Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор состояния проблемы 10
1.1.Армирующие волокна в производстве полимерматричных композитов 10
1.1.1.Углеродные волокна 17
1.1.2. Стеклянные волокна 28
1.1.3. Базальтовые волокна 33
2. Влияние армирующих волокон на свойства полимерных матриц 45
3.Области применения базальтовых волокон 50
4. Поликонденсационный способ совмещения компонентов для получения полимерматричных композитов 54
5. Модификация полимерматричных композитов 60
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 66
2.1. Объекты исследования 66
2.2. Методы и методики исследования 77
ГЛАВА 3. Структура и свойства армирующих волокон, влияющие на структурообразование, структуру и свойства пмк на их основе. выбор полимерной матрицы 88
ГЛАВА 4. Физико-химические основы поликонденсационного способа совмещения основных компонентов в производстве пмк на основе углеродных, базальтовых и стеклянных нитей 104
ГЛАВА 5. Базальтопластики на основе нитей разных производителей 132
ГЛАВА 6. Модификация базальто-, стекло- и углепла стиков 143
6.1. Модификация введением активных добавок БП, УП и СП, сформированных на основе препрегов, полученных поликонденсационным способом совмещения компонентов 143
6.2. Активация поверхности армирующих углеродных нитей 147
6.3. Активация поверхности армирующих базальтовых нитей 150
6.4. Гибридные армирующие волокнистые системы 157
6.4.1.Гибридизация базальтовой или стеклянной нити с углеродной 157
6.4.2.Модификация базальтопластиков методом гибридизации базальтовых нитей с неорганическим наполнителем 160
ГЛАВА 7. Влияние направления армирования на свойства базальтопластика 163
ГЛАВА 8. Базальтопластики на основе базальтовой ваты 166
8.1. Анализ химического состава, структуры и свойств базальтовой ваты 166
8.2. Получение базальтопластиков на основе базальтовой ваты и фенол-формальдегидного связующего 170
8.3. Исследование возможности использования базальтовой ваты в качестве наполнителя полиэтилена 172
ГЛАВА 9. ПМК на основе полимерных матриц наполненных дисперсным базальтом 186
9.1. ПМК на основе полиэтилена и базальта 186
9.2. Разработка составов базальтопластиков на основе эпоксидных матриц, наполненных измельченным базальтом 204
ГЛАВА 10. Технологические особенности создания кровельных рулонных материалов на основе базальтовых наполнителей и полиэтиленовых пленок 220
Выводы 234
Список литературы
- Влияние армирующих волокон на свойства полимерных матриц
- Методы и методики исследования
- Активация поверхности армирующих базальтовых нитей
- Получение базальтопластиков на основе базальтовой ваты и фенол-формальдегидного связующего
Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди современных материалов, наиболее полно отвечающих инновационному этапу развития современной экономики, важное значение имеют полимерматричные композиты конструкционного назначения, в том числе армированные полимерные материалы, применение которых дает существенные преимущества по сравнению с традиционными материалами по технологичности, улучшению их эксплуатационных характеристик, повышению надежности, снижению материалоемкости и стоимости изделий. В настоящее время для повышения перспективности и конкурентоспособности данного класса композиционных материалов на отечественном и международном рынке полимерной продукции большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых, безусловно, входят базальт и волокна на его основе.
Исследования по актуальным вопросам изучения закономерностей создания полимерматричных композитов функционального назначения на основе базальтовых дисперсно-волокнистых наполнителей и углеродных и стеклянных волокон поддержаны грантом Президента РФ молодым российским ученым - кандидатам наук (2006-2007 гг.). Научно-исследовательские работы в данном направлении выполнялись также в рамках тематического плана по заданию Министерства образования и науки РФ (2006-2008 гг., 2010-2013 гг.).
Целью работы являлось комплексное решение научных и технологических проблем при разработке композиционных полимерных материалов функционального назначения с реализацией высокоэффективной технологии поликонденсационного способа совмещения компонентов.
