EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul...

15
Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM, ediţia a IX-a 30 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - ASUPRA PROPRIETĂŢILOR UNOR MATERIALE COMPOZITE UTILIZATE ÎN INDUSTRIA AUTOMOBILELOR EFFECT OF NATURAL-BIODEGRADABLE-REINFORCING MATERIALS ON PROPERTIES OF SOME COMPOSITES USED IN AUTOMOTIVE INDUSTRY Caramitu Alina Ruxandra 1 , Sbarcea Gabriela 1 , Mitrea Sorina 1 , Budrugeac Petru 1 , Avădanei Lidia 2 , Nicolae Viorel 3 1 Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare în Inginerie Electrică ICPE Cercetări Avansate, Bucureşti, Romania, [email protected] * , [email protected], [email protected], [email protected] 2 Institutul de Cercetare pentru fibre sintetice ICEFS Săvinesti, Romania, [email protected] 3 Universitatea din Piteşti, Romania [email protected] Rezumat: Lucrarea prezintă câteva consideraţii despre nişte noi materiale compozite biodegradabile bazate pe polipropilenă cu aplicaţii în industria automobilelor. Ca materiale de ranforsare s-au folosit: ina de lemn, fibrele de in precum şi umpluturi minerale cum ar fi granulele de talc. Scopul obţinerii acestor materiale a fost de a înlocui materialele compozite care utilizează ca material de ranforsare fibra de sticlă (nonbiodegradabil) care se utilizeaza în prezent în industria automobilelor. În urma caracterizarii fizico-chimice, mecanice şi termice se constată că materialele compozite polimerice luate în studiu au în general proprietăţi mecanice uşor inferioare faţă de proprietăţ ile materialului compozit polimeric cu matricea polimerică identică dar utilizând ca ranforsant fibra de sticlă. Totuşi aceste materiale prezintă o importanţă deosebită datorită biodegradabilităţii şi greutăţ ii mici. Aceste proprietăţi sunt rezultate din utilizarea în compozi ţia acestora de materiale de ranforsare naturale şi sunt foarte importante datorită impactului pozitiv asupra mediului. Din varianta optimă s-au realizat profilele auto cum ar fi: panou uşă faţă stânga, panou uşă faţă dreapta; capac portbagaj; capac ornament butuc roată. Abstract: The paper presents some considerations regarding new biodegradable composites based on polypropylene matrix, with applications in the automotive interior design. As reinforcing materials were used: wood flour, flax fiber and mineral filler consisting of talc granules. The goal was to replace the conventional composite materials using the glass fiber reinforcement (non-biodegradable). Following the physical-chemical, mechanical and thermal characterization, the new studied composites were found to have mechanical properties slightly lower than those of conventional materials. However these materials have a particular importance due to biodegradability and low weight, benefits obtained by using of natural reinforced materials, and them are very important and positive impact on the environment. The optimal composition was used in order to obtain some profiles like left and right panel doors. Cuvinte cheie: materiale compozite biodegradabile, polipropilenă, fibre de in

Transcript of EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul...

Page 1: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI – BIODEGRADABILI - ASUPRA PROPRIETĂŢILOR UNOR MATERIALE COMPOZITE

UTILIZATE ÎN INDUSTRIA AUTOMOBILELOR

EFFECT OF NATURAL-BIODEGRADABLE-REINFORCING MATERIALS ON PROPERTIES OF SOME COMPOSITES USED IN AUTOMOTIVE INDUSTRY

Caramitu Alina Ruxandra1, Sbarcea Gabriela1, Mitrea Sorina1, Budrugeac Petru1,

Avădanei Lidia2, Nicolae Viorel3

1Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare în Inginerie Electrică ICPE Cercetări Avansate, Bucureşti,

Romania, [email protected]*, [email protected], [email protected],

[email protected] 2Institutul de Cercetare pentru fibre sintetice ICEFS Săvinesti, Romania, [email protected]

3Universitatea din Piteşti, Romania [email protected]

Rezumat: Lucrarea prezintă câteva consideraţii despre nişte noi materiale compozite biodegradabile

bazate pe polipropilenă cu aplicaţii în industria automobilelor. Ca materiale de ranforsare s-au folosit: făina de lemn, fibrele de in precum şi umpluturi minerale cum ar fi granulele de talc.

