Przegląd Mechaniczny 12/2014

More documents

Recommendations

Info

gotowywanà powierzchni´ w sensie jej „gotowoÊci” do operacji klejenia. Terminem adhezja w∏aÊciwa (specyficzna) okreÊlono wić adhezj´ spowodowanà czynnikami innymi ni˝ mechaniczne i wyró˝niono w niej, ze wzgl´du na pochodzenie oddzia∏ywaƒ powodujàcych przyczepnoÊç kleju: adhezj´ adsorpcyjnà, dyfuzyjnà i elektrycznà (polaryzacyjnà) [4]. Za parametr definiujàcy stan powierzchni przygotowanej do operacji klejenia przyj´to swobodnà energi´ powierzchniowà (SEP) warstwy wierzchniej materia∏u (przedmiotu). WielkoÊç ta jest funkcjà: topografii i cech chemicznych powierzchni czynnej, napr´˝eƒ w warstwie wierzchniej, parametrów wytrzyma∏oÊciowych oraz twardoÊci powierzchni [5]. Ze wzgl´du na ró˝ne oddzia∏ywania, od których ta energia pochodzi, w ramach SEP wydzielono cz´Êci sk∏adowe: polarnà i niepolarnà – dyspersyjnà. WartoÊç SEP okreÊla si´ na podstawie kàtów zwil˝ania cia∏a cieczami o danych parametrach energetycznych, których pomiaru dokonuje si´ przez naniesienie serii kropli cieczy testowych na cia∏o i pomiar z wykorzystaniem goniometru kàtów, jakie tworzà te krople z powierzchnià cia∏a. Nast´pnie, z wykorzystaniem jednej z kilku metod obliczeniowych, wyznacza si´ na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów kàtów zwil˝ania odpowiednià liczb´ (1, 2 lub 3) cieczy pomiarowych, wartoÊç energii powierzchniowej (z ewentualnym podzia∏em na wymienione sk∏adowe). Przyk∏adowo, pomiary wykonane jednà cieczà mogà byç wykorzystane do wyznaczenia ca∏kowitej energii powierzchniowej (bez rozdzia∏u na frakcje) z równania zbudowanego z wykorzystaniem du˝ej liczby danych eksperymentalnych, tzw. równania stanu (Equation of State – EOS),: gdzie: θ – kàt zwil˝ania, γ S – energia powierzchniowa cia∏a, γ L – energia powierzchniowa cieczy, β = 0,0001247 – parametr uzyskany empirycznie [6]. Do otrzymania sk∏adowych polarnej i dyspersyjnej konieczne jest, w zale˝noÊci od metody wyznaczania, stosowanie wi´kszej iloÊci cieczy o znanych, ró˝niàcych si´ od siebie parametrach, przy czym kolejne metody ró˝nià si´ od siebie cz´sto jedynie przyj´tà formà równania napićia mi´dzyfazowego, umo˝liwiajàcà uzyskiwanie dok∏adniejszych wyników. W dwustopniowej metodzie Fowkesa [7] najpierw, D znajàc sk∏adowà dyspersyjnà cieczy pomiarowej γ L i korzystajàc ze wzoru: okreÊla si´ sk∏adowà dyspersyjnà cia∏a γ SD , a potem, znajàc sk∏adowà polarnà cieczy pomiarowej γ L P na (1) (2) podstawie wzoru na ca∏kowità energi´ powierzchniowà na granicy cia∏o sta∏e/ciecz λ SL : oblicza sk∏adowà polarnà cia∏a γ SP . Metoda Wu [7] opiera si´ na podobnych za∏o˝eniach, natomiast sk∏adowa dyspersyjna wyznaczana jest na podstawie Êredniej harmonicznej (odwrotnoÊç ze Êredniej z odwrotnoÊci wartoÊci) zamiast geometrycznej (pierwiastek n-tego stopnia z iloczynu tych liczb). Z kolei metoda van Oss-Gooda [7] pozwala dodatkowo na rozdzia∏ cz´Êci polarnej na sk∏adowà kwasowà (γ S + – sk∏adowa cia∏a, γ L + – sk∏adowa cieczy) i zasadowà (γ S – – sk∏adowa cia∏a, γ L – – sk∏adowa cieczy), badanie wymaga jednak pomiaru trzema cieczami i zastosowania wzoru: Szczegó∏owy przebieg otrzymywania poszczególnych równaƒ i ostatecznego wyznaczania wartoÊci energii powierzchniowej jest znany i przedstawiony np. w [7, 8]. Sk∏adowe swobodnej energii powierzchniowej (polarna i dyspersyjna) w ró˝ny sposób wp∏ywajà na wytrzyma∏oÊç po∏àczeƒ adhezyjnych, przy czym wytrzyma∏oÊç doraêna po∏àczeƒ adhezyjnych jest silniej skorelowana ze sk∏adowà dyspersyjnà swobodnej energii powierzchniowej ni˝ ze sk∏adowà polarnà [9]. Nale˝y jednak zaznaczyç, ˝e