Szerkezetvizsgálat
Folytonos bazaltszállal erõsített poliamid mátrixú polimer kompozit szerkezeti anyag fejlesztése Dr. Czigány Tibor*, tanszékvezetõ egyetemi tanár, Deák Tamás*, egyetemi tanársegéd
1. Bevezetés GMBH Schulamid 6MV13F jelû PA6 és a DSM Akulon A hõre lágyuló mátrixú kompozitok felhasználása S223-E jelû PA6.6 alapanyagát választottuk, tekintettel napjainkra megközelíti a hõre keményedõ mátrixú kom- arra, hogy a poliamidok közül ez a két típus az üvegszálpozitokét [1]. Ezek feldolgozási technológiái között elõ- erõsítésû hõre lágyuló mátrixú kompozitok iparban legkelõ helyet foglal el a fröccsöntés, amivel nagy termelé- gyakrabban használt alapanyaga [9, 10]. A folytonos kenységgel lehet méretpontos és bonyolult geometriájú technológiával gyártott, BCS 13.6 jelû vágott bazaltszál alkatrészeket gyártani. A legelterjedtebb erõsítõanyag az a KAMENNY VEK gyártmánya. A vágott szálak átlagos üvegszál, fröccsöntött gyártmányokhoz szinte kizárólag hosszúsága 6 mm. Ezt a száltípust a gyártás során epoxiezt a száltípust alkalmazzák. Az utóbbi két évtizedben gyantához optimalizált szilán kapcsolószert tartalmazó került elõtérbe a bazaltszál, mint a polimer kompozitok felületi bevonattal látták el. Mivel az irodalmi adatok lehetséges erõsítõanyaga. A bazaltszálakat már sokolda- szerint [11, 12] az ilyen kapcsolószerek a poliamidokkal lúan vizsgálták mint fröccsöntött hõre lágyuló polimerek is jó adhéziós kapcsolatot hoznak létre, az eredetileg feerõsítõanyagát, elsõsorban polipropilén mátrixszal lületkezelt szálakkal is kompozitokat állítottunk elõ. [2–6]. A poliamidot eddig ritkán alkalmazták ebben a Azokról a szálakról, amelyeket felületkezelés nélkül kíszerepkörben, annak ellenére, hogy jobb eredmények vántunk alkalmazni, 400°C-on 3 órás hõkezeléssel távovárhatóak ettõl az anyagtól, ugyanis a poliamid és a ba- lítottuk el a bevonatot. A másik felhasznált folytonos bazalt egyaránt poláros, ezért a belõlük elõállított kompo- zaltszál a TECHNOBASALT gyártmánya volt. Átlagos vázitokban feltehetõleg könnyebb biztosítani a megfelelõ gási hossza - a KAMENNY VEK termékhez hasonlóan – határfelületi kapcsolódást. Ugyanilyen fontos szempont 6 mm. A TECHNOBASALT szálait szintén epoxigyantához az is, hogy a poliamid mechanikai és hõállósági tulaj- optimalizált szilán kapcsolószert tartalmazó felületi bedonságai jobbak, mint a polipropiléné [7, 8]. Az üveg- vonattal látták el. A hagyományos üvegszálas kompoziszállal erõsített fröccsöntött poliamid két évtizede sike- tokkal való összehasonlítás érdekében az A. SCHULMAN res az autóiparban. Ma már szinte minden személygép- GMBH által gyártott üvegszálas granulátumból is próbakocsi motorjának beszívócsonkja – és egyre több eset- testeket készítettünk. Ennek mátrixanyaga azonos a ben az olajteknõ – üvegszállal erõsített poliamidból ké- 6MV13F jelû poliamiddal. szül. Régebben ezeket a részegységeket öntött alumíniElsõ lépésben PA granulátum/erõsítõszál keverékeket umötvözetbõl gyártották. A rövid szálakkal erõsített BRABENDER Plasti-Corder PL 2100 típusú kétcsigás kefröccsöntött kompozitok esetében a legnagyobb problé- verõextruderrel kompaundáltunk, majd granuláltunk. mát a szálak és a mátrixanyag