Scopul obţinerii acestor materiale a fost de a înlocui materialele compozite care utilizează ca material de ranforsare fibra de sticlă (nonbiodegradabil) care se utilizeaza în prezent în industria automobilelor.

În urma caracterizarii fizico-chimice, mecanice şi termice se constată că materialele compozite polimerice luate în studiu au în general proprietăţi mecanice uşor inferioare faţă de proprietăţile materialului compozit polimeric cu matricea polimerică identică dar utilizând ca ranforsant fibra de sticlă. Totuşi aceste materiale prezintă o importanţă deosebită datorită biodegradabilităţii şi greutăţii mici. Aceste proprietăţi sunt rezultate din utilizarea în compoziţia acestora de materiale de ranforsare naturale şi sunt foarte importante datorită impactului pozitiv asupra mediului. Din varianta optimă s-au realizat profilele auto cum ar fi: panou uşă faţă stânga, panou uşă faţă dreapta; capac portbagaj; capac ornament butuc roată. Abstract: The paper presents some considerations regarding new biodegradable composites based on polypropylene matrix, with applications in the automotive interior design. As reinforcing materials were used: wood flour, flax fiber and mineral filler consisting of talc granules. The goal was to replace the conventional composite materials using the glass fiber reinforcement (non-biodegradable). Following the physical-chemical, mechanical and thermal characterization, the new studied composites were found to have mechanical properties slightly lower than those of conventional materials. However these materials have a particular importance due to biodegradability and low weight, benefits obtained by using of natural reinforced materials, and them are very important and positive impact on the environment. The optimal composition was used in order to obtain some profiles like left and right panel doors.

Cuvinte cheie: materiale compozite biodegradabile, polipropilenă, fibre de in

Page 2: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Introducere

Polimerii sintetici, concepuţi pentru a fi rezistenţi la diverşi factori de mediu

(radiaţii luminoase, oxigen, umiditate, caldură, atac microbian) au devenit în timp o

problemă acută prin acumularea lor în mediu, mai ales după perioada de utilizare a

produsului. Reglementarile din ce în ce mai severe privind protecţia mediului au

impus abordarea, intensificarea şi lărgirea cercetărilor referitoare la materialele

biodegradabile.

Biodegradabilitatea reprezintă proprietatea unui material (inclusiv cel

polimeric) de a-şi modifica structura chimico-morfologică sub acţiunea diverselor

specii de microorganisme. Atacul microorganismelor asupra materialelor plastice are

loc printr-un mecanism complex care se desfăşoară pe trei nivele în funcţie de

alterarea suportului. Astfel, biodegradarea primară se caracterizează prin aceea că

produce modificări numai la nivelul grupelor funcţionale ale unui polimer fară a afecta

catena principală. Biodegradarea parţială determină degradarea unei substanţe

polimerice tradusă prin fragmentarea volumului concomitent cu o distrugere redusă a

suportului. Biodegradarea completă implică distrugerea completă a suportului

macromolecular concomitent cu formarea unor produse secundare de reacţie [1].

2. Partea experimentală

2.1. Materii prime

Materialele compozite au fost realizate din matricea polimerică a polipropilenei

în care s-au adăugat diferiţi agenţi de ranforsare.

Materialele luate în studiu sunt materiale compozite pe bază de polipropilenă cu

următoarea compoziţie [2] :

Polipropilena –notată cu PP şi Mo;

PP+30% fibră de sticlă-pigment–M1;

PP+30% făină de lemn- pigment–M2;

PP+5% fibră de in şi 25% făină de lemn+pigment–M3;

PP+30% talc+ pigment–M4;

PP+10% fibră de in şi 20% făină de lemn+pigment–M5;

PP+10% făină de lemn+pigment–M6;

Page 3: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

PP+20% făină de lemn+pigment–M7;

PP+30% făină de lemn+pigment– M8;

PP+5% fibră de in si 20% făină de lemn+pigment–M9;

PP+30% fibră de sticlă+pigment–M10

;

PP ignifugată +5% fibră de in+pigment–M11

;

PP ignifugată Vo+pigment–M

12;

PP ignifugată+5% fibră de in+5% elastomer EPDM + pigment–M13;

PP ignifugată+5% fibră de in+10% elastomer EPDM + pigment–M14;

PP ignifugată+5% fibră de in+15% elastomer EPDM + pigment–M15

.

