CC BY
11КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕТКАНОЙ ОСНОВЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ ЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Трещалин Михаил Юрьевич
доктор техн. наук, профессор Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова г. Москва
Трещалин Юрий Михайлович
кандидат техн. наук, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова г. Москва.
SELECTION CRITERIA OF INDICATORS OF THE NONWOVEN SUBSTRATE FOR THE MANUFACTURE OF COMPOSITE PRODUCTS PURPOSE
Treschalin Michail, doctor of technical sciences, professor., Moscow state University, Moscow Treschalin Yuri, candidate of technical sciences, Moscow state University, Moscow
АННОТАЦИЯ
В статье изложены результаты исследований, геометрических и массовых характеристик нетканых полотен и композитов на их основе. В результате разработаны критерии, посредством которых определяется взаимосвязь пористости и волокнистого состава нетканой основы, плотностей связующего и композиционного материала.
ABSTRACT
The article presents the results of studies of the geometrical and mass properties of nonwoven materials and composites on their basis. As a result the criteria by which the interrelation of porosity and fiber composition of the nonwoven substrate, the densities of the binder and composite material.
Ключевые слова: нетканая основа, пористость, плотность, толщина, критерии подобия, композит.
Keywords: non-woven backing, porosity, density, thickness, selection criteria, composite.
Применение композиционных материалов в каче- пористости нетканой основы, что в конечном итоге стве элементов конструкций или отдельных состав- позволит наилучшим образом подбирать полотна для ляющих каких-либо комплексных сооружений, требует каждого конкретного изделия и прогнозировать его га-знание не только их физико-механических характерис- бариты после полимеризации связующего. На рис. 1 тик, но и геометрических размеров. В связи с исполь- показаны образцы нетканого полотна марки «Холло-зованием для создания композитов высокопористых файберхард», поверхностной плотностью 1200 г/м2 и нетканых полотен, которые в процессе пропитки изме- различные изделия из композиционных материалов на няют свой объем, целесообразно провести исследо- его основе. вание зависимости толщины получаемого изделия от
а б в г
Рис. 1. Толщина образцов нетканого полотна марки «Холлофайбер хард» и изделий из композитов на его основе: а - исходное нетканое полотно, толщина 60,74 мм; б - тепло-звукоизоляционная панель (самопроизвольная пропитка), толщина основы 49,80 мм; в - пластина композиционного материала (вакуумная пропитка), толщина 6,52 мм; г - нетканая составляющая многослойного композита (середина, вакуумная пропитка), толщина 6,11 мм.
Очевидно, толщина нетканой основы после пропитки связующим различна, в зависимости от способа пропитки и, как следствие, целевого назначения изделия.
Принимая во внимание технологические особенности и многообразие видов волокон, используемых при изготовлении нетканых полотен, необходимо исследовать широкий ассортимент продукции, имеющей различную структуру: термоскрепленные, из полых
Нетканые полотна пропитывались связующим, приготовленным на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855, обладающим высокой адгизонной способностью не только с полипропиленовыми, полиамидными и полиэфирными волокнами и мононитями, а также с углеродными волокнами [1, 2].
Создание образцов композиционных материалов в виде пластин осуществлялось методом вакуумной пропитки [3, 4] по следующей методике.
Горизонтальное основание, во избежание прилипания образцов, обрабатывалось жидким воском, марки LiquidWaxW-50 ТР После его высыхания на основание укладывались образцы нетканой основы, поименованные в табл. 1. Затем, при помощи полиэтиленовых трубок, соединялись вакуум-насос с вакуумной ловушкой и производилась укладка спиральных трубок и установка переходников, посредством которых к образцам поступает связующее из резервуара. Подготовка завершается укладкой на образцы основы последовательно: разделительной ткани, дренажной сетки и вакуумной
Характеристики образцов
полиэфирных волокон марки «Холлофайбер» (ООО «ТЕРМОПОЛ»), иглопробивные термоскрепленные из непрерывных полипропиленовых нитей, изготовленных фильерным способом спанбонд (марка «Геотекс»ООО «Сибур-Геотекстиль», марка «Канвалан»ОАО «Ор-тон»), иглопробивные из штапельных полиэфирных и полипропиленовых волокон (марка «Геоком» ОАО «Ко-митекс»). Характеристики образцов нетканых полотен приведены ниже (табл. 1).
