CC BY
7УДК 624.21.037:621.763
Композиционные материалы и технологии для изготовления конструктивных элементов эстакады общепланетарного транспортного средства
Шаповалов В.М.1 Бочкарёв Д.И.2, 3 Подобед Д.Л.4
1 Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси,
г. Гомель, Беларусь
2 Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Беларусь
3 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
4 Гомельский филиал Университета гражданской защиты МЧС Беларуси,
г. Гомель, Беларусь
99
Рассмотрены экструзионные технологии получения конструктивных элементов большой протяжённости, применение которых возможно при возведении эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС). Проанализировано влияние технологических и конструктивных факторов на физико-механические свойства используемых композиционных материалов.
Ключевые слова:
экструзия, композиционный материал, термопластичный полимер, наполнитель, физико-механические свойства.
Введение
Масштаб строительства эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС), охватывающей Землю в экваториальной плоскости, требует внедрения предельно эффективных технологических процессов, обеспечивающих высокое качество, оптимальную себестоимость и максимальную производительность. Общая протяжённость эстакады ОТС составляет 40 076 км, из которых примерно 20 % длины - сухопутные участки, 80 % - морские [1, 2].
При изготовлении несущих конструкций эстакады ОТС необходимо применение материалов, обладающих особо высокими физико-механическими характеристиками. Данное условие представляется одним из ключевых, поскольку эстакада, состоящая из различных конструктивных элементов, объединённых в предварительно напряжённую несущую конструкцию, в процессе эксплуатации должна выполнять функции пролётного строения и рельсового пути для движения транспортных средств на всех режимах работы, а также воспринимать вертикальные, продольные и поперечные нагрузки и передавать их на опоры через опорные узлы и узлы анкерения [1, 2].
Для изготовления вспомогательных конструктивных элементов эстакады (кабельных каналов, технологических трубопроводов, оболочек для инженерных сетей и т. д.) перспективно задействовать конструкционные материалы общего назначения, среди которых особый интерес представляют пластмассы и композиционные материалы. Их основные преимущества перед традиционными материалами, применяемыми в строительстве транспортных объектов (сталью и бетоном): меньшая плотность и, как следствие, меньшая масса конструкции; высокая коррозионная стойкость; возможность максимального употребления вторичных ресурсов при производстве; низкая себестоимость.
При этом для производства элементов из пластмасс и композиционных материалов, имеющих значительную протяжённость, наиболее эффективно внедрение экструзии, которая обеспечивает непрерывность изготовления, максимальную производительность, высокий коэффициент использования материала и постоянство размеров поперечного сечения.
Методика исследования
Одним из перспективных путей в данном направлении является создание композиционных материалов на основе термопластичных полимеров и гибридных наполнителей, в частности сочетание минеральных и органических частиц с разным размерным уровнем [3-6]. Подобный подход позволяет разрабатывать новые композиционные материалы и изделия с определённым требуемым комплексом свойств. Так, сочетание мелкодисперсных отходов древесины и минеральных наполнителей обеспечивает условия для формирования однородной структуры материала, благодаря чему композит обретает высокие прочностные свойства.
Древесина обладает более развитой поверхностью и капиллярно-пористой системой даже по сравнению с такими перспективными минеральными наполнителями, как пористые перлиты, обсидианы, аглопориты. Применение древесных материалов даёт возможность достигать высоких (до 85 % по объёму) степеней наполнения при сохранении технологических свойств, в то время как у минеральных наполнителей уже при степени наполнения 30 % по массе (15-20 % по объёму) свойства композитов снижаются, а их перераба-тываемость ухудшается. При низких же степенях наполнения (до 20 % по массе) экономия полимера перекрывается затратами на обработку наполнителя и приготовление композиции.
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Указанные преимущества обусловлены тем, что древесина, будучи природным полимерным композитом, характеризуется практически 100-процентной совместимостью с полимерами (в отличие от минеральных веществ); её органическая природа обеспечивает близость коэффициентов термического расширения с аналогичным показателем связующего, что приводит к дополнительному эффекту упрочнения в результате снижения термонапряжений. В случае же использования минеральных порошков жидкая фаза связующего распределяется по поверхности тонкими плёнками, которые затем переходят в твёрдое аморфное состояние. Данный процесс сопровождается повышением плотности и резким уменьшением объёма, что влечет за собой появление внутренних напряжений, достигающих при определённых условиях 30-45 МПа. При этом напряжение тем сильнее, чем выше поверхностная энергия наполнителя, его жёсткость и жёсткость полимерного связующего.
