Введение к работе
Актуальность работы. В современном строительстве нашли широкое распространение высоконаполиенныс строительные полимерные композиты (ПК), производимые в виде замазок, шпаклёвок, клеёв, гсрметиков, эмалей, поллмеррастворов, полимсрбстопов и др. Поэтому для строительного материаловедения весьма актуальной представляется задача получения ПК с требуемым комплексом физико-механических свойств и иссмерпого улучшения технико-экономических характеристик, структуры и качества ПК. Решение данной задачи в значительной степени связано с установлением закономерностей процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурпых систем ПК, оптимизацией их составов, развитием па этой базе методов расчёта и прогнозирования эксплуатационных свойств полимерных композитов.
В разработку теории и практики ПК большой вклад висели работы Г.М. Бартсиьсва, Ю.М. Баженова, А.Н. Бобрышсва, В.А. Вознесенского, В.А. Воскресенского, В.Е. Гуля, Н.С. Епиколопяиа, В.Т. Ерофеева, И.М. Елшина, Ю.В. Зслсиева, A.M. Иванова, П.Г. Комохова, В.Н. Кулезнёва, 10.С. Липатова, В.Г. Микульского, А.П. Прошипа, И.Е. Путляева, Ю.Б. Потапова, Р.З. Рахимова, В.И. Соломатова, В.П. Селяева, Ю.А. Соколовой, В.И. Харчсвникова, В.М. Хрулсва, В.Г. Хозипа, В.Д. Черкасова, Р. Барепіа, Дж.П. Берри, В. Вайса, Р. Крсйса, Ф.Ф. Леига, Дж. Мэнсопа, И. Нарисавы, Л. Нильсена, К. Садао, Л. Сисрлинга и многих других отечественных и зарубежных учёных.
Общепризнанным является представление о полимерных композитах, как о многокомпонентных и многофазных системах. При этом в композитных материалах формируются весьма уникальные исадди-тивные спойстгза (что, как правило, и является целью создания этих
*-
материалов), не присущие составляющим компонентам ПК в отдельности. Главным структурным признаком полимерных композитов является их способность образовывать специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены фрактальные (кластерные и решёточные) структуры, детальному анализу которых и данной работе уделено значительное внимание. Анализ произведён с позиции основных положении синергетики - новой научной дисциплины, занимающейся изучением самоорганизующихся упорядоченных временных и пространственных структур в сложных перавповес пых системах различной природы.
Цель диссертационной работы заключается: в изучении природы и установлении адекватных моделей и закономерностей перехода состав - структура - свойства, в процессе формирования высокона-полпеиных ПК, которые рассматриваются как иеравновестпые дис-сипативпые системы; в разработке расчётных зависимостей, позволяющих производить оптимизацию составов композитов, а также прогнозировать их свойства, в том числе, с использованием компьютерных технологии.
Рабочая гипотеза автора состоит в том, что при изготовлении ПК в результате процессов совмещения и гомогенизации матричного материала и наполнителя, происходит самопроизвольное образование фрактальных (кластерных и решёточных) структур, как результат протекающих процессов самоорганизации в композите. При этом, значительная часть анергии, переданной совмещаемым компонентам расходуется па структурообразоваипе и протекание в дисперсной среде сложных физико-химических процессов. Явления самоорганизации преимущественно обусловлены избытком поверхностной свободной энергии'В дисперсной системе. Формирующуюся структуру
ПК можно рассматривать как активный объект влияния среды, обладающий достаточно гибкой реакцией на внешние воздейстпия и изменяющийся под действием внешних условии на всех этапах своего развития. Таким образом, ПК представляются типичными диссниа-тивными системами, склонными к структурной самоорганизации.
Явление самоорганизации дпеспмативных структур, их достаточно гибкая адаптационная изменчивость, создают принципиальную возможность направленного регулирования свойств ПК и процессе их создания, а также прогнозирования изменения этих свойств и течение всего периода эксплуатации. Такая возможность представляется наиболее перспективной, если анализ и количественное описание диссипативных структур ПК производить па основании положений современных матсриаловедческнх теорий и компьютерных технологий.
