (. ábra). Egészen a 2. századik egyértelmű volt az acélok előnye, de világháborúk után és a technika fejlődésével égető szükség vált minél több és jobb minőségű polimer előállítására. A 2. század derekán fedezték fel újra a műszaki célú polimereket. H. Staudinger a polimertudomány megalapozásáért a 2. század közepén kapott Nobel díjat.. ábra Fémek, kerámiák, kompozitok szerepének változása a történelem során [] A polimerek sok ezer monomerből épülnek fel, amelyek elsődleges kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A makromolekuláris fizika és kémia fejlődése lehetővé tette az 93-as években, hogy rövid idő alatt megszülessen a PVC, a polisztirol, a műkacsuk és a polietilén. Majd az 96-as évektől elindult a polipropilén termelése is [, 2]. A polimerek és kompozitjaik az ipar számos területén kezdték átvenni a fémek szerepét. A poliolefinek, mint tömegműanyagok, a csomagoló és élelmiszeripar számára biztosítanak széles körben használható alapanyagokat, míg a műszaki műanyagok és kompozitjaik fröccsöntött, ipari célú teherviselő elemek gyártására adtak széles anyagpalettát. Az egyre jobb minőségű polimer alapanyagok, és feldolgozási technológiák, valamint az 7
egyre szigorodó, az iparban használatos anyagok újrafeldolgozhatóságáról szóló törvények hatására a poliolefinek, elsősorban a polipropilén elkezdett betörni a műszaki műanyagok világába. A gépjárművek gyártásáról 26-ban érvénybe lépő szabályozások szerint a felhasznált alkatrészek 95%-ának anyagában újrahasznosíthatónak kell lennie. A polimerek előnyös tulajdonságai mellett, úgy, mint a kisebb sűrűség és olcsóbb ár, elterjedésüknek gátat szab a tartós terhelésnek kitett polimerekre jellemző, a fémekét jóval meghaladó kúszási deformáció. Munkám során az egyik legnagyobb mennyiségben előállított tömegpolimernek, a polipropilénnek üvegszálerősítésű kompozitjaival foglalkoztam. Dolgozatomban ennek az anyagnak a kúszását, a kúszási deformáció erősítőszál tartalom függését vizsgáltam meg 5, és 2 m%-os üvegszál tartalomnál, szobahőmérsékletű, húzó igénybevételű terhelés mellett. 8
2. Irodalomkutatás Ebben a fejezetben a polimerekről olvasott szakkönyvekre és publikációkra támaszkodva foglalom össze a polipropilénnel, és annak kúszásával kapcsolatos főbb ismereteket. Egy általános bevezetés után áttekintem a polimerek főbb felhasználási területeit, a polimer alkatrészeket érő igénybevételeket és a polimer anyagok lehetséges jövőjét, fejlődési irányát a kúszás szempontjából. 2.. Polimerek A polimerek ismétlődő egységekből úgynevezett monomerekből - felépülő óriásmolekulák, amelyek elsődleges kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Az órásmolekulák több ezer-tízezer monomerből álló láncok. Az egyik leggyakrabban használt polimernek, a polipropilénnek a kémiai jelölését mutatja be a (2. ábra). 2. ábra Polipropilén monomer [3] A polimer láncok monomerekből tevődnek össze, négy féle típusról beszélhetünk: homopolimerek (AAAA, BBBB vagy CCCC), váltakozó (ABAB vagy ACAC), véletlen (AABAABBA), vagy blokk-kopolimerek (AABBAACC) [4]. A polimereket kis sűrűség jellemzi (kb. 2%-a az acélénak), fajtájától függően jó kopási és siklási tulajdonságaik (pl. poliamid (PA) önkenő csapágyak, fogaskerekek, vagy tapadásmentes teflon (PTFE) bevonatok) végett előszeretettel használják siklócsapágyakban, és bevonatokban. Más anyagokat kiváló elektromos és a hőszigetelő képesség (pl.: polivinilklorid (PVC) kábelszigetelések, kis sűrűségű polietilén (LDPE) zsugorcsövek) jellemez, meghatározva a felhasználási területüket. A poliuretán (PU) jó tömítő, habanyagként kiváló hő- hang- és rezgéscsillapító [5]. A harmadik legnagyobb volumenben gyártott polimert, a polipropilént (PP) jó benzin-, vegyszer- és korrózióállósági tulajdonságok jellemzik. Élelmiszer- és könnyűipari 9
alkalmazásai mellett szálerősített formában egyre több helyet foglal el a műszaki műanyagok tipikus felhasználási területein is [4]. A polimerek előnyös tulajdonságaik mellett azonban több hátrányos tulajdonsággal is rendelkeznek: szakítószilárdságuk azonos keresztmetszetet véve alapul elmarad a fémek mögött, de tömeggel fajlagosítva a szálerősített polimerek mechanikai tulajdonságai megközelítik, vagy meg is haladhatják a fémekét, azonban figyelembe kell venni a már alacsonyabb hőmérsékleten is jelentős mértékű kúszási deformációt, amely függ a terhelés nagyságától, az igénybevétel fajtájától, a vizsgálati hőmérséklettől, valamint az időtől. A polipropilén egy hőre lágyuló, részbenkristályos szerkezetű polimer. Propilén monomerekből állítják elő polimerizációval. Kristályossági foka 6-7%-ra tehető. A világon meglehetősen széles körben használják, főként olcsósága és könnyen előállíthatósága, és ezen felül jó fizikai tulajdonságai végett. Ellenálló a legtöbb kémiai vegyszerrel szemben, mind a lúgokkal, mind a savakkal [6]. Alapvetően három csoportot különböztetnek meg az alapláncból elágazó metil csoportok térállása szerint. Van izotaktikus, szündiotaktikus és ataktikus (3. ábra). Előbbinél minden metil csoport ugyanabba az irányba áll, másodiknál felváltva az egyik, s másik irányba, míg a harmadiknál véletlenszerűen helyezkednek el. Ennek az elrendeződése főként a térszerkezet szabályossága végett fontos információ, míg izotaktikus szabályos, addig az ataktikuséban nincs semmi szabályosság. a. b. c. 3. ábra PP metilcsoportjainak elágazása: izotaktikus (a), szündiotaktikus (b), ataktikus (c) [7]
