Введение к работе
Актуальность исследования. Введение дисперсных минеральных наполнителей в полимеры позволяет получать пластические массы с заданным сочетанием свойств, обеспечивает расширение сырьевой базы и ассортимента наполнителей, приводит, в ряде случаев, к удешевлению полимерных материалов. Это, в свою очередь, определяет стремительный рост производства дисперсно-наполненных пластических масс. Многообразие дисперсных наполнителей и полимерных связующих, используемых при создании дисперсно-наполненных пластмасс, делает актуальными исследования процессов структурообразования, определяющих технологические и эксплуатационные характеристики композитов, технологию их получения и переработки при разработке более прогрессивных технологий формования изделий, позволяющих автоматизировать технологические процессы, создании новых композиционных материалов.
Полимерные композиты являются гетерогенными системами с четкой границей раздела фаз. В зоне контакта меняется состав полимерной матрицы, её структура, что обусловлено формированием отличающейся по свойствам от исходных компонентов границы раздела полимер- наполнитель (межфазного слоя). Реактопласты на поверхности наполнителя отверждаются с более высокой скоростью, кристаллизация термопластов приводит к образованию слоя с повышенной плотностью и жёсткостью, степенью кристалличности, увеличению сцепления полимера с наполнителем. Между наполнителем и полимером могут возникать специфические взаимодействия. Структура полимерных композитов также определяется характером распределения компонентов по объёму изделия, задаваемым интенсивностью деформационного воздействия в процессах их получения и переработки.
Совершенствование технологий получения композитов, формования изделий и выбор технологических параметров напрямую связаны с исследованиями процессов структурообразования дисперсно-наполненных пластических масс, протекающих под действием нестационарных температурных и силовых полей, реализуемых в технологических процессах.
Представленные в работе исследования структурообразования композиционных материалов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным минеральным наполнителем в процессе литья под давлением, минералонаполненного полифениленсульфида, полиолефинов, содержащих в качестве наполнителя охру Гавриловского месторождения при получении и переработке композитов, позволяют решить широкий круг вопросов по созданию и переработке композиционных материалов с дисперсными минеральными наполнителями на основе термореактивных, частично «сшивающихся» и термопластичных полимерных матриц.
Цель исследования заключается в установлении научно- обоснованных закономерностей структурообразования дисперсно- наполненных полимерных композиционных материалов под действием нестационарных температурных и силовых полей в процессах получения и переработки композитов в изделия.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
исследование процессов структурообразования в условиях действия нестационарных температурных и силовых полей при переработке полимерных композитов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным минеральным наполнителем (термореактивная полимерная матрица), при получении и переработке композиционных материалов на основе полифениленсульфида со стеклонаполнителем (частично «сшивающаяся» полимерная матрица), полиолефинов с охрой (термопластичная кристаллизующаяся полимерная матрица);
математическое описание процессов течения и структурообра- зования полимерных композитов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным наполнителем в нестационарных условиях литья под давлением, учитывающее влияние наполнителя и наличие внутренних источников тепла вследствие экзотермической реакции отверждения связующего, протекающей по радикально-цепному механизму;
установление зависимостей, связывающих параметры структу- рообразования полифениленсульфида в условиях действия стационарных и нестационарных температурных и силовых полей, реализуемых в технологических процессах получения и переработки стеклонаполненных композитов, со структурными, технологическими и эксплуатационными характеристиками дисперсно-наполненных пластмасс на его основе;
определение параметров структуры дисперсного наполнителя - охры, условий образования границы раздела фаз и структурных параметров дисперсно-наполненных материалов на основе полиэтилена и полипропилена в зависимости от воздействия стационарного теплового поля; установление функциональной зависимости между технологическими и эксплуатационными показателями и структурой, составом композиционных материалов на основе охры и полиолефинов;
оптимизация технологий формования изделий из композитов на основе ненасыщенных полиэфиров с гибридным наполнителем, получения и переработки стеклонаполненных композитов на основе полифени- ленсульфида, полиолефинов с охрой на основе установленных закономерностей структурообразования в дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалах под действием нестационарных силоскоростных и температурных полей.
Научная новизна. Исследован процесс течения полимерных композитов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным минеральным наполнителем в условиях действия нестационарных температурных и силовых полей, реализуемых при литье под давлением, и разработана модель течения с учётом структурирования связующего.
Показано, что отверждение полимерных композитов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным минеральным наполнителем контролируется зависимостью интенсивности тепловыделений внутренних источников тепла от времени процесса, получено математическое описание, учитывающее влияние теплового воздействия и геометрических параметров изделия.
Изучены закономерности структурирования линейного полифени- ленсульфида и дисперсно-наполненных композиционных материалов на его основе под действием стационарных и нестационарных тепловых и си- лоскоростных полей, инициаторов и стабилизаторов радикальных реакций.
Установлена зависимость характеристик структуры, технологических и эксплуатационных свойств дисперсно-наполненных композиционных материалов на основе полифениленсульфида от параметров образования пространственно-сшитой структуры полифениленсульфида.
Установлено влияние стационарного теплового воздействия на структурные характеристики охры и дисперсно-наполненных материалов с полиолефинами.