wartoÊç SEP jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczajàcym do jednoznacznej oceny w∏aÊciwoÊci adhezyjnych warstwy wierzchniej materia∏ów w aspekcie podatnoÊci na klejenie. Przygotowanie powierzchni jest jednym z podstawowych warunków zapewnienia maksymalnej wytrzyma∏oÊci po∏àczeƒ klejowych. Na wytrzyma- ∏oÊç eksploatacyjnà po∏àczeƒ klejowych wp∏ywa ponadto wiele innych czynników. Jednym z nich jest ciep∏o. Decydujàcymi parametrami sà: czas eksploatacji, w którym nast´puje ekspozycja na podwy˝szonà temperatur´, czas samej ekspozycji oraz wartoÊç temperatury [5, 10]. Zmiana wytrzyma∏oÊci po∏àczenia jest efektem modyfikacji w wyniku dzia∏ania ciep∏a w kilku zasadniczych obszarach, m.in.: utwardzanie/dotwardzanie cieplne, wytrzyma∏oÊç cieplna, starzenie cieplne. Cz´Êç klejów, np. kompozycje epoksydowe, wymaga ciep∏a ju˝ na etapie konstytuowania si´ po∏àczenia do zainicjowania procesu utwardzania. Dotyczy to m.in. kompozycji jednosk∏adnikowych, w których utwardzacz zosta∏ mechanicznie zmieszany z ˝ywicà, ale pozostaje w stosunku do niej nieaktywny chemicznie, lub gdy w temperaturze otoczenia klej jest stabilny ze wzgl´du na fizycznà nierozpuszczalnoÊç sk∏adników. Optymalne parametry procesu ogrzewania (dla za∏o˝onych priorytetów, np. minimalnego czasu, minimalnej tempe- (3) (4) 48 ROK WYD. LXXIII ZESZYT 12/2014
atury lub innych) podawane sà przez producentów w kartach danych technicznych produktu. Niekiedy nale˝y przeprowadziç w∏asne badania, np. po samodzielnych modyfikacjach klejów – konieczne jest wykonanie badaƒ przedprodukcyjnych w celu wyznaczenia tych parametrów. Mogà byç to badania praktyczne, tzn. eksperymentalne próby badania wytrzyma∏oÊci po zastosowaniu danej kombinacji czasu i temperatury wygrzewania z∏àcza, lub np. metody badania reaktywnoÊci termicznej pozwalajàce na wyznaczenie krzywej wp∏ywu temperatury utwardzania na szybkoÊç reakcji utwardzania [11]. Istniejà kleje epoksydowe o rozdzielnej, dwusk∏adnikowej budowie, utwardzane na skutek reakcji chemicznej inicjowanej przez po∏àczenie sk∏adowych. Mimo ˝e klej osiàgnie pe∏nà (gwarantowanà przez producenta) wytrzyma∏oÊç w warunkach utwardzania w temperaturze otoczenia, poddanie strefy po∏àczenia ogrzewaniu pozwala na znaczne skrócenie tego czasu. W niektórych przypadkach dogrzewanie cieplne skutkowaç b´dzie równie˝ zwi´kszeniem tej finalnej wytrzyma∏oÊci w stosunku do z∏àcza utwardzanego w temperaturze otoczenia. Powodem takiego zachowania kleju jest zmiana reaktywnoÊci termicznej zwiàzków wchodzàcych w jego sk∏ad [11]. Kolejnà miarà wp∏ywu ciep∏a na wytrzyma∏oÊç po∏àczenia klejowego jest tzw. wytrzyma∏oÊç cieplna kleju, tzn. odwracalny lub trwa∏y spadek wytrzyma- ∏oÊci z∏àcza klejowego podczas eksploatacji w podwy˝szonej temperaturze, na skutek rozrywania ∏aƒcuchów polimerowych w jego wewn´trznej strukturze [12]. Wykresy wytrzyma∏oÊci w funkcji temperatury sà przygotowywane indywidualnie dla ró˝nych klejów. Przebieg spadku wytrzyma∏oÊci zale˝y zarówno od w∏aÊciwoÊci fizykochemicznych samego kleju bazowego, jak i od iloÊciowych dodatków – informacja ta jest podawana w kartach danych technicznych kleju. Charakter krzywej mo˝e byç równie˝ indywidualny – nag∏y i gwa∏towny (np. epoksydy) lub rozciàgni´ty i jednostajnie malejàcy (np. kleje anaerobowe). WartoÊcià granicznà temperatury dla epoksydów, powy˝ej której klej b´dzie ulega∏ nieodwracalnej degradacji, jest ok. 350 – 400°C [13]. Dobór kleju do zastosowania w po∏àczeniach nara- ˝onych na ekspozycj´ w podwy˝szonej temperaturze musi wić zawsze byç poprzedzony analizà jego wytrzyma∏oÊci cieplnej. Ostatni