közötti megfelelõ adhézi- ARBURG 270C 500-250 típusú gépen 4×10 mm2 keresztós kapcsolat megteremtése jelenti. metszetû, szabványos piskóta alakú, valamint a zsugoroMunkánk célja az volt, hogy a folytonos bazaltszálak dási vizsgálatokhoz 80×80×2 mm3 nagyságú lapka prófröccsöntött kompozitok erõsítõanyagaként való alkal- batesteket fröccsöntöttünk (1. táblázat). A csiga kerületi mazásának lehetõségeit, és az ilyen kompozitok tulaj- sebessége 15 m/perc, a szerszámhõmérséklet 80°C volt. donságait megvizsgáljuk. Célunk volt továbbá a feldol- Feldolgozás elõtt minden esetben 80°C-on 5 órát szárígozás hatásának vizsgálata a kompozit mechanikai tulaj- tottuk az alapanyagokat. A kompozitok száltartalma 10, donságaira és a maradó szálhosszra, annak kiderítése, 20, 30 és 40 m% volt. A 10 és 20 m% erõsítésû kompohogy a bazaltszál alkalmas-e az üvegszállal erõsített po- zitokat úgy állítottuk elõ, hogy kétcsigás keverõextruliamidhoz hasonló polimer kompozit lét1. táblázat. rehozására. Az alkalmazott extrudálási és fröccsöntési hõmérsékletek 2. Felhasznált anyagok és elõállításuk, Extrudálási Zónahõmérsékletek fröccsöntésnél, Mátrixanyag hõmérséklet, °C °C mérési módszerek PA6 (Schulamid 6MV13F) 255 250 255 260 265 270 Mátrixanyagként az A. SCHULMAN PA6.6 (Akulon S223-E)
*Budapesti
270
270
275
280
285
290
Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék
2010. 47. évfolyam, 2. szám
63
derrel 30 m% száltartalmú 2. táblázat. kompozitot készítettünk, Az elõállított kompozitok jelölései majd ezt a fröccsöntést Mátrix Felületkezelés Erõsítõszál Száltartalom, m% Jelölés megelõzõen a mátrixanyag Schulamid (PA6) – – – S granulátumával a szükséAkulon (PA6.6) – – – A ges mértékben hígítottuk Schulamid (PA6) Szilán Üvegszál 30 GF (2. táblázat). 10 SK10 A húzóvizsgálatokat az 20 SK20 Szilán Kamenny Vek (CB1) 30 SK30 MSZ EN ISO 527 szabvány 40 SK40 alapján végeztük. A befo10 SN10 gási hossz 100 mm, a vizs20 SN20 gálati sebesség 2 mm/perc Schulamid (PA6) Nincs Kamenny Vek (CB1) 30 SN30 volt. A próbatestek nyúlá40 SN40 sát video-extenzométerrel 10 STB10 regisztráltuk. A hárompon20 STB20 Szilán Technobasalt (CB3) tos hajlító vizsgálatot az 30 STB30 MSZ EN ISO 178 szabvány 40 STB40 10 AK10 alapján hajtottuk végre. Az 20 AK20 alátámasztási távolság Szilán Kamenny Vek (CB1) 30 AK30 64 mm, a vizsgálati sebes40 AK40 ség 2 mm/perc volt. A húAkulon (PA6.6) 10 AN10 zó- és hajlítóvizsgálatok20 AN20 Nincs Kamenny Vek (CB1) hoz 4×10 mm2 keresztmet30 AN30 szetû, szabványos piskóta 40 AN40 alakú próbatesteket használtunk. A Charpy-féle ütõhajlító vizsgálatot az MSZ EN ISO száltöredezést meghatározzuk a száltartalom, valamint 179 szabvány alapján CEAST Resil Impactor típusú gé- az alkalmazott mátrixanyag és bazaltszál típusának pen, hornyolt és hornyolatlan próbatesteken végeztük. A függvényében, megmértük a próbatestekben lévõ szálak bemetszés „A” típusú (0,25 mm lekerekítési sugarú, hosszát. A fröccsöntött próbatestekbõl kiégettük a mát45°-os), 2 mm mélységû, az alkalmazott ütõenergia 15 J, rixanyagot és optikai mikroszkóppal lemértük a visszaa becsapódás sebessége 3,3 m/s, a próbatestek hossza maradó szálak hosszát. Ehhez a szabványos szakító pró80 mm, keresztmetszetük 