CC BY
33
- © П.Н. Петрова, М.Д. Соколова,
Б.Н. Заровняев, А.Ф. Майер, О.В. Гоголева, С.В. Васильев, 2014
УДК 621.893
П.Н. Петрова, М.Д. Соколова, Б.Н. Заровняев, А.Ф. Майер, О.В. Гоголева, С.В. Васильев
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВ
ДЛЯ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Представлены результаты исследований физико-механических и триботехнических характеристик базальтопластиков на основе политетрафторэтилена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена в зависимости от концентрации и режимов активации базальтовых волокон. Показана эффективность использования активированных базальтовых волокон с целью получения материалов с повышенной износостойкостью и улучшенными физико-механическими характеристиками.
Ключевые слова: базальтовое волокно, полимер, активация, прочность, износостойкость, ударная прочность.
Использование современных армированных полимерных композитов в различных отраслях промышленности позволяет в большинстве случаев получить значительный эффект в силу присущих этим материалам целого ряда положительных свойств [1-3]. Особенностью горнодобывающего оборудования, является его эксплуатация в условиях повышенного абразивного износа в сочетании с высоким давлением, ударами, вибрацией и химической агрессией. Оборудование и сооружения в горнодобывающей и обогатительной промышленности подвергаются особо жесткому воздействию, приводящему к их абразивному износу, коррозионному разрушению, результатом чего могут являться долгосрочные простои, снижение производительности оборудования и значительные потери прибыли. В связи с этим, увеличение срока службы оборудования, используемого на горнодобывающих и обогатительных предприятиях, во многом определяется новыми используемыми материалами, их способностью про-
тивостоять различным видам износа и коррозии, из них самым перспективным по всем техническим параметрам является композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированные волокнами.
Весьма эффективно применение таких материалов в качестве элементов крепи в горнодобывающей промышленности за счет снижения энергозатрат, облегчения условий монтажа и демонтажа горного оборудования, уменьшения материалоемкости конструкций и т.д. Практика использования анкерной крепи на шахтах России показала, что металлическая анкерная крепь любого типа (распорно-замковая, железобетонная, сталеполимерная и др.) подвержена коррозии, а элементы крепи из лесоматериалов склонны к гниению и возгоранию. Особенно высокие скорости коррозии и гниения (0,3-1,0 мм/год) стержней и в меньшей степени опорных элементов крепи наблюдаются в выработках с относительной влажностью от 85 до 100% и при наличии
притоков агрессивных вод из кровли [4]. В связи с этим, использование армированных волокнами полимерных материалов в качестве элементов крепи весьма эффективно, поскольку, помимо снижения материалоемкости, уменьшения энергозатрат, облегчения доставки и монтажа, такие материалы обладают высокими антикоррозийными свойствами.
Развитие различных отраслей промышленности требует создания высокоэффективных композиционных материалов, в то же время современные экономические условия требуют получения композитов не только с высоким комплексом характеристик, но и доступных и с достаточно низкой стоимостью.
В связи с этим, в данной работе представлены результаты физико-механических и триботехнических исследований полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), армированные базальтовыми волокнами (БВ) производства ООО «Завод базальтовых материалов» (г. Покровск РС (Я)). Интенсивное развитие производства базальтового волокна на территории Республики Саха (Якутия) обусловлено высоким спросом на него, значительно превышающим предложение. Базальтовое волокно - материал, полученный из нерудных горных пород магматического происхождения, является экологически чистым продуктом, имеет по сравнению со стеклянными волокнами на 10 - 20 % больший модуль, повышенную прочность после воздействия высоких температур, превосходят их по щелоче- и, особенно, по кислотостойкости. Имея термостойкость, примерно равную термостойкости асбестовых волокон, БВ не расщепляются под воздействием высоких контактных напряжений в условиях
повышенных температур (характерных для эксплуатации изделий трибо-технического назначения) на микроволокнистые структуры, обладающие канцерогенными свойствами [5]. Базальтовые волокна обладают уникальными свойствами: высоким уровнем физико-механических и химических свойств, повышенной стойкостью в агрессивных средах и к вибрациям, долговечностью, стабильностью свойств при длительной эксплуатации в различных условиях, хорошей адгезией к различным связующим, огнестойкостью. Это определяет их как чрезвычайно перспективный материал для получения новых композиционных материалов - базальтопластиков и изделий из них различного функционального назначения, в том числе в качестве элементов крепей (стойки, верхняки, затяжки), использующихся при подземной добыче полезных ископаемых при воздействии высокоагрессивных грунтовых вод [6].