Для выполнения поставленной цели были определены следующие задачи исследований:
-
Установить особенности природы формирования самоорганизующихся структур в дисперспо-паиолненных ПК, произвести топологическую оценку структуры ПК и разработать методы оценки размерности фрактальных структур ПК;
-
С помощью экспериментально-теоретических методов произвести исследование кинетических процессов, связанных с формированием ПК и эксплуатацией изделий из них;
-
Разработать достоверные количественные методы прогнозирования физико-механических свойств высоконаиолиепиых ПК с учётом структурообразующих факторов;
-
Установить закономерности организации макроструктуры ПК с учётом влияния ""природы и размерных факторов заполнителей,
выявить зависимости формирования конечных физико-механических характеристик композитов;
-
Разработать достоверные инженерные методы исследований свойств компонентов ПК, оптимизации и подбора составов полимерных высокопанолиепных смесей, с обеспечением комплекса требуемых физико-механических свойств в условиях воздействия агрессивных сред;
-
Разработать программно-вычислительный комплекс по расчёту оптимальных составов, прогнозированию и анализу свойств и структуры ПК, с использованием современных компьютерных технологий;
-
Произвести разработку нормативной документации и производственное внедрение оптимальных составов ПК для устройства защитных покрытий строительных конструкций и оборудования предприятий сахарной промышленности.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые установлено самопроизвольное возникновение структур ПК с фрактальным строением;
раскрыта природа формирования фрактальных структур, с использованием современных представлений о кластерообразованиии в композитных материалах;
дана оценка критического содержания дисперсного наполнителя в ПК, позволяющая прогнозировать структурный переход от изолированных кластеров к упрочняющему структурному каркасу с фрактальным строением, состоящему из дисперсных частиц наполнителя и плёночной полимерной матрицы;
- аналитическими методами установлены значения универсаль
ных критических индексов, позволяющих производить эффективное
прогнозирование свойств ПК и установлена взаимосвязь величин критических индексов с фрактальной размерностью композитных систем;
установлена зависимость кинетических процессов от характерного структурного размера композитных материалов;
получены кинетические зависимости отверждения, изменения упругих и прочностных свойств, массоноглощения и усадки, релаксации напряжений и ползучести ПК, установлено влияние фрактальной структурной размерности ПК па развитие и протекание кинетических процессов и разработан алгоритм обработки экспериментальных данных для кинетических зависимостей;
получена аналитическая зависимость, позволяющая производить прогнозирование эффективности наполнения ПК но прочностным показателям;
найдена аналитическая зависимость упругости и прочности от пористости ПК, с использованием универсальных критических индексов, характеризующих взаимосвязь фрактальной структуры и свойств ПК;
произведена оценка структуры ПК с использованием представлений о когерентности;
изучено влияние заполнителей на формирование макроструктуры ПК и получены обобщённые зависимости физико-мехапичеекпх свойств ПК от основных макроструктуриых показателен;
предложены новые способы определения свойств составляющих компонентов ПК-смесей;
разработаны алгоритм и программно-вычислительный комплекс "COMPOSITE" для оптимизации составов, структуры и свойств ПК па основе современных компьютерных технологий.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования свойств компонентов ПК, создании научно-обос-ноиаиных способов расчёта оптимальных составов ПК и прогнозировании их физико-механических свойств.
Разработаны и оптимизированы составы ПК для устройства защитных покрытий строительных конструкций и оборудования предприятий сахарной промышленности.
Результаты исследований получили производственное внедрение и многолетнюю проверку на Лебединском и Боринском сахарных заводах, Данковском химическом заводе (Липецкая обл.), Липецком домостроительном комбинате, АО "Цснтрметаллургрсмоит" (г. Липецк). Экономический эффект от внедрения составил около 300 тыс. рублей в цепах 1984 года.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технической конференции "Новые композиционные материалы в строительстве", Саратов, 1981 г., на научно-технической конференции "Решение проблемы охраны окружающей среды путём использования отходон промышленности и композиционных материалах", Пенза, 1983 г., на II Всесоюзной научно-практической конференции "Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции", Киев, 1984 г., на Республиканской региональной научно-технической конференции "Эффективные технологии композиционных строительных материалов", Ашхабад, 1985 г., па научно-технической конференции "Строительные композиционные материалы па основе отходов промышленности и энергосберегающие технологии", Липецк, 1986 г., на научно-технической конференции "Теория и практика применения суперпластпфикаторов в КСМ", Пенза, 1993 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 42 работах, в том числе 2 монографиях, 19 авторских свидетельствах и 1 патенте на изобретения.
Объём работы. Диссертация изложена на 378 страницах машинописного текста, содержит 104 рисунка, 36 таблиц, состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы и шести приложений.
