CC BY
62
Прочностные свойства жгутов базальтовых волокон и микропластиков на их основе COMPARATIVE ANALYSIS OF THE EVAPORATIVE CAPACITY OF COMPOSITE AND METAL CYLINDERS
Lebedev I.K., Moroz N.G., Kalinnikov A.N. Bauman Moscow State Technical University
Abstract
The results of experimental tests of the evaporative evaluation of standard steel and metal composite cylinders with a volume of 24 liters are presented. It is shown that despite the large difference in thermal conductivity of the materials used in the structures under consideration, the heat fluxes affecting the evaporative capacity of the gases filling the cylinders have almost similar levels and do not affect their operational specifications.
УДК 539.4
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЖГУТОВ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН И МИКРОПЛАСТИКОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Орлов М.А., Золотаренко И.Д., Поволокин О.В., Боярчук М.В.
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Аннотация Ключевые слова:
В настоящей статье представлен пример исследования основных базальтовое волокно, жгуты,
технологических и эксплуатационных характеристик базальтового базальтовые композиционные ма-
волокна, определяемых химическим составом используемого при- териалы, прочность, упругость,
родного базальтового сырья: прочности, модуля упругости жгутов химический состав базальтового
базальтовых волокон и микропластиков на их основе, характери- сырья
стик динамики нагружения. Указанные параметры являются клю- История статьи:
чевыми при определении уровня качества выпускаемого волокна и Дата поступления в редакцию
могут быть целиком воспроизведены в рамках реального производ- 12.11.18
ственно-технологического цикла. Дата принятия к печати 14.11.18
Введение
Одно из наиболее перспективных направлений развития композиционных материалов занимают материалы на основе базальтового волокна, отличающегося повышенными эксплуатационными характеристиками в высокотемпературных условиях эксплуатации, сопровождаемых интенсивными динамическими нагрузками, чрезвычайно низкой гигроскопичностью, виброустойчивостью, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, что позволяет использовать базальтовое волокно в составе композиционных решений для аэрокосмической отрасли, в судостроении и строительстве. К важным
Keywords:
eylinder, liner, propane-butane, evaporative capacity, vacuum, pressure Date of receipt in edition: 11.10.18 Date of acceptance for printing: 17.10.18
преимуществам базальтового волокна также относится, технологичность производства и сравнительно низкая себестоимость [1-10].
Следует отметить, что производство базальтовых волокон основано на использовании расплавов природного сырья, поступающего из различных месторождений, и, вследствие этого, значительно отличающегося по химическому составу, технологическим параметрам. В таблице 1 представлены технологические параметры расплавов базальтовых пород различных месторождений [6].
Таблица 1
Свойства расплавов базальтовых пород различных месторождений
Расплав основной горной породы Месторождение Вязкость, Н-с/м2 при температуре, °С Температура верхнего предела кристаллизации,°С Поверхностное натяжение, дин/см, при температуре,°С
1400 1350 1300 1250 1300 1350
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Базальт Яснова долина, Ровенской области 7,4 11,7 18,0 34,8 1250 354 352
Хайна Чохрак, 5,1 5,7 6,3 8,9 1215 - -
Донецкой области
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Диабаз Исачковское, Полтавской области 6,7 7,4 10,6 21,3 1230 352 349
Ромны, Сумской области 8,7 10,2 12,4 20,6 1215 - -
Амфиболит Тальное, Черкасской области 9,1 12,5 18,7 81,0 1250
Исходя из выше представленного, следует подчеркнуть важность периодического контроля основных технологических и эксплуатационных характеристик волокна, производимого из конкретного базальтового сырья (месторождения, поставочной партии), в целях обеспечения требуемого уровня качества продукции.
Предметом исследования настоящей статьи является практическая отработка методики тестирования значимых свойств базальтовых жгутов и элементарных образцов композитных изделий - микропластиков, свойства которых задают эксплуатационные характеристики композитных конструктивных решений.
