Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор, постановка цели и задач исследования 9
1.1. Композиционные материалы на основе металлических порошков 9
1.1.1. Металлополимерные защитные покрытия из дисперсных материалов 9
1.1.2. Металлические наполнители
1.1.3. Методы получения композиционных материалов на основе металлических порошков с полимерным связующим 12
1.1.4. Взаимодействие поверхности металлических порошков с поверхностью полимеров 14
1.1.5. Физико-механические свойства композиционных материалов на основе металлических порошков с полимерным связующим 18
1.2. Связующие в композиционных материалах 21
1.2.1. Получение и использование полимерного связующего порошка натрий - карбоксиметилцеллюлозы 23
1.2.2. Пленочные материалы и защитные покрытия на основе полимерного порошка натрий-карбоксиметилцеллюлозы 25
1.3. Выводы, цели и задачи исследования 27
Глава 2. Методы исследований 31
2.1. Методы планирования эксперимента 31
2.2. Методика определения гранулометрического состава металлических порошков 35
2.3. Методика проведения опытов для определения адгезионной и коге-зионной прочности образцов 37
2.4. Методика проведения опытов для определения удельного сопротивления и электрической прочности образцов 41
Глава 3. Выбор и анализ функций компонентов металлического защитного покрытия . 44
3.1. Анализ функций и выбор порошка металла. 44
3.2. Функции связующего вещества и его выбор для создаваемого покрытия 48
3.3. Функции растворителя, обладающего оптимальными свойствами для создаваемых покрытий. Выбор растворителя 50
3.4. Функции пластификаторов. Выбор пластификатора. 53
Глава 4. Исследование влияния металлических порошков на формирование механических свойств и структуры композиционных материалов 57
4.1. Определение диапазона значений металлических порошков в композиции и изготовлении образцов - объектов 57
4.2. Планирование эксперимента 58
4.3. Результаты опытов и их обсуждение 63
4.4. Исследование поверхностей отклика механических свойств композиционных материалов на основе металлических порошков 88
4.4.1. Определение максимальных значений относительной деформации для образцов на основе металлических порошков 88
4.4.2. Определение максимальных значений прочности для образцов на основе металлических порошков 92
4.5. Изучение адгезии композиционных покрытий к стальной поверхности 99
4.6. Выявление оптимальных соотношений компонентов в исследуемых композициях 114
4.7. Структура композиционных материалов 117
4.7.1. Особенности сканирующей электронной микроскопии композиционных материалов 117
4.7.2. Элементный и дисперсный состав композиции 119
4.7.3. Структурные особенности композиционных материалов 122
Глава 5. Исследование физико - химических и электрофизических свойств защитных композиционных покрытий на основе металлических порошков А1, Fe, Zn . 133
5.1. Физико-химические свойства полученных пленок и покрытий на основе металлических порошков А1, Fe, Zn 133
5.1.1. Исследование химической стойкости полученных пленок и зашитных покрытий 133
5.1.2. Исследование горючести образцов покрытия 139
5.2. Изучение электрофизических характеристик полученных композиционных материалов 142
5.3. Результаты опытов и их обсуждение 143
5.4. Рекомендации по практическому использованию НИР 144
5.4.1. Технология изготовления исходной смеси для защитного покрытия с порошком алюминия 144
5.4.2. Подготовка поверхности и нанесение покрытия на основе порошка алюминия 145
5.4.3. Утилизация покрытия 146
Заключение 147
Список использованных источников 150
Приложение 158
- Получение и использование полимерного связующего порошка натрий - карбоксиметилцеллюлозы
- Методика проведения опытов для определения адгезионной и коге-зионной прочности образцов
- Функции растворителя, обладающего оптимальными свойствами для создаваемых покрытий. Выбор растворителя
- Исследование поверхностей отклика механических свойств композиционных материалов на основе металлических порошков
Введение к работе
В настоящее время интенсивно ведется разработка легких, высокопрочных и недорогих конструкционных материалов. В результате многие материалы достигли предела своих свойств. Существенное улучшение свойств требует создания принципиально новых материалов, примером которых служат композиты. Одним из видов композитов являются металлополимерные материалы.
