CC BY
42
УДК 667.64:678.026 Проф. А.В. Букетов, д-р техн. наук;
доц. В.О. Настасенко, канд. техн. наук; проф. B.C. Леонов, д-р техн. наук, проф. В Д. Михайлик, д-р техн. наук; доц. О.1. Скирденко, канд. техн. наук -
Херсонська державна морська академш
КОМПОЗИТН1 МАТЕР1АЛИ - СКЛАД, ВЛАСТИВОСТ1, ВПРОВАДЖЕННЯ
Окреслено перспективи розробки нових епоксидних композитних матерiалiв натепер. Описано напрями розробок полiмерного матерiалознавства у Херсонськш державнш морськш академи. ОбГрунтовано спектр використання розроблених мате-рiалiв i захисних покриттiв на 1х основi в рiзних галузях промисловост Укра1ни. Ключовг слова: покриття, епоксидний композит, матерiали, промисловiсть.
Постановка проблеми. Висока х1м1чна стшюсть до впливу агресив-них середовищ, добр1 д1електричш властивосп, тдвищена зносостшюсть зу-мовлюють широке застосування епоксидних композипв у вигляд1 покритпв для захисту метал1в i 1х сплав1в вщ корозп та спрацювання. Сьогодш компо-зити з епоксидною матрицею ефективно використовують для захисту техно-лопчного устаткування вщ корозп та з метою полшшення ф1зико-механ1чних i теплоф1зичних властивостей деталей машин у багатьох галузях промисло-восп. Однак експлуатацiя технолопчного устаткування в жорстких умовах, зокрема - робота механiзмiв пiд впливом аГресивних середовищ, при знакоз-мшних навантаженнях i високих температурах, зумовлюе пiдвищення вимог до експлуатацiйних характеристик епоксидних композитних матерiалiв (КМ). Тому створення нових матерiалiв з полшшеним комплексом експлуатацiйних характеристик е одним з основних завдань сучасного матерiалознавства.
На експлуатацшш характеристики полiмеркомпозитних матерiалiв впливають такi параметри:
• рухливють молекулярних ланцюгiв, сегментiв, радикалiв, що забезпечуе фор-мування кшетичиих параметрiв системи, конформацiйний набiр i надмолеку-лярну органiзацiю макромолекул;
• мехашзм взаемоди макромолекул матрицi та активних центрiв на поверхнi наповнювачiв, керувати яким можливо введениям дисперсних часток рiзноl активностi вщносио епоксидного зв'язувача (хiмiчноl, магштно!, фiзичиоl);
• температурно-часовi режими формуваиия композиту, яю зумовлюють утво-реиия матерiалу у сташ зовиiшиiх поверхневих шарiв (ЗПШ), що, своею чертою, тдвищуе стутнь зшиваиия матрицi.
Пiд час розроблення систем з регульованими властивостями, зокрема i адгезiйними, необхiдно рацiонально поеднувати властивостi матрицi, iнгредiентiв систем та технолопчш режими формування епоксикомпозитних матерiалiв. Отже, створення полiмеркомпозитних матерiалiв у процеш струк-туроутворення охоплюе увесь комплекс фiзико-хiмiчних процесiв взаемодп макромолекул олтомера з активними центрами на поверхш наповнювача. Одним зi способiв полiпшення фiзико-механiчних властивостей епоксидних композитних покритпв (КП) е введения у матрицю рiзних за хiмiчною природою дисперсних i волокнистих наповнювачiв. Адгезiйна i когезiйна мщнють КП iстотно залежать вiд хiмiчноl активностi поверхнi наповнювача. Змiна кон-
формацiйного набору макромолекул у матрищ навколо часток наповнювача залежить вiд багатьох факторiв: активностi поверхнi наповнювача, реолопч-них властивостей зв'язувача, температурно-часових режимiв формування КМ. Однак за нормальних умов зшивання для рiвномiрного диспергування наповнювача у матрищ та належного змочування часток рщкою фазою олтемера необхщна висока сумiснiсть компонентiв зв'язувача. Адже лише в такому ви-падку вiдбуваються фiзико-хiмiчнi процеси на межi подiлу фаз "олiгомер -наповнювач", "олiгомер - основа". Крiм того, фiзична взаeмодiя мiж шгре-дieнтами КМ на початкових етапах полiмеризащl ускладнюе агрегацiю часток наповнювача, що впливае на адгезiйнi та когезшш властивостi КП.
