Łukasz WIERZBICKI, Józef STABIK, Andrzej PUSZ
Politechnika Śląska
Instytut Materiałów InŜynierskich i Biomedycznych
E-mail: lukasz.wierzbicki@polsl.pl
PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA LAMINATÓW EPOKSYDOWO –
SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE
Streszczenie. Wiadomo, Ŝe istnieje związek pomiędzy zmianą własności cieplnych
badanego materiału ze zmianą jego innych cech uŜytkowych. Dlatego zbadanie wpływu
starzenia, a co za tym idzie degradacji laminatów epoksydowo-szklanych na ich
własności cieplne, zostało wyznaczone, jako cel tej pracy. W części dotyczącej badań
eksperymentalnych przedstawiono wyniki wpływu czasu starzenia na zmiany
współczynnika przewodzenia ciepła oraz chłonność wody laminatów starzonych
w czasie od 168 do 1680 godzin. Badaniom zostały poddane próbki wycięte z płyt
z laminatów epoksydowo-szklanych o oznaczeniu TSE-2.
THE INVESTIGATION OF THERMAL PROPERTIES OF GLASS EPOXY
COMPOSITES
Summary. There is a relation between thermal properties changes of the investigated
material and changes of its performance features. Therefore, the aim of these thesis
is to investigate the influence of the ageing process, which leads to deterioration
on thermal properties of glass epoxy composites. In the experimental part results
on influence of ageing time on thermal conductivity coefficient and water absorption
are presented for composites aged from 168 to 1680 hours. After that analyze the results
to examine the time aging influence on these parameters. The samples cut from glass
epoxy plates (type TSE-2) have been investigated.
1.WSTĘP
Badania właściwości cieplnych laminatów są najczęściej badaniami nieniszczącymi.
Badania te mogą być wykonywane w kaŜdym etapie cyklu „Ŝycia” wyrobu. Nieniszcząca
Przewodność cieplna laminatów ...
407
kontrola, jakości obiektów jest niezbędna w nowoczesnym przemyśle, a zwłaszcza
w produkcji wielkoseryjnej [1]. Wady i uszkodzenia występujące w kompozytach mogą
narastać w długim czasie i być niewidoczne gołym okiem. Skorelowanie zmian własności
cieplnych z innymi ich cechami uŜytkowymi, umoŜliwi np. kontrolę stopnia wyczerpania
nośności konstrukcji kompozytowej.
Przepływ ciepła zachodzi wszędzie tam, gdzie występują róŜnice temperatury. Z punktu
widzenia termodynamiki wyróŜnia się trzy sposoby wymiany ciepła: przewodzenie,
konwekcję, promieniowanie.
Mechanizm przewodzenia ciepła zaleŜy od stanu skupienia ciała przewodzącego ciepło.
W ciałach stałych przewodzenie ciepła polega przede wszystkim na przenoszeniu energii
przez swobodne elektrony oraz drgania atomów w siatce krystalicznej [2, 3, 4].
Współczynnik przewodzenia ciepła
λ
jest miarą zdolności przewodzenia ciepła przez
dany materiał - dla gazów mieści się w zakresie λ = 0,005 ÷ 0,5 [W/(mK)] , dla cieczy jego
wartość kształtuje się w granicach λ = 0,09 ÷ 0,7 [W/(mK)], a dla ciał stałych przyjmuje
on wartości z zakresu λ = 0,02 ÷ 429 [W/(mK)]. NajniŜsze wartości dotyczą materiałów
o niejednorodnej strukturze (np. drewno, ceramika, grunty, tkaniny), a najwyŜsze wartości
osiągają metale o jednorodnej, pozbawionej wtrąceń, strukturze. Przykładowe wartości
współczynnika przewodzenia ciepła dla materiałów pokazano na rysunku 1.
