Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych kompozytów

Politechnika Łódzka
Wydział Chemiczny
INSTRUKCJA LABORATORIUM
„Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych
kompozytów polimerowych”
(adhesion joins stability determination of polymeric materials)
realizowanego w ramach Zadania nr 9
pn. „Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i nanomateriały polimerowe jako
materiały inżynierskie”
Instrukcję opracowała:
mgr inż. Martyna Pingot
Łódź, 2012
ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź
www.ife.p.lodz.pl
tel. 042 278 45 31
042 638 38 26
Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.
pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów
w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy
i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”
SPIS TREŚCI
1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)
2. WPROWADZENIE (Introduction)
2.1. Definicja adhezji
2.1.1. Teorie adhezji
2.2. Kleje i proces klejenia
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)
4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)
5. LITERATURA (References)
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)
7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)
7.1. Co student powinien wiedzieć
7.2. Co student powinien umieć
8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)
2
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
1. CEL ĆWICZENIA (The Aim of Studies)
Celem ćwiczenia jest poznanie zjawiska adhezji, procesu klejenia, jak również
oznaczenie siły koniecznej do rozerwania połączenia klejowego w badanych układach.
2. WPROWADZENIE (Introduction)
2.1. Definicja adhezji
Adhezja - proces powierzchniowego łączenia ze sobą warstw wierzchnich dwóch różnych
materiałów, pod wpływem sił przyciągania między nimi. Miarą adhezji jest praca
przypadająca na jednostkę powierzchni, jaką należy wykonać aby rozłączyć stykające się
ciała.
Adhezja maleje w miarę wzrostu ciężaru cząsteczkowego substancji klejącej, gdyż zmniejsza
się liczba grup końcowych, które mogą reagować z powierzchnią klejoną. W sytuacji, gdy
klej rozpuszcza częściowo materiał klejony, dodatkowym czynnikiem wpływającym na
adhezję jest dyfuzja rozpuszczalnika. Prostym przykładem adhezji występującym w
przyrodzie są krople wody przylegające do pajęczyny.
3
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
Adhezja występuje tam, gdzie stykają się ciała stałe np. w dziedzinie: powłok, farb,
lakierów, kompozytów, polimerów napełnionych. Zjawisko adhezji wykorzystywane jest
również przez niektóre zwierzęta do poruszania się po gładkich, pionowych powierzchniach
lub liściach.
Adhezja wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji. Z
makroskopowego punktu widzenia czystą adhezję definiuje się jako odwracalny
termodynamiczny proces, który zachodzi w warstwie łączonych materiałów wynikający z
różnicy napięć powierzchniowych na styku substancji. Łączenie ze sobą materiałów to proces
odgrywający ważną rolę. Znaczna część badań adhezji obejmuje metodykę modyfikacji
powierzchni
(np.:
usunięcie
czynników
zanieczyszczających
czy
wprowadzenie
odpowiednich grup chemicznych).
Podczas łączenia ze sobą dwóch materiałów działają różne mechanizmy, w różnych
skalach odległości między rozpatrywanymi materiałami: od skali atomowej (wiązania
chemiczne) do rzędu mikrometrów (połączenie mechaniczne). Ponieważ energia połączenia
zależy od wielu parametrów adhezję należy rozpatrywać w oparciu o kilka teorii.
2.1.1. Teorie adhezji
1). Mechaniczna- adhezja polega na zjawisku mechanicznego zaczepienia lub zakotwiczenia
jednego materiału w nierównościach i porach powierzchni drugiego. Dużą adhezję można
osiągnąć poprawiając
morfologię powierzchni, jak i właściwości fizykochemiczne
4
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
powierzchni podłoża i kleju. Poprawa adhezji może wynikać z chropowatości powierzchni,
która zwiększa energię rozpraszaną podczas rozrywania połączenia
2). Dyfuzyjna- wytrzymałość adhezyjna polimerów względem siebie (autoadhezja) lub
jednego w stosunku do drugiego jest powodowana wzajemną dyfuzją (interdyfuzją)
