Введение к работе
Актуальность исследования обусловлена необходимостью решения задач, поставленных перед многими отраслями промышленности, проблемой снижения металлопотребления. Среди этих задач разработка новых конструкционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами играет решающую роль. Безусловно, что к таким материалам, прежде всего, следует отнести пластики - полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные различного вида волокнами. Присущие им свойства (высокая коррозионная и химическая стойкость, удельная прочность, ударопрочность, небольшое гидравлическое сопротивление и малая масса) во многих случаях позволяют заменить дерево, металл и др. Однако для изделий функционального назначения, в частности труб для транспортировки холодной и горячей воды, химических реагентов, углеводородов и продуктов их переработки, необходимы новые полимерные композиты с комплексом свойств, обеспечивающих технологичную переработку их в изделия и долговременную работу в экстремальных условиях. Успешная реализация больших потенциальных возможностей ПКМ в значительной степени зависит от выбора компонентов - полимерной матрицы и армирующего наполнителя.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИПХЭТ СО РАН, интеграционным проектом ОХНМ РАН по приоритетному направлению «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», международным интеграционным проектом с НАН Беларуси «Развитие научных основ получения тонкого непрерывного волокна из горных пород» и грантом РФФИ № 05-08-17904.
Целью исследования является научное обоснование создания новых, армированных неорганическими волокнами, композиционных материалов с повышенной тепло- и химической стойкостью.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать методики определения основных параметров волокон,
связующих и композитов на их основе;
провести экспериментально-теоретическую оценку основных технических параметров непрерывных волокон различной природы с выбором армирующего материала, наиболее полно отвечающего требованиям по термо- и химической стойкости;
изучить характер изменения прочности армирующих силикатных волокон в процессе осуществления различных технологических операций при изготовлении ПКМ;
- разработать связующее, обеспечивающее эксплуатацию ПКМ на его
основе при 100 %-й относительной влажности и темпераіурах, не ниже
150 С;
исследовать процессы, проходящие на границе армирующий наполнитель
полимерная матрица;
- экспериментально доказать возможность создания армированного
силикатными волокнами пластика для работы в условиях повышенных
температур и воздействия агрессивных сред.
Объект, предмет и методы исследования. Объектами исследования служили непрерывные силикатные волокна, полимерные матрицы, изготовленные из них композиционные материалы. Предметом исследования являлись физико-химические и термомеханические свойства исходных материалов и ПКМ. В работе использованы физические и химические методы исследования исходных веществ и композиционных материалов на их основе. Часть исследований выполнена с помощью устройств, разработанных автором.
Научная новизна заключается в применении совокупности методов и подходов, обеспечивших разработку полимерного композиционного материала с заданными свойствами. При этом впервые:
получены новые экспериментальные данные о характере изменения прочности стеклянных и базальтовых волокон на различных стадиях изготовления пластика, позволяющие выбрать оптимальные технологические режимы, обеспечивающие заданные свойства конструкционным изделиям;
расширены представления о влиянии химического состава стекла на устойчивость волокон в агрессивных средах и предложена формула для прогнозирования их кислотостойкости;
- предложено в качестве аппрета, повышающего термо- и
химическую стойкость стеклянных волокон, новое борорганическое
соединение - политриэфир резорцина и борной кислоты;
- разработана рецептура связующего с теплостойкостью выше 150 С
и реологическими характеристиками, позволяющими перерабатывать
его в пластик при более низких по сравнению с традиционно
используемыми для намотки эпоксидными связующими;
- с использованием данных термомеханического и диффузионно-
сорбционного анализов экспериментально доказана возможность
получения тепло- и химически стойкого композиционного материала
на основе базальтового волокна и эпоксидной матрицы.
Практическая значимость и реализация работы. Разработаны аппаратура и методики ее использования для определения теплостойкости связующих, проведения прочностных испытаний элементарных волокон, изготовления микро- и однонаправленного пластика. Созданный полимерный композит на основе теплостойкого связующего и непрерывного базальтового волокна использован при изготовлении и гидростатических испытаниях (150 С, 15 МПа)
базальтопластиковых труб в промышленных условиях на базе ООО «Ровинг» (г. Бийск), подтвердивших его высокие эксплуатационные свойства.
Апробация работы. Основные положения и результаты,
составляющие содержание диссертационной работы, доложены и
обсуждены на научных конференциях: V, VII и VIII Всероссийских
научно-практических конференциях «Техника и технология
производства теплоизоляционных материалов из минерального
сырья», (г. Белокуриха, 2005-2008 гг.), II Всероссийской научно-
практической конференции молоды; ученых «Материалы и
технологии XXI века», (г. Бийск, 2005 г.); XXV Юбилейной
международной конференции и выставке «Композиционные
материалы в промышленности» (г. Ялта, 2005 г.); III Всероссийской
научно-практической конференции молодых ученых
«Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии», (г. Томск, 2006 г.); I и II Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов», (г. Бийск, 2006 и 2008 гг.); I и II Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Полимеры, композиционные материалы и наполнители для них» - «Полимер-2008», (г. Бийск, 2007, 2008 гг.); I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технология и оборудование химической, биологической и пищевой промышленности», (г. Бийск 2008 г.).
На защиту выносятся:
- обоснование выбора армирующего наполнителя для создания
полимерного композита с повышенной тепло- и химической стойкостью;
результаты исследования влияния химического состава горных пород на прочность и химическую устойчивость базальтовых непрерывных волокон, а также формула для прогнозирования их кислотостойкое;
результаты экспериментальных исследований, позволившие выявить характер изменения прочностных свойств силикатных волокон на различных стадиях изготовления ПКМ;
- рецептура теплостойкого связующего, соотношение компонентов,
функциональные зависимости, режимы отверждения, свойства;
результаты изучения устойчивости к агрессивным средам, термомеханических и диффузионно-сорбционных характеристик армированных силикатными волокнами полимерных композитов, обосновывающие возможность создания базальтопластика с повышенной тепло- и химической стойкостью.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 статьи в рекомендуемых ВАК изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, списка литературы из 144 наименований, приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста.