Металлополимерные покрытия находят широкое применение в различных областях промышленности. Использование дисперсных наполнителей, например, порошков металлов, позволяет получать новые композиционные материалы с полимерами в качестве связующего. Такие материалы дают возможность оптимально сочетать положительные свойства металлов -прочность, теплопроводность, электропроводность с химической стойкостью, демпфирующей способностью и другими свойствами полимеров. Нередко металлополимерные материалы обладают не только аддитивными, но и новыми, не присущими отдельным компонентам свойствами. Отличительной особенностью таких материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами. Композиционные материалы, содержащие полимерное связующее и металлы, имеют ряд преимуществ по сравнению с материалами на металлической основе: они обладают хорошей технологичностью, низкой плотностью, в ряде случаев более высокой удельной прочностью и жесткостью. Как ценные свойства следует отметить коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные характеристики, антифрикционные и фрикционные свойства [1]. Отрицательной особенностью полимеров, не содержащих металлические компоненты, является их хрупкость, невысокая прочность и жесткость, способность легко отслаиваться и разрушаться при относительно небольших нагрузках [1]. Металлы имеют хо-
5 рошую прочность, модуль упругости и довольно пластичны [2]. Поэтому использование металлов и эластомеров в составе защитных покрытий позволяет улучшить их характеристики. Основные принципы создания таких композитов обусловлены как специфическими свойствами самих дисперсных металлов, так и особенностями взаимодействия между частицами металлов и полимерного связующего в процессе формирования материала и его эксплуатации. Смешение этих компонентов является одним из наиболее важных и ответственных процессов в технологии производства композитных материалов [3]. Наиболее распространены методы, основанные на смешении чистых компонентов тем или иным способом. Реже пользуются возможностью введения металлического наполнителя в полимеризующиеся системы. Количественного способа оценки степени смешения нет, и, как правило, ограничиваются выявлением нераспределенных включений наполнителя [4].
Требования, предъявляемые к композиционным материалам, разнообразны: высокая прочность при статистических и динамических нагрузках, высокая износостойкость, повышенная теплостойкость, ударопрочность, стойкость к излучениям высокой энергии, стабильность размеров, и многие другие. Важной проблемой является стабилизация свойств композиционных материалов в условиях хранения и эксплуатации в агрессивных средах. Решение этой проблемы охватывает три основных аспекта: обеспечение стабильной связи между металлическим наполнителем и связующим, обеспечение стабильности химического строения и физической структуры полимерного и неполимерного компонентов. Создать удовлетворяющий всем данным требованиям универсальный материал достаточно сложно. В связи с этим остается актуальным вопрос получения новых композиционных материалов с заданными свойствами для разнообразных условий эксплуатации.
Актуальность темы
Композиционные защитные покрытия, содержащие металлические порошки, достаточно широко используются в различных областях техники и промышленного производства.
6 На предприятиях химической промышленности остро стоит проблема хранения и перевозки агрессивной продукции. Для этого необходима тара, устойчивая к действию щелочных, кислотных сред, различных растворителей. Использование алюминиевой тары требует больших экономических затрат. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является повышение долговечности используемых в настоящее время традиционных стальных емкостей за счет применения покрытий, обеспечивающих надежную антикоррозионную защиту, технологически простых, допускающих легкое удаление и многократное повторное нанесение при минимальных затратах. В качестве покрытий возможны следующие виды материалов:
металлические покрытия на основе алюминия, титана, хрома. Применение алюминия является перспективным, так как он обладает малой плотностью, коррозионной стойкостью. Титан и хром отличаются также коррозионной стойкостью, прочны, однако дороги;
керамические покрытия хрупки, для них характерно внезапное разрушение, а температуры их получения достаточно высоки;
технология производства полимерных покрытий не требует наличия высокого давления или высоких температур, но недостатком являются их хрупкость, невысокая прочность и жесткость, способность легко отслаиваться и разрушаться при относительно небольших нагрузках.