954-ben Giulio Natta Nobel díjas olasz vegyész továbbfejlesztette a HDPE gyártására használt Ziegler-eljárást, lehetővé téve a sztereospecifikus polimer előállítását propilénből [6]. Műszaki területeken az ataktikus PP nem használható, csak a térbelileg szabályozott, sztereoreguláris szerkezetűek. Mesterkeverékkel anyagában színezve állítják elő, de kivitelezhető áttetsző formában is. A natúr színe tejfehér. Kristályossági foka nagy hatással van a sűrűségére, oldhatóságára, hőállóságára vagy akár gázáteresztő képességére is. Olvadáspontja 6 C körül van. C alatt ridegen viselkedik, ez azonban lágyítással, adalékanyagok hozzáadásával, vagy kopolimerizációval (5% PE) javítható. Szakítószilárdsága 3-34 MPa-ra tehető. Olcsó, jó elektromos szigetelő és remek vegyszerálló anyag, azonban oxidálószerekre érzékenyebb, mint a PE [6]. A termék alakjától függően, általában extrudálással, fröccsöntéssel, vagy fúvással munkálják meg felhasználás céljától. Fröccsöntéssel tetszőleges formájú, akár erősen tagolt, bordázott, vékonyfalú 3D-s alkatrészeket is készíthetünk, míg az extrudálással, csak 2D-s termékeket, amelynek egyik dimenziója végtelen hosszú (pl.: csövek, ablakok, ajtók légkamrás idomai, stb.). A szakaszos technológiájú, de a rövid ciklusidők, és a többfészkes szerszámok miatt mégis termelékeny fröccsöntés drága, és bonyolult alakadó szerszámát nagy nyomást is elviselő, acéltömbből kell kiképezni, míg a folyamatos technológiájú extrúzió szerszámköltsége jelentősen kevesebb. A PP legnagyobb felhasználója az élelmiszeripar, de emellett üreges termékek előállítására is rendkívül alkalmas. Többek közt felhasználja még a vegyipar csövek számára, elektrotechnika, orvostechnika és a kábelszigetelés is [8, 9]. A PE-hez képest előnyt jelent, hogy nagyobb termikus és szilárdsági követelményeknek tud megfelelni. Nyújtás hatására kristályos jellege végett orientálódni képes, ezáltal pedig a szilárdsága megnő [6]. 2.2. Polimer kompozitok A terhelésnek kitett polimerek az őket érő terhelésre a fémekét meghaladó deformációval reagálnak. Ennek iránya és mértéke többek közt függ az igénybevétel irányától, mértékétől és a terhelés idejétől is. Műszaki polimereket leggyakrabban olyan helyeken alkalmazunk, ahol az alkatrész tömegét minimalizálni kell, de a deformáció mértéket alacsony értéken kell tartani. Ezért a műszaki életben gyakran használnak kompozitokat, amelyek szívós mátrixból, és nagy szilárdságú erősítőszálakból, szálas szerkezetekből állnak. A mátrix védi meg a külső hatásoktól, az erősítőanyag pedig felveszi a terhelést. Mivel az iparban nagyon ritka az, hogy egy alkatrészt minden pontján egyforma
nagyságú, és irányú terhelésnek tegyünk ki, ezért úgy alakítják ki őket, hogy a terhelés felvétele a kitüntetett irány(ok)ba megfelelően legyen biztosítva. Hőre nem lágyuló mátrixnál ezt az erősítőstruktúra megfelelő elhelyezésével, hőre lágyuló mátrixnál pedig a fröccsöntéshelyes tervezéssel, és fröccsszimulációs vizsgálatokkal biztosítható. Az alkatrészekkel szemben támasztott követelmény, hogy az őt ért igénybevételt jól viselje. A levezetés során tisztában kell lenni az alkatrészeket érő igénybevétel fajtájával és nagyságával. Az alkatrészek tervezése során előnyt jelent, ha a felhasználni kívánt anyagból terhelésspecifikus információval rendelkezünk: tisztában vagyunk az alkatrész húzó, nyomó, hajlító, nyíró, csavaró, stb. igénybevételre (4. ábra) adott válaszával, és az üzem során az alkatrészt érő terhelések ismeretében ezekkel szilárdsági méréseket tudunk végezni. 4. ábra Főbb igénybevételi fajták vizsgálata. (a) egytengelyű húzás, (b) nyomás, (c) hajlítás, (d) síkhúzás, (e) síknyomás, (f) csavarás, (g) biaxiális teszt [] Szálerősítésre használnak természetes (pl. farost, len, kukoricamaghéj, bazalt) és mesterséges szálakat (üveg, szén, aramid). Ez többek közt köszönhető a fellépő új igényeknek és a technológiák fejlődésének is. Ma körülbelül 7 millió tonnára teszik a világ szálerősítésű műanyagpiacát []. Fröccsöntött kompozit termékek gyártására magas ára miatt szénszál erősítést csak ritkán alkalmaznak. A vágott bazaltszállal erősített fröccsöntött polimer 2
kompozitok lassú térnyerése figyelhető meg, azonban hőre lágyuló kompozitok előállítására a legnagyobb mennyiségben felhasznált erősítőszál még mindig az üvegszál. 5. ábra: Az üvegszál húzószilárdságának függése a szálátmérőtől [] Az átlagos üvegszál vastagsága 5-3 µm-re tehető, és ezeket 25 C hőmérsékletű olvadékból állítják elő körülbelül 5 m/sec húzási sebességgel. Majd ezután a megdermedt szálakat úgynevezett rovingokká fogják össze. Egy roving több ezer, több tízezer szálat tartalmazhat és a vastagságát is a szálak mennyiségéből állapítják meg egy "k" tényező segítségével (melynek értéke: k= elemi szál.). Az elemi szálak felületét kezelni kell, ez a kezelés védi a szálakat az összetapadástól, a töréstől, elaprózódástól, valamint segíti az adhéziót a mátrix és az erősítőanyag közt []. Az (5. ábra) megmutatja, hogy fordított arányosság van az egyedi szál átmérője és húzószilárdsága között. Minél kisebb a szálátmérő, annál nagyobb a mérhető húzófeszültség. A szálátmérő csökkentésének ugyanekkor gazdaságossági hatása is van: minél vékonyabb az előállítandó szál, annál drágább a technológia. A kompozitok a modern műszaki életben mára mellőzhetetlenek lettek. Hőre nem lágyuló termékeknél az Airbus az 97-es években kezdte el repülőgépeiben főként szénszál használatát, s a felhasznált anyagok mennyisége idővel csak nőtt []. Hőre lágyuló kompozitokat manapság az élet számos területén elterjedten használunk. Legnagyobb mennyiségben a vágott E-üveget használja a műanyagipar fröccsöntött kompozit alkatrészek előállítására (pl. kézi szerszámgépek burkolata, személyautókban található leömlők, csövek, bepattanó kötések, műszerfal alkatrészek, stb.) 3
A kompozitok gyakran fröccsöntés útján állítják elő, ez a leggyorsabb, legkönnyebben reprodukálható módja a gyártásuknak. A fröccsöntött termékekben mindig kialakul egy úgynevezett mag-héj szerkezet (6. ábra) az ömledék áramlásának köszönhetően. Ez nagy mértékben befolyásolja az orientációs viszonyokat, hiszen míg a héjban az áramlással párhuzamos a rendezettség, addig a magban ez kevésbé rendezett. Ebből is következik, hogy a zsugorodásra, s az irányfüggésekre jelentős hatása van az alapanyagnak is [2, 3]. 6. ábra Ömledék mag-héj szerkezete, s az orientáció kialakulása [2] A vetemedés korrigálható megfelelően beállított utónyomás ráadásával, de mértéke függ az ömledék és a szerszám hőmérsékletétől, befröccsöntés sebességétől és a leendő termék vastagságától is. Szálerősített anyagoknál fröccsöntés során a folyásirányú zsugorodás jelentősen lecsökken (,5% alá), míg a keresztirányú az erősítetlenhez képest jelentősen nem tér el. Tehát kimutatható, hogy a különböző irányokban jelentkező eltérő relatív zsugorodások miatt a vetemedés nő a szálerősített polimerekben [2, 4]. Az üvegszállal való erősítést korlátozza a technikailag elérhető száltartalom, száltöredezettség, a szálorientáció, amelyet az ömledékáramlás jelentősen befolyásol. Csak a terheléssel közel párhuzamos orientáltságú szálak erősítenek. A száltöredezettség csökkenthető hosszúszálas granulátum használatával, gondos szerszámtervezéssel, az extrudálási folyamat során kíméletes plasztifikálással, a torlónyomás csökkentésével és az ömledékhőmérséklet növelésével. Természetesen a szálhossz méretét nagymértékben befolyásolja a száltartalom is (8. ábra) [5]. A mag-héj effektus szerint a termék felszínéhez közel az erősítőszálak orientációja az ömledékáramlás irányával megfelelő. Beljebb, a magban pedig (többnyire) merőleges, vagy statisztikus orientációjú. A rétegek vastagságától függően bizonyos terheléseknek eltérő módon áll ellen a polimer kompozit. Ezt a jelenséget a 7. ábra szemlélteti. 4