Наповнення композита з метою пiдвищення експлуатацiйних характеристик матерiалiв при вiдноснiй простои реатзацп е далеким вiд ушвер-сальностi i придатне лише для обмежено! кiлькостi дисперсних наповнюва-чiв, якi вiдзначаються активнiстю до олтомерного зв'язувача. Функцiональнi можливостi епоксидних композита дають змогу iстотно розширити област !х застосування i створити новi методи регулювання 1хньо1 структури та властивостей. Найбшьш важливими е питання впливу температури i тривалосп полiмеризацil на ступiнь зшивання матрищ у ЗПШ та адгезiйнi властивосп систем. Однак такi важливi моменти, як властивост КП, фiзико-хiмiчна взаемодiя часток наповнювача з макромолекулами олтомера, способи та ш-тенсивнiсть теплового впливу залишаються нинi ще не достатньо вивченими, вщсутнш единий науково-обгрунтований пiдхiд до оцiнювання рiзних мето-дiв !х отримання. Виходячи з цього, створення нових матерiалiв на основi епоксидних систем потребуе глибокого вивчення мехашзму !х формування в умовах впливу рiзних зовнiшнiх факторiв, врахування комплексу фiзико-ме-ханiчних явищ, якi визначають процеси мiжфазовоl взаемодп, а також конструкторсько-технологiчне забезпечення процесiв формування.
Дотепер вiдомо традицiйнi методи регулювання експлуатацшних характеристик полiмерних композитiв. Це зокрема: прогнозована змша температури i часу полiмеризацil, тиску i вологостi навколишнього середовища, спiввiдношення мiж компонентами у гетерогенних системах, активнють на-повнювачiв вщносно олiгомерного зв'язувача. Однак перспективними, з на-уково! i практично! точки зору, е способи модиф^вання як компоненпв гетерогенних систем, так i композицiй загалом, енергетичними полями: радь ацiйним, магнiтним, електростатичним, вiбрацiйним i ультрафiолетовим оп-ромiненням. Це дае змогу комплексно полшшити фiзико-механiчнi власти-востi епоксикомпозитних матерiалiв, внаслщок активацп мiжфазовоl взаемодп i регулювання структурних процесiв пiд час формування композита.
Мета роботи - ощнити перспективи i проблеми розробки нових поль мерних композитних матерiалiв для суднобудування Укра!ни.
Постановка проблеми. Як зазначено вище, одним з базових напрямiв розвитку промисловостi е розроблення i виробництво конструкцiйних матерь алiв з наперед заданими властивостями. Щ матерiали витiсняють традицiйну низьколеговану суднобудiвну сталь, як сталь, що у позаминулому столiттi потiснила деревину, i стануть важливим елементом майбутньо! технолопчно!
революцп на водному транспорт^ Розробки повинш включати масштабнi те-оретичнi та експериментальш дослiдження з конструювання та прогнозуван-ню властивостей перспективних композитних матерiалiв, серед яких важливе мюце займають епоксикомпозити. Цi дослiдження потребують сучасно! лабо-раторно! бази. Тому випробування матерiалiв нового поколiння потрiбно про-водити тiльки на сучасному обладнаннi. Також потрiбно вiдпрацювати мето-дологiю та метрологiчне забезпечення дослщжень. Але пiд час експеримен-тально! роботи навiть найдосконалiше серiйне обладнання не може повною мiрою забезпечити потреби дослщжень i виникае необхщшсть створення не тiльки окремих пристосувань, але i цiлих комплексiв ушкальних приладiв.