Поэтому выполнить такие требования к покрытиям можно, применяя композиционные материалы из металлических порошков с полимерным связующим.
В условиях Каменского химического комбината также существует проблема эффективного использования малотоннажных остатков сертифицированных партий высококачественного алюминиевого порошка АСД-1, регулярно образующихся в основном производстве. В то же время Каменский комбинат является крупнейшим производителем полимерного материала натрий-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ). В связи с этим целесообраз-
7 но создание защитных покрытий на основе металлических порошков со связующим Na-КМЦ.
Защитные материалы на основе металлических порошков и полимерного связующего Na-КМЦ перспективны и мало изучены, а их внедрение позволяет использовать все возможности, способствующие повышению эффективности: организационные, эксплуатационные, технологические и конструктивные.
Актуальность темы заключается в том, что разрабатываемое коррозионно-стойкое композиционное покрытие, наносимое на ранее использовавшуюся тару для хранения и перевозки продукции, позволяет при хороших прочностных показателях повысить длительность эксплуатации емкостей за счет повышенной устойчивости покрытия к агрессивным средам и его прочности.
Представляемая работа направлена на получение композиционных материалов на основе металлических порошков, изучение их структуры и свойств, для практического применения в химической промышленности. Работа выполнена на базе НИЛ Каменского химического комбината и внедрена на участке изготовления полиэфирной продукции.
Цель и задачи исследования
Целью работы является получение композиционного защитного покрытия на основе порошка металла АСД-1 и связующего Na - КМЦ, корро-зионно - стойкого к агрессивным средам, обладающего хорошими механическими характеристиками и установление закономерностей его формирования.
Для ее достижения решались следующие задачи:
Выполнить анализ существующих материалов и произвести научно обоснованный выбор компонентов композиционного покрытия.
Исследовать с помощью методов математического планирования эксперимента влияние компонентов покрытия на его физико - механические
характеристики. Сравнить прочностные показателей покрытий, содержащих металлические порошки алюминия, железа и цинка.
Исследовать влияние факторов технологического процесса на свойства композиционного материала и оптимизировать их с целью получения защитного покрытия с заданными свойствами.
Изучить морфологическую структуру покрытий и ее связь с физико - механическими характеристиками.
Определить стойкость защитных покрытий на основе порошков алюминия, железа, цинка при различном воздействии внешней агрессивной среды, выявить наиболее устойчивое и оценить электрофизические характеристики покрытий.
Разработка рекомендаций по промышленному использованию результатов исследований в условиях Каменского химического комбината.
Практическая ценность
Предложены рекомендации для реализации промышленной технологии получения защитного покрытия с порошком АСД-1и связующим Na -КМЦ, прочностными свойствами, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям, устойчивого к сильно концентрированным щелочным, кислотным и полиэфирным средам, отличающегося длительностью эксплуатации, простотой изготовления, возможностью легкого удаления и многократного повторного нанесения. Предложенная технология обеспечивает эффективное использование производственных остатков алюминиевого порошка.
Работа выполнена на базе НИЛ Каменского химического комбината и внедрена на участке изготовления полиэфирной продукции. Результаты работы позволили создать композиционное коррозионно - стойкое покрытие на основе порошка алюминия для транспортной тары, используемой при перевозке и хранении полиэфирной продукции и снизить экономические затраты.