Основной задачей настоящей работы являются практические исследования прочности, модуля упругости жгутов базальтовых волокон и микропластиков, динамики нагружения, выработка оптимальной методологии производственно-технологического контроля вклада используемого базальтового сырья в качество выпускаемой продукции.
Прочностные свойства жгутов базальтовых волокон и микропластиков на их основе Материалы и методы
Образцы жгутов базальтовых волокон для испытаний отбирались через каждый метр намотки бобины. Отобранные для испытания пробы визуально контролировались на отсутствие повреждений. Характеристики проб показаны в таблицах 2-4.
Таблица 2
Характеристики проб жгутов базальтовых волокон
№ Т, г/км Шаг отбора проб, м Длина пробы, м Количество, шт.
1 1200 1 1 8
2 1600 1 1 8
3 1800 1 1 8
4 2000 1 1 8
5 2400 1 1 8
Таблица 3
Характеристики образцов микропластиков на основе базальтовых волокон
№ п/п Линейная плотность базальтового ровинга, г/км Длина рабочей части, мм Тип замасливателя Связующее и режим отверждения
1 1200 100 Замасливатель 1 ЭД-20 + и-МТГФА +
Замасливатель 2 МИ
2 1600 100 Замасливатель 1 4ч.110°С
Замасливатель 2
3 1800 100 Замасливатель 1
Замасливатель 2
4 2000 100 Замасливатель 1
Замасливатель 2
5 2400 100 Замасливатель 1
Замасливатель 2
Таблица 4
Характеристики образцов армированных пластиков на основе базальтовых волокон
№ п/п Линейная плотность базальтового ровинга, г/км Тип образца и ориентация волокон Метод получения Связующее и режим отверждения
1 1200 Цилиндрический, вдоль, продольной оси Пултрузия ЭД-20 + и-МТГФА + МИ 4ч.110°С
2 1600
3 1800
4 2000
5 2400
Образцы микропластиков изготавливались намоткой пропитанного эпоксидной композицией жгута базальтовых волокон. Оправки для получения микропластиков представляют собой рамочную конструкцию, с двух сторон которой закреплены барабаны с нарезанными канавками (рисунок 1). В канавки укладывался пропитанный связующим жгут. В качестве жгутов использовали ровинг с линейной плотностью 1200, 1600, 1800, 2000 и 2400 г/км. Жгуты были обработаны экспериментальными
замасливателями (Замасливателем № 1 и Замасливателем № 2). В качестве связующего использовали эпоксидную смолу ЭД-22, которая отверждалась изо-метилтетрагидрофталевым ангидридом.
Намотка осуществлялась на намоточной машине, которая не подвергает существенным повреждениям волокна на всех этапах переработки, и при этом не происходит проскальзывания и истирания волокон (рисунок 2).
Жгут подается с бобины 1, расположенной на шпулярнике 2, через направляющее кольцо 3.
Рис. 1. Рамка, применяемая для получения микропластиков
Рис. 2. Схема намотки экспериментальных образцов базальтопластиков
Шпулярник оборудован тормозным устройством, обеспечивающим предварительное натяжение волокна. Затем производилось нанесение на жгут связующего с помощью пропиточного ролика 4. Ролик частично погружен в связующее, которое подается из обогреваемой ванночки 5. Следует отметить, что пропиточный ролик расположен несколько выше следующих за ним вальцов и направляющего кольца, что обеспечивает небольшой перегиб жгута и создает в точке касания нормальные напряжения, которые уже на данном этапе способствуют пропитке наполнителя. Окончательная пропитка жгута и его натяжение осуществляется на натяжных барабанах 6, установленных под небольшим углом друг к другу, что позволяет сделать несколько витков вокруг барабанов и, тем самым, произвести более тщательную пропитку. Тормозное устройство 7 позволяет регулировать натяжение волокон. Далее пропитанный жгут проходит через раскладчик 8, расположенный в непосредственной близости от рамки 9. Пропиточный ролик 4, ванночка со связующим 5 и натяжные барабаны 6 обогреваются горячей водой заданной температуры, поддерживаемой термостатом. Все элементы пропиточно-натяжно-го тракта крепятся на вертикальной пластине, которая установлена на суппорте токарного станка, что позволяет вести намотку с заданной скоростью.
