CC BY
32
ВЛИЯНИЕ ВИДА И СТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Старов В.Н., профессор, д.т.н., профессор, Федянин В.И. заведующий кафедрой, д.т.н., Хаустов С.Н., начальник кафедры, к.т.н., ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России Внуков А.Н. к.т.н., ВУНЦ ВВС «ВВА» МО России
Рассмотрено влияние вида и структуры композиционных фторопластовых материалов в повышении огнестойкости изделий из них.
Важными причин пожаров и взрывов на промышленных объектах помимо нарушения мер безопасности и технологического режима являются неисправности электрооборудования, запорной арматуры, отсутствие заглушек, самовозгорание веществ, а также надежность оборудования, имеющего комплектующие, постоянно подвергающиеся процессам интенсивного износа. Последнее во многом зависит от конструкций этих деталей и материалов, из которых изготовлены триботехнические элементы.
Одним из эффективных направлений, широко апробированным за последние годы, является использование в машинах систем из неметаллических, металл полимерных и сложно полимерных трудно сгораемые материалов, которые под действием огня и высокой температуры с трудом воспламеняются. Эти материалы тлеют или обугливаются только при наличии источника огня, а при его отсутствии горение или тление прекращается.
Так как пожаро- и взрывоопасность объектов определяется параметрами пожароопасности и количеством используемых в технологических процессах материалов, конструктивными особенностями и режимами работы оборудования, а также наличием источников зажигания и условий для быстрого распространения огня, то в ответственных узлах машин, какими являются подшипники скольжения, уплотнительные устройства, направляющие с антифрикционными покрытиями, применяют синтетические трудно сгораемые триботехнические материалы с заранее заданными свойствами и специальные компоненты оборудования.
Отметим, что в современной технике широко используются пневматические, гидравлические и вакуумные системы, в которых роль герметизирующих элементов выполняют уплотнители из полимеров, металлов, пластмасс, резин и других материалов. Важное место в уплотнительной технике сегодня принадлежит эластомерным материалам.
При сравнительно простых технологиях получения сопряженных металлических поверхностей благодаря уникальному комплексу свойств уплотнители из резины обеспечивают высокую герметичность в самых разнообразных условиях эксплуатации. Преимуществом таких уплотнений является простота их изготовления, возможность различного армирования резиновых деталей, а также возможность поагрегатной сборки и взаимозаменяемость изделий и, безусловно, повышенная огнестойкость.
В настоящее время весьма разнообразен ассортимент выпускаемых уплотнителей, например, это прокладки и кольца с различной конфигурацией сечения, монолитные и губчатые уплотнители, резиновые, резинометаллические и резинотканевые манжеты, резинометаллические клапаны, мембраны, диафрагмы, сильфоны, профили и др. Их размеры находятся в широком диапазоне: от миниатюрных (с диаметрами в несколько миллиметров) до достигающих по периметру несколько десятков метров (это длинномерные уплотнения).
Эксплуатационные условия уплотнительных изделий разнообразны, в том числе, жидкие, газообразные, инертные и агрессивные рабочие среды. У них широкий рабочий температурный диапазон: от -60 до +250°С. Такие изделия выдерживают высокие давления (до 100 МПа) и глубокий вакуум (до 10 -11 Па).
Для изготовления резиновых уплотнений в настоящее время применяются многие каучуки специального и общего назначения -бутадиен-нитрильные, бутадиен-стирольные, фторкаучуки, силиконовые, фтор силиконовые и другие. Однако каучук не может удовлетворять все возрастающие требования эксплуатации к уплотнителям, подшипникам скольжения, направляющим и другим узлам, как с эксплуатационных, так и пожароопасных требований. Появление некоторых новых видов каучуков также не изменяет принципиально состояние сырьевой базы, так как стоимость этих материалов высока. Обычно их применяют лишь для изготовления уплотнительных элементов комплектующих изделия уникального назначения. Следовательно, надо искать новые материалы и эффективные конструкции из них.
Перспективным направлением является создание комбинированных материалов из резины с пластмассами, стеклотканями, керамикой. [1, 2]. Такие технические решения широко применяются при изготовлении в резиноармированных манжетах, используемых для быстроходных валов вращения и в соединениях с возвратно-поступательными движениями.
Для придания резине при эксплуатации более высоких физико-механических характеристик применяются композиционные уплотнения, в которых часть функций резин выполняют покрытия из других материалов, более стойких к высоким температурам и агрессивным средам (винилпласты, фторопласты).
Наряду с достаточной огнестойкостью синтетические уплотнительные элементы должны выполнять функции герметизации, упругости, передачи давления. Такая многофункциональность обеспечивает широкое применение эластичных уплотнений, но одновременно ограничивает их использование в условиях все возрастающих требований из-за потерь ряда свойств при эксплуатации. Основные потери свойств происходят локально при трении в зоне контакта с уплотняемым подвижным соединением.