Получение и использование полимерного связующего порошка натрий - карбоксиметилцеллюлозы
Анализ публикаций за 1987-2005 г.г. показал, что активность исследователей и изобретательская деятельность в области синтеза и применения простых эфиров целлюлозы достаточна высока и интерес потребителей к этим продуктам не ослабевает. Это обстоятельство можно объяснить безвредностью, биологической распадаемостью, а в ряде случаев и уникальными свойствами, которыми обладают синтетические полимеры. Класс производных целлюлозы, в особенности ее волокон, получил широкое практическое применение при получении материалов с заданными свойствами. Наличие карбоксильной группы в простом эфире целлюлозы, достаточно устойчивом к действию омывающих реагентов, обеспечивает при сравнительно невысокой степени замещения растворимость этих производных целлюлозы в разбавленных водных растворах щелочей или солей щелочных металлов. Такие препараты могут использоваться в качестве связующей компоненты в изделиях из металлических порошков. Они обладают хорошей клеящей способностью, что при наличии анизотропии формы является важным фактором для композиционных материалов. Однако, как полимерное связующее для металлополимерных и пленочных защитных материалов Na - КМЦ широкого промышленного применения не нашла.
В Российской Федерации наиболее интенсивные научно-исследовательские работы в области простых эфиров проводились в НПО «Полимерсинтез» и в Московском институте нефти и газа им. Губкина. За указанный выше период выполнено 5 разработок, посвященных синтезу и освоению новых марок Na - КМЦ по непрерывной схеме с единичной мощностью линии 15 тыс.т. в год для Каменского химкомбината и разработке метода синтеза простых эфиров целлюлозы на основе порошкообразной целлюлозы в среде органических растворителей [79-83].
Натрий - карбоксиметилцеллюлоза наиболее распространена, что объясняется доступностью реагентов, применяемых для ее синтеза. Она представляет собой натриевую соль целлюлозогликолиевой кислоты, полученную при взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой или ее натриевой солью. При производстве технической и очищенной Na-КМЦ важнейшими показателями, характеризующими качество производимой продукции, являются массовая доля основного вещества (А) и степень замещения по карбоксиметильным группам (у). Основное вещество представляет собой процент содержания эфира целлюлозы за вычетом сопутствующих примесей. Степень замещения (у) - показывает, какое число натрий-карбоксиметильных групп (Ct COONa) содержится в 100 элементарных звеньях макромолекул целлюлозы (СбНюОз) Na - КМЦ в зависимости от степени замещения, можно разделить на низкозамещенную и высокозамещенную. Получение препаратов Na - КМЦ со степенью замещения у более 100, однако, весьма затруднено ввиду электростатических эффектов отталкивания заряженных одноименно групп (хлорацетатного иона и карбоксиметильной группы). Поэтому практически «высокозамещенными» препаратами считают продукты, имеющие степень замещения у=50-100 и являющиеся водорастворимыми [84-85].
Свойства Na - КМЦ изучены довольно детально. Исследовалось влияние термической обработки на ее структуру и свойства. Изменение тонкой структуры изучено методом ИК-спектрофотометрии. Вязкость указанных растворов карбоксиметилцеллюлозы после указанных обработок возрастала в 1.5 раза [86].
Изучены вязкостные свойства 1-3% -ных водно-глицериновых гелей очищенной карбоксиметилцеллюлозы в зависимости от степени полимеризации и степени замещения, при этом установлены следующие общие закономерности: при увеличении концентрации эффективная вязкость гелей зако номерно возрастает, независимо от степени замещения и степени полимеризации; при увеличении степени полимеризации вязкость возрастает и снижается с ростом степени замещения; снижение вязкости с ростом степени замещения можно обьяснить уменьшением доли полимера в растворе при одинаковой концентрации Na - КМЦ. Исследование вязкости 1-5% растворов карбоксиметилцеллюлозы показали, что с ростом ее концентрации свойства растворов изменяются от почти ньютоновских жидкостей до псевдопластичного, тиксотропного и вязкоэластического состояния [87-88].