В качестве полимерных матриц использованы термопластичные полимеры ПТФЭ и СВМПЭ, обладающие уникальной морозостойкостью. К основным достоинствам этих полимеров относятся химическая инертность, низкий коэффициент трения, а также для СВМПЭ- стойкость к ударным воздействиям и абразивная износостойкость.
Благодаря высоким триботехниче-ским свойствам композиты на основе этих полимеров используются, прежде всего, в машиностроении для изготовления изделий стойких к истиранию, растрескиванию, агрессивным средам (подшипников, шестерен, втулок, роликов, футеровок и т. д.). Кроме того, значительное распространение получили композиты на основе СВМПЭ для футеровки поверхностей горно-обогатительного, горнодобывающего оборудования, соприкасающихся с агрессивными химическими
Рис. 1. Микрофотографии базальтового волокна до (а) и после активации (б)
и высокоабразивными материалами, что существенно увеличивает сроки службы силовых элементов и узлов конструкций агрегатов, а также межремонтные сроки работы, кроме того, ремонтные работы могут проводиться за меньшее время и могут быть унифицированы. Они заключаются в снятии выработавших ресурс футеро-вочных плит и установке на их место новых, которые могли бы изготавливаться заранее в заводских условиях по конструкторской документации и лекалам, разрабатываемым для каждого агрегата. При необходимости подгонка отдельных деталей может проводиться «по месту» при монтаже футеровочного покрытия на конкретном агрегате. Механические свойства СВМПЭ обеспечивают такие возможности.
Перед использованием в качестве наполнителя БВ подвергали измельчению с применением режущей мельницы РгКэсЬ Ри1уеп2еАе 15 с установленным ситом размерностью 0,25 мм. При этом средний размер длины измельченных волокон составлял 30-90 мкм, а их диаметр 8-10 мкм. Использование рубленых волокон позволяет без усложнения технологических операций получать ПКМ на основе ПТФЭ.
Проведена механическая активация базальтовых волокон в планетарной мельнице АГО-2. Установлено, что удельная поверхность базальтовых
волокон при активации повышается в 4-6 раз, что обусловлено уменьшением их толщины и существенным изменением микротопографии поверхности наполнителя, а именно появлением дефектов на поверхности волокон, повышающих ее шероховатость (рис. 1). Это способствует повышению усиливающего эффекта волокон и адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз волокна с полимерной матрицей, вследствие чего повышаются деформационно-прочностные свойства ПКМ.
Исследования физико-механических свойств композитов, показали (рис. 2), что использование активированных базальтовых микроволокон в качестве наполнителей ПТФЭ и СВМПЭ приводит к повышению показателей даже при достаточно больших степенях наполнения (5-10 мас.%) (рис. 2, а, б). Это свидетельствует о повышении степени ориентации волокон и снижении уровня концентрации разрушающих микронапряжений в объеме композита в процессе его деформирования.
Установлено, что наполнение полимеров активированными базальтовыми волокнами до 2-5 мас.% благоприятно влияет на формирование стойкой к трибовоздействию структуры. Повышение концентрации наполнителя приводит к образованию микродефектов, разрыхлению структуры и, как следствие, к снижению
механических характеристик и износостойкости ПКМ (рис. 2, в).
Сущность повышения износостойкости при наполнении твердофазными наполнителями заключается в образовании под действием компо-
Рис. 2. Деформационно-прочностные (а, в) и три-ботехнические характеристик (б) ПКМ на основе ПТФЭ и СВМПЭ в зависимости от концентрации и активации базальтовых волокон
нентов наполнителя надмолекулярных структур в ПКМ, отличающихся от надмолекулярных структур в исходном полимере. Однако при использовании в качестве наполнителей волокон механизм повышения износостойкости иной, чем при наполнении дисперсными соединениями. В данном случае изменение свойств композита связано с формированием определенной структуры: волокна, пронизывая полимерную матрицу во всех направлениях, обеспечивают образование армированной структуры. Образование подобной армированной структуры композита придает ПКМ жесткость и, как следствие, высокую износостойкость [3]. Повышение комплекса свойств ПКМ при использовании активированных волокон объясняется тем, что технологический прием механо-активации приводит к повышению объемной степени армирования полимера.
Установлено, что использование технологии активации влияет на свойства поверхности и способствует повышению усиливающего действия волокон на термопластичные полимеры (СВМПЭ и ПТФЭ). Оптимальная концентрация для реализации максимального упрочняющего действия микроволокон зависит от полимерной матрицы: для ПТФЭ-2-5 мас.%, для СВМПЭ- 5-10 мас.%.