В задачи исследований входило:
теоретическое обоснование и разработка технологических основ поликонденсационного способа совмещения компонентов и установление особенностей процессов синтеза и формирования структуры полимерматричного композита;
выбор армирующих волокон с учетом их структурных характеристик и адгезионных свойств, а также устойчивости в среде мономеров и к температур-но-временным параметрам синтеза и сушки;
обоснование и разработка технологии получения композиционных материалов на основе термо- и реактопластичных матриц с использованием дисперсно-волокнистых базальтовых наполнителей;
изучение перспективности применения полимерматричных базальтопла-стиков в производстве изделий различного функционального назначения.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
-выявлены физико-химические особенности синтеза полимерных матриц в присутствии исследуемых волокнистых наполнителей при поликонденсационном способе совмещения компонентов: доказано образование фенолформальде-гидного олигомера на поверхности и в объеме армирующей системы и каталитическое влияние волокон на кинетику формирования сетчатых структур; выявлены особенности структурообразования композиционного материала в условиях синтеза; установлена взаимосвязь жизнеспособности, физико-химических, физико-механических и электрических свойств композитов с условиями формирования структуры материала в процессах синтеза и сушки;
обнаружено повышение степени конверсии мономеров при синтезе фенолфор-мальдегидной матрицы в присутствии армирующих наполнителей различной природы, подтвержденное снижением содержания свободных групп СН2ОН, ОН, СН20 после сушки препрега и отсутствием свободного фенола в отвер-жденной матрице;
- рассчитаны с применением теории объемного заполнения микропор и
метода низкотемпературной сорбции азота параметры структуры базальтовых,
стеклянных и углеродных нитей. По предельно адсорбируемым объемам и ве
личине пор исследуемые армирующие наполнители образуют ряд углеродные >
базальтовые > стеклянные нити. Доказано повышение сорбционной способно
сти углеродной нити в результате ее активации азотной кислотой;
-выявлено влияние структуры и свойств базальтовых нитей разных производителей, отличающихся пористостью, природой замасливателя и прочностными характеристиками, на физико-химические и механические показатели базальтопластиков на их основе;
доказано инициирующее влияние активированной углеродной нити, проявляющееся: в сокращении продолжительности процесса синтеза, улучшении взаимодействия компонентов и формировании более сшитой структуры фенол-формальдегидного олигомера; повышении физико-механических и физико-химических свойств композитов;
установлено влияние природы наносимых на базальтовые нити аппретирующих составов на свойства базальтопластиков и доказана возможность повышения адгезионного взаимодействия компонентов в композитах и, как следствие, физико-механических свойств базальтопластиков при применении методов СВЧ- и термообработки для удаления олеофобных замасливателей с поверхности нитей;
подтверждено влияние дисперсного базальтового наполнителя на физико-химические процессы при горении и пиролизе эпоксидного композита, обеспечивающее повышение кислородного индекса, уменьшение времени самостоятельного горения, снижение потерь массы при поджигании на воздухе;
обнаружен эффект армирования базальтовым микроволокном, доказанный повышением физико-механических свойств полиэтиленовых композиций при наполнении базальтовой ватой.
Практическая значимость заключается в том, что:
разработана технология поликонденсационного способа совмещения компонентов, обеспечивающая создание конструкционных, армированных различными по химической природе нитями, композитов многофункционального назначения;
выбраны параметры синтеза и сушки, обеспечивающие получение пре-прегов с необходимой жизнеспособностью и композиционных материалов со свойствами, предъявляемыми к композитам конструкционного назначения;
разработаны составы и технология фенольных композитов и проведена промышленная апробация в ООО «Норд-Авто» базальтовых препрегов, полученных поликонденсационным способом совмещения компонентов, для изготовления деталей (шестерни), работающих при совокупности различных видов деформации (акт от 08.10.2010 г.). Композиты на основе таких препрегов превосходят по свойствам композиты на основе промышленных фенопластов, армированных стеклянными наполнителями;
- в ЗАО «Троллейбусный завод» проведена наработка опытной партии
эпоксидных компаундов, наполненных дисперсным базальтом, для деталей
корпуса троллейбуса. Изготовленные изделия имеют бездефектный внешний
вид и не требуют подготовки поверхности перед нанесением лакокрасочных
покрытий, что существенно снижает трудоемкость данной операции (акт от
02.03.2011г.);
-в ООО «Тролза-Маркет» проведена наработка опытной партии изделий из полиэтилена (уплотнитель, обойма изоляционная) с применением в качестве наполнителя базальтовой ваты. Готовые изделия удовлетворяют требованиям ОСТ 92-1310-84 (акт от 19.05.2011 г.);
-разработана и внедрена в ООО «Фирма «Бриг» технология переходников для шлангов из полиэтилена и дисперсного базальта, соответствующих требованиям ТУ 6-19-359-87 и обеспечивающих снижение затрат на сырье, что подтверждено экономическими расчетами предприятия (акт от 02.04.2012 г.);
- разработаны конструкция и технология рулонированных материалов на
основе полиэтиленовых пленок, армированных базальтовой тканью, с высоки
ми эксплуатационными свойствами и отвечающих требованиям, предъявляе
мым к кровельным материалам ГОСТ 30547-97.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Физико-химические закономерности формирования структуры и свойств базальто-, стекло- и углепластиков, полученных на основе препрегов, сформированных поликонденсационным способом совмещения компонентов;
-
Особенности структуры и свойств армирующих наполнителей, определяющие физико-химические закономерности, механизм формирования структуры и комплекс свойств полимерматричных композитов на их основе;
-
Технология полимерных композиционных материалов на основе реакто-и термопластичных матриц, наполненных базальтовыми наполнителями различной природы.