Сшитые гидрогели Na - КМЦ получены при обработке дивинилсуль-фоном. В зависимости от параметров и плотности сшивки полученные гидрогели имеют различный уровень водопоглощения [89-90]. Водорастворимые эфиры целлюлозы поступают на рынок в порошкообразном виде, что обеспечивает их более легкую транспортировку, сыпучесть и технологичность при использовании.
Простые эфиры целлюлозы широко применяются в различных отраслях промышленности, и их применение продолжает постоянно расширяться. Ежегодное производство простых эфиров целлюлозы в 1988 году оценивалось в 435 тыс.т., и продолжает расти [91]. Несмотря на широкое применение натрий- карбоксиметилцеллюлозы в различных отраслях промышленности, обзор патентных публикаций за 1985 -2003 г. г. показал, что широкого применения в качестве полимерного связующего для создания защитных металлопокрытий и компонента пленочных материалов указанный полимерный порошок не получил.
Пленки на основе простейших эфиров целлюлозы, к которым относится и натрий - карбоксиметилцеллюлоза, являются водорастворимыми. В настоящее время известен ряд следующих водорастворимых пленок: поливи-нилспиртовые, крахмальные, метилцеллюлозные и полиэтиленоксидные [92].
Пленки из поливинилового спирта применяют для упаковки растворимых в воде средств. Пленки из крахмала, используемые в медицине, хрупки и не прочны. Полиэтиленоксидные пленки - полупрозрачные, свариваются при 55-70 С, обладают слипаемостью, плавятся при температуре около 66 С, применяются в качестве упаковочных материалов, растворимых в воде. Пленки из метилцеллюлозы довольно гибки, их можно использовать в качестве упаковочных материалов, трудно растворяются в воде при высокой температуре. Свойства пленок, полученных из вязких растворов низкозамещен-ной натрий-карбоксиметилцеллюлозы, изучены в работе [85]. Они имеют хо-рошую механическую прочность на разрыв (10 Н/м ), но малую эластичность; удлинение при разрыве этих пленок составляло всего 5-6%. Гигроскопичность и водопоглощение пленок быстро увеличиваются по мере повышения степени замещения продукта. Водорастворимые простые эфиры целлюлозы начинают применять для покрытия пищевых продуктов [93-95]. Большинство традиционных синтетических полимеров не восприимчивы к действию микроорганизмов, в то время как все природные полимеры биологически разлагаются, поэтому Na-КМЦ использована для создания композиционного материала с программируемым сроком разложения [96, 97]. Простые эфиры целлюлозы используют в стоматологической практике в возрастающих масштабах, в Японии разработана композиция и пленка, состоящая из Na - КМЦ, этилцеллюлозы и ОПЦ [98-99].
Методика проведения опытов для определения адгезионной и коге-зионной прочности образцов
При испытаниях образцов определялось разрушающее напряжение (прочность), представляющая отношение нагрузки, при которой разрушился образец, к начальной площади его поперечного сечения, в МПа, и относительное удлинение при разрыве (деформация), т.е. приращение длины рабочего участка образца, отнесенное к первоначальной его длине, в процентах. С этой целью изготавливались по одной серии образцов на каждый опыт, при количестве опытов N=18. Размеры образцов указаны в п. 3.1.2. Число счетных образцов в серии должно быть не менее пяти (ОСТ 84-434-71). Таким образом, для объектов с каждым видом металлического порошка-наполнителя производилась статистическая обработка и анализ результатов эксперимента для определения прочности (18x5=90 характеристик) и деформации (18x5=90 характеристик). Всего для трех видов наполнителей - алюминия, железа и цинка получено и исследовано 540 физико-механических характеристик. При проведении физико-механических испытаний применялись приборы: -машина испытательная РМ-4, обеспечивающая скорость движения подвижного захвата относительно неподвижного в пределах (3+0,5) мм/мин и требуемое усилие растяжения; -для регистрации усилий растяжения и величины абсолютной деформации датчик нагрузки в комплекте с приборами следящего уравновешивания по ГОСТ 7164-68, обеспечивающий погрешность измерения не выше 5% от измеряемой величины; -температура регистрировалась при помощи преобразователей сопротивления по ГОСТ 6651-78 в комплекте с мостом по ГОСТ 7164-78, обеспечивающие погрешность измерения температуры + 1 С.