7. ábra Az orientáció szerepe a terheléstípusok elviselésében [6] Összességében megállapítható, hogy az adott polimer anyagból fröccsöntéssel előállított kompozit próbatest a húzással szemben merevebben viselkedik, mint a hajlítással szemben. 8. ábra Üvegszál átlagos szálhossz függése a száltartalomtól fröccsöntött polimer termékekben [5] A kompozit hulladékok nehéz újrafeldolgozhatósága, az erősítőszál és mátrix szétválaszthatóságának javítását célzó vizsgálatok vezettek az önerősítéses kompozitok kifejlesztéséhez [7]. Ugyancsak terjed a természetben fellelhető szálas anyagok felhasználása, de ezek mechanikai tulajdonságai elmaradnak az üvegszálétól. Az előbb említett tulajdonságoktól, a mátrix anyagtól és persze az ártól is függ, hogy melyik szálat választjuk ki []. 5
2.3. Polimerek kúszása A kúszás az anyagnak az állandó terhelés hatására, konstans hőmérsékleten fellépő, az időben folyamatosan növekvő alakváltozása [8]. Polimereknél már alacsony hőmérsékleten jelentős kúszás és feszültségrelaxáció jelentkezik, ez pedig megköveteli, hogy maximálisan megengedett deformációra tervezzük az alkatrészeket. A kúszás egy olyan összetett folyamat, amely több tényező együttes hatásától függ. Ezek pedig nem más, mint az igénybevétel módja, a terhelés mértéke és ideje, a vizsgálati hőmérséklet, de egyes anyagoknál nem elhanyagolandó a páratartalom változása és a hőingadozás nagysága sem. Ahhoz hogy a kúszás mértékét meghatározzuk, különféle vizsgálati módok közül választhatunk. Az ideális kúszásvizsgálat során ugrásszerű feszültséggerjesztést alkalmazunk. Erre az általános képlet a következő [9]: t t X, ' (), t, t' t ahol t az idő, σ a gerjesztő feszültség. A gyakorlatban három részre lehet osztani a kapott kúszási deformációt. Van a pillanatnyi rugalmas deformáció; a késleltetett rugalmas deformáció; a maradó deformáció a gyengén térhálós elasztomerek esetében nem jelentkezik (9. ábra). 9. ábra Termoplasztikus polimer (a) és gyengén térhálós elasztomer (b) tipikus kúszásvizsgálati eredménye [9] A polimer anyag az őt érő feszültségre (σ) ugrásszerű deformációváltozással válaszol. A feszültségterhelést változatlan, állandó értéken hagyva azt tapasztaljuk, hogy a deformáció, az időben folyamatosan nő, de a növekedés üteme változik. Tehermentesítés után a 6
deformáció egy része a 9. ábrán látható módon feloldódik, visszaalakul, egy része azonban maradó deformációként továbbra is mérhető [2]. Az elsődleges kúszás szakaszában a (9. ábra) hirtelen felterhelésre adott deformációugrás válasz után a deformációváltozás sebessége csökken, az anyag megnyugszik. A leghosszabb szakasz a másodlagos kúszás szakasza. Ekkor kvázi-lineáris deformációváltozásról beszélünk. A terhelés nagyságától függően ez akár több évtizedet is felölelő időtartam lehet. A kúszásgörbe leglaposabb része ez, ahol dε/dt a legkisebbre adódik. A kúszási viselkedés harmadik, egyben utolsó szakasza során a deformáció sebessége ismét nőni kezd. Ehhez kapcsolható a megjelenő craze-ek; mikrorepedések terjedése, amely azt a felgyorsult tönkremenetelt okozza, ami egészen a tönkremenetelig (szakadás vagy törés) tart.. ábra Kúszási deformáció alakulása a teljes élettartam során [2] A tartósfolyás, avagy a kúszás jelensége miatt a tartós igénybevételnek kitett polimer anyagból készült alkatrészeket nem megengedett feszültségre, hanem maximális deformációra szokták méretezni. A σ terhelési szintű kúszásvizsgálatra kapott ε deformáció válasz és E rugalmassági modulus segítségével meghatározható az úgynevezett kúszási engedékenység, avagy a kúszási érzékenység (2), amelynek jelölése: J c (t) [22]. Ennek a reciproka a kúszási modulus (3), amelynek jele: E c (t) [23]. t t J c, (2) 7
t E c, (3) ahol σ a gerjesztő feszültség és ε(t) a deformáció. Állandó terhelés mellett a terhelés nagyságának függvényében polimerek kúszása több hónapos, vagy akár éves időtartamok alatt is folytatódhat, és a kúszási deformáció a terhelés függvényében a. ábra szerint változhat [24]. t. ábra Kúszási viselkedés változása a terhelési szint függvényében [25] A hosszú idejű kúszás nagymértékű alakváltozáshoz, deformációhoz vezethet és emellett még a próbatest keresztmetszetének csökkenéséhez, feszültség növekedéséhez és végül szakadáshoz vezet. A kúszási görbék szakadási határgörbéjének pontjait időtartamszilárdságnak nevezik. Tartós szilárdság azt a feszültséget jelöli, amelynek hatására a próbadarab jóval a felhasználási idejét követőn szakad el [22]. A mért deformáció és kúszási érzékenység fontos paramétere, meghatározója az adott anyag kúszási viselkedésének. Lineáris esetben az érzékenység kiszámolható a három deformáció komponensből. Csak az idő függvénye, ha ideális állapotot feltételezünk, vagyis állandó a hőmérséklet és nem öregszik az anyag [26]. A polimerek mechanikai időfüggő viselkedését már régóta próbálják különféle modellekkel jellemezni, általuk jobban megérteni. A következőkben a legelterjedtebben használt a kúszásviselkedést leíró modelleket fogom bemutatni. A legegyszerűbb felépítésű modellek a mechanikai modellek, amelyek abból indulnak ki, hogy a kúszás és a feszültségrelaxáció összdeformációja három deformációkomponens összegeként írható fel (4). Ezek a komponensek a pillanatnyi rugalmas (ε r )(2/a ábra), a 8