z efektów oddzia∏ywania ciep∏a na po∏àczenie w przeciwieƒstwie do wy˝ej opisanego – chwilowego poddania z∏àcza podwy˝szonej temperaturze, dotyczy przypadków ciàg∏ej pracy w warunkach stale podwy˝szonej temperatury lub cyklicznie zmiennej w czasie. Zjawisko to okreÊla si´ nazwà starzenia cieplnego. Przyk∏adowo, z przeanalizowanych kart danych technicznych klejów epoksydowych i anaerobowych, przeznaczonych do uszczelniania po∏àczeƒ gwintowych, wynika, ˝e charakter zmiany wytrzyma∏oÊci pod wp∏ywem d∏ugotrwa- ∏ego ogrzewania stabilizuje si´ po oko∏o 1000 godz. W przypadku klejów anaerobowych wyraêny jest spadek wytrzyma∏oÊci, od 20 do 60% w stosunku do wytrzyma∏oÊci wyjÊciowej. Kleje epoksydowe reagujà dwustopniowo: najpierw zwi´ksza si´ ich wytrzyma∏oÊç, na skutek opisanych wczeÊniej mechanizmów utwardzania, nast´pnie – podobnie jak kleje anaerobowe, do pewnej wartoÊci temperatury nie wykazujà spadku wytrzyma∏oÊci, a powy˝ej niej wytrzyma∏oÊç znacznie si´ obni˝a [14]. W pracy podj´to prób´ wykazania wp∏ywu ogrzewania warstwy wierzchniej ∏àczonych materia∏ów na stan energetyczny warstwy wierzchniej stali. Za∏o˝ono, ˝e takie dzia∏anie pozwoli na zwi´kszenie zdolnoÊci do zwil˝ania powierzchni przez klej, a tym samym mo˝e dodatnio wp∏ywaç na wytrzyma∏oÊç adhezyjnà po∏àczenia. Metodyka badaƒ Badania stanu energetycznego warstwy wierzchniej przeprowadzono na próbkach wykonanych z pr´ta ciàgnionego φ20 mm ze stali S235JR. Z pr´ta odci´to próbki gruboÊci ok. 4 mm, które poddano obróbce Êciernej, z wykorzystaniem szlifierki oscylacyjnej, narz´dziem nasypowym (papierem Êciernym) P320 o Êredniej Êrednicy ziarna = 46,2 µm, zgodnie z PN-EN 13887:2005P (Kleje do po∏àczeƒ konstrukcyjnych. Wytyczne przygotowania powierzchni metali i tworzyw sztucznych przed klejeniem) [15]. Nast´pnie powierzchnie próbek przemyto Êrodkiem czyszczàcym i odt∏uszczajàcym Loctite 7063 i pozostawiono do swobodnego odparowania. Parametry chropowatoÊci tak przygotowanej powierzchni zmierzono na profilografometrze, uzyskujàc Ra = 0,33 µm. Pomiarów kàtów zwil˝ania dokonano z wykorzystaniem goniometru Krüss DSA30. Urzàdzenie ma elektrycznà komor´ cieplnà sterowanà cyfrowo, umo˝liwiajàcà nagrzewanie przez p∏yt´ grzewczà niewielkich próbek w zakresie do 350°C, nanoszenie kropli cieczy i pomiar kàta zwil˝ania dzi´ki przezroczystym Êcianom komory (rys. 1). W celu rejestracji kszta∏tu kropli wykorzystano kamer´ CCD – Allied Rys. 1. Goniometr Krüss z komorà cieplnà ROK WYD. LXXIII ZESZYT 12/2014 49
Page 1 and 2: Cena 24 z∏ (w tym 5% VAT) PL ISSN
Page 3 and 4: ROK WYD. LXXIII PRZEGLÑD MECHANICZ
Page 5 and 6: PROBLEMY • NOWOÂCI • INFORMACJ
Page 25 and 26: WARUNKI PRENUMERATY „Przeglàdu M
Page 27 and 28: Dostrajanie wirtualnego modelu wrze
Page 29 and 30: kontroli nad sztywnoÊcià poprzecz
Page 31 and 32: Wp∏yw rodzaju obcià˝enia na sta
Page 33 and 34: Wyniki badaƒ rejestrowano przy u˝
Page 35 and 36: Obcià˝enia nieproporcjonalne - ba
Page 37 and 38: pracoch∏onnoÊç produkcji i u∏
Page 39 and 40: Porównujàc zale˝noÊci na pr´dk
Page 41 and 42: jazdu ∏atwy demonta˝ na modu∏y
Page 43 and 44: Ma∏owymiarowe gumowe t∏umiki dr
Page 45 and 46: W przyj´tym modelu, wartoÊci I p
Page 47 and 48: Wzrost temperatury pracy t∏umika
Page 49: Badania wp∏ywu ciep∏a na stan e
Page 53 and 54: ków pomiarów kàta zwil˝ania dij
Page 55 and 56: PRZEGLÑD MECHANICZNY miesićznik
Page 57 and 58: Dorociak Robert in˝., Nadowski Rys
Page 59 and 60: Cichy i szybki w monta˝u system pr
Page 61: Zakoƒczy∏ si´ trzeci mi´dzynar

Przegląd Mechaniczny 12/2014

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?