Матер1алознавч1 досл1дження ХерсонськоУ державши морськоУ академй*. Науково-дослiдна лабораторiя "Полiмернi композитнi матерiали в суднобудуваннi" (далi Лабораторiя) функцiонуе у Херсонськiй державнш морськiй академп при кафедрi техшчно! механiки, шженерно! та комп'ютер-но! графжи. Лабораторiя в рамках обраного наукового напряму вирiшуе всi означеш вище проблеми, в тому чи^ забезпечення дослiджень аспiрантiв i магiстрiв, а також науково-дослiдну роботу курсанпв. Мета дiяльностi Лабораторп:
1) Встановити основш законом1рност1 впливу енергетичних пол1в [ приро-ди наповнювач1в на мехашзм структуроутворення пол1мерних композита [ видати рекомендацп щодо створення на !х основ1 функцюнальних покритлв для захисту технолопчного обладнання вщ корозп та зносу.
2) Пошук [ перев1рка робочих гшотез про зв'язки основних фязико-мехашч-них [ теплофязичних властивостей композита [ розроблення програмно-го забезпечення для !х перев1рки чисельними експериментами. Результатом розробок мае стати можлив1сть прогнозування з прийнятною для практики точшстю одного або декшькох властивостей композиту на тд-став1 знання шших досить добре дослщжених.
Наукове та практичне спрямування дiяльностi:
• розроблення нових технологш [ матер1ал1в з тдвищеними експлуатацшними характеристиками для захисту корпуав суден;
• дослщження впливу ф1зичних пол1в на властивосл композитних матер1ал1в;
• нанокомпозити [ нанотехнологп в сучаснш промисловостц
• використання шформацшних технологш тд час моделювання складних систем та прогнозування !х властивостей.
Завдання дослiджень:
• розробити методолопчш тдходи до дослвдження впливу енергетичних пол1в (магштного, ультразвукового, ультрафюлетового випромшювання) на влас-тивоста пол1мерних композипв;
• встановити мехашзми м1жфазово! взаемодп дисперсних [ волокнистих напов-нювач1в з пол1мерним зв'язувачем на нано-, мжро-1 макрор1внях;
• дослщити вплив природи наповнювача на характеристики структури зовнш-шх поверхневих шар1в на меж1 роздлу фаз "пол1мер - наповнювач" (щшь-шсть, стушнь зшивносп, геометричш розм1ри);
• видати рекомендацп щодо створення на основ! розроблених композипв за-хисних покритпв р1зного функционального призначення та здшснити !х впровадження в промисловгсть;
На сьогодш Лабораторiя забезпечена сучасним технологiчним облад-нанням для дослiдження структури (СПР- i 1Ч-спектроскотя), фiзико-меха-нiчних (розривна машина, прилад Товарова, прилад Сокслетта, ротацшний вiскозиметр), теплофiзичних (теплостiйкiсть, ДТА, ДТГ, ТКЛР, дiелектричнi характеристики) властивостей i зносостiйкостi (машина тертя) полiмерних композитних матерiалiв.
Розроблення епоксидних захисних покрит"лв з п1двищеними експлуатац1йними характеристиками. КМ на основi полiмерiв забезпечу-ють необхiдний комплекс фiзико-механiчних властивостей, корозшну i зно-состiйкiсть, а також - високу ремонтопридатнiсть за рахунок неодноразово вщновлення поверхонь деталей композитними покриттями. У цьому напрямi цiкавим е використання матерiалiв на основi епоксидних смол, якi, ^м заз-начених властивостей, мають значну адгезiю до металево! основи, техноло-гiчнiсть пiд час формування у виглядi покриттiв на поверхнях складного про-фiлю, розвинену сировинну базу.
Вiдомi матерiали, якi використовують у виглядi полiмерних матриць для захисних покритпв, мають недолiки. Це, зокрема, - значна тривалють технологiчного процесу полiмеризацп i багатоступiнчастий режим теплового оброблення, висок показники залишкових напружень, що знижуе фiзико-ме-ханiчнi характеристики покритпв пiд час !х експлуатацп. Поставлену задачу пiдвищення фiзико-механiчних властивостей i теплостiйкостi технологiчного обладнання, яке працюе в умовах значного градiента температур i циклiчних навантажень розв'язують завдяки використанню епоксидного зв'язувача, що мютить епоксидну дiанова смолу, пластифжатор (полiефiр i полiефiролiгоди-ефiракрилат) i затверджувач з таким спiввiдношенням компоненпв, мас. ч.: епоксидна дiанова смола - 100, затверджувач - 12...14, пластифiкатор: поль ефiр - 8.12, полiефiролiгодиефiракрилат - 18.22.