Перед испытанием замерялась ширина и толщина образцов в рабочей части в трех сечениях на прямолинейном участке их рабочей части с точностью до 0,01 мм. Результаты испытания записывались на диаграмму растяжения, по которой затем определялись относительная деформация в процентах и величина прочности, в МПа, по результатам счетных испытаний серии. Относительная деформация при растяжении вычислялась по формуле: где: /о -начальная длина рабочего участка образца, 1Р- длина рабочего участка в момент разрыва. Прочность в МПа вычислялась по формуле: где: Р - разрушающая нагрузка , Fo - средняя площадь сечения образца. Среднее значение опыта вычислялось по формулам: где: п- число счетных испытаний, еи &г значения характеристик для каждого образца. Среднее квадратичное отклонение вычислялось по формулам: X где: S - среднее квадратичное отклонение, х- среднее значение харак теристики. Для результатов испытаний серии образцов с коэффициентом ва риации больше 10% при уровне значимости р= 0,05 проводилась оценка наиболее отклонившегося от среднего (минимального или макси мального) результата испытаний на анормальность. Подозреваемый на анор мальность результат исключался.
Результаты полученных испытаний пред ставлены в таблицах 4.1., 4.2., 4.3. Подготовка образцов на адгезию осуществлялась в соответствии с ГОСТ 8832-76, величина ее определялась методом решетчатых надрезов по ГОСТ 15140-78 и оценивалась по пятибалльной системе. Для каждого из 18 опытов изготавливались два образца - пластины из листовой стали марки 08 кп размером 60x150 мм и толщиной (0,9 + 0,1) мм по ГОСТ 16523-70 с нанесенным исследуемым покрытием. Покрытия на пластинах сушили при температуре (20 + 2) С, влажности воздуха (65 + 5)% в течение 24 часов. Решетчатые надрезы наносились устройством, рабочей частью которого являются лезвия (рисунок 2.1., а, б). Расстояние между резцом - лезвием и рабочим резцом составляло 2, между рабочими резцами - 1 мм. Надрезы делали на расстоянии не менее 10 мм от края, длиной не менее 20 мм. Аналогичным образом производились надрезы в перпендикулярном направлении. В результате на покрытии образовывалась решетка из квадратов одинакового размера.
Функции растворителя, обладающего оптимальными свойствами для создаваемых покрытий. Выбор растворителя
Функция растворителя -перевести исходный порошкоообразный продукт (Na - КМЦ) в состояние гомогенной оптической однородной пленки -т.е. диспергировать исходное пленкообразующее вещество до состояния молекулярной дисперсности, затем освободить пленку от своего присутствия.
Практически этого не происходит. Жидкость взаимодействует с активными группами цепей эфира целлюлозы. Интенсивность взаимодействия зависит от химической природы активных групп эфира целлюлозы и молекул жидкости [108], температуры, присутствия примесей и т.д. После испарения жидкости пленка удерживает в течение долгого времени некоторое количество жидкости в виде так называемого остаточного растворителя. Со временем растворитель испаряется из пленки и вызывает ее усадку. Выполняя единственную функцию диспергатора пленкообразующего вещества, растворители в то же время играют значительную роль в формировании структуры и свойств пленок. Роль растворителя сводится к полной его смешиваемости, желательно, в широких пределах температуры. В качестве растворителей возможно использование - ацетона, анилина, дихлоруксусной кислоты, ук-сусно-кислого ангидрида. Na - КМЦ хорошо растворима в воде. Используя температурный фактор, можно повысить исходную концентрацию раствора. Подвижность концентрированного эфира целлюлозы, его структурная вязкость зависят от того, насколько значительно разрушаются растворителем связи между цепями эфира целлюлозы, определяющиеся взаимодействием таких цепей и вызывающие структурирование раствора. Чем меньше силы взаимодействия между цепями, тем большей подвижностью обладает раствор, тем меныпую.вязкость он имеет. Повышение концентрации раствора будет увеличивать взаимодействие между цепями до тех пор, пока цепи не потеряют свою подвижность. Чем выше область концентраций раствора, чем меньше растворителя содержится в нем или чем ниже температура, при которой теряется подвижность цепей и имеет место стеклование раствора, тем активней растворитель [108]. Именно с этой точки зрения наиболее обоснованно подходить к оценке диспергирующего действия растворителей, ибо такая оценка сочетает в себе физико-химические и технологические требования, определяемые функциями растворителя при изготовлении пленок.