késleltetetten rugalmas (ε k )(2/b ábra) és a maradó (ε m )(2/c ábra) deformációkomponens. A polimerek viszkózus tulajdonságainak leírásához alapvetően két alapelemet, és az ezekből felépített egyszerű, vagy összetett modelleket alkalmazzuk. Az egyik alapelem az ideálisan rugalmas elem, míg a másik az ideálisan viszkózus elem. ö t t t (4) r k m 2. ábra A polimerek deformáció összetevői [27] A Hooke törvényt (5) követő ideális rugó (3. ábra) esetében a rugó jellemzésére az E a rugalmassági modulust, avagy rugómerevséget szokás használni. A pillanatnyi rugalmas alakváltozás modellezésére használjuk. A σ terhelő feszültség hatására a rugó végei között ε relatív nyúlás mérhető. σ = E ε (5) ahol E a rugalmassági modulus, ε a relatív megnyúlás és σ a terhelő feszültség. Mikroszerkezeti szinteken a vegyértékszögek és az atomtávolságok megváltozásával van kapcsolatban, késleltetés nélkül, pillanatszerűen alakul ki a terhelés pillanatában, majd ugyancsak azonnal, késleltetés nélkül vissza is alakul a terhelés megszűnésével. Tehát elmondhatjuk, hogy időfüggetlen és a fel- és leterhelés görbéje egybeesik (2. ábra). Termodinamikailag és matematikailag is reverzibilis [27]. 3. ábra Ideálisan rugalmas elem [28] Az ideálisan viszkózus elem esetében egy viszkózus folyadékkal telt dugattyús hengerből induljunk ki. Ez esetben a Newton törvényt (6) használjuk, amire jellemző, hogy a 9
feszültség arányos az alakváltozási sebességgel, az arányossági tényező az elem anyagi állandója, vagyis a viszkozitás. d (6) dt ahol σ a gerjesztő feszültség, ε a relatív nyúlás és η a dinamikai viszkozitás. Polimereknél tisztán viszkózus deformáció olvadékállapotban jellemző, mert ekkor a nyírófeszültség hatására a láncmolekulák irányítódnak, kinyúlnak és csúsznak egymáson. Ezt a modellt mutatja be a 4. ábra. 4. ábra Ideálisan viszkózus elem [28] Mikroszerkezeti szinteken a molekula láncok maradó elmozdulásával, egymáshoz képesti elcsúszásával van összefüggésben. A terhelés alatt folyamatosan alakul ki, majd a terhelés megszűnése után a kialakult deformáció megmarad. Termodinamikailag és mechanikailag is irreverzibilis (2. ábra) [27]. A reológiában van egy harmadik, igaz meglehetősen ritkán használt idealizált modellelem, a St. Venant elem (5. ábra). Ezt elsősorban fémes anyagoknál jelentkező képlékeny alakváltozások leírásához alkalmazzák. Ennél az elemnél a feszültség és a nyúlás kapcsolata nem lineáris. 5. ábra St. Venant elem [28] A feszültségrelaxációs és kúszási viselkedés becslését általában e háromféle típusú modellel, illetve az ezekből felépített összetett modellekkel szokták jellemezni. Ezek főként a két idealizált anyagmodellből, a Newton törvényt követő viszkózus elemből és a Hooke 2
törvényt követő ideálisan rugalmas testből épülnek fel. A legegyszerűbb a 2-3-4 elemből álló egyszerű összetett modellek, például soros (Maxwell, 6. ábra), párhuzamos (Kelvin-Voight, 7. ábra) és összetett (Burgers, Standard-solid) [29]. Az alap modellek segítségével kis nyúlástartalmú tartományban lehet a lineárisan viszkoelasztikus anyagokat leírni, míg e felett már a nemlineárisan viszkoelasztikus közelítésre van szükség, hogy megfelelő pontosságú eredményeket kapjunk. Soros kapcsolású csoportok esetén a rendszerre ható feszültség egyenletesen oszlik meg a rendszer elemein, a rendszer deformációja az egyes elemek deformációjának az összege. Párhuzamos kapcsolódásnál minden elem azonos deformációt szenved el, de mindre különböző nagyságú feszültség jut. A rendszer egészére jutó feszültség az egyes elemek feszültségének az összegéből tevődik össze. Az egyéb elrendezésű csoportoknál megkülönböztetünk olyan rendszereket, melyek összetehetőek párhuzamos és soros alcsoportokból és olyanokat, melyek nem. A Maxwell-modell (6. ábra) mutatja meg a legegyszerűbb soros összeállítást, mikor egy rugót és egy dugattyút sorba kapcsolunk. A modell működése egyszerű, a σ feszültség hatására a rugó azonnal megnyúlik, a dugattyú viszont csak később mozdul el, elmozdulása egészen addig egyenletesen folytatódik, míg a deformáló hatás tart. A terhelés megszűnésekor a rugó visszanyeri eredeti formáját, míg a dugattyú elmozdulás irreverzibilis. Rövid ideig fellépő terhelés esetén a viszkózus tulajdonság (azaz a dugattyú) elhanyagolható, a rendszer rugalmas anyagként viselkedik [28]. De léteznek az előbb említett modelleken alapuló sokszorosan összetett modellek is. 6. ábra Maxwell-modell [28] A Kelvin-Voight modell (7. ábra) egy rugó és egy dugattyú párhuzamos kapcsolását mutatja be. A σ terhelés hatására a deformáció időben nő és közeledik a rugó által 2
meghatározott értékhez. Mikroszerkezeti szinteken a molekulaláncok kigyöngyöződésével és visszagyöngyöződésével van kapcsolatban. A terhelés hatására késleltetve alakul ki, majd megszűnése után késleltetve alakul vissza, tehát elmondhatjuk, hogy időfüggő, a fel és leterhelés görbéi nem esnek egybe (hiszterézis alakul ki) (2. ábra). A hiszterézishurok hővé alakul, s a veszteségi deformációs munkahányaddal arányos. Termodinamikailag irreverzibilis, de mechanikailag reverzibilis [27]. 7. ábra Kelvin-Voight modell [28] Duplán, egymás után sorosan kötött Kelvin-Voight modellt használt mérései során Dean és Broughton [3, 3]. Ők DP46 névvel jelölt polipropilén anyagot használtak fel. Tesztjeik célja főként a kúszásmérési modellek vizsgálata volt. A kúszási eredményeikből (8. ábra) arra jutottak, hogy a meglévő kúszási modellek általában alábecsülik nagy feszültségek esetén a kúszási engedékenységet. 8. ábra Dean és Broughton kúszásvizsgálatai PP-n, különböző terhelések mellett [3] 22
Kimutatták, hogy ezek az összefüggések már nem érvényesek nagy feszültségek esetén a kavitáció és a hajszálrepedések miatt, amik egy kritikus feszültségű szint után alakulnak ki. Ez a szint alacsonyabb a vizsgált anyagok belső feszültségénél. A gyakorlatban ezt a feszültséget nem érjük el, hisz ez alatt terheljük a munkadarabokat. Ezen kritikus sebesség felett viszont a kavitáció és a hajszálrepedések hozzájárulnak a kúszási sebesség növekedéséhez, ami a meglévő modellek kiterjesztését teszi szükségessé [3, 3]. A következő a háromelemes Standard-Solid modell. Gyengén térhálós elasztomerek esetén a Maxwell-modellhez egy E modulusú rugót párhozamosan kapcsolunk, és így jön létre a háromelemes Standard-Solid modell (9. ábra). 9. ábra Standard-Solid modell [29] Ez a modell képes egyszerű, minőségi leírást adni a feszültségrelaxációról. A párhuzamos kapcsolás miatt a kiegészítő és a Maxwell-ág feszültségei (σ m ; σ k) összeadódnak: és τ a Maxwell-ág időállandója: t E E e E t m k t (7) (8) E Termoplasztikus anyagok esetében a Maxwell-modell csak a feszültségfeloldódási görbére nézve jelent megoldást, hisz a deformációfeloldódási szakaszon nincs késleltetett rugalmas utóhatás. Ennek a problémának a kiküszöböléséhez a Maxwell-modellhez sorosan hozzákötjük a Kelvin-Voight modellt, s így megkapjuk a Burgers-modellt (2. ábra). Ez négyparaméteres 23