Таблица 1.
плёнки с последующей проклейкой герметизирующей лентой периметра зоны пропитки.
Затем, при закрытом, при помощи винтового зажима, резервуаре, включался вакуум-насос и, по достижению вакуума в месте расположения образцов, открывалась подача связующего. Визуально определялся момент окончания пропитки и с появлением частиц связующего в вакуумной ловушке, перекрывался резервуар и выключался вакуум-насос.
После полимеризации (~ 2 - 2,5 часа), образцы извлекались, и производилась их финишная механическая обработка.
Для определения линейных размеров полученных композитов использовались прибор для определения толщины FC - 01 (Венгрия) и штангенциркуль электронный MATRIX (погрешность измерений ± 0,02 мм). Взвешивание образцов производилось на электронных весах ACCULAB ALC-210d4 с ценой деления 0,1мг. Результаты измерений, а также расчет плотностей исследуемых образцов, приведены в табл. 2.
Таблица 2.
композиционных материалов
Наименование образца Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Поверхностная плотность, г/м2 Объемная плотность р , 1 км' кг/м3
Холлофайберхард 2,79 2952,1318 1058,112
Холлофайбер софт 2,17 2354,5267 1085,035
Холлофайбер софт 2,234 2287,3676 1023,889
Холлофайберхард 6,52 7925,1754 1215,518
«Канвалан», ПП - 100 % 1,78 1841,3491 1034,466
«Геотекс», ПП - 100 % 2,5733 2660,2331 1033,783
Характеристики исследуемых образцов нетканых полотен
Наименование образца Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Поверхностная плотность, г/м2 Объемная плотность р , 1 им' кг/м3 Пористость,
Холлофайберхард, ПЭ - 100 19,21 483,774 25,183 0,959
Холлофайбер софт, ПЭ - 100 8,41 387,546 46,082 0,926
Холлофайбер софт, ПЭ - 100 13,25 381,637 28,803 0,954
Холлофайберхард, ПЭ - 100 60,74 1269,815 20,906 0,966
«Канвалан», ПП - 100 % 2,30 437,4 190,2 0,791
«Геотекс», ПП - 100 % 3,17 550,4 173,6 0,809
«Геотекс», ПП - 100 % 5,32 441,4 82,9 0,909
«Геоком», ПЭ - 100 % 1,82 345,9 190,1 0,862
«Геоком», ПЭ - 100 % 2,32 481, 5 207,5 0,849
«Геотекс», ПП - 100 % 4,09 631,9 154,5 0,830
«Геотекс», ПП - 100 % 3,33 372,9 112,0 0,877
Конец таблицы 2
«Геотекс», ПП - 100 % 3,7167 3349,7145 901,2604
«Геоком», ПЭ - 100 % 1,72 1812,1824 1053,594
«Геоком», ПЭ - 100 % 1,7133 1964,2216 1146,455
«Геотекс», ПП - 100 % 3,3 3401,3005 586,728
«Геотекс», ПП - 100 % 2,1067 2141,1765 1016,365
Анализ соотношений характеристик нетканых полотен и полученных композитов от пористости основы целесообразно провести по наиболее информативным показателям, которыми, в соответствии с постановкой задачи, являются толщина и объемная плотность образцов. Таким образом, предлагается ввести:
- критерий сжатия Кб, представляющий собой отношение толщин нетканой основы бнм и композиционного материала бкм, на который оказывает влияние только способ пропитки не зависимо от вида используемого связующего;
- критерий плотности Кр, включающий значения плотностей волокнистого состава бв и связующего бс, а также нетканого полотна рнм и полученного на его основе композиционного материала ркм Величина этого критерия зависит от способа пропитки, плотностей волокнистого состава, нетканого полотна и связующего
(в отвержденном состоянии) и определяется по формуле: Кр=(Ркм /Рс )/(Рнм /Рв: ).
Вычисление и анализ предложенных критериев применительно к рассматриваемым образцам производится при следующих численных значениях плотностей волокнистого состава и связующего:
- рвпп = 910 - плотность одиночной полипропиленовой мононити, кг/м3;
- рвх = 622,08 - плотность одиночной полиэфирной мононити нетканого полотна «Холлофайбер», кг/м3;
- рвпэ = 1380 - плотность одиночной полиэфирной мононити, кг/м3;
- рс = 1178,1 - плотность полимеризованного связующего на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855 [5, 6], кг/м3;
Итоги расчета критериев Кб, и Кр приведены в табл. 3 и на графиках (рис. 2).