2.2 Aparatură

Microscopia optică a fost realizată cu camera CCD ataşată la Microdurimetru

Vickers, Knoop – AHOTEC – Germania, 2007

Difracţia de raze X au fost realizată cu un Difractometru de raze X Bruker-AXS tip

D8 ADVANCE, Tub de raze X cu anod de Cu , 40kV / 40 mA, filtru k de Ni, Pas:

0.04o, timp de măsurare pe punct: 2s, domeniu de măsură 2θ = 2o – 60o

Rezistenţa la rupere prin îndoire a fost determinată pe Maşina de încercări

mecanice Zwick T1 – FR005TN [3,4]

Duritate Brinel – a fost determinată pe durimetrul Brinel

Duritatea Vikers a fost determinată pe un Microdurimetrul Vickers, Knoop –

AHOTEC – Germania, 2007 conform SR EN ISO 6507 -4/2006 [3,4]

Densitatea hidrostatică realizată pe o balanţă cu kit de densitate

Estimarea rapidă a duratei de viaţă prin analiza termică cu tehnici cuplate

Analiza acţiunii micromycetelor SR EN I SO 846/2000 – Materiale plastice.

Evaluarea acţiunii microorganismelor [4]

2.3. Teste experimentale

Pentru materialele obţinute s-au realizat următoarele teste :

Analize structurale: Microscopie optică şi difractie de raze X

Rezistenţa la rupere prin îndoire [3,4]

Page 4: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Duritate Brinel

Duritate Vikers [3,4]

Densitatea hidrostatică

Estimarea rapidă a duratei de viaţă prin analiza termică cu tehnici cuplate

Analiza acţiunii micromicetelor [4].

2.3.1. Analize structurale

2.3.1.1.Microscopie optică

Din imaginile în care se prezintă structura morfologică a acestor materiale

compozite folosind ca matrice polimerică polipropilena se constată dispunerea

fibrelor de sticlă precum şi a materialelor de umplutură (talc) şi de ranforsare (făină

de lemn şi fibra de in).

Pentru materialele compozite cu diferiţi ranforsanţi (făină de lemn, sau făină de

lemn împreuna cu fibre de in în diferite proporţii) se constată o structură neomogenă.

În fig.1.este prezentat pentru exemplificare materialul PP ignifugată+5% fibră de

in+pigment negru (M11).

(a) (b)

(c)

Fig. 1 Imagini cu microscopul optic pentru materialul M11 la a) 0,05 mm

(obiectivul de x20) şi b) 0,1 mm (obiectivul de x10) c) 0,025 (obiectivul de x50)

Materialele compozite ignifugate se prezintă mult mai omogen. Dintre acestea

două la cel cu fibre de in se constată din fig, 1 (c) că în structura lor morfologică apar

Page 5: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

fibre de in lungi. Din analiza microscopică a acestor materiale compozite se constată

ca acest material – PP ignifugă+ 5% fibre de in este cel mai omogen.

2.3.1.2. Difracţie de raze X

În fig. 2 sunt prezentate toate spectrele materialelor compozite luate în studiu.

Componenta majoritară este polipropilena. Polimerii pot avea un anumit grad de

cristalinitate, atunci cand în anumite zone ale materialului apar legaturi care

ordonează structura 3D a polimerului. În aceste cazuri, prin difracţie de raze X se

poate identifica tipul de polimer.

Astfel, s-a determinat ca în probele analizate, polipropilena cristalizeaza în doua

structuri diferite.

Din spectrul făinii de lemn natur se (1) constată existenţa a două picuri unul mai larg

(între 10 si 20) şi celalalt mai intens (între 20 şi 25). Aceste picuri se regasesc la

toate spectrele care conţin în compoziţie lemn.

În spectrul PP martor fară pigment (2) constatăm că polipropilena pe lângă faza

amorfă prezintă şi o fază cristalină care se manifestă prin picurile din zona 14-24

grade. Aceste picuri apar la majoritatea spectrelor ceea ce reiese şi din faptul că

matricea polimerică este aceiaşi la toate materialele.

La spectrele (3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 13) care sunt probe în care s-a adăugat ca

pigment negrul de fum se constată existenţa unui pic la aproximativ 30 grade.

