CC BY
137
УДК 608.1, 661.683.3
Т.В. Карпова
ООО «Научно-производственное предприятие „Возрождение“»,
Пермь, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕГОРЮЧЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ
С целью определения группы горючести и деформационных характеристик при нормальных и повышенных температурах проведены испытания образцов на основе жидкого стекла с различными армирующими материалами. Установлено, что композиты, армированные стекло-матом, являются негорючими (имеют категорию пожарной опасности НГ). Материалы, матрицей которых является жидкое стекло, армированное стекломатом и базальтовой тканью, в диапазоне температур 20-700 °С демонстрируют более стабильные свойства по сравнению с композитами на основе полиэфирных смол.
Ключевые слова: негорючий композиционный материал, стекломат, базальтовая ткань, полиэфирное связующее, жидкое стекло, экспериментальные методы, деформационные и прочностные свойства.
T.V. Karpova
Scientific productionenterprise «Vozrozhdenie Ltd», Perm, Russia
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF DEFORMATION CHARACTERISTICS FOR MATERIALS BASED ON MINERAL MATRIXES
The tests of liquid glass based samples with different reinforcement aggregates have been carried out to define the groups of inflammability, deformation properties under standard and higher temperature conditions. It has been found out that glass-fiber mat composites are inflammable (present the category of fire danger NG). Materials based on liquid glass matrixes and reinforced by glass-fiber mat or basalt-fiber texture have demonstrated within the temperature range from 20 up to 700 °C more stable properties by a contrast to composites based on polyester matrixes.
Keywords: inflammable composites, glass-fiber mat, basalt-fiber texture, polyester matrix, liquid glass, experimental methods, deformation and strength properties.
Композиционные материалы (КМ) на основе полимерных смол наряду с известными достоинствами (высокие физико-механические характеристики, хемостойкость) имеют существенный недостаток -
низкую теплостойкость и горючесть. На рис. 1 и 2 отражено падение физико-механических характеристик стеклопластиков на основе эпок-сивинилэфирных смол при повышенных температурах. Так, например, модуль упругости стеклопластика на основе смолы Derakane 411 при температуре 120 °С падает в 16,2 раза в сравнении с 20 °С, а прочность -в 9,9 раз. Модуль упругости стеклопластика на основе смолы Derakane 470 при температуре 150 °С в срвнении с 20 °С падает в 2,43 раза, а прочность - в 2,3 раза.
-2
\ V
\
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
т,° С
Рис. 1. Изменение модуля упругости (Е) КМ (стеклопластика) при повышенных температурах: 1 - Бегакапе 411+ТР-0,25; 2 - Бегакапе 470+стекломат
Необходимость обеспечения пожаростойкости технологического оборудования из КМ в категории НГ и Г1 заставляет исследовать связующие на негорючей основе, к которым относятся минеральные вяжущие вещества, подразделяемые, в свою очередь на воздушные, твердеющие и сохраняющие прочность только на воздухе (гипсовые, магнезиальные, воздушная известь, жидкое стекло); гидравлические, твердеющие и набирающие прочность как на воздухе, так и в воде (гидравлическая известь, портландцемент, глиноземистый цемент); автоклавного твердения (известково-глиноземистые, известково-шлаковые, нефелиновые цементы).
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
т,°с
Рис. 2. Изменение предела прочности (о) КМ при повышенных температурах: 1 - Бегакапе 411+ТР-0,25; 2 - Бегакапе 470+стекломат
Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы и некоторые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности. Наибольший интерес представляет жидкое стекло, так как является экологически чистым, нетоксичным, пожаробезопасным, дешевым и доступным сырьем, обладающим регулируемыми плотностью и силикатным модулем, а также позволяющим использовать его в технологии, по которой получают КМ на основе полимерных материалов.
В рамках исследовательской программы было изготовлено шесть видов образцов на основе жидкого стекла (натриевого) с разным армирующим материалом.