Важную роль играют свойства растворителей: химическая устойчивость, взрывоопасность в определенных температурных пределах, горючесть, токсичность и т.д.
Экспериментальный материал, накопленный исследователями и производственной практикой, указывает на значительную роль типа растворителя в исходном эфироцеллюлозном растворе при формировании структуры, а также физико-механических свойств пленок либо покрытий [108]. Таким образом, формировать пленку с наибольшей или наименьшей усадкой можно, используя правильно подобранный растворитель. Физико-химическая сущ ность такой взаимосвязи сводится к влиянию типа растворителя на характер релаксационных процессов при пленкообразовании. При использовании активного растворителя будут формироваться пленки со слабо выраженной плоскостно-ориентированной структурой, имеющие наименьшую усадку, хорошую эластичность, наименьшую прочность на разрыв, наименьшие внутренние напряжения, возникновение которых связано со степенью растяжения цепей в пленке. Если выбранный тип растворителя не является активным диспергирующим средством, пленки будут характеризоваться высокой усадкой, меньшими эластическими свойствами и повышенной временной прочностью на разрыв [108 - 111].
Можно отметить три основных принципа оценки растворителей: 1. Растворитель должен смешиваться во всех отношениях с установ ленным для производства защитного покрытия типом эфира целлюлозы. Так как некоторое количество растворителя остается в пленке, необходимо тре бовать такой смешиваемости в широких пределах температурных колебаний, отвечающих атмосферным колебаниям температуры (от -40 С до +40 С). Для выяснения пригодности конкретного растворителя необходимы экспе риментальные работы по изучению его смешиваемости с эфиром целлюло зы. 2. Вязкость раствора при изменении концентрации эфира целлюлозы должна отличаться наименьшим концентрационным градиентом. Желательно учитывать вязкость раствора в связи с его температурой нагрева, требовать от раствора наиболее резкого падения вязкости от температуры. 3.Растворитель должен отвечать оптимальной скорости испарения из раствора пленки. Быстрое удаление растворителя ведет к созданию больших внутренних напряжений в пленке в результате возникновения неравномерности структуры пленки по слоям. Оценка качества растворяющей смеси может быть сделана лишь в экспериментальных, а затем заводских условиях получения покрытия.
Важна также экономическая сторона вопроса и хозяйственно- коньюк-турные соображения, зачастую лимитирующие возможности использования тех или иных растворителей для промышленности. Экономическая выгодность растворителей зависит наряду с отношением цены килограмма растворителя к его удельному весу, от потерь в производстве, расхода энергоносителей. Необходимо учитывать другие факторы- химическую устойчивость, взрывопасность в определенных температурных пределах, горючесть, токсичность и т.д., которые в ряде случаев затрудняют или делают невозможными использование тех или иных растворителей вообще.