Наличие в макромолекулах древесного вещества реакционноспособных групп содействует осуществлению взаимодействия древесины со связующим, что обуславливает широкое её химическое модифицирование. Прочные (однако менее твёрдые, чем у полимеров) древесные волокна значительно снижают износ оборудования, проявляющийся при переработке высоконаполненных полимеров, и в меньшей степени подвергаются разрушению благодаря своей хорошей деформативности [7, 8]. В то же время сочетание древесных и минеральных частиц позволяет формировать композиты с повышенными эксплуатационными свойствами. Предельно эффективное их сочетание находится в интервале 1 : (0,25 ^ 0,5). Увеличение содержания дисперсных частиц в композите приводит к снижению свойств (в особенности прочностных), что связано с возрастанием поверхностной площади частиц наполнителя, требующей повышенного расхода связующего. Рациональное содержание дисперсных наполнителей (гидролизного лигнина, шлифовальной пыли и мелкодисперсной резины, а-фосфополугидрата сульфата кальция, золы-уноса, бентонита) составляет порядка 8-20 масс. %. Кроме того, перспективно применение волокнистых наполнителей (стекловолокна, кордных нитей) при изготовлении композитов, что придаёт последним ударопрочность и стойкость к растрескиванию.
Результаты и анализ
Механизм повышения прочностных характеристик композитов обусловлен, с одной стороны, армирующим действием крупнодисперсных частиц в макрообъёмах композита,
с другой - более плотной и упорядоченной упаковкой частиц наполнителя в композите (таблица). Есть вероятность, что подобный подход также способствует структурному модифицированию полимера минеральным наполнителем в локальных микрообъёмах полимерной прослойки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации связующего в зоне межчастичного взаимодействия.
Применение в композите дисперсных добавок позволяет усилить термостабильность композита в процессе переработки, в особенности характерную для композитов с а-фосфополугидратом сульфата кальция и бентонитом. Это подтверждают сведения о потере массы исследуемых композиций на графиках, полученных с помощью деривато-графов (рисунок 1). Их анализ показывает, что начало температуры падения массы в композиции с дисперсной добавкой смещается с 170 °С до 290 °С.
Таблица - Плотность композитов с комбинированными наполнителями
Композиты* Плотность, кг/м3
ИД + ПВХ + ПП 1100/990
ИД + ЗУ + ПП 2 -Р-сэ
ИД + ФГ + ПВХ 1300
ИД + ШП + ПВХ 2 -Р-сэ
ИД + МР + ПВХ 1150
* ИД - измельчённая древесина; ПВХ - поливинилхлорид; ПП -полипропилен; ЗУ - зола-унос; ФГ - а-фосфополугидрат сульфата кальция; ШП - шлифовальнаяпыль; МР - мелкодисперсная резина.
%п 100 80604020-
0
Рисунок 1 - Кривые дериватографа: 1 - для композитов чистых; 2 - с а-фосфополугидратом сульфата кальция
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭСТАКАДЫ ОБЩЕПЛАНЕТАРНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Шаповалов В.М., Бочкарёв Д.И., Подобед Д.Л.
Кроме того, указанные добавки в сочетании с антипире-новыми добавками способствуют улучшению огнестойкости получаемого материала [9].
Предварительно проведённые эксперименты показали, что переработка высоконаполненных древесно-полимерных композиций методом экструзии затруднена из-за их предельного уплотнения в экструзионном винтовом канале, приводящего к резкому повышению сил трения по контактным поверхностям формующих органов и внутреннего межчастичного трения. При этом наблюдается снижение адгезионного контакта между древесиной и полимером, что свойственно композитам на основе ПВХ. Вместе с тем при формировании объёмных профильных изделий выбор в пользу ПВХ продиктован отличной формо-устойчивостью и высоким уровнем физико-механических свойств в композитной системе. Одним из важнейших, но малоизученных аспектов при образовании таких композитов являются триботехнологические особенности экструзионной переработки. Следовательно, чрезвычайно важно учитывать обозначенные процессы непосредственно на границе раздела «древесина - термопласт», что даёт возможность направленно регулировать фрикционные и реологические свойства в древесно-полимерной системе. Данное требование представляется обязательным условием стабильного процесса экструзии высоконаполненных композитов. Очевидно также, что для решения указанной задачи необходима совокупность технологических приёмов, реализующая как трибореологические, так и структурные характеристики при экструзионном формировании древесно-полимерных систем.
Установлено, что пластификация древесных и полимерных граничных слоёв в системе «связующее - наполнитель» достигается вследствие перераспределения предварительно введённого в древесные частицы пластифицирующего вещества. Эффект перераспределения обусловлен воздействием силовых и температурных полей в процессе экструзии. Анализ экспериментальных исследований даёт возможность сделать вывод об эффективности модифицирования древесных частиц сложными эфирами ортофталевой кислоты [10].