és mindhárom deformáció komponens összegét előállítja. Ez a modell az alábbi másodrendű, lineáris differenciálegyenletet adja nekünk (9): 2 d E E E2 d EE2 dt dt 2 2 2 2 E 2 d EE dt 2 2 2 d (9) dt Összességében a Burgers-modell minőségileg leírja a termoplasztikus polimerek többségére nemcsak a feszültség, hanem a deformáció feloldódás folyamatát is. Ez egy négyparaméteres modell, amely a termoplasztikus polimerek kúszási viselkedésének minőségi leírásához megfelelő. [22, 27]. 2. ábra Burgers-modell [29] A Burgers-féle modell segítségével egy egy rövidebb mérés (3-5 perc) alapján már hosszabb időtartalmú (-2 nap) terhelés hatására bekövetkező nyúlásra, deformációra tudunk következtetni. Ha évekre, azaz a teljes életciklusra meg akarjuk vizsgálni a polimer kúszási viselkedését, akkor már pár napos mérés is elegendő lehet. Ehhez nélkülözhetetlen ismernünk a Burgers-féle összetett nyúlás-válaszfüggvényt ()[27]: E2 t 2 ö ( t) r m ( t) k ( t) ö ( t) t e () E E 2 Ilyen Burgers-modellt alkalmazott kísérletei során Banik, Karger-Kocsis és Abraham [32]. Ők CrossPly (CP) és UniDirectional (UD) erősítésű polipropilén próbatesteken mérték a kúszást különböző hőmérsékletszinteken 2 C tól 8 C ig (2. ábra). Ők arra jutottak, hogy a hőmérséklet növekedésével a makromolekulák is elkezdtek növekedni, a láncok fellazultak, s ez a kompozit nagyobb mértékű deformációjához vezetett. A CP erősítésű nagyobb mértékű deformációt szenvedett el, mint UD-s társa. Ennek magyarázata lehet a kompozitok morfológiája, azaz a kristályos tartalom és az erősítő szerkezet [32]. 24
2. ábra UD és CP polipropilén kompozitok kúszási görbéje különböző hőmérsékleteken (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 C-on) [32] Az anyag tartósfolyását leíró modellt kell először kiválasztanunk, majd utána a modell mechanikai elemeit kell meghatároznunk, azaz a rugókat jellemző rugalmassági modulusokat és a viszkózus elemeket jellemző dinamikai viszkozitást. Majd a kapott kúszási görbe (22. ábra) kiértékelése következik. 22. ábra Felvett kúszási görbe [27] A felvett kúszási görbe alapján meg tudjuk határozni a kúszási paramétereket a t=, τ, és t=t időpillanatokban. A t= pillanatban mérhető ugrás nagysága ε r, amelyből kiszámolható az E paraméter: F A () t r E E r r 25
Ezután be tudjuk vezetni t=t időpillanatban a következő egyszerűsítést: 2 2 (2) E2 ahol τ 2 időállandó. Ezután a mérési időt válasszuk meg úgy, hogy T>>τ 2 legyen, s ezáltal a (9) képletben szereplő exponenciális érték az alábbi szerint módosul: ezáltal a (9) összefüggés t=t esetén a következő lesz: t T e 2 (3) T T (4) E A fenti egyenletből következik, hogy a t=t ponthoz felvett kúszási-nyúlás görbe érintője közelítőleg megegyezik a t -re vett aszimptotájával. Ezután kell megrajzolni az ε(t) görbe t=t ponthoz tartozó érintőjét, majd a (, ε r ) ponton keresztül húzzunk párhuzamost a vízszintes tengellyel és az érintővel is. Ezek az egyenesek az ε(t) görbe alatti területet az ε r (t), ε m (t), és ε k (t) nyúláskomponensekre osztják (22. ábra). Ez után az ábrából lemérhető az ε k (t=t) és ε m (t=t) értéke, majd meghatározható az E 2 és η paraméterek értéke: k t T E2 E t T 2 k E 2 (5) t T t T T m m (6) τ 2 időállandó kiszerkesztése után meg tudjuk határozni a η 2 értékét. Közelítőleg a τ 2 időállandót kaphatjuk meg, ha az ε(t) görbe t= pontjához tartozó kezdeti érintőjének és a t=t időponthoz tartozó érintőjének a metszéspontját levetítjük a t tengelyre. Miután ez a módszer pontatlan eredményt hozhat (a nehéz megszerkesztés miatt), ezért először számítsuk ki az ε k (t) értékét t=τ 2 időpillanatban: E2 2 2 k t 2 e (7) E 2 ezt a () összefüggésbe behelyettesítve a következőt kapjuk: t e k 2 (8) E ahol az -e - értéke megközelítőleg,63. A (4) összefüggést felhasználva a következőt kapjuk (9): k t, t T 63 2 2 k (9) 26
A fentiek alapján, a t= helyen az ε=ε r +,63 ε k (t=t) ponttól a t=t ponthoz tartozó érintőjével párhuzamost húzunk, majd megkeressük a görbével való metszéspontját (22. ábra). A kapott pontot a t tengelyre merőlegesen levetítve megkapjuk a τ 2 -t. Aztán a η 2 már a () összefüggésből kiszámítható: E (2) 2 2 2 Ezen modellparaméterek ismeretében már a mérési időt meghaladó terhelési idő esetére is megfelelő pontossággal ki tudjuk számítani a vizsgálandó anyag várható deformációját [27]. A polimerek viszkoelasztikus viselkedését a négyparaméteres modellek is csak minőségileg, alakilag írják le, pontosság szempontjából durva közelítésnek tekinthetőek. Ez főként annak köszönhető, hogy a polimerek esetében a relaxációs idők minden különböző tömegű részecskénél, molekulánál eltérnek, tehát nem egy időállandójuk van, mint például a Maxwell-modellnek, hanem egy adott tartományban eloszló időállandó halmaz. A pontosabb megközelítés érdekében általában két utat használnak. Vagy soros és párhuzamos modelleket kapcsolnak, kombinálnak össze bonyolult, sok elemből álló modellhálózatot elérve, vagy egyszerű, de különböző időállandójú összetett modelleket szerkesztenek. a. b. 23. ábra Összetett modellek a): Maxwell-Weichert; b): összetett Kelvin-Voight [29] A nemlineáris viszkoelasztikus viselkedést a lineáris viszkoelasztikus modell alapegyenleteinek általánosításával és a polimerek valós szerkezetét figyelembe vevő elméletek alkalmazásával határozzák meg. Emellett a kúszásvizsgálatok során a különböző 27