С учетом вышеизложенных условий в качестве растворителя для Na-КМЦ была выбрана вода, что обусловлено следующими соображениями: 1. Разрабатываемое покрытие предназначено для хранения агрессивных сред (полиэфирной продукции), поэтому контакт готовых покрытий непосредственно с атмосферой недолог, с водой исключен. Т.о. способность готового покрытия растворяться в воде не играет решающей роли. 2. Na-КМЦ образует с водой гомогенный раствор в интервале температур от 0 С до 40 С и выше, максимальная концентрация Na- ІСМЦ возможна до 10 %, с полным растворением последней. Вода не горюча, не взрывоопасна, не токсична, экономически дешева.
Как показал эксперимент, водный раствор Na- КМЦ химически устойчив, сохраняет гомогенную структуру до 6 месяцев. Усадка готовых пленок в течение года не велика, в течение 3 месяцев, требуемых нормативной документацией на хранение полиэфирной продукции - практически отсутствует, в результате чего пленочное покрытие сохраняет неизменной структуру и физико-механические характеристики достаточное время
Исследование поверхностей отклика механических свойств композиционных материалов на основе металлических порошков
Аналитическая интерпретация полученных уравнений представляет определенные трудности. Более простой и наглядной является графическое представление результатов, сводящееся к построению поверхностей отклика с последующим нахождением соответствующих максимальных значений механических характеристик. Для определения максимальных значений относительной деформации (є) и прочности (а) для пленочных образцов объектов, содержащих металлические порошки Fe, А1 и Zn исследовались поверхности, задаваемые уравнениями регрессии в безразмерных переменных факторного пространства. Переменным Xi, Х2, Х3 присваивались поочередно в пределах изучаемого интервала варьирования значения, соответствующие границам исследуемых диапазонов компонентов. Обработка данных и построение поверхностей отклика производились в математической системе Mathcad 8 PRO.
В таблице 4.10 приведены уравнения регрессии, максимальные значения относительной деформации для исследуемых уравнений и соответствующие им значения переменных в кодированном и натуральном масштабе.
Графики поверхностей отклика зависимости величины относительной деформации от факторов варьирования, построенные в соответствии с уравнениями регрессии, изображены на рисунках 4.16 а, 4.17 а, 4.18 а.
В исследуемом факторном пространстве, максимальное значение относительной деформации обьектов достигается при концентрации Na-КМЦ 1,5 % и содержании глицерина 5г на 100 г исходного раствора. С увеличением глицерина и уменьшением Na-КМЦ величина є растет. Содержание металлов на значение є в отмеченном диапазоне не влияют.
Максимальная прочность образцов, содержащих Fe, А1 и Zn, оценивалась в соответствии с указанным в п.4.5.1. порядком.
В таблицах 4.11, 4.12, 4.13 приведены уравнения регрессии, максимальные значения прочности для исследуемых уравнений и соответствующие им значения переменных в кодированном и натуральном масштабе.
Графики поверхности отклика обьектов, содержащих Fe, построенные в соответствии с уравнениями регрессии, представлены на рисунке 4.19 (главный максимум) и рисунках 1-5 ПРИЛОЖЕНИЯ 2. На рисунке 4.19 а. приведена зависимость поверхности отклика прочности образцов с порошком Fe для исследуемых факторов, на рисунке 4.19 б - фрагмент поверхности для исследуемых диапазонов безразмерных переменных. Содержание металла и глицерина меняется в пределах интервалов варьирования, значение Na-КМЦ фиксировано и в натуральном масштабе составляет 3 %.
Из таблицы 4.11. и указанных рисунков видно, что в исследуемом факторном пространстве существуют точки, для которых значения прочности превышают ее величину в центре плана. Максимумов, соответствующих этим точкам несколько, однако с практической точки зрения представляет интерес лишь главный максимум, ст = 25 МПа при содержании Fe 5 г, глицерина 0 г и Na -КМЦ 3 %. Второй по значимости, меньший максимум для объекта, изготовленного на основе чистого порошка Na- КМЦ практического интереса не представляет, т.к. пленка из него легко растрескивается, отличаясь хрупкостью.