Изучены физико-химические процессы, протекающие при получении и переработке дисперсно-наполненных охрой полиэтилена и полипропилена и их влияние на структуру, технологические и эксплуатационные свойства композитов.
Практическая значимость. Даны рекомендации по организации процесса литья под давлением премикса ПСК-5Н ОАО «Стеклопластик», позволившие создать методику расчёта литниковых систем литьевых форм, которые были включены в РТМ «Технология формования изделий из премиксов методом литья под давлением».
Даны рекомендации по производству термостойких литьевых изделий композиционных материалов на основе полифениленсульфида. Их опытное производство осуществлено на Кировобадском приборостроительном заводе: получены изделия конструкционного и антифрикционного назначения, отвечающие техническим требованиям. Опытный выпуск партии изделий электротехнического назначения был осуществлён на Полтавском механическом заводе.
Определены свойства охры Гавриловского месторождения в Кузбассе как наполнителя для термопластов и определены технологические и эксплуатационные свойства композиций с полиэтиленом и полипропиленом.
Разработаны технические условия на композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя охру Гавриловского месторождения в Кемеровской области, и рекомендации по переработке их в изделия общетехнического назначения. По выданным рекомендациям осуществлён выпуск опытной партии полиэтилена, наполненного охрой на ОХЗ «Полимер», г. Кемерово, получены опытные партии литьевых изделий общетехнического назначения из композиций полипропилена и полиэтилена с охрой на предприятии ООО «Реал-пластик», г. Кемерово.
Материалы диссертационного исследования использованы при чтении дисциплин «Полимерные композиционные материалы» и «Технология переработки полимеров» в ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет». Разработки, носящие прикладной характер, защищены авторским свидетельством № 4664833 и подтверждены актами внедрения названных выше предприятий. Технические решения служат методологической основой для дальнейших разработок по созданию новых композитов на основе полифениленсульфида, полиолефинов и изделий из них.
Положения, выносимые на защиту:
математическое описание процесса структурирования дисперсно-наполненных ненасыщенных полиэфирных смол в условиях действия нестационарного температурного поля, позволяющее контролировать и прогнозировать технологический процесс формования изделий методами прессования, литья под давлением, номограмма для выбора параметров структурирования в зависимости от интенсивности теплового воздействия и геометрических параметров изделия;
механизм течения полимерных композитов на основе ненасыщенных полиэфирных смол с гибридным минеральным наполнителем в условиях действия нестационарных температурных и силовых полей, реализуемых при литье под давлением, математическое описание процесса течения, учитывающее интенсивность теплового и силового воздействия на композит, процесс структурирования связующего;
нелинейные зависимости, связывающие параметры структурирования с технологическими и эксплуатационными характеристиками дисперсно-наполненного полифениленсульфида, на основе которых определены оптимальные значения параметров технологических процессов;
технология получения композиционных материалов инженерно-технического назначения с повышенной теплостойкостью на основе линейного полифениленсульфида, включающая в себя термическую обработку, обеспечивающую улучшение технологических и эксплуатационных свойств связующего за счёт протекания реакций разветвления и сшивки, кинетические показатели реакций регулируются содержанием и свойствами минерального наполнителя, интенсивностью термического воздействия, введением инициирующих и стабилизирующих добавок;
закономерности поведения охры под действием стационарных и нестационарных тепловых полей;
- физико-химические основы получения композиционных материалов общетехнического назначения на основе охры и полиолефинов.
Апробация работы. Результаты исследований, приведённые в диссертационной работе, докладывались на 23 международных, всесоюзных, республиканских и региональных симпозиумах и научно-технических конференциях, в том числе: «Технология изделий из полиэфирных премиксов и препрегов», Москва, МДНТП, 1975; «Реология» XIII Всесоюзный симпозиум, Волгогорад, 1984; «Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса» Томск, 1985; «Технология получения и методы исследования модифицированных полимерных материалов», Устинов 1985; «Полимерные материалы в машиностроении», Устинов, 1986; «Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия» Москва, МИХМ, 1986; «Теплообмен», Минск, 1988; «Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса», Кемерово, 1988; «Прогрессивные полимерные материалы, технологии их переработки и применения», Ростов на Дону, 1988; «Модификация полимерных материалов в процессе их переработки и модификация формованных изделий из них», Ижевск, 1988; VI Всесоюзная конференция по горению полимеров и созданию ограниченно горючих материалов, Москва, 1988; «Теплостойкие полимерные материалы и особенности производства изделий на их основе», Москва, МДНТП, 1991; «Сибресурс-95», Кемерово, 1995; «Полифункциональные химические материалы и технологии», Томск, 2000; VI конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» Новосибирск, институт катализа СО РАН, 2000; "Химия - ХХ! век: новые технологии, новые продукты", Кемерово, 2002, 2004, 2009.
Результаты разработок были представлены на выставках и награждены золотой медалью и дипломами «ЭКСПО-Сибирь».
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано более 50 работ. Среди них 30 статей в журналах и сборниках, 16 тезисов международных и всероссийских конференций, в том числе 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 245 страницах печатного текста, в том числе приложения на 34 страницах, содержит 67 рисунков, 57 таблиц. Библиография включает 238 наименований литературных источников.
Похожие диссертации на Технология получения и переработки литьевых полимерных композиционных материалов конструкционного назначения на основе матриц различной природы