Для зшивання епоксидного зв'язувача використовували затверджувач полiетиленполiамiн (ПЕПА), який вводили при стехюметричному стввщно-шеннi компонентiв. Формування композиту на основi епоксидно! смоли ЕД-20 i пластифiкатора, що мютить полiефiр ПЕ-220 (8. 12 мас. ч.) i полiефiролi-годиефiракрилат ПДЕА-4 (18.22 мас. ч.), дае змогу полiпшити реологiчнi властивостi епоксидних композицш i знизити залишковi напруги в процеш експлуатацп покриття. Епоксидний зв'язувач формують i наносять на повер-хню за такою технологiею. Дозування компонента, гiдродинамiчне сумiщення пластифiкаторiв та ЕД-20 до отримання однорщно! сумш^ вакуумування ком-позицп упродовж 40.60 хв, введення затверджувача ПЕПА. Отриману ком-позицiю упродовж 10.20 хв наносять на попередньо знежирену поверхню методом пневматичного розпилення або використовують як зв'язувач для КМ.
Зазначений склад композицп та спошб формування захисного покриття мае технiко-економiчнi переваги, порiвняно з вiдомими матерiалами: висо-кi фiзико-механiчнi властивостi i теплостiйкiсть за рахунок рацiонально т-дiбраного складу iнгредiентiв, що забезпечуе оптимальну когезiйну мiцнiсть композиту; достатш реологiчнi властивостi i низькi показники залишкових напруг. Надалi на основi розробленого епоксидного зв'язувача формували
покриття з високими експлуатацшними характеристиками pi3Horo функць онального призначення [1-4]. Отриманi експериментальш результати nopiB-няльних випробувань фiзико-механiчних, теплофiзичних властивостей, коро-зшно! стшкосп та стiйкостi до зношування розроблених i вiдомих захисних покриттiв свщчать про високi експлуатацiйнi характеристики та доцшьшсть використання нових матерiалiв (табл.).
Показник ПКП1 ПКП2 ПКП3 ПКП4 КЕП УР-41 ГЕС-1 TiN (TiC) N
Ударна в'яз-юсть, кДж/м2 9,54 10,43 - - - 6,59 3,72 -
Руйнiвне напру-ження тд час згинання, МПа 4,94 5,15 - - - 4,40 3,42 - -
Теплостшюсть, К 390 405 - - - 354 345 - -
Корозшна трив-юсть, Ом'см2 6,08 6,43 6,43 - 4,38 4,02 2,57 - -
Вiдносна стшюсть до спрацювання - - - 1,00 0,84 0,49 0,29 0,86 0,97
Примггка: ПКП(1-4) - розроблеш покриття; КЕП - композицшне електрол^ич-не покриття на основ! шкелю i карбщу титану; УР-1 - пол^ретанове покриття; ГЕС-1 - гумований ебоштовий склад; TiN, (TiC)N - вакуум-плазмов1 покриття.
Висновки. Висока ефективнють застосування нових покритпв тд-тверджена випробуваннями у виробничих умовах при захисп вщ корозп i зносу устатковання х!м!чно!, нафтопереробно!, харчово1 промисловосп та суднобудуваннi. Отриманi результати промислових випробувань дае змогу збшьшити довгстачнють обладнання завдяки високо1 стшкосл до зношування i корозшно! стшкост, а також внаслiдок багаторазового вщновлення зруйнованих поверхонь. Впровадження покритпв на тдприемствах харчово1 та х!м!чно! промисловосп забезпечуе збiльшення мiжремонтного перiоду ро-боти в 3,0.3,5 раза, тдвищення корозшно! стшкост обладнання в 2,5. 2,7 раза, а стшкосп до зношування - в 2,0. 2,2 раза. Щдвищеш експлу-атацiйнi властивосп нових покритпв свiдчать про 1х високу ефективнiсть i необхiднiсть розширення масштабiв впровадження на пiдприемствах р!зних галузей промисловосп Укра1ни.