Проведены исследования ударной прочности (ударная вязкость) композитов на основе СВМПЭ
на маятниковом копре вТ-7045-НМН (Ц по ГОСТ 19109-84 при скорости маятника в момент удара 3,5 м/с и энергии удара маятника 5 Дж (условия испытаний полимерных композиционных материалов). Ударная вязкость характеризует ударную прочность, т.е. сопротивление ударным нагрузкам - способность материала сопротивляться нию при приложении
14
„12
ш 8 6 4 2 0
а!
5 ш 1 Ч
ПТФЭ нБВ
пт РЭ
100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Нагрузка Н
Рис. 3. Зависимости нагрузочной способности ПКМ от нагрузки
разруше-механической нагрузки с высокой скоростью. Результаты испытания образцов на ударную прочность показали, что композиты на основе СВМПЭ не разрушаются при данных условиях испытания. Это свидетельствует об их высокой стойкости к ударным воздействиям.
В работе исследована нагрузочная способность разработанных композитов, рассчитаны значения РУ-фактора с целью определения их возможного применения в различных узлах трения машин и приборов (рис. 3). Установлено, что при повышении нагрузки сначала происходит увеличение нагрузочной способности (Ре), затем при возрастании прилагаемой нагрузки от 1200 до 1600 Н наблюдается стабилизация Ре для ненаполненного ПТФЭ.
При модификации ПТФЭ базальтовым волокном повышаются допустимые значения нагрузки до ~12 МПа, что можно объяснить структурной модификацией ПТФЭ, наполненного БВ, не только в объеме материала, но и на поверхностях трения.
Таким образом, на основании проведенных исследований показана перспективность использования активированных базальтовых волокон производства ООО «Завод базальтовых материалов» (РС (Я)) в качестве наполнителей ПТФЭ и СВМПЭ для получения полимерных материалов с повышенным комплексом эксплуата-
ционных характеристик. Установлена эффективность использования высокоскоростной планетарной мельницы АГО-2 для диспергирования БВ. Показано, что активированные таким образом базальтовые волокна имеют большую удельную поверхность, связанную существенным изменением микротопографии их поверхности, что обеспечивает лучшее взаимодействие между полимером и базальтовым наполнителем, приводящее к повышению физико-механических и трибо-технических показателей композитов на их основе. Использование активированного БВ в качестве наполнителя ПТФЭ и СВМПЭ кроме улучшения свойств полимера, а также будет иметь положительный экономический эффект за счет использования дешевого природного сырья. Перечисленные свойства позволяют рекомендовать применение разработанных полимерных композитов в механизмах, подверженных высокой степени истирания, например, для изготовления рычагов подвески, опорных катков, осей качения подшипников скольжения, и других деталей для обеспечения этим деталям длительной износостойкости и ударопрочности, высокой теплоустойчивости, низкого веса, стойкости к агрессивным средам и не подверженность коррозии, что важно при эксплуатации оборудования, используемого в горнодобывающей и обогатительной промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. -СПб., 2009. - 118 с.
2. Зеленский Э.С., Куперман А.М., Гор-баткина Ю.А., Иванова-Мумжиева В.Г., Берлин А. А. Армированные пластики современные конструкционные материалы // Российский химический журнал. - 2001. -Т. ХШ - № 2. - С. 56-74.
3. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. -СПб., 2008. - 648 с.
4. Чавкин А.И. Выбор средств антикоррозионной защиты металлических анкеров и предварительные результаты их испытаний // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион.
Технические науки. Спецвыпуск «Техника и технологии угольных предприятий». -2005. - С. 87-94.
5. Земцов А.Н., Батанова А.М., Гра-меницкий Е.Н., Щекина Т.И., Котельников А.Р., Курбыко Т.А., Путляев В.И., Уваров А.С. Исследование состава и свойств минерального волокна на основе базальта / сборник Базальтовая вата: история и современность, - Пермь: ИИЕТ РАН, 2003. -124 с. - С. 31-37.
6. Чесноков А.В., Косоногова Л.Г. Перспективные направления усовершенствования композитной анкерной крепи // Науко-вий вюник НГУ. - 2013. - № 1. - С. 3944.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Петрова Павлина Николаевна - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected], Соколова Марина Дмитриевна - доктор технических наук, зав. лабораторией, е-mail: [email protected], Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН; Заровняев Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор, декан Горного факультета, е-mail: [email protected], Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова; Майер Андрей Федорович - аспирант,
Гоголева Ольга Владимировна - кандидат технических наук, научный сотрудник, е-mail: [email protected], Васильев Спиридон Васильевич - младший научный сотрудник, е-mail: [email protected],
Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН.