Rys. 1. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła [2-5]
Fig. 1. Value of thermal conductivity coefficient [2-5]
Wyznaczenie współczynnika ciepła sprowadza się do wywołania zaburzenia termicznego
i obserwacji pola temperatury. Innymi słowy, na rozwiązaniu zagadnienia inwersyjnego
przewodzenia ciepła przy znanym polu temperatury i warunkach brzegowych. Jeśli
rozwaŜane zagadnienie brzegowe dotyczy stanu ustalonego, mówimy wtedy o stacjonarnych
metodach pomiarowych. W przypadku, gdy podczas pomiarów rozpatruje się nieustalone
zagadnienie brzegowe, wtedy mamy do czynienia z metodami niestacjonarnymi
– dynamicznymi [6].
408
Ł. Wierzbicki, J. Stabik, A. Pusz
2.BADANIA WŁASNE
2.1. Materiał badawczy
Badaniom zostały poddane próbki wycięte z płyt wykonanych z laminatu epoksydowo
– szklanego (4x25x250mm). Próbki wycięto z płyt o oznaczeniu TSE-2. Ten rodzaj laminatu
jest produkowany przez firmę IZO-ERG S.A Gliwice.
Do badań wybrano 55 próbek i posegregowano je w serie po 5 próbek, róŜniące
się czasem starzenia. Pierwsza seria, czyli seria A, nie została poddana starzeniu gdyŜ
jest to seria próbek porównawczych. Pozostałe serie próbek zostały poddane starzeniu
w urządzeniu do starzenia wypełnionym wodą o temperaturze 90 ºC (seria A - 0h, seria B -
168h, seria C - 336h, seria D - 504, seria E - 672h , seria F - 840h, seria G - 1008h , seria H -
1176h, seria I - 1344h, seria J - 1512h oraz seria K - 1680h). Schemat urządzenia
wykorzystanego do starzenia próbek pokazano na rysunku 2.
Rys. 2. Schemat urządzenia do starzenia: 1 - sterownik urządzenia utrzymujący stałą zadaną
temperaturę, 2 - zbiornik z wodą, 3 - elementy grzejne
Fig. 2. Diagram of ageing system: 1 - temperature controller, 2 - water tank, 3 - heat elements
2.2. Chłonność
Ze względu na to, iŜ próbki zostały poddane starzeniu w wodzie, konieczne było
zbadanie chłonności wody przez laminat. Na rysunku 3 przedstawiono wykres pokazujący
zestawienie ilości zaabsorbowanej wody dla kaŜdej serii próbek.
Przewodność cieplna laminatów ...
409
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
C
h
ło
n
n
o
ś
ć
w
o
d
y
[
%
]
(B
)
1
6
8
h
(C
)
3
3
6
h
(D
)
5
0
4
h
(E
)
6
7
2
h
(F
)
8
4
0
h
(G
)
1
0
0
8
h
(H
)
1
1
7
6
h
(I
)
1
3
4
4
h
(J
)
1
5
1
2
h
(K
)
1
6
8
0
h
Nazwa serii próbek oraz czas starzenia
Rys. 3. Chłonność wody kaŜdej serii próbek
Fig. 3. Water absorption
2.3. Ocena wyglądu zewnętrznego próbek po starzeniu
Ocenę wyglądu powierzchni próbek określa się makroskopowo, oglądając próbki
w świetle dziennym. Barwę próbek sprawdza się przez porównanie w tych samych
warunkach próbek ułoŜonych obok siebie. Laminaty, zgodnie z normą EN 438-2: 2005,
podlegają ocenie według następującej skali stopniowej: stopień 5 - brak widocznych zmian,
stopień 4- nieznaczna zmiana połysku i/lub barwy, widoczna jedynie pod pewnym kątem;
stopień 3- umiarkowana zmiana połysku i/lub barwy, stopień 2- znacząca zmiana połysku
i/lub barwy, stopień 1- wystąpienie pęcherzy i/lub rozwarstwienie.
