KALÁCSKA G., ANDÓ M., DEÁK F., SÁROSI GY.
195
ÖNTÖTT POLIAMID 6 ALAPÚ NANO- ÉS MIKRO KOMPOZITOK FEJLESZTÉSE KÜLÖNLEGES GÉPÉSZETI ALKALMAZÁSOKHOZ DEVELOPMENT OF CAST POLYAMIDE 6 BASED NANO- AND MICRO COMPOSITES FOR SPECIAL ENGINEERING APPLICATIONS Dr.Kalácska Gábor, Andó Mátyás Szent Isván Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet, 2100 Gödöllı, Páter K.u.1. Tel: (28) 522-949; E-mail:
[email protected]
Dr.Deák Ferenc, Sárosi Gyula Quattroplast Kft. 1047 Budapest, Fóti út 56.
[email protected]
ÖSSZEFOGLALÓ A mezıgépészettıl a mikroelektronikáig újabb és újabb kihívásoknak kell megfelelni a mőszaki mőanyag gépelemeknek. A folyamatosan javuló szilárdsági, hıállósági, elektromos és tribológiai tulajdonságok mindennapos elvárások. A SZIE Gépipari Technológiai Intézet a Quattroplast Kft-vel, a Bay Zoltán Anyagtudományi Intézettel és a Központi Kémiai Kutató Intézettel közösen, egy GVOP 3.3. K+F program keretében fejleszt nano- és mikrokompozitokat. A fejlesztési munka néhány érdekességét és buktatóját szemlélteti a cikk, a teljesség igénye nélkül. (OTKA T 42511 , OTKA NI 62729) SUMMARY Regarding the engineering polymers from the agricultural engineering to the microelectronics new- and new challenges arise on the field of technical applications. Daily requirements are the continuously improving strength, heat resistance, electrical and tribological properties. Szent István University Gödöllı, Quattroplast Ltd, Bay Zoltán Material Science Institute, National Rresearch Institute of Chemistry launched a joint research project (GVOP 3.3.) for nano- and micro composites on cast polyamide 6. The presentation gives a brief review of the obtained results. (OTKA T 42511 , OTKA NI 62729)
1. BEVEZETÉS Napjainkban a mőszaki fejlıdés egyik motorja az anyagtudomány. A szerkezeti anyagok terén az elmúlt tíz évben több új kategória jelent meg, például a nanokompozitok vagy a különbözı fajta mikron nagyságrendő adalékanyagok. Erre irányulóan több projekt is elindult: például a GVOP 3.3 kutatási és fejlesztési projekt nanokompozit elıállításra és vizsgálatára, illetve INNOCSEKK program öntött Poliamid 6 mikro-kompozit fejlesztésre különbözı anyagtulajdonságok elérése érdekében. A projectek célja az univerzálisan használt öntött Poliamid 6 mőszaki mőanyag kompozit változatainak fejlesztése különbözı adalékanyagokkal. A munka során mechanikai és tribológiai méréseket végeztünk. A mechanikai méréseket szabványok ajánlása alapján szakítógépen, Sharpy-ingán, behajlási hımérsékletet (HDT) mérı gépen és keménység mérı gépen végezük. A tribológiai mérések a DIN50322 szabvány által javasolt VI. vizsgálati kategória, „pin-on-disc” vizsgálati rendszerben történtek. Az elvégzett mérésekkel a cél a mintaanyagok alapvetı tulajdonságainak meghatározása és viselkedésének feltérképezése volt eltérı mechanikai és súrlódási körülmények között, de nem prioritás az abszolút anyagjellemzık megadása. A viszonyítás miatt párhuzamosan Gödöllı
XXXI. MTA-AMB K+F Tanácskozás
196
KALÁCSKA G., ANDÓ M., DEÁK F., SÁROSI GY.
kontrollméréseket végeztünk az alap polimer mátrixon, illetve a súrlódási vizsgálatoknál más kompozitokon. Így a mérésekbıl levonható következtetések egy átfogóbb információ bázist jelentenek az öntött Poliamid 6 nanokompozit további vegyipari mőveleteinek a tökéletesítéséhez.
2. FEJLESZTÉS CÉLJA NANO- alprogram - Poliamid 6 alapmátrix szén nano-csı adalékolással - Poliamid 6 alapmátrix PTFE nano-por adalékolással
1.ábra. Többfalú nanocsı
2.ábra. Nano-széncsı változatok a, Y elágazás, b, c, Dunlap-könyök, d, spirál
Az öntött poliamid mátrixhoz keverhetı és különleges tulajdonságokat hordozó adalékok egyike a szén nanocsı (1. és 2.ábra), amelynek használatával elektromosan vezetıképes, elektromágneses árnyékoló, vagy pl. nagyobb mechanikai terhelést bíró kompozit termékeket hozhatunk létre. Az elektronikai ipar jelenleg is használ antisztatikus viselkedést mutató mőanyag kompozitokat. Ezeknél a töltıanyag legtöbbször vezetıképes korom illetve a korom mellett alkalmazott szénszál, vagy fémporok, fémhálók. Míg a folyamatos szénszállal illetve annak szövedékeivel készített termékek kiváló mechanikai tulajdonságúak, a korom vagy fémporok nagy százalékban vannak jelen a kompozitban ezáltal jelentısen befolyásolják, elsısorban csökkentik a mátrix mechanikai tulajdonságait a töltıanyag növeli a termék súlyát stb. A szén nanocsövek kiváló elektromos-, és hıvezetı képességük, illetve nagy felületük miatt már kis koncentrációban használva is olyan hálószerkezetet képesek kialakítanak, ami erıteljesen megnöveli a mátrix vezetıképességét, és nem rontja a termékkel szemben megkívánt egyéb tulajdonságokat. Az öntött poliamid 6 tribológiai jellemzıinek javítására nano-adalékolással PTFE (teflon) porral végzünk kísérleteket. Ez is része az „önkenı” PA6 fejlesztési elképzeléseknek, összhangban a mikro-adalékolású kísérletekkel, ahol elsısorban kenıolaj és MoS2 adalékolással folynak kísérletek. MIKRO- alprogram - „önkenı” öntött PA6 kompozit - növelt hıállóságú PA6 kompozit - égésgátolt PA6 kompozit - antisztatikus PA6 kompozit
3. A KOMPOZIT ÖNTÉS FOLYAMATA A nano-széncsöves kompozit öntéshez használt széncsövek mikroszkópikus felvételeit a 3. ábra mutatja. Az öntési modell a 4.ábrán látható.