hőmérsékleteken mért vizsgálatok eredményeiből a mért deformáció és a meghatározott eltolási tényezők segítségével mestergörbét lehet szerkeszteni, amely nagy segítség a későbbi kúszásbecslésre. Az eltolási tényezők (a T ) segítségével lehet például a Williams-Landel-Ferry nevével fémjelzett összefüggés (2) segítségével a különböző hőmérsékleti szinteket egymásra eltolva mestergörbét számítani [26]. log U kt T T T c T T a T (2) T T c2 T T ahol k a Boltzmann állandó, ΔU az átugrott potenciálgát nagyságsa, T a hőmérséklet, c és c 2 pedig tapasztalati állandók. A kutatók számos kúszásvizsgálati eredmény elemzéséből megállapították, hogy T =T g esetén c és c 2 állandók a legtöbb polimer anyagra azonosak: c = -7,44; c 2 = 5,6 C [22]. Ilyen mestergörbéket (24. ábra) állított elő különböző hőmérsékleti szinteken DMA-n mért hajlító igénybevételű kúszásmérésekből Izer és Bárány [33]. Önerősített PP anyagon mérve azt találták, hogy a magasabb hőmérsékleten préselt önerősítő lapok kúszási érzékenysége kisebb, mintha jóval az olvadáspont alatt préselteké. 24. ábra Izer és Bárány által vizsgált önerősített PP-k WLM-szerinti mestergörbéi [33] A kúszásméréseket lehet csoportosítani igénybevétel szerint, amely alapján megkülönböztetünk húzás, hajlítás, csavarás és nyomás hatására kialakuló tartósfolyási deformációt. Mindegyik esetben huzamos ideig való terhelés hatására megfigyelhető a kúszás jelensége, amelynek deformáció-értékét többek közt kúszásmérő-keret, szakítógép, vagy DMA berendezés segítségével lehet mérni. 28
A DMA (dinamikus mechanikai analízis) berendezés lényege, hogy az érzékelőnek a legalsó pontjában levő próbatest mérőfejjel tudunk mérni a berendezésre szerelt befogástól függően húzó, hajlító és nyomó igénybevételt széles hőmérséklettartományban (-7 C - +5 C-ig is akár). A mérés legfontosabb információit, a komplex rugalmassági modulus adatait egy számítógép dolgozza fel. A berendezést a 25. ábra mutatja be. Emellett a DMA berendezés által létrehozott kúszási válaszfüggvények megmutatják a polimerek kisméretű deformációs tartományban adott válaszaikat. A gép ismételt igénybevétellel kapcsolatos dinamikus terhelés vizsgálatára is alkalmas, széles hőmérséklettartományban lehet vele mérni, és az igénybevétel sebességétől való függést is bemutatja []. 25. ábra DMA készülék metszeti képe [] A szakítógépek alkalmasak húzó, hajlító és nyomó igénybevételek közlésére a vizsgált anyagon. A gépet erő- és útvezérelt módon tudjuk vezérelni, képes ezen kívül ciklusos igénybevételek mérésére is. Lehet velük mérni az anyag rugalmassági modulusát, szakítószilárdságát, erő-megnyúlás diagramját. Ezeket az adatokat további elemzéseknek vethetjük alá, akár végeselem módszerek használatával is. 29
A kúszásmérés elvégzését az ISO 899/ és 899/2 szabványokban rögzített feltételek, eljárások szerint kell végrehajtani. Hárompontos hajlító igénybevételi kúszásnál a szabvány (ISO 899-2:23) rendelkezik a befogó és a próbatest kialakításáról, az alátámasztási távolságról, valamint a vizsgálati körülményekről (például: időmérő berendezést, a mérési hőmérsékletet, páratartalmat és a terhelés helyét, irányát) [34]. A húzó igénybevételű kúszásvizsgálatokat szabályozza az ISO 899-:23, amely a hárompontos hajlításhoz hasonlóan meghatározza a szakítást végző berendezés befogási méreteit, a terhelés irányát, és egyéb környezeti adatokat, úgy mint a hőmérséklet, páratartalom [35]. Méréseim során igyekeztem egy eddig kevésbé feltárt területtel foglalkozni. Az iparban elterjedt gyakorlat azt mutatja, hogy egy fröccsöntött termék vagy nem tartalmaz szálerősítést, vagy 3-4 m% üvegszállal erősített kompozitról beszélhetünk. Az ipar igényeinek megfelelően, akik ezzel a területtel foglalkoztak, többnyire nagy száltartalmú kompozitokat vizsgáltak, míg az alapkutatás területéhez tartozó, de iparilag nem alkalmazott kis száltartalmú kompozitokat nem vizsgálták. Munkám során 5, és 2 m% GF tartalmú PP kompozitokon végeztem kísérleteimet. A próbatesteken húzó igénybevételű kúszásméréseket végeztem erővezérelt szakítóvizsgálatok alapján meghatározott különböző terhelési szinteken, így térképezve fel ezen anyagok terhelésfüggő kúszási viselkedését. 3
3. Felhasznált anyagok, gépek, mérési módszerek Húzó igénybevételű kúszásvizsgálatok végzése céljából különféle GF tartalom mellett végeztem el a méréseimet. A kísérletek során fröccsöntött PP + GF alapanyagú próbatesteket használtam. A megfelelő adhéziós kötés elérése céljából a PP és az üvegszál közé egy úgynevezett kötésjavító segédanyagot, az Overac CA-at kellett használni. A PP a TVK-ban készült Magyarországon és a Tipplen H 949 A típusnevet viselő homoplimer. Az üvegszál a Johns Manvillnál készült Csehországban és SV EC 3 473 típusú. A szálhossz 4,5 mm, míg a szálátmérő 3 µm. Felületkezelve lett a 473-as számmal jelölt szilánvegyülettel. A segédanyag az Arkema nevű gyárban készült Franciaországban, típusneve Orevac CA és maga az anyag maleinsav anhidriddel ojtott PP. Háromféle összeállítást alkalmaztam egyenként 5, és 2 m%-os névleges üvegszáltartalommal. A pontos keverési arányt az. táblázat mutatja be. Névleges Orevac PP (H949A) száltartalom CA Üvegszál [m%] [m%] [m%] [m%] 5 94,9, 5 89,8,2 2 79,6,4 2. táblázat Próbatestek névleges száltartalma A fröccsöntést Arburg Allrounder 32 C 5-7 típusú fröccsöntőgéppel végeztük el. A szakító próbatestek (26. ábra) az MSZ EN ISO 527/2 szabvány szerinti A típusúak. A fröccsöntés beállított paraméterei a következőek voltak: - fröccstérfogat: 44 cm 3 - átkapcsolási pont: 2 cm 3 - befröccsöntési sebesség: 5 cm 3 /s - fröccsnyomás: 7 bar - utónyomás: 5 7 bar - torlónyomás: 5 bar - csiga kerületi sebessége: 5 m/min - hőmérsékleti program: 75-8-85-9-95 C - szerszámhőmérséklet: 4 C 3
26. ábra Szabványos próbatest hőre lágyuló polimer anyaghoz [36] A mérésemet egy Zwick Z5 típusú szakítógépen (27. ábra) végeztem, amely egy számítógéppel regisztrálta a gép által mért adatokat. A méréseket testxpert vezérlőprogram.-es verziójával végeztem, kiexportálás után az adatok utólagos feldolgozás Microsoft Excel adatbázis és táblázatkezelővel végeztem. 27. ábra Zwick Z5 típusú szakítógép [27] Sorrendben 5,, majd 2 m%-os üvegszál erősítésű piskóta alakú próbatesteken végeztem a kúszásméréseket. Azokon a terhelési szinteken, ahol a próbatest az órás vizsgálati időn belül elszakadt 5-5 mérést végeztem, ahol a vizsgálati időn belül nem szakadt el, terhelési szintenként csak - mérést végeztem. Az alkalmazott terhelési szinteket a fröccsöntés után erővezérelt szakítóvizsgálattal meghatározott szakítószilárdság 95, 9, 85, 8, 75, 7, 65, 6, 5, 4, 3, 2, %-ában határoztam meg. 32