Образцы на основе жидкого стекла и стекломата, используемого в качестве армирующего материала, были подвергнуты испытаниям на определение показателей пожарной опасности по ГОСТ 30244-94. Испытания проводились на метрологически аттестованном оборудовании: установка для определения группы горючести строительных материалов «Шахтная печь». Образцы закреплялись вертикально в держателе и подвергались воздействию заданной температуры внутри печи не менее 30 минут. В процессе проведения испытаний регистрировались следующие показатели: изменение температуры в печи; про-
должительность устойчивого пламенного горения и потери массы образцов после проведения испытаний. В результате испытаний при воздействии высокой температуры образцы сохранили свою форму и были признаны негорючими, т.е. имеющими категорию пожарной безопасности НГ.
Пять видов образцов было исследовано на определение деформационных характеристик при нормальной температуре, 20 °С:
Образец № 1 - жидкое стекло с ОПВ (остаток после выщелачивания);
Образец № 2 - жидкое стекло с песком;
Образец № 3 - жидкое стекло с купершлаком;
Образец № 4 - стекломат, пропитанный жидким стеклом;
Образец № 5 - ткань базальтовая, пропитанная жидким стеклом.
Испытания образцов № 1-3 проводились на электромеханической испытательной машине 1ш1хоп 5882 в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, которая используется для статических испытаний широкой гаммы материалов на растяжение-сжатие, а также на трехточечный и четырехточечный изгиб. Образцы № 4-5 испытывались на четырехточечный изгиб на оборудовании ОАО «УНИИКМ».
В результате испытаний были определены модуль упругости и предел прочности данных образцов (табл. 1). Из табл. 1 видно, что модуль упругости и предел прочности изотропных материалов (образцов № 1-3) выше, чем анизотропных (образцов № 4-5), но данные материалы могут быть применены в основном в строительных работах, а для изготовления сложного оборудования методом намотки, формования (с использованием армирующего наполнителя) преемственной является технология изготовления ПКМ, по которой получены образцы № 4-5. На основе образцов № 4-5 были проведены испытания при повышенных температурах, в ходе которых было испытано 2 группы образцов на четырехточечный изгиб: первая группа - в качестве армирующего материала применялся стекломат, вторая группа - армирующий материал базальтовая рогожа. Изменение деформационных характеристик при повышенных температурах показано на рис. 3 и 4. Так, в интервале температур 20-100 °С происходит падение модуля упругости и предела прочности образцов на основе жидкого стекла со стек-ломатом в среднем в 2,86 раза, которое сокращается до 2,6 раз в интервале температур 100-700 °С.
Рис. 3. Изменение предела прочности (о) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах: (армирующий материал: 3 - стекломат, 4 - базальтовая рогожа)
Рис. 4. Изменение модуля упругости (Е) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах (армирующий материал: 3 - стекломат, 4 - базальтовая рогожа)
Для образцов же на основе жидкого стекла и базальтовой рогожи изменение значений модуля упругости и предела прочности разное: в интервале температур 20-100 °С происходит падение модуля упругости в 4,7 раза, а предела прочности - в 2 раза; в интервале температур 100-700 °С падение сокращается до 0,95 и 1,17 раз соответственно. Значения модуля упругости и предела прочности данных образцов, полученные при испытании, отражены в табл. 2.
Таблица 1
Деформационные характеристики образцов на основе жидкого стекла
Номер образца Температура испытаний, °С Размеры образца, мм Е, ГПа о, МПа
1 20 180x29x10 3 23,9
2 20 180x29x10 7,78 26,83
3 20 180x27x11 12,7 32,82
4 20 195x28x10 4,57 17,5
5 20 178x28x9 3,92 11,3
Таблица 2
Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах*
Связующее Наполни- тель Е (ГПа) при температуре (°С) о (МПа) при температуре (°С)
20 60 100 700 20 60 100 700
Жидкое стекло Стекломат 4,57 2,05 1,57 0,57 17,5 7,6 6,1 2,45
Базальтовая рогожа 3,92 1,82 0,83 0,87 11,3 8,65 5,65 4,82
* Ширина испытываемых образцов 28-30мм.
Ширина образца существенно влияет на результат испытаний. Так, образцы шириной 20 мм занижают результат испытаний (фактический модуль упругости Е) для анизотропного материала в среднем на 35 %, это вызвано влиянием «эффекта перерезанных нитей», поэтому значение модуля упругости испытанных образцов будут выше в среднем на 35 % (табл. 3).