Показано, что эффективность применения сложных эфиров ортофталевой кислоты определена их пластифицирующим действием на древесину в приграничном слое в композиции с ПВХ. В результате при движении смеси в экструзионном винтовом канале снижаются энергетические затраты на уплотнение древесины без разрушения её структуры, чему способствует уменьшение усилия уплотнения пластифицированной древесины по отношению к натуральной, достигающее 30 %.
По результатам экспериментальных исследований, проведённых в Государственном научном учреждении «Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси» (ИММС НАН Беларуси), разработана технология получения погонажных изделий методом червячной экструзии. Благодаря органической природе и хорошей совместимости с полимерами древесные волокна содействуют достижению в композитах высоких показателей по степени наполнения (до 70-75 % по массе), а следовательно, и соответствующих эксплуатационных свойств.
Широкие технические возможности разработанной в ИММС НАН Беларуси технологии [10-12] позволяют получить различные как по форме профиля, так и по назначению изделия (рисунок 2).
д)
XX]
V//////ffl777ffl/////m
Рисунок 2 - Типовые конструкции древесно-полимерных погонажных изделий: а - плинтусы; б - наличники; в - поручни; г - направляющая скребкового конвейера; д - опора скольжения безроликового ленточного конвейера
а)
б)
в)
г)
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Учитывая вышеизложенное, можно предложить высокопроизводительный способ изготовления конструктивных элементов большой протяжённости для эстакады ОТС. Основой данного приёма является формообразование элементов посредством экструзии; в качестве необходимых материалов задействована широкая группа композитов, содержащих термопластичные полимеры и гибридные наполнители (минеральные и органические частицы), физико-механические свойства которых эффективно регулируются посредством технологических режимов экс-трудирования и введения целевых добавок. В совокупности описанный метод способен обеспечить оптимальное сочетание эксплуатационных свойств и экономических показателей при применении в составе протяжённых конструктивных элементов такого сложного объекта, как эстакада ОТС.
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Минск: Беларуская навука, 2017. - 342 с.: ил.
2. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
3. Ксантос, М. Функциональные наполнители для пластмасс / М. Ксантос; пер. с англ. под ред. В.Н. Кулезнева. -СПб.: Науч. основы и технологии, 2010. - 462 с.
4. Кондратюк, А.А. Исследование влияния количества наполнителя на механические характеристики композиционных полимеров /А.А. Кондратюк, С.В. Матренин, О.Ю. Недосекова // Известия вузов. Физика. - 2014. -Т. 57, № 9 (3]. - С. 98-102.
5. Шутова, Е.А. Физическое модифицирование композиционных материалов на основе вторичных термопластичных полимеров / Е.А. Шутова, В.М. Шаповалов // Горная механика и машиностроение. - 2018. - № 3. -С. 79-85.
6. Клинков, А.С. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов: учеб. пособие /А.С. Клинков, М.В. Соколов, П.С. Беляев. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005. -80 с.
7. Наполнители для полимерных материалов: справ. пособие / пер. с англ.; под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1981. - 738 с.
8. Купчинов, Б.И. Технология конструкционных материалов и изделий на основе измельчённых отходов древесины /Б.И. Купчинов, Н.В. Немогай, С.Ф. Мельников. -Минск: Наука и техника, 1992. - 199 с.
9. Бобрышева, С.Н. Применение метода дисперсионного анализа однофакторной математической модели для оптимизации состава полимеров с пониженной горючестью /С.Н. Бобрышева, Л.И. Буякевич, Д.Л. Подобед// Вестник ГГТУим. П.О. Сухого. - 2019. - № 3 (78]. - С. 45-51.
10. Шаповалов, В.М. Разработка высоконаполненных композитов на основе термопластов и измельчённой древесины для переработки методом экструзии в изделия машиностроительного назначения: автореф. дис.... д-ра техн. наук: 05.16.09,05.17.06/В.М. Шаповалов; ИММС НАН Беларуси. - Гомель, 2005. - 4 с.
11. Шаповалов, В.М. Технология переработки высоконаполненных композитов/В.М. Шаповалов, В.Г. Барсуков, Б.И. Купчинов; под ред. Ю.М. Плескачевского. - Гомель: ИММС НАН Беларуси, 2000. - 60 с.
12. Шаповалов, В.М. Технология полимерных и полимер-содержащих строительных материалов и изделий / В.М. Шаповалов. - Минск: Беларуская навука, 2010. - 454 с.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭСТАКАДЫ ОБЩЕПЛАНЕТАРНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Шаповалов В.М., Бочкарёв Д.И., Подобед Д.Л.