-
Механизм и технология модификации базальтопластиков с целью направленного регулирования свойств полимерматричных композитов;
-
Результаты промышленной апробации технологии базальтовых композиционных материалов, полученных на основе препрегов, сформированных поликонденсационным способом совмещения компонентов.
Достоверность и обоснованность научных положений, методических и практических рекомендаций, обобщенных результатов и выводов подтверждаются экспериментальными данными, полученными с применением комплекса взаимодополняющих методов исследования: рентгеноструктурного и термогравиметрического анализа, инфракрасной спектроскопии, растровой и сканирующей электронной микроскопии, порометрии, методов определения удельной поверхности, оптической микроскопии, стандартных методов испытаний - физико-механических, химических, технологических свойств, статистической обработкой экспериментальных данных, согласованностью полученных результатов с основными положениями физики и химии.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, теоретическом и методическом обосновании путей их решения. Выполнение исследований, обобщение результатов, промышленная апробация и внедрение разработанных материалов проводились при непосредственном участии автора. Основные положения диссертационной работы разработаны автором
лично.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись и докладывались на 42 Международных, Всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах и семинарах в период с 1998 по 2013 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 1 монография, 25 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 54 статьи в сборниках и материалах конференций, получено 2 патента и поданы 2 заявки на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методического раздела, восьми глав с обсуждением экспериментальных данных, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Влияние армирующих волокон на свойства полимерных матриц
Наполнитель как один из компонентов играет ведущую роль в формировании основных характеристик ПМК, в первую очередь прочностных. Одним из существенных факторов его влияния на свойства полимерматричных композитов является формирование переходного слоя, в котором макромолекулы полимера частично утрачивают сегментальную подвижность в результате сорбции на поверхности наполнителя. Это неизбежно приводит к уменьшению от носительного удлинения при разрыве. При использовании в качестве наполнителя дисперсных частиц снижение относительного удлинения, как правило, сопровождается ухудшением ударных характеристик у большинства материалов на основе жесткоцепных полимеров (ПС, ПВХ, полиформальдегид). Наполненные материалы на основе полимеров с гибкими цепями (полиэтилен, полиамиды) менее чувствительны к ударным воздействиям.
Прочность при разрыве дисперсно-наполненных ПМК, как правило, увеличивается с повышением содержания наполнителя (до определенного предела). Это может быть объяснено постепенным переходом связующего в систему тонких пленок, окружающих частицы наполнителя. Поверхностный слой и ориентация макромолекул связующего способствуют увеличению прочности матрицы в таких пленках, что и находит отражение в росте разрывной прочности материала.
Возникновение контактов между частицами наполнителя при увеличении его содержания выше определенного значения (как правило, это 60-70 %масс.) ведет к достаточно резкому падению разрывной прочности.
Таким образом, приходится констатировать, что дисперсные частицы непосредственного влияния на прочность композита не оказывают, и с этой точки зрения их собственные прочностные характеристики имеют минимальное значение — практически когезионное разрушение частиц дисперсного наполнителя не наблюдалось. Вклад таких частиц в формирование прочностных свойств композита определяется главным образом физико-химическими процессами на поверхности раздела полимер-наполнитель (смачивание, адгезия, пористость) и формированием переходного слоя, его толщиной и подвижностью полимерных цепей в нем.
Иная картина имеет место при использовании в качестве наполнителей волокон различной длины. При длине волокна менее критической физико-химическая картина меняется сравнительно мало — механизм упрочнения и разрушения практически не меняется.