Таблица 3
Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах с учетом влияния «эффекта перерезанных нитей»
Связующее Наполнитель Е (ГПа) при температуре (°С)
20 60 100 700
Жидкое стекло Стекломат 6,17 2,77 2,12 0,77
Базальтовая рогожа 5,29 2,46 1,12 1,17
Образцы на основе жидкого стекла демонстрируют более стабильные показатели деформационных характеристик при повышенных температурах, чем образцы на полимерной основе. Так, например, для образцов на основе смол Бегакапе в интервале температур 20-150 °С падение модуля упругости происходит в среднем в 9,3 раза, для образцов же на основе жидкого стекла в интервале температур 20-100 °С -в 3,8 раза, а в интервале 100-700 °С падение сокращается в среднем до 1,85 раз; падение предела прочности происходит в среднем в 6,1 раза для образцов на основе смол Бегакапе, а для образцов на основе жидкого стекла в 2,44 с сокращением до 1,83 раза в данных интервалах температур соответственно.
Таким образом, КМ на основе жидкого стекла в интервале температур 100-700 °С, имея невысокие, но стабильные деформационные характеристики, остаются работоспособными, поэтому являются перспективными материалами, позволяющими получать на традиционном для ПКМ оборудовании материал негорючий, экологически чистый, химстойкий (кроме ИР), с высокой теплостойкостью (до 700 °С), а также конкурентноспособный.
Библиографический список
1. Айлер Р. Химия кремнезема: пер. с англ. - 4.1. - М.: Мир, 1982 -
416 с.
2. Бородина И.А. Технология и физико-химические свойства композиционных материалов на основе природных силикатов и ненасыщенных полиэфирных смол: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Томск, 2005. - 20 с.
3. Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. -СПб.: Стройиздат, 1996. - 216 с.
4. Лебедева Т.А. Ячеистые стеновые материалы на основе минерализованных пен из жидкого стекла: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Томск, 2004. - 27 с.
5. Скорина Т.В. Структурообразование в композициях на основе растворимых силикатов щелочных металлов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 2010. - 19 с.
6. Старовойтова И.А. Гибридные органо-неорганические связующие, полученные по золь-гель технологии, и их практическое использование в композиционных материалах // Известия КазГАСУ. -2010. - №2 (14). - С. 273-277.
References
1. Ailer R. Silica chemistry [Khimiya kremnezema] English translation. Vol. 1. M.: Mir, 1982. 416 p.
2. Borodina I.A. Technology and physical and mechanical properties of composite materials based on the native silicate and nonsaturated polyester resin. [Tehnologiya i fiziko-himicheskie svoistva kompozicionnih mate-rialov na osnove prirodnih silikatov i nenasischenih poliefirnih smol.] // PhD thesis. Technical science applicant. Tomsk, 2005. 20 p.
3. Korneyev V.I., Danilov V.V. Soluble and liquid glass [Rastvorimoe
i zhidkoe steklo]. SPb: Stroyizdad, 1996. 216 p.
4. Lebedeva T.A. Cellular walling based on mineralized liquid glass foam [Yacheistie ctenovie materiali na osnove mineralizovannih pen iz zhidkogo stekla] // Abstract of a thesis. Technical science applicant. Tomsk, 2004. 27 p.
5. Skorina T.V. Structure formation in composite based on soluble silicate of alkaline metal. [Strukturoobrazovanie v kompoziciyah na osnove rastvorimih silikatov schelochnih metallov] // Abstract of a thesis. Technical science applicant. M., 2010. 19 p.
6. Starovoitova I.A. Hybrid organomineral binding agents obtained by sol-gel method and practical one’s use in composite materials. [Gibridnie organo-neorganicheskie svyazyuschie, poluchennie po zol-gel tehnologii i ih prakticheskoe ispolzovanie v kompozitsionnih materialah] // Izvestiya KazGASU. 2010. №2 (14). P. 273-277.
Об авторах
Карпова Татьяна Владимировна (Пермь, Россия) - инженер-технолог I категории ООО «Научно-производственное предприятие „Возрождение“» (614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, 15, e-mail: karpova_tv@list.ru).
About the authors
Karpova Tatyana Vladimirovna (Perm, Russia) - Engineer - technologist I cat. Scientific productionenterprise Vozrozhdenie Ltd (614000 str. Peter And Paul 15, Perm city, Russia, e-mail: karpova_tv@list.ru).
Получено 28.10.2011