4×10 mm2, az alátámasztási batestek közepébõl kivágott 20 mm hosszú darabokat távolság pedig 62 mm volt. A próbatest által elnyelt használtuk. OLYMPUS BX51 optikai mikroszkóp és energiát regisztráltuk, és ebbõl határoztuk meg a ANALYSIS Steel Factory képelemzõ szoftver alkalmazáCharpy-féle ütõhajlító szilárdságot (αcU hornyolatlan és sával, átesõ megvilágítással, tízszeres nagyítással, képαcN hornyolt próbatestek esetén) az (1) egyenlet alapján. feldolgozó programmal minden anyagból 500 szál hoszszát mértük meg. E α c = C ·10 3 (1) h·wC 3. A húzóvizsgálatok értékelése ahol EC a próbatest által elnyelt energia, h a próbatest Az 1. és 2. ábra alapján megállapítható, hogy a húzóvastagsága, wC a próbatest szélessége (hornyolt próba- szilárdság és a húzó rugalmassági modulusz közel lineátestek esetén a visszamaradó szélesség). risan növekszik a száltartalom függvényében a mátrixA fröccsöntött hõre lágyuló mátrixú kompozitok anyaghoz képest. A felületkezelés a húzószilárdságot egyik legfontosabb problémája a kompaundálás és a 20–40%-kal növelte meg. A PA6 mátrixú kompozitokfröccsöntés folyamán bekövetkezõ száltöredezés, nál a TECHNOBASALT gyártmányú szállal erõsített (STB) amelynek során elsõsorban a kompaundáló extruderben kompozitok húzószilárdsága 5–10%-kal felülmúlja a feés a fröccsöntõ gép csigájának behúzó zónájában fellépõ lületkezelt KAMENNY VEK (SK) szállal erõsítettekét. A nyíró igénybevétel hatására, a kiindulási szálhossztól 30 m% üvegszállal erõsített minta húzási tulajdonságai függetlenül, az átlagos szálhosszúság néhány tized mm- megközelítõleg megegyeznek az ennek megfelelõ menyre csökken [13]. Annak érdekében, hogy a bazaltszál- nyiségû bazaltszállal erõsített SK 30 és STB 30 kompoerõsítésû kompozitokban a feldolgozás során fellépõ zitokéval. A PA6 és PA6.6 mátrixú kompozitok húzószi-
64
2010. 47. évfolyam, 2. szám
1. ábra. A száltartalom hatása az üveg- és bazaltszállal erõsített PA6 kompozitok húzási tulajdonságaira
2. ábra. A száltartalom hatása a bazaltszállal erõsített PA6.6 kompozitok húzási tulajdonságaira
3. ábra. A száltartalom hatása az üveg- és bazaltszállal erõsített PA6 kompozitok hajlítási tulajdonságaira
lárdsága megközelítõleg azonos felületkezelt és felületkezelés nélküli szálak esetén is. A hajlítóvizsgálatok eredménye a 3. és 4. ábrán látható. A 3. és 4. ábra alapján megállapítható, hogy a határhajlító feszültség és a hajlító rugalmassági modulusz közel lineárisan növekszik a száltartalom függvényében. A határhajlító feszültség a felületkezelés nélküli szálakat tartalmazó kompozitok esetében 20–30%-kal elmarad a felületkezelt kompozitoktól. A PA6 mátrixú kompozitok esetében a TECHNOBASALT gyártmányú szállal erõsített
2010. 47. évfolyam, 2. szám
(STB) kompozitok húzószilárdsága részben felülmúlja a KAMENNY VEK (SK) szállal erõsítettekét. Az üvegszállal erõsített minta jellemzõi az SK 30 jelû anyaghoz állnak közel, ez a húzási tulajdonságoknál tapasztaltakhoz hasonló. A Charpy-féle ütvehajlító vizsgálatok eredményeit az 5. ábrán mutatjuk be. A hornyolatlan tiszta PA6 és PA6.6 próbatestek nem törtek el a vizsgálat során, ezért az 5b. ábrán csak a szálerõsített kompozitok mérési eredményei szerepelnek.