Se observă de asemenea o uşoară texturare a polipropilenei sindiotatice, prin faptul

ca există diferenţe între rapoartele intensităţilor relative ale peak-urilor acestei faze.

Acest fapt indică o influenţă a procesului mecanic de obţinere a probelor asupra

ordonarii în spaţiu.

În cazul talcului se constată apariţia picurilor caracteristice acestui produs la 9 şi la

29 grade. Totodată aceste picuri se mai regasesc şi la M12 si M11 (materialul

polimeric cu PP ignifugată). Dimensiunea medie de cristalit este prezentată în

tabelul nr.1.

Tabelul nr. 1.

Materialele compozite D (nm)

Mo 20.8

M6 21.2

M7 20.1

Page 6: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Materialele compozite D (nm)

M8 20.5

M2 18.6

M5 23.7

M3 19.2

M1 24.4

M10 25.9

M11 25.1

M12 17.4

M4 28.6

În fig. 3 am prezentat ca exemplu două materiale compozite cu fibra de in

prezentate comparativ. Acestea sunt M3 si M5. Peak-urile sunt indicate “o” şi sunt

specifice polipropilenei si lemnului.

În urma încercărilor de difracţie de raze X realizate pe materialele luate în

studiu se constată că intensităţiile peak-urilor variază fin cauza texturării.

În cazul acestor materiale compozite apar:

zone cristaline astfel se constată ca porţiunea ordonată (cristalină) cea mai mare

este pentru materialul compozit cu fibre de sticlă, iar cea mai mica valoare fiind în

cazul polipropilenei simple. Acest lucru este imprimat materialului compozit de catre

fibrele de sticlă.

Între materialele compozite cu ranforsant făină de lemn şi fibra de in se constată că

materialul care posedă cele mai mari porţiuni de faze ordonate (cristaline) este

materialul compozit cu conţinutul cel mai mare în fibra de in. Pentru aceste

materiale se observa un peak specific structurii lemnului.

Toate materialele compozite luate în studiu (în afara de materialul compozit cu 30%

talc) cristalizează în sistem ortorombic

În cazul materialului compozit cu umplutură talc se constată că atât talcul (albastru)

cât şi cloritul (roşu) cristalizează în sistem triclinic şi în probă nu se observă decât

peak-urile care corespund direcţiilor de cristalizare paralele cu baza celulei.

Totodată aceste picuri se mai regăsesc şi la M12 si M13 (ignifugat) precum şi la

materialul M11. Acest lucru se poate explica prin faptul că talcul este folosit în

Page 7: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

procesul tehnologic de obţinere a acestor materiale compozite, pentru a preveni

aderarea materialului pe şnecul extruderului.

Inte

nsita

te (u

.a)

0

20000

40000

2 10 20 30 40 50 60

1234567891011

1213

14

Fig.2 Prezentarea comparativă a spectrelor de difracţie de raze X pentru

materialele: 1-Făină de lemn - natur; 2-Mo; 3-M6; 4- M7; 5- M8; 6- M2;7-M9; 8- M5;

9- M3; 10-M1; 11-M10; 12- M11; 13- M12; 14- M4.

Inte

nsity (

a.u

.)

0

2000

2 10 20 30 40 50 60

a)

b)

oo

o o o o

oo

o o oo

Fig.3 Prezentarea comparativă a spectrelor pentru (a) M3 si (b) M5

2.3.2. Rezistenţa la rupere prin încovoiere

Rezultatele obţinute sunt prezentate în tabelul 2.

Din aceste rezultate se constată că prin adăugarea :

Page 8: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

o unui material de ranforsare în matricea polimerică rezistenţa mecanică creşte cu

10 unităţi;

o de procente crescătoare de făină de lemn în matricea polimerica (10%, 20 % si

30%) rezistenţa mecanică scade faţă de matricea polimerică cu 61, 139 şi

respectiv 150 de unităţi;

o de procente crescătoare de fibra de in cu procentul corespunzator de făină de

lemn se constă o scădere a rezistenţei mecanice faţă de matricea polimerică cu

132 de unităţi pentru M3 cu 88, cu 147 unităţi pentru M5 şi cu 84 unităţi pentru

materialul M11;

o pigmentului rezistenţa mecanică scade cu 117 unităţi pentru materialul M1 acest

lucru ne mai poate duce la concluzia că adăugarea pigmentului în compoziţia

materialului compozit afectează rezistenţa mecanică a materialului.