Перспективным материалом, который способен выдержать большие нагрузки, давления, иметь небольшой коэффициент трения и высокую огнестойкость является фторопласт-4 (Ф-4). Применение его в качестве
конструкционного материала элементов оборудования во многом удовлетворяет жестким, в том числе высокоскоростным требованиям эксплуатации.
Однако сам по себе материал, имеющий высокую стойкость к старению, воздействию агрессивных и биологических сред, высокие антифрикционные свойства, из-за низких механических характеристик, невысокой теплопроводности и высоких коэффициентов линейного и объемного термического расширения, не определяет однозначно решение проблемы получения универсального материала с широким диапазоном высоких эксплуатационных и пожаростойких свойств.
Известна классификация использования фторопласта-4. Она подтверждает многоплановость применения фторопласта. Однако, если области применения деталей из чистого фторопласта- 4 уже сформировались [2], то пристальное внимание привлекает к себе создание новых композиционных материалов на основе модифицированного и структурированного Ф-4, которые обеспечивает изделиям из композиционных материалов (КПМ) высокие эксплуатационные свойства.
В настоящее время наибольшее внимание у многих исследователей вызывают следующие перспективные применения КПМ.
Во-первых, это создание композиционных материалов на основе наполненных композиций с использованием объемного каркаса из наполнителей. Ими являются: металлические высокодисперсные порошки (меди, бронзы, олово, железа, вольфрама и др.); минеральные (стекло порошки, каолин, дисульфид молибдена, нитрид бора и др.); на основе углерода (графит, кокс, сажа и др.); волокнистые и тканевые каркасы (стекловолокно, кварцевое стекло, базальтовые усы, асбест и др.) [1, 2, 3].
Вторым направлением считают область композитов на основе фторопласта с пространственным замкнутым каркасом, внутри которого расположен подобный каркас наполнителя. Армирующими металлами для пространственных каркасов обычно являются бронза, олово, свинец, баббиты, т.е. материалы, увеличивающие механическую прочность, жесткость, тепло проводимость и имеющие температуру плавления близкую к температуре переработки фторопласта-4.
Все вышеуказанное присуще материалу фторопласт-4, но при использовании этих пленок из-за низких адгезионных свойств возникает вопрос поиска эффективного способа закрепления пленок из Ф-4 с материалом подложки. Многообразие предложенных решений в некоторой степени обеспечивает решение этих задач, но не все они обеспечивают высокие эксплуатационные свойства изделий из фторопластовых пленок.
Повышение способности материала противостоять разрушению не требует равномерного увеличения энергии всех связей между элементами структуры материала, поэтому особое внимание при создании и эксплуатации изделий из КПМ следует уделять виду и структуре материала, его внутренней конструкции.
При решении задач повышения работоспособности и огнестойкости специальных элементов (компонентов) оборудования и машин, необходимо учитывать следующие положения. Для увеличения прочности изделий из полимерных материалов необходимо, чтобы реализовывались, по крайней мере, два типа связей: 1) прочных, обеспечивающих противодействие разделения тела детали на части; 2) неустойчивых (лабильных), разрывов, перегруппировка которых соответствует рассеиванию энергий, освобождающейся в результате осуществления разрушения (разрыва) материала (пленки, волокна).
Список литературы
1. Лагунов В.С. Системные исследования структурированных полимеров. Монография. [Текст]. В.С. Лагунов, В.Н. Старов, Е.А. Бойков. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. - 151 с.
2. Бартенев Г.М. Физика полимеров. [Текст]. Г.М. Бартенев, Френкель С.Я. -Л.: Химия, 1990. - 432 с.
3. Бикерман Л.О Высокомолекулярные соединения. [Текст]. Л.О. Бикерман. - М.: Наука, 1983. - 144 с.
ТРЕБОВАНИЯ К ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПОЛИМЕРОВ
Старов В.Н., профессор, д.т.н., профессор, Хаустов С.Н., начальник
кафедры, к.т.н.,
ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России Внуков А.Н. к.т.н., ВУНЦ ВВС «ВВА» МО России Федянин В.И. заведующий кафедрой, д.т.н., ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России
Рассмотрены основные требования к эксплуатационным свойствам материалов и деталей из композиционных полимеров в зависимости от вида и структуры композиционных фторопластов.
Многие отечественные предприятия требуют технического переоснащения производства. При этом возросла потребность в не только в новом оборудовании, комплектующих агрегатах и высоко ресурсных механизмах, имеющих не только высокую производительность, но и в новых материалах, имеющих хорошие показатель пожаро- и взрывоопасности.
При этом важным направлением является повышение надежности, долговечности и безопасности изделий, в том числе, за счет использования качественных деталей, обладающих набором высоко ресурсных свойств, например, материалов с малым коэффициентом трения, повышенной износостойкостью, высокими прочностными характеристиками и малыми негативными воздействиями на окружающую природную среду и т. д.