XXXI. MTA-AMB K+F Tanácskozás
Gödöllı
KALÁCSKA G., ANDÓ M., DEÁK F., SÁROSI GY.
197
3. ábra. Kísérleti öntéshez használt nano- széncsövek
4.ábra. PA 6 nano-kompozit öntési modell
4. A KÍSÉRLETI MINTÁKON VÉGZETT VIZSGÁLATOK -Szakítóvizsgálatok -Keménységmérés -Hıalak-tartóssági mérések (HDT) -CHARPY ütıszilárdsági mérések
Gödöllı
XXXI. MTA-AMB K+F Tanácskozás
198
KALÁCSKA G., ANDÓ M., DEÁK F., SÁROSI GY.
-Tribológiai vizsgálatok
5. NÉHÁNY JELLEGZETES EREDMÉNY 5.ábrán HDT, a 6.ábrán súrlódási eredmények láthatók.
HDT vizsgálat Be h ajlás i h ı mé rs é kle t me g h atáro zás a
75
65
55
Hı mé rs é kle t (°C)
45
35
25 0,00
0 ,05
Be hajlá s (mm)
0,10
0,15
1. natúr P A6 2. natúr P A6
0,20
0,2 5
0 ,3 0
1 . na nokompo zit 2 . na nokompo zit
5.ábra. HDT (behajlási hımérséklet vizsgálati eredmények
6. ÖSSZEFOGLALÁS A mechanikai vizsgálatokat a szabványok elıírásai alapján végeztük. A nanokompozit mérési eredményeit alapvetıen befolyásolják a szén nanocsövek eloszlása a polimer mátrixban. Fémpor adalékolású minták esetében a fémkristályok és az alapanyag mátrix elkülönülése határozta meg az eredményeket. Esély van arra, hogy a szén nanocsövek tökéletesebb diszpergálása esetén a nanokompozit mechanikai tulajdonságai érezhetıen és a felhasználás szempontjából is javuljanak. Fémpor adalékolású minták esetében a nagyságrendekkel megnövekedett mérettartósság jelenthet elınyt. A Tribiológiai mérések során elıször négy anyagot vizsgáltunk és hasonlítottunk össze, majd a felmerülı kérdések egy részére választ keresve a második öntéső Poliamid 6-ot vizsgáltuk eltérı körülmények között. Ezeknél a méréseknél tapasztalható volt, hogy a második öntéső nanokompozit a többi kontrollanyagtól jelentısen eltér. A jelentkezı magas súrlódási tényezı, és a stick-slip miatt ezt az anyagot igen körültekintıen lehetne alkalmazni (ha hasonlóak a körülmények a vizsgálatéhoz). A GVOP 3.3 további feladata a tökéletesen diszpergált kompozit receptúrájának kidolgozása, mert a kompozitok jelenlegi formában csak korlátozott elınyöket kínálnak egy-egy területen. A végcél elérése további folyamatos kutatást igényel.
XXXI. MTA-AMB K+F Tanácskozás
Gödöllı
KALÁCSKA G., ANDÓ M., DEÁK F., SÁROSI GY.
199
Súrlódási tényezı alkulása a súrlódási út függvényében, Súrlódási alakulása állótényezı próbatest 0,6
0,5
0,4
Súrlódási tényezı
0,3
0,2
0,1
0 0
100
Súrlódás i út, m
200
300
400
500
600
700
Elsı öntés ő nanokompozit
Második öntéső nanokom pozit
Magnézium katalizálás ú PA 6
Nátrium katalizálású PA 6
6.ábra. A súrlódás alakulása
IRODALOM - Biró L.: Újszerő szén nanocsı architektúrák. In. Magyar Tudomány 2003., 9 sz. - Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék, Laborgyakorlatok – Segédlet 2006. január 20. - Kalácska G. (szerk.): Mőszaki mőanyagok gépészeti alapjai. Minerva-Sop Bt., Sopron, 1997. - Keresztes Róbert: Kenıolajjal adalékolt és adalékolatlan öntött Poliamid 6 tribológiai vizsgálata. Szent István Egyetem Gépészmérnöki kar, Gödöllı 2001. - Kónya Z., B. Nagy J., Kiricsi I.: Szén nanocsövek elıállítása és alkalmazása In. Magyar tudomány 2003., 9 sz. - Kukovecz Á. et al Elongated low-impact ball milling of multi-wall carbon nanotubes. In Carbon 2004. - Valasek István: A tribológia alapjai. Tribotechnik Kft. Budapest, 2002.
Gödöllı
XXXI. MTA-AMB K+F Tanácskozás