Однако если длина волокон превышает критическую, возникают условия, когда само волокно становится упрочняющим элементом. Это имеет место тогда, когда адгезионное взаимодействие на поверхности волокна оказывается большим, чем прочность элементарного волокна. В этом случае прочность материала будет определяться не только прочностью прослоек матрицы, но и прочностью тех волокон, которые проходят через элемент поперечного сечения, так как при разрушении образца эти волокна будут рваться. Совершенно естественно, что при наполнении волокнами приобретают большое значение прочностные и деформационные характеристики самих волокон — при условии реализации достаточно хорошего адгезионного взаимодействия волокна с матрицей [10].
Способы регулирования свойств непрерывно армированных ПМК принципиально отличаются от способов варьирования свойств пластмасс. Обусловлено это тем, что свойства пластмасс, в первую очередь, зависят от выбора полимерной основы (связующего), в то время как свойства армированных ПМК в основном определяются природой армирующих волокон независимо от того, в каком виде они использованы — в составе комплексных нитей, ровниц, жгутов, тканей различной текстуры или матов.
Приоритетное влияние волокнистых элементов на свойства армированных ПМК имеет несколько причин:
Объемное содержание непрерывных волокон в армированных ПМК в 2-4 раза превышает наполнение пластмасс, составляя в среднем 60 ± 10%, то есть, исходя только из количественного преобладания, волокнообразующий компонент способен оказывать превалирующее влияние на свойства полимерных композиционных материалов.
Однако существенный (нередко многократный) прирост прочности, модуля упругости и теплостойкости армированных ПМК, достигаемый при наполнении полимерных матриц стеклянными, углеродными, борными, базальтовыми, органическими и другими волокнами, недостаточно объяснить только долевым превосходством последних. Свойства волокон значительно отличаются от свойств отверждающихся и термопластичных матриц по большинству показателей, прежде всего механическим свойствам. Например, превосходство волокон по прочности, модулю упругости и твердости может достигать 2-х порядков величин, что и дает им право называться «армирующими волокнами». Преобладающее влияние свойств этих волокон в составе армированных ПМК нередко имеет следствием то, что приблизительные расчеты конструкций изделий из этих композиционных материалов иногда осуществляют без учета соответствующих характеристик полимерных матриц.
В отличие от дисперсных наполнителей в пластмассах, непрерывные волокна в армированных ПМК образуют непрерывную фазу, определяя тем самым уровень не только механических, но и некоторых функциональных свойств таких, как, например, тепло- и звукопроводности, износо- и теплостойкости, электромагнитной и радиационной проницаемости.
Возможность регулировать размещение непрерывных армирующих волокон в объеме ПМК позволяет добиваться анизотропии свойств, задавая ее как по направлениям относительно векторов сил нагружения или других факторов внешнего воздействия (тепловых, электромагнитных и т. д.), так и по уровню характеристик необходимых свойств [10].
Методы и методики исследования
Разработкой базальтонаполненных композитов на основе реактопластич-ных связующих занимается ряд научных коллективов, о чем свидетельствуют опубликованные работы [239,248,252,253,257,267,275,279,282]. Однако технологии совмещения компонентов многостадийны, связаны с применение растворителей, трудо- и энергоемки. Кроме того, проникновение молекул олигомера, имеющих достаточно большой размер, в ориентированную структуру волокна затруднено, что снижает качество пропитки наполнителей.
Представленные в данной главе диссертации исследования, направлены на разработку поликонденсационного способа совмещения основных компонентов, являются приоритетными и техническая новизна данного решения защищена патентом [379].
В работе для выявления общих физико-химических закономерностей ПССК проведены исследования с различными по природе армирующими нитями: углеродными, стеклянными и базальтовыми. Перспективность данного метода заключается в том, что нити пропитываются не олигомером, а смесью мономеров фенола и формальдегида. Этот метод обеспечивает следующие преимущества: - меньшая стадийность; - широкие возможности направленного регулирования свойств компонентов и повышение их эксплуатационных характеристик.