65
4. ábra. A száltartalom hatása a bazaltszállal erõsített PA6.6 kompozitok hajlítási tulajdonságaira
5. ábra. A száltartalom hatása az üveg- és bazaltszállal erõsített PA kompozitok ütvehajlító szilárdságára hornyolt (a) és hornyolatlan (b) próbatestek esetén (αcN), jelölések: A – Akulon (PA6.6), S – Schulamid (PA6), K – felületkezelt szál, N – felületkezeletlen szál, STB – Technobasalt szál,
A vizsgálati eredmények alapján megállapítható, hogy hornyolt próbatestek esetén a szálerõsítés hatására a mátrixanyaghoz képest csökkent az ütvehajlító szilárdság. A száltartalom növekedésével az αcN azonban nõ, egyes kompozitok esetében megközelítve a mátrixanyagra jellemzõ értéket. A Schulamid (PA6) mátrix ütõhajlító szilárdsága meghaladja az Akulonét (PA66), ez érvényes a belõlük elõállított kompozitokra is. A szálak felületkezelésének hiánya 50–200%-kal csökkentette az ütvehajlító szilárdságot, ez különösen szembetûnõ a PA6 mátrixú kompozitoknál. A PA6.6 mátrixú kompozitoknál a felületkezelés hiányából fakadó különbség jóval kisebb, mint a PA6-nál. A száltartalom növekedésével növekvõ αcU a hornyolatlan próbatestekbõl kapott értékeknél is megfigyelhetõ, ugyanúgy, mint a felületkezelés hatása. Az elszakított kompozit próbatestek töretfelületérõl pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételeket készítettünk (6. és 7. ábra). A felvételek alapján megállapítható, hogy a felületkezelt szálak – az üvegszálat is beleértve – alkalmazása során a mátrixanyag vastag rétegben megtapadt a szálak felületén. Ez a szálak és a mátrix közötti erõs adhéziós kap66
csolatnak köszönhetõ. Ha ez a kapcsolat kellõen szilárd, a tönkremenetel során a töretfelületbõl kihúzódó szálak körül nagyrészt a mátrixon belül alakul ki elnyíródás. Ezzel szemben azoknál a kompozitoknál, ahol eltávolítottuk a felületkezelõ szert, a szálak szinte teljes felületükön elváltak a mátrixtól és csak néhány helyen tapad kis mennyiségû mátrixanyag a bazaltszálak felületére. Itt egyértelmûen látszik, hogy a bazalt és a poliamid között megfelelõ kapcsolószer hiányában gyenge adhézió jön létre. Az egyes kompozitokban található szálak átlagos hosszát a 8. ábra mutatja. A 8. ábra tanúsága szerint az átlagos szálhossz csökken a száltartalom növekedésével. A TECHNOBASALT által gyártott szálakkal erõsített kompozitokban (STB) nagyobb az átlagos szálhossz az SK-val és SN-nel összehasonlítva, ez elsõsorban ezen száltípus kedvezõbb tulajdonságaiból fakadhat. Az Akulon (PA6.6) mátrixú kompozitok felületkezelt és felületkezelés nélküli szálak esetében is rövidebb átlagos szálhosszat eredményeztek a Schulamid (PA6) mátrixú kompozitokhoz képest. Mind a PA6, mind a PA6.6 mátrixú kompozitoknál megfigyelhetõ, hogy a felületkezelés hiánya növeli a száltördelõ2010. 47. évfolyam, 2. szám
8. ábra. Átlagos szálhossz változása a száltartalom függvényében a vizsgált kompozitokban
dést. Ez felhívja a figyelmet arra, hogy a felületkezelésnek a szál-mátrix határfelületi adhézió javításán túlmenõen feldolgozási szempontból is nagy jelentõsége van. A száltartalom és az átlagos szálhossz között közelítõleg lineáris az összefüggés, amit a (2) összefüggéssel lehet leírni. lf = A·c + lf0 6. ábra. Schulamid (PA6) mátrixú szakítópróbatestek töretfelületérõl készült SEM felvételek, a – SK10, b – SN40
(2)
ahol c [m%] a száltartalom, lf [mm] az átlagos szálhossz, lf0 [mm] és A [mm/m%] állandók. Az A tényezõ, az lf0 és R a korrelációs tényezõ (3. táblázat). 3. táblázat. A maradó szálhossz és a száltartalom összefüggését leíró (2) egyenlet állandói és a korrelációs tényezõ a vizsgált kompozitok esetében Jelölés SK SN S TB AK AN
7. ábra. Akulon (PA6.6) mátrixú szakítópróbatestek töretfelületérõl készült SEM felvételek, a – AK20, b – AN30
2010. 47. évfolyam, 2. szám
A, mm/m% –0,0026 –0,0023 –0,0022 –0,0019 –0,0015
lf0, mm 0,2983 0,2540 0,3228 0,2120 0,1593
R 0,99 0,97 0,99 0,97 0,98
4. Összefoglalás Folytonos technológiával gyártott bazaltszál erõsítéssel mind a PA6, mind pedig a PA6.6 mátrix alkalmazásával kedvezõ mechanikai tulajdonságokat értünk el. 40 m% szálerõsítéssel a mátrix 60 MPa körüli húzószilárdsága 170 MPa-ra növelhetõ. A szálak felületkezelése a rugalmassági moduluszra csekélyebb hatással volt, mint a szilárdsági értékekre. Ez arra enged következtetni, hogy a merevséget a szakító-, illetve a hajlítóvizsgálat erõ-elmozdulás görbéjének kezdeti szakaszában – ahol még kicsi a deformáció – csak a mátrix és az erõsítõanyag tulajdonságai befolyásolják, a határfelület minõsége itt nem játszik szerepet.
