Введение к работе
Актуальность темы
На VII Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде «Techtextil Russia Symposium 2013» Президент Российского союза предпринимателей текстильной и легкой промышленности А. Разбродин, отметил, что «...производство технического текстиля является перспективной отраслью и обладает высоким потенциалом роста, способным коренным образом изменить ситуацию в отечественной текстильной и легкой промышленности». Основой технического текстиля, как правило, являются химические волокна, поэтому важно проанализировать перспективы их развития с точки зрения сырьевой базы. Профессор Г.Е. Кричевский считает: «Производство современных видов волокон (полиэфирные, полиамидные, полипропиленовые, акриловые) в Российской Федерации является крайне оправданным с точки зрения огромных запасов природного сырья (нефть, газ) для производства волокон и большой их потребности для модернизации значительного числа отраслей промышленности (нефте-, газоперерабатывающей, текстильной, судо-, автомобилестроение). Например, планируемый выпуск полиэфирных волокон к 2020 г. достигнет 53,4 млн. тонн, по сравнению с 2010 — 35 млн. тонн. Производство химических волокон нового поколения может сыграть роль локомотива развития отечественной индустрии, став одним из факторов национальной безопасности РФ. По мнению Генерального директора КТК «Иврегионсинтез» В. Гущина, большие перспективы развития производства химических волокон в России и, в частности, в Ивановской области.
В последнее время усилилась роль Технологической платформы «Текстильная и легкая промышленность» при формировании государственных программ и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» и, в частности, по подпрограмме №1 «Развитие производства композиционных материалов и изделий их них».
Разработка и производство многофункциональных композитов имеет практическую значимость для развития и технологического прорыва многих отраслей экономики, их можно использовать практически в любой сфере хозяйственной деятельности. Кроме того, в современных условиях создание и применение эффективных инновационных материалов, конкурентоспособных с металлами по цене, качеству и сроку эксплуатации, становится наиболее актуальным. Применение нетканой основы для изготовления изделий из композитов является одним из наиболее перспективных направлений.
Актуальность возрождения отечественной индустрии композиционных материалов, для повышения конкурентоспособности гражданских секторов экономики, отметил на первом заседании Совета по модернизации экономики и инновационному развитию России Президент РФ В.В. Путин: «Считаю, что без развития этого сектора мы рискуем потерять конкурентоспособность многих
наших отраслей. Это именно то направление, где мы можем значительно продвинуться вперед».
Работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР по теме: «Создание и исследование инновационных композиционных материалов специального назначения на основе нетканых полотен» и Договора о международном научно-исследовательском сотрудничестве КГТУ и Института физико-органической химии Национальной Академии наук Беларуси по теме: «Разработка композиционных материалов специального назначения на основе нетканых текстильных полотен из модифицированных волокон», что подтверждает актуальность работы.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение механических свойств композиционных материалов за счет применения нетканых полотен в качестве текстильной основы.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
- анализ номенклатуры, волокнистого состава и строения текстильных
материалов для производства композиционных материалов;
- исследование влияния температуры в процессе полимеризации связующего на
физико-механические свойства нетканой основы композиционного материала;
- изготовление опытных образцов композиционных материалов на основе
нетканых полотен, полученных по различным технологиям различного
волокнистого состава;
- экспериментальные исследования физико-механических свойств образцов
нетканых полотен различного строения и состава;
- теоретические и экспериментальные исследования физико-механических
свойств полученных образцов композиционных материалов на основе нетканых
полотен;
- экономическое обоснование создания композиционных материалов на основе
нетканых полотен.
разработка проекта стандарта на композиционный материал, предназначенный для применения в различных областях промышленности.
Методы исследования
В процессе проведения теоретических исследований применялись математические методы механики сплошных сред в объемной постановке. Для решения задач определения напряженно-деформированного состояния композиционного материала использовался численный метод конечных элементов. Для реализации данного метода применена САЕ система ANSYS ver.15,0, Для математической обработки результатов экспериментов, решения задач аппроксимации, анализа функций на экстремум, построения графиков использовались табличный редактор Microsoft Excel и программный комплекс «Mathcad 15».
Экспериментальные исследования материалов проводились при помощи разрывной машины РТ - 250М - 2. Измерение температуры полимеризации связующего осуществлялось бесконтактным инфракрасным пирометром, марки AR300. Диаметр волокон определялся микрометром гладким цифровым МКЦО-
750. Толщина образцов измерялась толщиномером типа FC - 01 (Венгрия), их взвешивание производилось на аналитических весах фирмы ACCULAB марки ALC — 210/4. Для изучения микроструктуры применялся электронный твердомер, марки ZWICK/ROELL ZHU250TOP.