Таблица 3.
Результаты расчета критериев сжатия Кб и плотности К для образцов исследуемых материалов
Наименование образца Пористость, % Критерий сжатия Кб=б /б б нм км Критерий плотности Кр=(Рк/Рс )/(Рн/Рв: )
«Канвалан», ПП - 100 % 0,791 1,292135 4,201118
«Геотекс», ПП - 100 % 0,809 1,231881 4,599798
«Геотекс», ПП - 100 % 0,83 1,239394 5,933375
«Геоком», ПЭ - 100 % 0,849 1,354112 6,471961
«Геоком», ПЭ - 100 % 0,862 1,45814 6,492146
«Геотекс», ПП - 100 % 0,877 1,580671 7,009564
«Геотекс», ПП - 100 % 0,909 1,831377 8,397596
Холлофайбер софт 0,92592 3,87558 12,43302
Холлофайбер софт 0,9537 5,93107 18,77064
Холлофайбер хард 0,95952 6,88531 22,18647
Холлофайбер хард 0,96639 9,31595 30,70113
Зависимость критерия плотности Кр от пористости
Я 25
I 5
нетканой основы :
4
♦
►
Пористость ;
а б
Рис. 2. Зависимость от пористости нетканой основы а - критерия сжатия Кб; б - критерия плотности.
Данные табл. 3 и расположение точек на рис. 2 позволяют судить о наличии явно выраженной зависимости критериев Кб и Кр от пористости нетканого полотна, что дает возможность осуществить математическую
обработку численных значений для получения уравнений КД) и КД) при помощи программного комплекса Mathcad 15.0.
Оценка точности аппроксимации производилась по
тт
величинам:
- относительной погрешности, %: и = (тТ - тА)100/
- коэффициента корреляции:
кк2 = 1 -—
к Б2
51 = -тл)2
п
52 = £(т. )2 "^)2
п
где: тТ - расчетные данные;
тА - результаты вычислений с использованием формул, полученных в результате аппроксимации;
п = 1 .... N - номер, соответствующий значениям, полученным в результате измерений;
р - общее количество экспериментальных данных (образцов в соответствующей группе).
Математические зависимости, графическая интерпретация результатов, величина коэффициентов корреляции и оценка погрешности вычисленных значений по отношению к расчетным данным, приведены в табл. 4.
Таблица 4.
Результаты расчетов по определению зависимостей КД) и К
Математическая зависимость
График зависимости
Значение коэф-фициента корреляции, Кк2
Величина относительной погрешности,
%
тт
тах
Зависимость критерия сжатия К=б/б от пористости нетканой основы ^
0,996
- 4,608
3,218
Зависимость критерия плотности Кр=Кр=(рк/рс )/(рн/рв, ) от пористости нетканой основы ^
0,995
5,533
5,361
Таким образом, в результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
- установлена взаимосвязь линейных и массовых
( 1
^ 1 1 + 0,4973366 ^ + 0,98183
характеристик нетканого полотна и композита, полученного на его основе, при использовании метода вакуумной пропитки;
Кв(£)= 2,5575847-10"
позволяющие с достаточной для технических расчетов точностью осуществлять подбор нетканой основы для получения изделий из композита заданных размеров/
Список источников
1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочник.- М.: 1981. -736 с.
2. Васильев В.В. Композиционные материалы. Справочник / В.В. Васильев.- М.: Машиностроение 1990. -510 с.
3. graphite-pro.ru> Технология вакуумной инфузии,
mter-composite.com>mfo...i-vakuumnaja-mfuzia,
4. http://composite-prof.ru/o_stekloplastike/ tehnologiya-proizvodstva-stekloplastika/
5. Трещалин Ю.М. Обоснование применения нетканых полотен для производства композиционных материалов на текстильной основе: дис. канд. техн. наук / Ю.М. Трещалин. - Кострома, 2013. - 166 с.
6. Трещалин Ю.М. Композиционные материалы на основе нетканых полотен: монография / Ю.М. Трещалин. - М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2015.- 220 с.
и