Tabelul nr. 2

Materialul Media rezistenţelor la rupere prin încovoiere

M0 446

M1 456

M2 316

M4 356

M3 314

M5 358

M6 385

M7 307

M8 296

M9 299

M10 339

M11 362

M12 409

M13 319

M14 313

M15 > 30 KN

Page 9: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Prin compararea valorilor obţinute pentru materialele compozite care conţin

fibre de in se constată că cel mai bun din punct de vedere mecanic este materialul

PP ignifugata + 5% fibra de in – M11

Prin creşterea procentului de elastomer nu se obţin diferenţe semnificative in

cazul rezistenţei la rupere prin încovoiere.

2.3.3. Duritatea Brinel – s-a realizat la materialele Mo, M2, M3, M4, si M5

• Cea mai mare duritate Brinel o are matricea de polipropilenă M0. Adăugarea

oricarui ranforsant indiferent de natura şi procent duce la scăderea durităţii.

• Materialul compozit cu ranforsant granular, făină de lemn M2, prezintă o scădere a

durităţii cu 12 unităţi (aproximativ 10%) faţă de matrice.

• Materialul compozit cu umplutură granulară, talc M4, prezintă o scădere a durităţii

cu aproximativ 10 unităţi (aproximativ 9%) faţă de matrice.

• Avantajul folosirii materialului compozit cu ranforsant făină de lemn este caracterul

de biodegradabilitate care il imprimă compozitului final şi totodată preţul de cost.

• Rezultatele experimentale obţinute sunt prezentate în tabelul nr.3.

Tabelul nr. 3

2.3.4. Microduritatea Vikers

Rezultatele experimentale obţinute sunt prezentate în tabelul nr.4.

Cea mai mare microduritate o are materialul compozit ranforsat cu fibră de sticlă

M1- datorită durităţii mari a materialului de ranforsare.

Umplutura din talc din M4 scade microduritatea materialului compozit cu

aproximativ 29%.

Ranforsantul din făină de lemn din M2 scade microduritatea cu aproximativ 25%.

Materialul Duritatea Brinel HB 10/20

M0 115

M2 103

M4 105.33

M3 101.33

M5 101

Page 10: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Diferenţa între microduritatea compozitului cu talc M4 şi acela cu făină de lemn

M2, este dată de particulatităţile structurale şi fizice ale umpluturii şi respectiv

ranforsantului, mai precis:

talcul - particule mai fine şi mai puţin dure decât făina de lemn

făina de lemn-particule mai mari care si-au conservat o parte din structura fibrosă a

lemnului, fapt ce ii conferă o anumită duritate şi elasticitate la nivel micronic în

comparaţie cu talcul.

Microduritatea matricei cu ranforsant mixt M3 si M5 (făina de lemn şi fibre de in)

este mai mică decât a matricei polipropilenice dar mai mare decât a unui compozit cu

un ranforsant unic.

Tabelul nr. 4

Materialul Microduritatea Vickers

M0 6,85

M1 8,21

M3 7,76

M4 4,91

M5 6.47

M8 5,78

2.3.5. Rezistenţa la tracţiune

În urma tuturor acestor teste mecanice s-a ales ca varianta optimă materialul

compozit PP ignifugată + 5 % fibra de in. Acest material a fost testat în realizarea

unui profil auto şi s-a constat că este casant de aceea s-au mai realizat trei recepturi

în care la varianta optimă s-au adăugat procente crescătoare de elastomer EPDM (5,

10 şi respectiv 15% EPDM). Pentru aceste recepturi s-a studiat comparativ rezistenţa

la tracţiune.

Adausul în compozitul polipropilena ignifugata +5% fibra de in a unor procente de

elastomer EPDM (5%, 10% si 15%) conduce la o scădere a rezistenţei la tracţiune

ceea ce implică o creştere a elasticităţii materialului compozit.

Având în vedere aplicaţiile specifice pentru care au fost concepute aceste

recepturi (profiluri interioare auto) dintre cele trei materiale compozite cu adaus de

elastomer se poate alege ca fiind cel mai potivit materialul compozit din PP

ignifugată + 5% fibra de in +15% elastomer EPDM adica M15.

Page 11: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

Rezultatele experimentele obţinute pentru acest tip de test sunt prezentate în

tabelul nr. 4.

