Łukasz WIERZBICKI, Józef STABIK, Andrzej PUSZ
Politechnika Śląska
Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych
E-mail: [e-mail]

PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA LAMINATÓW EPOKSYDOWO –
SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE

Streszczenie. Wiadomo, że istnieje związek pomiędzy zmianą własności cieplnych

badanego materiału ze zmianą jego innych cech użytkowych. 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 każdym etapie cyklu „życia” 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 użytkowymi, umożliwi np. kontrolę stopnia wyczerpania

nośności konstrukcji kompozytowej.

Przepływ ciepła zachodzi wszędzie tam, gdzie występują różnice temperatury. Z punktu

widzenia termodynamiki wyróżnia się trzy sposoby wymiany ciepła: przewodzenie,

konwekcję, promieniowanie.

Mechanizm przewodzenia ciepła zależy 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)]. Najniższe wartości dotyczą materiałów

o niejednorodnej strukturze (np. drewno, ceramika, grunty, tkaniny), a najwyższe 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

rozważane 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, różniące

się czasem starzenia. Pierwsza seria, czyli seria A, nie została poddana starzeniu gdyż

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, iż próbki zostały poddane starzeniu w wodzie, konieczne było

zbadanie chłonności wody przez laminat. Na rysunku 3 przedstawiono wykres pokazujący

zestawienie ilości zaabsorbowanej wody dla każdej 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 każdej 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 ułożonych 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 zależności 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 niż 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 dłużej, zakwalifikowano do stopnia 2 ponieważ zaobserwowano znaczącą zmianę barwy.

W żadnej próbce nie zaobserwowano wystąpienia pęcherzy ani rozwarstwienia.

2.4. Przewodność cieplna

Stanowisko do badań cieplnych laminatów epoksydowo – szklanych zostało

skonstruowane w oparciu o założenia 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 umożliwia badania współczynnika

przewodności cieplnej próbek o różnej grubości, jednakże 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 każdej 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 można stwierdzić, że:

1. Czas starzenia laminatów TSE-2 w wodzie o temperaturze 90°C ma wpływ

na wartość współczynnika przewodności cieplnej. Próbki starzone najdłużej

odznaczały się najmniejszą wartością współczynnika przewodzenia ciepła, a więc

w miarę wydłużania 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 że, wraz ze wzrostem czasu starzenia

wyraźnie zaznacza się zmiana ich barwy. W miarę wydłużania 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.:Założenia konstrukcyjne i metodologiczne

konstrukcji aparatu do pomiaru własności cieplnych laminatów wzmocnionych włóknem
szklanym. Monografia: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wyd. Logos Press, Cieszyn
2009