Технологическая схема поликонденсационного способа совмещения компонентов включает стадии: пропитка нитей смесью мономеров; 105 синтез резольного фенолформальдегидного олигомера (ФФО) из фенола и формальдегида (при соотношении 1:1,4) в присутствии щелочного катализа тора - гидроксида натрия на поверхности нити при температуре 90+50С и про должительности синтеза 90+2 минут; сушка препрега при температуре 120+50С в течение 30+2 минут. Формование изделий из прессматериала осуществляется методом прямого прессования при температуре 155+50С, давлении 25+2 МПа, скорости отверждения - 3 мин/мм.
В данной работе для выбора параметров синтеза и сушки препрегов базальтовые, стеклянные или углеродные нити помещали в лабораторный реактор, который наполняли определенным количеством смеси мономеров. Синтез проводили при температуре 90±5С, обеспечивающей достаточно высокую скорость синтеза, а продолжительность варьировали в интервале 60-120 минут.
Физико-химические процессы, происходящие при синтезе препрегов оценивали по содержанию гель-фракций, отбирая пробы через определенные промежутки времени от начала процесса синтеза. Отмечено как инициирующее влияние нитей всех видов на процесс синтеза ФФО, так и различный характер этого влияния (рис.4.1). Так синтезируемый олигомер в системе с углеродной и базальтовой нитями (рис. 4.1, кр.1 и 2) проявляет активную способность к формированию сетчатых структур уже на ранних стадиях реакции - степень отверждения через 15 минут составляет 25%, в то время как состав со стеклонитью (рис. 4.1, кр.3) за этот временной период отверждается лишь на 17%, и, только через 90 минут процесс синтеза в присутствии всех армирующих нитей выравнивается, достигая степени отверждения 67 %, которая при дальнейшем увеличении продолжительности процесса синтеза до 120 минут существенно не изменяется. Таким образом, продолжительность синтеза не должна превышать 90 минут.
О физико-химических процессах происходящих при синтезе ФФО судили также по изменению вязкости синтезируемой системы. На примере состава содержащего УН показано, что возрастание вязкости реакционной смеси наблюдается уже впервые 15 минут от начала реакции (рис. 4.2) по сравнению с нена-полненной системой, что свидетельствует об изменении молекулярной массы олигомера в связи с появлением пространственных структур в объеме. Увеличение продолжительности синтеза приводит к закономерному возрастанию вязкости системы, но с несколько меньшей интенсивностью, чем на начальной стадии реакции.
По окончании процесса синтеза олигомера производится сушка – наиболее ответственная технологическая операция, поскольку, являясь термореактивными полимерами, резолы, имеющие реакционноспособные метилольные группы, при нагревании могут переходить в неплавкое нерастворимое состояние [317,380,381]. В процессе сушки при температуре 120±5С удаляются летучие продукты: вода, формальдегид, некоторые побочные продукты реакции и часть непрореагировавшего фенола, происходит также и дальнейшая поликонденсация, сопровождающаяся увеличением вязкости олигомера и уменьшением содержания свободного фенола. Продолжительность сушки препрега по завершении процесса синтеза устанавливали экспериментально, определяя остаточное содержание летучих продуктов в нем через определенные интервалы времени. При этом использовали 2 варианта:
Технологическое время сушки может быть значительно сокращено за счет применения вакуума или проточного горячего воздуха. В соответствии с [317] параметры процесса сушки выбраны корректно, если время в течение которого 1 г олигомера при 1500С на полимеризационной плитке переходит в неплавкое и нерастворимое состояние за время 50с. Такое время для синтезируемого олигомера составляет 62с.
По выбранному режиму поликонденсационного способа совмещения компонентов были изготовлены препреги, а также препреги были получены традиционным способом - пропиткой нитей готовым олигомером. Переработка пре-прегов методом прессования показала, что препреги, полученные ПССК характеризуются хорошей прессуемостью и меньшей потерей олигомера (до 6 %), по сравнению с препрегами, полученными ТМ, для которых потери массы составляют 8%.
Потери массы по стадиям процесса синтеза олигомера и формирования угле-, стекло- и базальтопластиков из препрегов, полученных методом поликонденсационного совмещения компонентов близки и представлены в табл.4.1.
Активация поверхности армирующих базальтовых нитей
Одно из ведущих мест в общем объеме производства и потребления пластмасс принадлежит полиэтилену (ПЭ). Это обусловлено экономической эффективностью его производства и применения, наличием сырьевой базы, хорошей перерабатываемостью в изделия экструзией, литьем под давлением, термоформованием листов и пленок, сочетанием в полимере ценных эксплуатационных и технических характеристик.