Tabelul nr. 4

Materialul Rezistenţa la tracţiune (MPa)

M11 27,04

M13 19,86

M14 20,73

M15 20.79

2.3.6. Densitate hidrostatică

Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în tabelul nr.5

Tabelul nr. 5

În urma acestor teste se constată ca densitatea hidrostatică variază direct

proporţional cu creşterea procentului de ranforsanţi.

O clasificare a acestor materiale din punctul de vedere al densităţii hidrostatice

se poate face mai jos: M4>M1>M2>M11>M3>M12>M8>M5>M7>M0>M6>M10. Dacă

comparăm materialele care conţin ranforsanţii naturali micsti constatăm că ordinea

de creştere a densităţii este următoarea: M11>M3>M5 Se constată că :

cele mai bune valori apar la ranforsanţii nebiodegradabili din fibra de sticlă şi talc;

prin adaugarea în matricea polimerică de orice ranforsant densitatea creşte;

valoarea densităţii hidrostatice cea mai mare dintre materialele cu ranforsanţi

micsti o prezintă: M11 faţă de polipropilena ranforsată cu ranforsanţi nonbio-

degradabili acest material prezintă o densitate hidrostatică mai mică ceea ce

implică o greutate mai mica, acesta reducere a greutăţii este foarte importantă

Materialul Densitatea hidrostatică [g/cm3]

M1 1.069

M0 0.879

M8 0.998

M4 1.1

M3 0.945

M5 0.906

Page 12: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

deoarece implică şi o reducere a greutăţii totale a profilului pe care îl vom obţine

din acest material faţă de cel clasic. Acest lucru duce la scăderea masei totale a

autoturismului.

2.3.7. Estimarea rapidă a duratei de viaţă prin analiza termică cu tehnici

cuplate (TG-DTA-DSC)

Probele prezintă termograme similare. La inspectarea acestor termograme se

constată că la încălzirea progresivă a unui material au loc procesele :

Procesul I Pierderea de apă. Acest proces este suferit numai de materialele

M2, M3, M5 si M8.

Procesul II Topirea. La toate materialele se evidenţiază punctul de topire

apropiat de cel al polipropilenei.

Procesul III Oxidarea cu formare de produşi solizi.

Stabilitatea la termo-oxidare depinde de temperatura iniţială a procesului cu

formare de hidroperoxizi solizi. Pentru seria investigată ordinea este:

M0≈M1<M6<M11≈M10≈M12≈M5≈M3<M2<M8=M9<M1<M7 Dacă dintre aceste materiale le

consideram doar pe cele care conţin ranforsanţi biodegradabili şi le comparăm pe

cele care conţin fibre de in obţinem următoarea ordine de creştere a stabilităţii la

termo-oxidare: M3≈M5≈M11<M9

Stabilitatea la termooxidare a materialului ales ca variantă optimă este

prezentată în fig.4.

100 200 300 400 500 600Temperature /°C

-2

-1

0

1

2

3

DSC /(uV/mg)

0

20

40

60

80

100

TG /%

-8

-6

-4

-2

0

DTG /(%/min)

[1] M11-10-25-1000-aer-static-27-10-2008.dsv

TG

DSC

DTG

230

-84.45 %

-16.87 %

405.3 °C

163.3 °C

241.0 °C

412.0 °C

431.1 °C

[1]

[1]

[1]

exo

Fig.4 Prezentarea stabilităţii la termo-oxidare a materialului ales in varianta

optimă

Page 13: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

2.3.8. Estimarea rapidă a duratei de viaţă prin acţiunea accelerată a unor

micromycete asupra materialelor compozite studiate

Analizând rezultatele se constată că

după 45 de zile de expunere pe mediul de biodegradare, viteza cea mai mare de

biodegradare o are materialul M11 având o pierdere de greutate de 1,44%.

Restul probelor au absorbit apa, atat dupa 45 de zile cât şi după 90 de zile,

datorită prezenţei făinei de lemn. La aceste probe, valoarea cea mai mare a

pierderii în greutate a fost de 1,03% la proba M8, iar valoarea cea mai mică a fost

de 0,16% pentru M12.

după 90 de zile de biodegradare, singurul material care a pierdut în greutate a fost

M11 3,45% iar M12 a ramas la aceeaşi greutate. Restul probelor au absorbit apa.