Научная новизна работы:
В процессе проведения диссертационного исследования автором получены следующие научные результаты:
- разработана математическая модель структуры композиционного материала
на основе нетканых полотен, позволяющая прогнозировать его разрушающую
нагрузку и напряженно-деформированное состояние компонентов;
разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния волокон, в процессе полимеризации связующего в порах текстильной основы, позволяющая произвести оценку применяемости различных видов волокон для изготовления композитов;
установлено, что в процессе изготовления композита на основе нетканых полотен методом капиллярного насыщения, его структура не испытывает пластических деформаций и напряжений, что позволяет применять нетканые полотна для производства композитов;
получены функциональные зависимости физико-механических свойств композиционных материалов от объемной плотности нетканых полотен различного волокнистого состава, изготовленных по различным технологиям, позволяющие прогнозировать данные характеристики при проектировании новых изделий;
- получены функциональные зависимости температуры полимеризации
связующего от толщины нетканого полотна в процессе получения
композиционных материалов, позволяющие прогнозировать параметры
технологического процесса их производства.
Практическая ценность и реализация результатов работы Практическая значимость работы заключается в:
- разработке новых композиционных материалов на основе нетканых полотен с
повышенными механическими характеристиками по отношению к
аналогичным показателям полимерной матрицы по значениям прочности при
растяжении на 140 - 520 % и прочности на изгиб на 120 - 860 %;
- определении незначительного (менее 1%) водопоглощения исследуемых
образцов композитов, что позволяет использовать изделия из композиционных
материалов на нетканой основе во влагонасыщенных средах;
- разработке рекомендаций по выбору волокнистого состава нетканых полотен
и технологического способа их получения для изготовления на их основе
композиционных материалов с заданными механическими характеристиками;
- получении регрессионных зависимостей физико-механических свойств
композиционных материалов на основе нетканых полотен от параметров
технологического процесса их изготовления, позволяющих использовать их в
условиях реального производства;
- расчете показателей экономической эффективности применения изделий из
композиционных материалов, показывающих уменьшение их стоимости в
сравнении с аналогичными полипропиленовыми изделиями на 30 %, а по отношению к металлическим изделиям ниже в 3 - 5 раз;
- разработке проекта стандарта на композиционный материал на нетканой
основе, предназначенный для применения в различных областях строительства
и промышленности.
Результаты работы внедрены на ООО «Технологии Судостроения» г. Кострома, ул. Московская, д. 84. Апробация работы Основные результаты работы доложены и получили положительную оценку на:
- XXXII международной научно-практической конференции «Модели и методы
разрешения формально-научных и прикладных проблем в физико-
математических, технических и химических исследованиях». II этап первенства
по физико-математическим и техническим. III этап по химическим наукам,
Лондон, 20 - 25 сентября 2012 г. (награжден Дипломом «Лидер научной
мысли»);
региональной научно-технической конференции «Наноматериалы и нанотехнологии», Красноярск, Сибирский федеральный университет 1-9 октября 2012 г.;
- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012)», Кострома,
Костромской государственный технологический университет, 18-19 октября
2012 г.;
- XXXIX международной научно-практической конференции «Физико-
математические и технические науки как постиндустриальный фундамент
эволюции информационного общества». III этап первенства по научной
аналитике по физико-математическим, техническим наукам. Лондон, 19-24
декабря 2012 г. (третье место в национальном первенстве по научной
аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);
международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextil Russia Symposium 2013. Тема симпозиума: «Защитные и строительные материалы на волокнистой основе: новые технологии, опыт применения в России», Москва, 18-19 апреля 2013 г.;
межвузовской научно-технической конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК
2013)», Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 23-25 апреля 2013 г.;
XLIX международной научно-практической конференции «Технологии строительства и архитектурной эстетики информационного общества». I этап первенства по научной аналитике по техническим наукам, архитектуре и строительству. Лондон, 25-30 апреля 2013 г. (третье место в национальном первенстве по научной аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);
- международная научно-технической конференция «Современные наукоемкие
технологии и перспективные материалы текстильной и легкой
промышленности» (ПРОГРЕСС - 2013), Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 28-30 мая 2013 г.;
- кафедре «Материаловедение и технология швейных изделий» Костромского государственного технологического университета, 2012,2013 г.г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 20 печатных работы, из которых 7 входят в «Перечень...» ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 166 страниц, в том числе 56 таблиц и 32 рисунка.