makrocząsteczek przez granice faz. Jeżeli dwa niepolarne polimery są doprowadzane do
ścisłego kontaktu w temperaturze powyżej ich temperatury zeszklenia, to ich łańcuchy lub
segmenty dyfundują przemieszczając się z jednego polimeru do drugiego; efektywność
procesu zależy od np.: budowy łańcuchowej, wzajemnej rozpuszczalności. Splątania w
warstwie dyfuzyjnej powodują zanik granicy faz, ustala się równowaga termodynamiczna,
powstaje rozmyta warstwa graniczna, której grubość decyduje o wytrzymałości połączenia;
α- grubość warstwy
dyfuzyjnej
3). Elektryczna (teoria elektrostatyczna)- zakłada występowanie podwójnej warstwy
elektrycznej na powierzchni między połączonymi ciałami stałymi
4). Adsorpcyjna (lub termodynamiczna, nazywana również teorią zwilżalności lub kwasowo
– zasadową) - według tej teorii, klej przylega do podłoża na skutek sił międzyatomowych i
międzycząsteczkowych. Wielkość tych sił można powiązać z energiami powierzchniowymi
kleju i materiału przyklejanego. Powierzchnia pokrywa się atomami lub cząsteczkami
pochodzącymi z otaczającego środowiska; powstające w tym procesie siły mają charakter
5
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
oddziaływań
fizycznych
(Van
der
Waalsa)
i
chemicznych
(wiązania
chemiczne→chemisorpcja)
5). oddziaływania chemiczne- wiązania chemiczne między łączonymi materiałami powodują
wyraźny wzrost siły połączenia (adhezji). Wiązania te są zwykle uważane za wiązania
pierwotne w porównaniu z oddziaływaniami fizycznymi, takimi jak Van der Waalsa, które są
nazywane oddziaływaniami sił wtórnych. Terminy pierwotny i wtórny wynikają z
wytrzymałości względnej lub energii tych dwóch rodzajów oddziaływań. Wytrzymałość
wiązania kowalencyjnego jest rzędu od 100 do 1000 kj/mol, podczas gdy wytrzymałość
oddziaływań Van der Waalsa i wiązań wodorowych nie przekracza 50 kj/mol.
Wiadome jest, że wytworzenie wiązań chemicznych zależy od reaktywności zarówno kleju
jak i podłoża. W literaturze opisano różne rodzaje wiązań pierwotnych tj. wiązania jonowe
lub kowalencyjne, występujących na różnych powierzchniach rozdziału faz. Najsłynniejszy
przykład dotyczy wiązania mosiądzu i kauczuku usieciowanego siarką, w którym adhezja
wynika z utworzenia wiązań polisulfidowych.
Jedną z najważniejszych dziedzin adhezji mających związek z międzyfazowymi
wiązaniami chemicznymi jest stosowanie promotorów adhezji zwanych inaczej środkami
proadhezyjnymi. Stosuje się je w celu poprawy przyczepności tworzyw polimerowych bądź
powłok lakierniczych do podłoży metalowych lub innych. Ponadto substancje te mają
niebagatelne znaczenie przy wytwarzaniu wielowarstwowych folii, gdy poszczególne
warstwy nie charakteryzują się dobrą przyczepnością. Najbardziej powszechnym typem
promotorów adhezji są czynniki sprzęgające oparte na związkach silanowych. Ponadto do
często stosowanych promotorów adhezji należą również:
 kopolimery chlorku winylu
 nienasycone poliestry lub polimery winylopirydyny w kombinacji z żywicami
epoksydowymi, kopolimerami butadienowo-akrylonitrylowo metakrylowymi,
żywice fenolowe,
 pochodne kauczuków,
6
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
 żywice akrylowe bez dodatków lub z żywicami fenolowo-formaldehydowymi albo
epoksydowymi
Tytaniany i półorganiczne silany i wykorzystuje się w tworzywach polimerowych
wytworzonych na bazie reaktywnych żywic wzmacnianych włókami szklanymi a promotory z
charakterystycznymi organicznymi grupami funkcyjnymi są potrzebne do wytwarzania
termoplastycznych kompozytów. Promotory adhezji tworzą mostki cząsteczkowe na
powierzchniach granicznych między dodatkami nieorganicznymi a organiczną matrycą
polimerową. Zawierają zdolne do hydrolizy grupy wiążące się z substancją nieorganiczną
oraz organiczne grupy funkcyjne w tej samej cząsteczce. Składnik nieorganiczny jest
wstępnie pokrywany w odrębnej operacji.
Adhezję można badać dwiema metodami. Pierwsza polega na pomiarze siły potrzebnej do
rozwarstwienia płytek wulkanizatów A i B pod kątem 1800.
Sposób rozwarstwiania próbek (metoda pierwsza); A, B- łączone materiały
Metoda druga oznaczania adhezji polega również na rozwarstwianiu próbek ale pod kątem