Л1тература
1. Патент № 53953. Укра!на, МПК (2009) C09D 163/00. Спос!6 отвердшня епоксидно! композици / А.В. Букетов, П.Д. Стухляк, П.А. Марущак (Украша). - Заявл. 12.04.2010; Опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20. - 6 с.
2. Патент № 53954. Украша, МПК (2009) C09D 163/00. Споаб отвердшня епоксидно! композици / А.В. Букетов, Н.М. Букетова (Укра!на). - Заявл. 12.04.2010; Опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20. - 6 с.
3. Патент № 53955. Украша, МПК (2009) C09D 163/00. Спосб отвердшня епоксидно! композици / А.В. Букетов, Н.М. Букетова (Укра!на). - Заявл. 12.04.2010; Опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20. - 6 с.
4. Патент № 54091. Укра!на, МПК (2009) C09D 163/00. Композищя для покритпв з по-лшшеними фпико-мехашчними властивостями / А.В. Букетов, П.Д. Стухляк, О.1. Редько,
Ю.1. Пиндус, В.Б. Гладьо, М.А. Долгов (Украна). - Заявл. 30.04.2010; Опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20. - 6 с.
Букетов А.В., Настасенко ВА., Леонов В.Е., Михайлик В.Д., Скир-денко О.И. Композитные материалы - состав, свойства, внедрение
Определены перспективы разработки новых эпоксидных композитных материалов в настоящее время. Описаны направления разработок полимерного материаловедения в Херсонской государственной морской академии. Обосновано спектр использования разработанных материалов и защитных покрытий на их основе в различных отраслях промышленности Украины.
Ключевые слова: покрытие, эпоксидный композит, материалы, промышленность.
BuketovA.V., Nastasenko V.O., Leonov V.E., Mikhaylik V.D., Skirdenko O.I. Composite materials - composition, properties, application
The prospects of the development of new epoxy composite materials now. Describes the direction of development of polymeric materials in the Kherson State Maritime Academy. Justified the use of the spectrum of the developed materials and coatings based on them in a variety of industries in Ukraine.
Keywords: coating, epoxy composite, material, industry.
УДК 687.016.5 Доц. Г.В. Озимок, канд. техн. наук -
Львiвський тститут економжи i туризму
ТКАНИНИ ДЛЯ ПОСТ1ЛЬНО1 Б1ЛИЗНИ
Подано аналiз гшешчних властивостей сучасних тканин для постшьно! бшиз-ни. Експериментально визначено показники, яга характеризують взаемодто тканин iз парождабною та краплинно-рщинною вологою, що дало змогу рекомендувати мате-рiал з оптимальними властивостями.
Ключев1 слова: тканини, постшьна бшизна, волога, кашляршсть матерiалiв, тактильш вщчуття, пгроскошчшсть.
Людина проводить одну третину свого життя у л1жку, 1 яюсть !! сну багато у чому визначае яюсть життя. Хоча яюсть сну залежить в1д комбшацп дуже багатьох фактор!в, ф!зюлоги дуже важливою вважають комфортну взаемодто тша з матер!алами спальних приналежностей, до яких вщносять матрац, подушку та постшьну бшизну [1, 2, 5]. Як ! в одяз1, вщчуття комфор-тносп при контакт! з постшьними приналежностями забезпечуеться вщповщ-ними тактильними та термофiзiологiчними властивостями матерiалiв. Так-тильний (нейрофiзiологiчний) комфорт визначаеться механозалежними вщ-чуттями при контактi тiла людини з матерiалами одягу (гладкiсть, жорстюсть, шорстюсть тощо), що забезпечуеться вщповщним вибором сиро-винного складу, виду переплетень та заключною обробкою. У системi оцшю-вання якосп матерiалiв для спальних приналежностей важливе значення ма-ють санiтарно-гiгiенiчнi показники i тому тд час !х створення варто викорис-товувати матерiали, яю захищають органiзм людини в процеш експлуатацп в1д вологи, що видшяеться з поверхнi тiла людини, повиряний обмш 1з зов-шшшм середовищем, мають необхщну теплоiзоляцiю тощо [5].