В ряде случаев для получения изделий различного функционального назначения и в зависимости от метода переработки модифицируют существующие и создают новые композиционные материалы на основе ПЭ. Для создания конкурентоспособного ПМК необходимо его удешевление без ухудшения характеристик, что возможно за счет применения дешевых наполнителей, таких, как базальтовая вата.
С целью выбора оптимальных составов композиций на основе полиэтилена разработана математическая модель с применением метода полного факторного эксперимента и градиентного метода оптимизации. Параметрами оптимизации для состава на основе полиэтилена низкого давления (ПЭНД) служили ударная вязкость (Y1), изгибающее напряжение (Y2) и твердость по Бринеллю (Y3), а в качестве факторов - содержание наполнителя в композиции (Х1), температура (Х2) и давление (Х3) литья под давлением (табл. 8.6). . Критерий КохренаGp находили с помощью отношения максимальной оценки дисперсии к сумме всех дисперсий: и сравнивали с табличным значением критерия Кохрена Gтабл, выбираемым из [419-421] при определенных значениях общего количества дисперсий N и числом степеней свободы /, связанным с каждой из них как f = к-\. Опыты считаются воспроизводимыми, а оценка дисперсии однородной, при выполнении условия GGтабл. Усреднение оценки однородных дисперсий позволяет дать оценку дисперсии воспроизводимости:
Для ПМК на основе полиэтилена и базальтовой ваты расчетные данные и выводы о воспроизводимости результатов по каждому параметру оптимизации сведены в табл. 8.8.
В числителе дроби (12) находится большая, а в знаменателе - меньшая из указанных оценок дисперсий.
По результатам уравнений регрессии можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на физико -механические характеристики полимерных композиционных материалов оказывает содержание наполнителя, выбранное в качестве параметра оптимизации, поскольку во всех трех полученных уравнениях регрессии максимальные коэффициенты у фактора Хь
На основании полученных данных при оптимизации состава градиентным методом, в качестве основного фактора выбрали количество наполнителя в композиции (Xi), а критерием оптимальности служило изгибающее напряжение
- Обобщая результаты исследований, можно заключить, что базальтовая вата, отработавшая эксплуатационный период как теплоизоляция, может быть использована для армирования фенопластов и полиэтилена при изготовлении изделий широкого спектра назначения.
- Выявлено сохранение свойств базальтовой ваты в процессе эксплуата ции, т.к. базальтопластики на основе бывшей в эксплуатации и исходной ба зальтовой ваты характеризуются практически одинаковыми физико- механические показателями
- Установлено повышение физико-химических и механических свойств разработанных композитов, наполненных базальтовой ватой, что позволит сни зить стоимость ПМК, т.к. в настоящее время базальтовая вата не используется и вывозится на свалку.
Получение базальтопластиков на основе базальтовой ваты и фенол-формальдегидного связующего
Эпоксидная смола и ТХЭФ из емкостей 1 и 2, которые снабжены дозирующими насосами 6, подаются в смеситель 5, где происходит смешение компонентов в течении 10 минут.
Затем в смеситель 5 из емкости 4 подается измельченный базальт. Перемешивание происходит при комнатной температуре в течение 10 минут.
Далее смесь самотеком поступает в смеситель 7, куда из емкости 3 насосом 6 подается отвердитель ПЭПА. Для предотвращения отверждения и повышения срока сохранения вязкотекучего состояния, смеситель охлаждается холодной водой через рубашку темперирования. В смесителе осуществляется смешение и вакуумирование.
Из смесителя 7 эпоксидная композиция подается в литьевую установку 8, осуществляющую впрыск под давлением и заливку деталей.
Транспортером 9 изделие подается на стеллажи 10, которые после заполнения проходят в камеру хранения 11 на стадию холодного отверждения при температуре около 30 оС, в течение 24 часов. Далее отвержденные изделия подаются в термокамеру 12, где происходит термообработка изделий при температуре 90 оС в течение 0,5 часа. Полученные изделия перевозят на стадию упаковки, а затем на склад готовой продукции.
Наработана опытная партия эпоксидных компаундов, наполненных дисперсным базальтом, для деталей корпуса троллейбуса в ЗАО «Троллейбусный завод» (акт от 02.03.2011 г.). Изготовленные изделия имеют бездефектный внешний вид и не требуют подготовки поверхности перед нанесением лакокрасочных покрытий, что существенно снижает трудоемкость данной операции (Приложение 8).