67
Az ütvehajlító szilárdság felületkezelt szálak alkalmazása esetén közelítõleg lineárisan, míg a felületkezelés nélküli szálaknál alig nõ a száltartalom függvényében. A hornyolatlan tiszta PA6 és PA6.6 próbatestek nem törtek el az ütõhajlító vizsgálat során, de a hornyolt próbatestek vizsgálata alapján lehetõség nyílt a mátrix és a kompozitok összehasonlítására. A 10 m%-os bazaltszál-erõsítés kevesebb mint a felére csökkenti az αcN-t, azonban 40 m% száltartalomnál az már megközelíti a mátrix ütõhajlító szilárdságát. Ez valószínûleg abból ered, hogy a bazaltszálak a merevség növelése révén ridegítik az anyagot és csökkentik a maradó alakváltozásra való képességét, emellett hibahelyként repedések kiindulópontjai lehetnek. A száltartalom növekedésével azonban az erõsítõszálak – mivel sokkal nagyobb sûrûségben fordulnak elõ a mátrixban – inkább megállítják a repedés terjedését. Összefoglalva megállapítható, hogy a bazaltszálak a statikus mechanikai jellemzõket minden esetben javítják, ezzel szemben a mátrix szívósságát csökkentik. A száltartalom növelésével minden mechanikai tulajdonság javuló tendenciát mutat, a vizsgált tartományon belül egyértelmûen a 40 m% erõsítõanyag alkalmazása adja a legjobb eredményeket. Irodalomjegyzék [1] Heinz, B.; Herbert, W.: Tulajdonságok javítása hosszú üvegszál erõsítéssel a hõre lágyuló mûanyagok példáján, Mûanyag és Gumi, 41, 11–15 (2004). [2] 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, 202, 255–267 (2003).
68
[3] Pölöskei, K.; Matkó, Sz.; Czigány, T.; Marosi, Gy.: Szálmátrix határfelületi adhézió vizsgálata bazaltszál-erõsítésû polipropilén kompozit rendszerekben, Mûanyag és Gumi, 40, 145–149 (2003). [4] Jancar, J.: Effect of interfacial shear strength on the mechanical response of polycarbonate and PP reinforced with basalt fibers, Composite Interfaces, 13, 853–864 (2006). [5] Szabó, J. S.; Czigány, T.: Static fracture and failure behavior of aligned discontinuous mineral fiber reinforced polypropylene composites, Polymer Testing, 22, 711–719 (2003). [6] Botev, M.; Betchev, A.; Bikiaris, D.: Mechanical properties and viscoelastic behavior of basalt fiber reinforced polypropylene, Journal of Applied Polymer Science, 74, 523–531 (1999). [7] Lyons, J. S.: Linear viscoelastic analysis of the roomtemperature creep behavior of glass-reinforced aromatic and aliphatic thermoplastics, Polymer Testing, 22, 545– 551 (2003). [8] Sui, G.; Wong, S. C.; Yue, C. Y.: Effect of extrusion compounding on the mechanical properties of rubber-toughened polymers containing short glass fibers, Journal of Materials Processing Technology, 113, 167–171 (2001). [9] Dunai, A.; Macskási, L.: Mûanyagok fröccsöntése, Lexica Kft., Budapest, 2003. [10] Bánhegyi, Gy.: Poliamidok autóipari alkalmazása, Mûanyagipari Szemle, 3/3, 52-56 (2006). [11] Hull, D.: An introduction to composite materials, Cambridge University Press, Cambridge, 1981. [12] Zweifel, H.: Plastics additives handbook, Carl Hanser Verlag, München, 2001. [13] Gaál, J.: Hõre lágyuló mûanyagok tulajdonságmódosítása hosszú erõsítõszálakkal, Mûanyag és Gumi, 31, 209– 212 (1994).
2010. 47. évfolyam, 2. szám