900. Pomiędzy próbkami elastomerów znajduje się przekładka.
7
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
Sposób rozwarstwiania próbek (metoda druga); A, B- łączone materiały
2.2. Kleje i proces klejenia
Klej – jest to substancja organiczna bądź nieorganiczna stosowana w celu trwałego łączenia
przylegających powierzchni dwóch przedmiotów, wykonanych z takich samych lub różnych
materiałów. Kleje należą do substancji czynnych powierzchniowo zwiększających adhezję.
Muszą odznaczać się małym napięciem powierzchniowym w chwili zwilżania powierzchni
materiału. Zdolność do klejenia materiałów zwiększa obecność w kleju grup silnie polarnych
np.: w polimerach fenolowych i epoksydowych są grupy –OH.
Klejenie – jest technologią łączenia elementów maszyn, urządzeń, przedmiotów za pomocą
kleju. Polega na rozprowadzeniu cienkiej warstwy kleju na uprzednio przygotowanej
powierzchni. Klejenie jest znane od tysiącleci, ale nabrało dużego znaczenia, gdy
wprowadzono kleje organiczne sporządzone z polimerów i gdy zaczęto stosować klejenie
metali oraz tworzyw wielkocząsteczkowych w celach konstrukcyjnych.
8
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
Klej musi być stosowany w postaci ciekłej w celu zwilżenia, a także wypełnienia wgłębień i
nierówności powierzchni materiału łączonego. Ciekły stan kleju można uzyskać przez:
 ogrzanie do temperatury, w której zaczyna płynąć
 rozpuszczenie lub zdyspergowanie w nierozpuszczalniku
 użycie ciekłych monomerów lub oligomerów, które polimeryzują lub reagują i
tworzą złącze klejowe
W związku z tym kleje mogą być stosowane w postaci:
 roztworów
 błon i taśm
 gorących stopów (hot- melt)
 reaktywnych monomerów i oligomerów (żywic)
 dyspersji wodnych lub w rozpuszczalnikach organicznych
Kleje organiczne można podzielić na dwie grupy: naturalne i syntetyczne. Największe
znaczenie techniczne mają jednak kleje syntetyczne sporządzane z polimerów.
Kleje naturalne
Roślinne
Zwierzęce
 węglowodanowe
 kazeinowe
 białkowe
 na podstawie albuminy krwi
 na podstawie żywic roślinnych
 kostne
 na podstawie kauczuku
 skórne
naturalnego
9
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
Kleje syntetyczne
Oligomery (polikondensacja, poliaddycja)
Polimery (polimeryzacja)
 żywice fenolowe
 kauczuki
 żywice aminowe
 polimery etylenu
 poliamidy
 poli(chlorek winylu)
 żywice epoksydowe
 poli(octan winylu)
 żywice poliestrowe
 polimery akrylowe
 poliuretany
 poliimidy i pochodne
 silikony
Właściwości połączeń klejowych zależą od bardzo wielu czynników, z których
najważniejsze to:
 rodzaj kleju - wybór kleju zależy od fizykochemicznych właściwości łączonych
powierzchni
 stopień porowatości powierzchni
 zanieczyszczenia przedostające się z atmosfery lub podczas przygotowania
powierzchni do klejenia
 sposób stosowania kleju: nacisk, czas klejenia
 polarność kleju i substancji sklejanej
 płynięcie plastyczne
 warunki utwardzania lub zestalania kleju
 napięcie powierzchniowe
 temperatura
O prawidłowej pracy połączenia w dużym stopniu decyduje przygotowanie
powierzchni materiałów łączonych. Od tego etapu rozpoczyna się właściwy proces
technologiczny klejenia. Aby uzyskać jak najlepsze połączenie klejowe konieczne jest
10
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
całkowite
usunięcie
organicznych
i
nieorganicznych
zanieczyszczeń
w
postaci
zaadsorbowanej wody i gazów, tlenków, oleju, tłuszczu, kurzu i innych pozostałości z obu
klejonych powierzchni, dzięki czemu znacząco wzrastają zdolności adhezyjne warstwy
wierzchniej. Najbardziej nadają się do tego rozpuszczalniki organiczne lub roztwory
substancji powierzchniowo czynnych, które wyparowują nie pozostawiając osadu.
Prawidłowo przygotowana powierzchnia do procesu klejenia powinna charakteryzować się:
 brakiem zanieczyszczeń zmniejszających adhezję,
 zdolnością do wytwarzania wiązań międzyfazowych,
 dobrą zwilżalnością klejem,
 stabilnością dla założonych warunków i czasu eksploatacji połączenia.
Stosuje się rożne metody przygotowania powierzchni, w celu jej rozwinięcia oraz
zapewnienia spójności i zwilżalności. Do najczęściej stosowanych w przemyśle metod
czyszczenia powierzchni przed klejeniem należą:

obróbka chemiczna → wytrawianie w kąpielach alkalicznych lub kwaśnych
(stosowane przy metalach), powlekanie związkami nieorganicznymi

odtłuszczenie → przemywanie rozpuszczalnikami, kwasami (stosowane przy
większości materiałów klejonych), zazwyczaj jest pierwszym i końcowym etapem
przygotowania powierzchni do klejenia

aktywowanie powierzchni → stosowane do tworzyw sztucznych
11
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

obróbka ścierna → czyszczenie materiałami ściernymi- szorstkowanie (stosowane
przy metalach, tworzywach sztucznych, gumie )

lakierowanie → powlekanie lakierem podkładowym (stosowane do tworzyw
sztucznych, ceramiki, szkła, metali)
Powlekanie klejem powierzchni odpowiednio przygotowanej warstwy wierzchniej
materiału odbywa się za pomocą ręcznych narzędzi pracy, takich jak pędzle, bagietki, łopatki,
bądź za pomocą maszyn, zwanych powlekarkami. Przebieg procesu klejenia jest
determinowany głównie przez: temperaturę, czas i nacisk.
Wytrzymałość mechaniczna klejonej spoiny zależy od poniższych czynników:
 siła i rodzaj chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami →
jeśli klej reaguje chemicznie z podłożem tworząc z nim wiązania chemiczne to
taka spoina jest zazwyczaj bardziej wytrzymała niż w przypadku klejów, które
tylko wnikają w klejoną powierzchnię. Jednak większość klejów uniwersalnych
nie reaguje bezpośrednio z podłożem
 głębokość penetracji klejonego materiału przez klej → im większa tym lepiej,
należy jednak podkreślić, że jeśli klej penetruje zbyt głęboko to może zniszczyć
strukturę samego klejonego materiału; głębokość penetracji można też zwiększać
zwiększając chropowatość powierzchni klejonego materiału, przez co staje się ona
bardziej aktywna chemicznie i fizycznie. Materiały bardzo gładkie (np. szkło) jest
zwykle bardzo trudno skleić
 kształt i rozmiar całej spoiny → spoina jest tym mocniejsza, im większa jej
powierzchnia i bardziej nieregularny kształt
Na ogół połączenia klejowe wykazują największą wytrzymałość na ścinanie i
odrywanie. Obciążenia oddzierające oraz zginające w przypadku połączeń doczołowych
znacznie zmniejszają wytrzymałość połączeń. W związku z tym połączenia klejowe
konstruuje się tak, aby przenosiły w największym stopniu obciążenia ścinające i odrywające,
w mniejszym zaś – oddzierające i zginające. Dąży się do tego, aby naprężenie w skleinie było
12
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
możliwie najmniejsze, co osiąga się w pewnych granicach, przy określonym stanie obciążeń
połączenia, poprzez powiększenie pola powierzchni klejonych.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA (Procedure)
Zbadana zostanie stabilność połączeń adhezyjnych w układach: guma-guma oraz guma-skóra.
1. Przygotowanie próbek:
a).
wykonanie pasków z powierzonych materiałów- próbka powinna mieć kształt
prostopadłościanu o szerokości 25± 0,5 mm i długości tak dobranej, aby rozwarstwianie
można było przeprowadzić na odcinku 100 mm.
b). przygotowanie powierzchni do klejenia (odtłuszczanie, szorstkowanie)
c). wykonanie klejenia z udziałem powierzchni klejonych chropowatych i gładkich, z
zastosowaniem klejów o różnej charakterystyce (klej cyjanoakrylowy → szybkowiążący,
popularnie nazywany od pierwszych powszechnie dostępnych "Super Glue" czy "Kropelka
oraz klej rozpuszczalnikowy, w którym głównym składnikiem sklejającym jest kauczuk
chloroprenowy → nazwa handlowa butapren)
2. Wykonanie oznaczenia siły rozrywającej przy użyciu zrywarki Zwick przy różnych
szybkościach deformacji badanych układów: 200, 500, 1000 mm/min. Osie rozwarstwianych
pasków powinny znajdować się w jednej płaszczyźnie, tak aby naprężenie było rozłożone
równomiernie na całej szerokości próbki. Sposób zamocowania próbek nie może powodować
ich skręcania. Po „wyzerowaniu” siły należy uruchomić zrywarkę i prowadzić rozwarstwianie
na odcinku próbki o długości co najmniej 100 mm. Podczas rozwarstwiania należy
obserwować i określić charakterystykę rozwarstwienia (PN-74/C-04265).
Zdjęcie uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej Zwick → możliwość badania właściwości
mechanicznych polimerów przy rozciąganiu i ściskaniu. Zakres pomiaru siły – 0,5 kN,
szybkość deformacji 0 – 1000 mm/min.
13
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)
Sprawozdanie powinno zawierać:
 wstęp teoretyczny
 cel ćwiczenia
 opis czynności podczas wykonywania ćwiczenia
 obliczone wartości wytrzymałości na rozwarstwianie badanych materiałów za
pomocą wzoru (PN-74/C-04265):
R roz = P roz / b
R roz – wytrzymałość na rozwarstwianie [N/mm]
Proz - średnia siła rozwarstwienia [N]
b - szerokość próbki [mm]
 charakterystyka rozwarstwienia → w czasie rozwarstwiania mogą wystąpić
uszkodzenia próbek w następujących miejscach:


między warstwą gumy i środkiem wiążącym
w warstwie gumy

między środkiem wiążącym a skórą

w skórze
 wnioski
14
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
5. LITERATURA (References)
1. Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa, 1995
2. Hebda M., Wachal A.: Trybologia, WNT, Warszawa, 1980
3. Łaskawiec J.: Fizykochemia powierzchni ciała stałego, Wyd. Politechniki Śląskiej,
Gliwice, 2000
4. Sikora R.: Tworzywa wielkocząsteczkowe rodzaje, właściwości i struktura, Wyd.
Politechniki Lubelskiej, Lublin, 1991
5. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw
wielkocząsteczkowych, WNT, Warszawa, 2000
6. Dimter L.: Kleje do tworzyw sztucznych, PWN, Warszawa, 1971
7. Sikora R.: Przetwórstwo tworzyw sztucznych, Wyd. Edukacyjne Żak, Warszawa, 1997
8. Mark J. E.: Physical properties of polymers handbook, Springer Science, NY, 2007
9. Awaja F., Gilbert M., Kelly G., Fox B., Pigram P. J., „Adhesion of polymers”, Progress in
Polymer Science, 34 (2009) 948–968
10. Praca zbiorowa pod red. Sikory R.: Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych, Wyd.
Politechniki Lubelskiej, Lublin, 2006
11. Rabek J. F.: Współczesna Wiedza o Polimerach, PWN, Warszawa, 2008
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)
 Definicja oraz teorie adhezji
 Wymienić podstawowe metody modyfikacji klejonych powierzchni
 Rodzaje i klasyfikacja klejów
7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)
7.1. Co student powinien wiedzieć
 Jakie są metody oznaczeń połączeń adhezyjnych
 Jak przygotować powierzchnię materiału do klejenia
 Jaki jest wpływ szybkości deformacji na siłę złącza
15
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9
7.2. Co student powinien umieć
 Wyznaczyć siłę potrzebną do rozerwania połączenia klejowego badanych
materiałów
 Określić wpływ sposobu przygotowania powierzchni, a także rodzaju kleju na siłę
złącza
 Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników, a następnie sformułować logiczne
wnioski
8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)
 Pogotowie ratunkowe: 999
 Straż pożarna: 998
 Policja: 997
 Straż miejska: 986
 Pogotowie ciepłownicze: 993
 Pogotowie energetyczne: 991
 Pogotowie gazowe:992
 Pogotowie wodociągowe:994
 Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112
16
Laboratorium pn „Oznaczanie stabilności połączeń adhezyjnych materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9