1. Доказана эффективность и целесообразность использования для наполнения полиэтилена и эпоксидной смолы измельченного базальта, не перерабатывая его в волокна.
2. Установлено повышение физико-химических и механических свойств композиций, наполненных базальтом, что позволяет расширить области применения базальта для создания ПМК широкого спектра использования.
3. Сравнение физико-механических свойств наполненного полиэтилена показало, что физико-механические свойства выше для ПЭ наполненного базальтовой ватой, чем базальтом. Это связано с тем, что в случае с базальтовой ватой наблюдается эффект армирования микроволокном.
4. Выявлено влияние базальта на показатели горючести ПМК на основе полиэтилена и эпоксидной смолы: повышается кислородный индекс, снижается время самостоятельного горения, уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе.
В последние годы значительно возрос интерес к базальтовым тканям, которые предназначены для изготовления конструкционных базальтопластиков. Ткани вырабатываются из базальтовых крученных комплексных нитей на прямых замасливателях или аппретированные. Нити из базальта и полученные из них ткани достаточно успешно заменяют стеклянные волокна при изготовлении композитов, работающих при повышенных температурах и в агрессивных средах. БТ с поверхностной плотностью от 160 до 470 г/м2 могут быть использованы для производства рулонированного БП. В данной работе при производстве кровельного базальтопластика совмещение БТ и термопластичной матрицы проводили следующим образом: базальтовую ткань помещали между одним или двумя слоями полиэтиленовой пленки и пропускали сформиванный пакет через нагретые валы каландра.
Полученные БП (табл.10.1) характеризуются достаточными тепло- и водостойкостью. Однако, прочностные характеристики полученного композиционного материала соответствуют прочности базальтовой ткани, поэтому для улучшения физико-механических свойств варьировали технологические параметры получения образцов (табл. 10.2).
Для выбора режима формования базальтопластика изменяли следующие параметры: давление варьировали от 3 до 5 МПа, температуру от 115 до 1500С, время каландрования от 30 до70 с.
Как показали исследования (табл. 10.1, 10.2), наиболее рациональными параметрами каландрования являются температура давление Р=3 ± 0,2 МПа, Т=140 ± 50С, время каландрования т = 50 ± 5с. Получаемые при данных услови 222 ях базальтопластики характеризуются более высокими физико-механическими характеристиками.
Для выбора необходимого количества слоев полиэтиленовой пленки, сочетали от двух до четырех ее слоев с БТ, располагая базальтовую ткань между слоями пленки, и полученный пакет подвергали термообработке на валах каландра, что обеспечивало монолитность получаемого рулонного материала.
Разработанный пленочный материал с 4 слоями ПЭ устойчив к знакопеременным температурам, водонепроницаем и сохраняет гибкость при температуре минус 200С (табл. 10.3). После выдержки разработанного рулонного материала в течение 24ч. в воде физико-механические свойства также не изменяются. Разработанные материалы отвечают требованиям, предъявляемым к кровельным материалам ГОСТом 30547-97.
Перспективно использование вторичного сырья, в связи с чем получали ПЭ пленки из вторичного сырья. Анализ физико-механических свойств таких пленочных материалов показал возможность использования пленок из вторичного ПЭ в производстве рулонированных материалов, что также позволяет снизить загрязнение окружающей среды отходами полимеров.
ПМК, полученный с двумя слоями полиэтиленовой пленки (по одному с каждой стороны базальтовой ткани) не выдержал испытания на водонепроницаемость, что исключает его применение в качестве кровельного и гидроизоляционного материла (табл. 10.3).
При изменении способа совмещения компонентов формировали пакет в следующей последовательности: способ 1 - 2 слоя ПЭ + БТ +2 слоя ПЭ, сформированный пакет прокатывался между валами каландра; способ 2 – 1 слой ПЭ + БТ +1 слой ПЭ, сформированный пакет прокатывался между валами каландра, затем для придания материалу ровной и гладкой поверхности и повышения гидроизолирующих характеристик, полученный ру 223 лонный материал дополнительно покрыли полиэтиленовой пленкой с нижней и верхней стороны и прокатывали между валами каландра.
Как показали исследования (табл. 10.4), изменение способа совмещения ПЭ пленки с базальтовой тканью привело к значительному увеличению (на 37%) прочностных показателей разработанного ПМК.