UDC 621.893
PERSPECTIVE FOR BASALT PLASTIC PRODUCTS IN MINING INDUSTRY
Petrova P.N., Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: [email protected], Sokolova M.D., Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, e-mail: [email protected], Institute of Oil and Gas Problems of Siberian Branch Russian Academy of Sciences; Zarovnaev B.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of Faculty of Mining, M.K. Ammosov North-Eastern Federal University, e-mail: [email protected]; Mayer A.F. , Graduate Student,
Gogoleva O.V., Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: [email protected],
Vasilev S.V., Junior Researcher, e-mail: [email protected],
Institute of Oil and Gas Problems of Siberian Branch Russian Academy of Sciences.
The results of investigations of physico-mechanical and tribological characteristics of basalt-plastics based on polytetrafluoroethylene and ultrahigh molecular weight polyethylene in depend on concentration and activation modes of basalt fibers are presented. The efficiency of using of activated basalt fibers i to obtain materials with improved wear resistance and improved physical and mechanical characteristics are shown.
Key words: basalt fiber, a polymer, activating, strength, wear resistance, impact strength.
REFERENCES
1. Perepelkin K.E. Armiruyushchie volokna i voloknistye polimernye kompozity (Reinforcing fibers and fiber polymer compounds), Saint-Petersburg, 2009, 118 p.
2. Zelenskii E.S., Kuperman A.M., Gorbatkina Yu.A., Ivanova-Mumzhieva V.G., Berlin A.A. Rossiiskii khimicheskii zhurnal, 2001, vol. XLV, no 2, pp. 56-74.
3. Mikhailin Yu.A. Konstruktsionnye polimernye kompozitsionnye materialy (Constructional polymer composites), Saint-Petersburg, 2008, 648 p.
4. Chavkin A.I. Izvestiya vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhnicheskie nauki. Spetsvypusk «Tekhnika i tekh-nologii ugol'nykh predpriyatii», 2005, pp. 87-94.
5. Zemtsov A.N., Batanova A.M., Gramenitskii E.N., Shchekina T.I., Kotel'nikov A.R., Kurbyko T.A., Putlyaev V.I., Uvarov A.S. Sbornik Bazal'tovaya vata: istoriya i sovremennost' (Basalt wool: History and contemporaneity. Collected volume), Perm, IIET RAN, 2003, 124 p., pp. 31-37.
6. Chesnokov A.V., Kosonogova L.G. Naukovii visnik NGU, 2013, no 1, pp. 39-44.
A
УМНАЯ КНИГА - ПРЕДМЕТ ПЕРВОЙ НЕОБХОДИМОСТИ_
С КАКОЙ ЦЕЛЬЮ ПОДСЧИТЫВАЮТ ТИРАЖИ, ОБЪЕМЫ, НАЗВАНИЯ, ДОХОДЫ ИЗДАТЕЛЕЙ?
Слепо копируя западный стиль ранжирования бизнеса, издатели с энтузиазмом принялись сравнивать легко определяемые количественные показатели. Даже те, которые очевидно несравнимы.
Можно ли поощрять выпуск оглупляющих, безнравственных книг, призывающих к насилию, обману, невежеству? Книги, рассчитанные на необразованные слои населения, пока дают огромный финансовый оборот и прибыль. Отказ от цензуры вылился в невероятный объем халтуры, а книжные общественные организации только аплодируют их «успехам». Впрочем, моральное поощрение безнравственным издателям не очень-то и нужно, им хватает и сверхприбылей.
Бездумные подсчеты данных о книжной продукции не только не приносят пользы нашему общему делу, но и вредят ему. Если нет физической возможности детально анализировать выпускаемые книги, рецензировать их содержание, оценивать полезность для общества, то хорошо бы обойтись без малозначимой и недостоверной статистики.
А какая же статистика нам нужна? Научным и техническим специалистам полезно знать уровень обеспеченности книжной продукцией своего научного или инженерного направления, динамику его развития (модель Бредфорда), достоверную статистику книгоиздания для определения ориентиров производственной деятельности, кадровый состав издательств, социально-экономическую статистику внутрииздательских процессов. Вопросы достоверности, репрезентативности, релевантности и полезности статистической информации по издательскому делу требуют обсуждения, а в дальнейшем и реформирования.
Продолжение на с. 347
Считаем доходы, упускаем читателя