4. Eredmények és kiértékelésük Ebben a fejezetben a különböző száltartalmak mellett mért kúszásgörbék feldolgozását, a kapott eredményeket, és a kúszási viselkedés leírására széles körben használt Burgers-modellel való becslési számításaim eredményeit fogom bemutatni. 4.. Húzó igénybevételű kúszásvizsgálatok szakítógépen A próbatesteket egyesével helyeztem a szakítógép befogóiba, majd a terhelési szint beállítása után elindítottam a mérést. A magasabb terhelési szinten mért próbatestek nagyon hamar, néhány perc elteltével elszakadtak. A terhelés csökkenésével (85 és 8%-os terhelési szinten) már 2-4 percet bírtak ki a vizsgált anyagok. Megfigyelhető, hogy a terhelés csökkenésének függvényében a kúszási szakadási idő növekedett. Az egyes száltartalmaknál használt terheléseket mutatja be a 2. táblázat. Terhelési Erősítőszál tartalom szint 5 m% m% 2 m% Szakítóerő 86 235 35 95% 767 2233 2898 9% 674 25 2745 85% 58 998 2593 8% 488 88 244 75% 395 763 2288 7% 32 645 235 65% 29 527 983 6% 6 4 83 5% 93 75 525 4% 744 94 22 3% 558 75 95 2% 372 47 6 % 86 235 35 2. táblázat Terhelési szintekhez tartozó erőbeállítások A kúszásvizsgálatok befejezése után a mért adatokat kiexportáltam, és excelbe beolvasva értékeltem ki. A kiértékelés és a kúszásgörbék felvétele előtt az adatpontokat a mérésindítás késését (berendezés tehetetlenségéből adódó késés) korrigálandó az időben egyenként eltoltam. A korrekció után a kapott értékeket szükség esetén ritkítottam, és meghatároztam kúszási görbék átlagát. 33
Nyúlás [mm] A kúszási görbék felvételéhez meg kellett ritkítanom a meglévő adataimat. A számítógép az egy órás mérések során több mint 56 sorban rögzítette a mért pontokat, amelynek megjelenítése az excel diagramszerkesztőjének meghaladja a lehetőségeit. A görbék felfutási és megnyugvási szakaszában sűrűbb mintavételezésre volt szükség, míg a kvázi-lineáris másodlagos kúszás tartományában már ritkább mintavételezés is elegendőnek bizonyult, ezért a -3 másodpercig, másodperces mintavételezési sűrűséget választottam, 3-6 s-os időintervallumban,2 s, 6- s között,5 s és s-tól másodperces sűrűségűre ritkítottam az adatokat. Azokban az esetekben, mikor a próbatest a mérési időn belül elszakadt, öt mérést végeztem. Az öt mérési eredmény átlagolására mutat példát a 28. ábra, ahol 5 m%-os GF tartalmú próbatestet terheltem 95%-os terhelési szinten. 4,5 4 3,5 3 2,5 2,5 2 3 4 5 5%_átlag,5 2 3 4 5 6 7 Mérési idő [s] 28. ábra 5%-os GF tartalmú PP átlagolt kúszási görbéje 95%-os terhelési szinten Az átlagolást a görbék teljes mérési idején át pontonként végeztem el, egészen az időben utolsóként adódó szakadási pontig. A 28. ábra azt mutatja, hogy először az. mérés szakadt el először. Ekkor a piros szaggatott átlaggörbén egy minimális ugrás-törés figyelhető meg, amely minden szakadásnál ismétlődik, míg végül az utolsó (4. mérés) görbéjén fut az átlaggörbe annak elszakadásáig. A különböző terhelési szinteken adott kúszásválaszok bemutatásakor a továbbiakban már csak az ilyen módon előállított, az egyes görbék szakadási pontjaiban ugráló átlaggörbét használtam. 34
Nyúlás [mm] A legkisebb száltartalmú kompoziton kezdtem a vizsgálataimat, amelyek során 33 db egy órás, vagy magasabb terhelési szinteken a mérési idő letelte előtt szakadással tönkrement kúszásmérés hajtottam végre. A gyártás óta az öregedés miatt eltérő karakterisztikájú próbatesteken ismételt erővezérelt szakítóvizsgálatokat végeztem, ezt jelöltem a kapott kúszásgörbéken %-os terhelési szinttel. Az erővezérelt szakítóvizsgálatokat követően alacsonyabb, a 2. táblázatban ismertetett terhelési szinteken végeztem a méréseket egészen a legalacsonyabb szintig. A mérések során azt tapasztaltam, hogy a hőmérséklet ingadozása nagymértékben befolyásolja az eredmények pontosságát, a mérés kimenetelét, ezért a hőmérsékletet a terem légkondícionálásával igyekeztem tartani. A mérések során a hőmérséklet és a páratartalom változását egy hő- és páratartalom-mérő készülékkel mértem, és feljegyeztem. Az öt elvégzett mérés tudta kompenzálni ezek ingadozását és az átlagolt görbék már megfelelően pontos eredményt adnak. A 29. ábra azt mutatja, hogy 8%-on még mindegyik próbatest elszakadt, 75%-os terhelésnél viszont már csak az ötből három darab (3. táblázat). 7%-os terhelésen és alatta már a vizsgált egy órás időtartományban nem történt szakadás. A 75%-os esetben,,9 C-os hőingadozás volt megfigyelhető két mérés között, amely nagyban hozzájárult egy-egy próbatest kúszási viselkedésének változásához. 4,5 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 4 3,5 3 2,5 2,5,5 5 5 2 25 3 35 Mérési idő [s] 29. ábra 5 m%-os GF tartalmú PP kompozitok átlagolt kúszási nyúlásgörbéi a terhelés függvényében 35
Nyúlás [mm] Terhelési szint Terhelőerő [N] Szakadási nyúlás [mm] átlag szórás % 86 4,,4 95% 767 3,8, 9% 674 3,89, 85% 58 4,,3 8% 488 4,, 75-% - nem értékelhető * 3. táblázat PP + 5 m% GF kompozit kúszási szakadási nyúlása (* a vizsgált terhelési szinten nem, vagy nem mind szakadt el) Normál időtengelyt használva a magasabb terhelési szintekhez tartozó kúszásgörbék megkülönböztetése nehézkes, ezért érdemes az időtengely logaritmizálásával szemléletesen ábrázolni a nyúlás, és a szakadási idő terhelési szint-függését (3. ábra). Itt jól kirajzolódik, hogy az erővezérelt szakítógörbe, mint burkológörbe jól fedi a kúszásgörbék felterhelési szakaszát, majd a megfelelő igénybevételi szinteken (a felterhelési idő által meghatározott időpillanatban) kilép ebből a kúszásgörbe. A felterhelési idő kivédhetetlen, hiszen nem tudja egyből a szakítógép a megkívánt erővel elkezdeni a mérést. 4,5 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 4 3,5 3 2,5 2,5,5 Mérési idő [s] 3. ábra 5 m%-os GF tartalmú PP kompozitok kúszási nyúlása logaritmikus időtengelyen ábrázolva 36