Fig.5 – Stachybotrys atra pe materialul M11

2.3.9. Realizare profile auto

Din varianta optimă – respectiv PP ignifugata + 5% fibra de in + 15% EPDM s-

au realizat următoarele profile pentru automobile: panou uşă faţă stânga, panou uşa

faţă dreapta; capac portbagaj; capac ornament butuc roată.

Profilele auto realizate din varianta optimă sunt prezentate în fig. 6.

Fig. 6 Profile realizate din materialul compozit obţinut ca varianta optimă.

Page 14: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

CONCLUZII GENERALE

Materialele compozite polimerice luate în studiu au în general proprietăţi

mecanice uşor inferioare faţă de proprietăţile materialului compozit polimeric cu

matricea polimerică identică dar utilizând ca ranforsant fibra de sticlă. Totuşi aceste

materiale prezintă o importanţă deosebita datorită biodegradabilităţii si greutăţii mici.

Aceste proprietăţi sunt rezultate din utilizarea în compoziţia acestor compozite de

materiale de ranforsare naturale şi sunt foarte importante şi datorita impactului pozitiv

asupra mediului

Rezultatele obţinute în urma încercărilor mecanice, termice şi biologice indică

o varianta optimă aleasă. Din această variantă optimă s-au realizat profile pentru

automobile: panou uşă faţă stanga, panou uşă faţă dreapta; capac portbagaj; capac

ornament butuc roată.

Rezultatele acestei cercetari ne indica posibilitatea obţinerii unor materiale

compozite polimerice ranforsate cu făina de lemn şi fibre de in cu proprietăţi

apropiate de cele ale polipropilenei ranforsată cu fibre de sticlă şi deschid noi direcţii

pentru producţia industrială [6-13].

BIBLIOGRAFIE

[1] STAS 5690-80 – “Materiale plastice. Determinarea absorbţiei de apa.” (1980)

[2] STAS 5872-76 – “Materiale plastice. Determinarea temperaturii de încovoiere sub

sarcina.” (1976)

[3] S.K.Garkhail, R.W.H.Heijenrath, T.Peijs, Mechanical Properties of Natural-Fibre-Mat-

Reinforced Thermo- plastics based on Flax Fibres and Polypropylene Composite

Materials 7: 351–372, (2000) Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.

[4] G.Zgura, I. Severin, I.Tonoiu “Materiale composite cu matrice metalică” – Ed. Academiei

Romane, Bucuresti, (2000), pg. 335.

[5] A. Stamboulis, C.A. Baillie, S.K Garkhail, T. Peijs Applied Composite Materials 7: 273–

294, (2000).

[6] K. Oksman Applied Composite Materials 7: 403–414, (2000).

[7] G. Schuh Thomas, Daimler-Chrysler AG, Stuttgart (2000) “Renewable Materials for

Automotive Applications” pg. 1-10.

[8] SREN ISO 527-1:2000 “Materiale plastice. Determinarea proprietăţilor de tracţiune.

Partea 1: Principii generale”

Page 15: EFECTUL RANFORSANŢILOR NATURALI BIODEGRADABILI - … · 2012-09-14 · Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“,

Simpozionul „Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu - ACQUISTEM“, ediţia a IX-a

30 – 31 august 2012, Parcul Solar Icpe, Bucureşti

[9] SREN ISO 527-2:2000 Materiale plastice. Determinarea proprietăţilor de tracţiune.

Partea 2 : Condiţii de încercare a materialelor plastice pentru injecţie şi extrudare.

[10] M. Rusu, C. Mihailescu, Polimeri si materiale composite biodegradabile Iasi, (2002),

Ed. Gh.Asachi ISBN: 973-8292-65-4

[11] SREN ISO 1873-2: 2000 A1: 2003 “Materiale Plastice. Polipropilena (PP) pentru

injectie şi extrudare: Partea 2: Prepararea epruvetelor şi determinarea proprietăţilor

Amendament 1”(2003)

[12] SREN ISO 1873-2:2000A1:2003 – Materiale Plastice. Polipropilena pentru injectie si

extrudare: Partea 2 : Prepararea epruvetelor şi determinarea proprietăţilor Amendament

1(2003)

[13] SREN ISO 604:2004 – “Materiale plastice. Evaluarea acţiunii microorganismelor.