Rys. 4. Porównanie zmiany wyglądu próbek w zaleŜności od czasu starzenia
Fig. 4. Comparison of samples appearance in dependence on ageing time
Próbki serii B,C oraz D zostały zakwalifikowane do stopnia 4. Serie próbek E,F,G
odznaczają się większą zmianą barwy niŜ poprzednie, a więc zostały zakwalifikowane
do stopnia 3. Natomiast próbki serii H,I,J oraz K, a więc starzone przez czas 1176 godzin
410
Ł. Wierzbicki, J. Stabik, A. Pusz
i dłuŜej, zakwalifikowano do stopnia 2 poniewaŜ zaobserwowano znaczącą zmianę barwy.
W Ŝadnej próbce nie zaobserwowano wystąpienia pęcherzy ani rozwarstwienia.
2.4. Przewodność cieplna
Stanowisko do badań cieplnych laminatów epoksydowo – szklanych zostało
skonstruowane w oparciu o załoŜenia zawarte w normie PN-EN 12667: 2002 oraz wytyczne
z normy ASTM: E1225-04. Pełen opis stanowiska oraz metodykę badania zamieszczono
w publikacji [7]. Przedstawiony aparat pomiarowy umoŜliwia badania współczynnika
przewodności cieplnej próbek o róŜnej grubości, jednakŜe wymiary powierzchni
przylegających do grzałki muszą odpowiadać wymiarom powierzchni grzałki.
Na podstawie uzyskanych wyników, wykonano analizę dotyczącą wpływu czasu
starzenia laminatów epoksydowo-szklanych na współczynnik przewodności cieplnej.
Na rysunku 5 przedstawiono wartości średnich współczynników przewodności cieplnej
dla kaŜdej serii próbek po określonym czasie starzenia. Następnie skorelowano wyniki badań
przewodności cieplnej z czasem starzenia metodą regresji liniowej. Współczynniki równania
regresji oraz współczynnik korelacji o odchylenie standardowe, przedstawia tabela 1.
Rys 5. Wykres wpływu czasu starzenia na zmiany współczynnika przewodności cieplnej
Fig 5. Graph of ageing time influence to thermal conductivity coefficient
Przewodność cieplna laminatów ...
411
Tabela 1
Wartości współczynników regresji liniowej Y=A+Bx
Współczynnik
Wartość
A
0,38828
B
-6,75425E-5
Korelacja R
-0,98116
Odchylenie standardowe
0,00781
3.WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych badań oraz analizy wyników moŜna stwierdzić, Ŝe:
1. Czas starzenia laminatów TSE-2 w wodzie o temperaturze 90°C ma wpływ
na wartość współczynnika przewodności cieplnej. Próbki starzone najdłuŜej
odznaczały się najmniejszą wartością współczynnika przewodzenia ciepła, a więc
w miarę wydłuŜania czasu starzenia przewodność cieplna maleje.
2. Ilość zaabsorbowanej wody laminatów epoksydowo-szklanych TSE-2 rośnie
wraz ze wzrostem czasu starzenia. Dla czasu starzenia równego 1680 godzin
chłonność wody jest na poziomie 0,9 %.
3. Wyniki obserwacji wizualnej próbek wskazują Ŝe, wraz ze wzrostem czasu starzenia
wyraźnie zaznacza się zmiana ich barwy. W miarę wydłuŜania czasu starzenia próbki
stają się ciemniejsze.
Praca sfinansowana z projektu badawczego PBU-16/RMT-1/2007
BIBLIOGRAFIA
1. Śliwiński A.: Ultradźwięki i ich zastosowania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2001.
2. Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
3. Składzień J.: Termodynamika i termokinetyka, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 1985.
4. Wiśniewski S.: Wymiana ciepła. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997.
5. Składzień J.: Termodynamika dla elektryków. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 1970.
6. Sweeting R.D., Liu X.L.: Composites, nr35, 2004, s.933 – 938. 2.
7. Ryłko N.: Kompozyty, nr.4, 2005, s.96 – 99.
8. Pusz A., Michalik K., Szymiczek M.:ZałoŜenia konstrukcyjne i metodologiczne
konstrukcji aparatu do pomiaru własności cieplnych laminatów wzmocnionych włóknem
szklanym. Monografia: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wyd. Logos Press, Cieszyn
2009