Nyúlás [mm] A 3. ábrán látható, hogy az átlaggörbék ingadozásai, azaz a mért kúszási szakadási nyúlásértékek a 3,7-4,2 mm-s sávba estek. Ez alapján kijelenthető, hogy a leírt sávon belül fognak a rövid idejű, akár az alkalmazott terhelések közé eső, hasonlóan magas terhelésű próbatestek elszakadni, de a szakadás várható ideje még a környező terhelési szinteknél mért szakadási idők ismeretében is csak pontatlanul becsülhető, míg alacsonyabb terhelési szinteken hagyományos becslési módszerekkel sem a szakadási nyúlás, sem a szakadási idő nem becsülhető. A kúszási szakadási nyúlás értéke a terhelés csökkenésével várhatóan szintén csökkenni fog. Erre ad becslést Vas és Bakonyi erővezérelt szakítóvizsgálatokon, és rövididejű kúszásméréseken alapuló, a kúszási szakadást különböző száltartalmak mellett vizsgáló cikke [37]. Az 5 m% GF erősítésű PP kompozitok kúszásmérése után a m%-os kompozitokat vizsgáltam meg a 2. táblázatban bemutatott terhelési szinteken, a már bemutatott módon. A 3. ábra jól mutatja, hogy a 75%-os terhelési szintig (763 N) minden próbatest elszakadt a vizsgálati időn belül, de alatta már minden kisebb terhelési szinten mind kibírta az egy óra hosszon át tartó igénybevételt. 4 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 3,5 3 2,5 2,5,5 5 5 2 25 3 35 Mérési idő [s] 3. ábra m%-os GF tartalmú PP kompozitok átlagolt kúszási nyúlásgörbéi a terhelés függvényében A 32. ábráról leolvasható, hogy a kúszási szakadási nyúlás 3,3-3,8 mm-es deformációtartományba esett, de például a 75%-os terhelési szinthez tartozó kúszási szakadási nyúlások a 37
Nyúlás [mm] magasabb terhelési szinteknél mért értékeknél magasabbnak adódtak (4. táblázat). A száltartalom növelésével megfigyelhető, hogy az azonos terhelési szint mellett végzett kúszásvizsgálatok során tapasztalt deformációk, azaz kúszási nyúlások is csökkennek. 4 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 3,5 3 2,5 2,5,5 Mérési idő [s] 32. ábra m%-os GF tartalmú PP kompozitok kúszási nyúlása logaritmikus időtengelyen ábrázolva Terhelési szint Terhelőerő [N] Szakadási nyúlás [mm] átlag szórás % 235 3,69,27 95% 2233 3,49,5 9% 25 3,37,7 85% 998 3,43,7 8% 88 3,59,4 75% 763 3,73, 4. táblázat PP + m% GF kompozit kúszási szakadási nyúlása Utolsóként a 2 m% GF tartalmú próbatesteket vizsgáltam, amelyek terhelési szintjeit szintén a 2. táblázat tartalmazza. A fentiekhez hasonló minta alakult ki itt is. Itt is a magasabb, azaz a %...8%-os terhelési szintű próbatestek szakadtak el ez egy órás vizsgálati időtartományban, míg a 75%-os terhelésen, vagy az alatt mért próbatestek nem szakadtak el ezen idő alatt (33. ábra). 38
Nyúlás [mm] 3,5 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 3 2,5 2,5,5 5 5 2 25 3 35 Mérési idő [s] 33. ábra 2 m%-os GF tartalmú PP kompozitok átlagolt kúszási nyúlásgörbéi a terhelés függvényében A különböző száltartalmak mellett vizsgált kúszási nyúlásban az azonos terhelési szinten mért görbék közti legnagyobb különbség (az átlaggörbében jelentkező legnagyobb ugrás) a 2 m% GF tartalmú anyag 85%-os terhelési szintjén jelentkezett (34. ábra). A görbén két nagy ugrás is megfigyelhető, de ezek a görbe trendjének követhetőségében nem okoznak zavart. A kúszási szakadási nyúlás minden terhelés mellett belül maradt a 2,8-3,3 mm-es tartományon (5. táblázat). Terhelési szint Terhelőerő [N] Szakadási nyúlás [mm] átlag szórás % 35 3,25,6 95% 2898 3,,4 9% 2745 3,6,5 85% 2593 3,5,8 8% 244 3,2,3 75-% - nem értékelhető * 5. táblázat PP + 2 m% GF kompozit kúszási szakadási nyúlása (* a vizsgált terhelési szinten nem /nem mind szakadt el) 39
Nyúlás [mm] 3,5 % 95% 9% 85% 8% 75% 7% 65% 6% 5% 4% 3% 2% % 3 2,5 2,5,5 Mérési idő [s] 34. ábra 2 m%-os GF tartalmú PP kompozitok kúszási nyúlása logaritmikus időtengelyen ábrázolva Összességében megállapítható, hogy az üvegszáltartalom növekedésével fordított arányban áll a deformáció, a nyúlás mértéke. Minél több erősítőanyagot tartalmazott a próbatest, annál kisebb volt a tönkremenetelénél, szakadásánál tapasztalt deformáció. Míg a kevesebb (5 m%) erősítőszálat tartalmazó kompozit kúszási szakadási nyúlása a 3,7-4,2 mm-s sávba esett, m%-nál ez már csak 3,3-3,8 mm volt, és 2 m%-nál tovább csökkent 2,8-3,3 mm-es tartományra. A hosszútávú terhelésnek kitett polimer alkatrészeket a szakítószilárdságuk töredékének megfelelő terhelésnek szabad csak kitenni. Ennek maximális értéke nem haladhatja meg a szakítószilárdság 3-4 százalékát, így a különböző száltartalmak mellett mért kúszásgörbéket hasonlítottam össze a szakítószilárdság, 2, 3 és 4%-ának megfelelő terhelési szinteken (2. táblázat). Az eltérő száltartalmak esetén mért kúszásgörbéken (35. ábra) az figyelhető meg, hogy a terhelés növelésével a és 2 m% száltartalmú kompozitok egy órás vizsgálatnál tapasztalt kúszási deformációkülönbsége egyre nagyobb, a görbék egyre inkább széttartanak. Az 5 m% üvegszáltartalmú kompozit esetén mért kúszási deformáció nem a várt módon alakult: %-os kúszásterhelési szinten az anyag kezdeti (Burgers-modell pillanatnyi rugalmas komponensének megfeleltethető) deformációja elmaradt a és 2 m% GF tartalmú kompozitok mögött, majd a terhelés növelésével fokozatosan beérte, és meg is haladta ezekét. A kúszásgörbe másodlagos, lineáris kúszási szakaszában megfigyelhető, hogy a görbe dε/dt meredeksége, azaz a kúszási 4
Nyúlás [mm] Nyúlás [mm] Nyúlás [mm] Nyúlás [mm] deformációváltozás sebessége az 5 m%-os GF tartalmú kompozit esetében minden terhelési szinten meghaladja a magasabb száltartalmak esetén tapasztalható értéket, így a kisebb kezdeti deformációértékről induló 5 m% GF tartalmú anyag deformációértéke a terhelés növekedésével egyre rövidebb idő alatt éri el, illetve haladja meg a nagyobb szálarányú kompozitokét.,3,25,6,5,2,4,5,3 a.,,5 PP + 5 m% GF PP + m% GF PP + 2 m% GF 2 3 Mért idő [s] b.,2, PP + 5 m% GF PP + m% GF PP + 2 m% GF 2 3 Mért idő [s],4,8,6,2,8,4,6 c.,2 PP + 5 m% GF PP + m% GF PP + 2 m% GF 2 3 Mért idő [s] d.,4,2 PP + 5 m% GF PP + m% GF PP + 2 m% GF 2 3 Mért idő [s] 35. ábra 5, és 2m%-os GF tartalmú PP kompozit kúszásvizsgálati eredményeinek összehasonlítása a szakítószilárdság %-án (a), 2%-án (b), 3%-án (c) és 4%-án (d) vett terhelési szinteken Méréseim elemzése során külön fogok foglalkozni a gyakorlatban hosszú távú terhelésnek kitatt alkatrészeknél alkalmazottalacsony terhelési szintekkel, ezen belül is a szakítószilárdság 2 és 4%-a mellett kapott kúszási viselkedéssel. A választásom azért esett e két különböző terhelési szintre, mert így alacsony és közepes terhelés mellett is tudok a próbatesteken vizsgálatokat elvégezni. Ezekből az adatokból kiindulva fogok mestergörbét szerkeszteni kézi eltolásos módszerrel, illetve elemezni az alacsony terhelési szinten nyert Burgers-modell paraméterekkel becsült hosszútávú kúszási viselkedést. 4