После намотки базальтового волокна на рамки оправки снималась с вала намоточного станка и отверждались в термошкафу при температуре 110 °С 4 ч. Охлаждение до комнатной температуры происходило в термошкафу. Далее пропитанные жгуты (препреги) срезали с рамок.
В таблице 3 показаны параметры намотки препрегов из базальтовых волокон.
После намотки препрега получившиеся жгуты срезали с оправки. Далее жгуты протягивали в оправки в виде фильеры (рисунок 3) так, чтобы жгут полностью заполнил канал. Оправки предварительно нагревались до температуры 80 °С. Затем оправки с препрегом внутри при 110 °С, 4. После термообработки из оправки извлекались стержни базальтопластика диаметром 9 и 15,5 мм и длиной 120 мм.
Рис. 3. Схема составной фильеры для изготовления стержней армированных пластиков
Испытание на растяжение жгутов базальтовых волокон
Методика испытаний разработана в соответствии с ГОСТ 6943.10-2015 «Материалы текстильные стеклянные. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве».
Сущность метода заключается в определении разрывной нагрузки, модуля упругости и удлинения при разрыве путем растяжения образца с помощью испытательной машины до разрушения. Во время проведения испытания регистрируют диаграмму «нагрузка-деформация».
В качестве испытательного оборудования использовалась испытательная машина по ГОСТ 28840, обеспечивающая линейное перемещение активного захвата (траверсы) с заданной постоянной скоростью, и измерение нагрузки с погрешностью не более ±1% измеряемой величины. Испытательная машина оборудована клиновидными пневматическими зажимами, обеспечивающих надежное закрепление образца и его соосность с осью симметрии испытательной машины.
Схема образца представлена на рисунке 4. Свойства жгутов базальтовых волокон показаны в таблице 5.
/ /
\
Рис. 4. Схема образца. 1 - жгут базальтовых волокон, 2 - захватные части образца, I - база образца
Таблица 5
Технологические параметры намотки препрегов из базальтовых волокон
Параметр Линейная ^ч плотность, г/км Усилие натяжения нити, Н Скорость намотки, м/мин Время намотки одного образца, мин
Диаметр 9мм Диаметр 15,5 мм
1200 5 11,7 2,4 7
1600 5 11,7 1,8 5,2
1800 5 11,7 1,6 4,6
2000 5 11,7 1,4 4,1
2400 5 11,7 1,2 3,5
Подготовка образцов базальтовых волокон для проведения испытаний
Для изготовления образцов жгутов базальтовых волокон для механических испытаний использовался ровинг с линейной плотностью 1200, 1600, 1800, 2000 и 2400 г/км. Перед забором проб сматывались наружные витки бобины. Далее нарезались отрезки базальтового жгута каждой линейной плотности и проклеивались их с двух сторон базальтовой тканью, пропитанной эпоксидной смолой. Заклейка осуществлялась таким образом, чтобы захватная часть образца имела размеры не менее 20 х 20 мм, базовая часть составляла 100, 200 или 300 мм. После заклейки захватных частей проводилась термообработка образцов при температуре 80 °С 2 ч.
Изготовленные образцы маркируются в захватной части. Маркировка должна позволять точно идентифицировать образцы, не должна повреждаться при испытании, а также влиять на выполнение и результат испытаний.
Условия и порядок проведения испытаний
Шкала нагрузки на образец выбирается таким образом, чтобы измеряемая величина составляла от 20% до 80% максимального значения шкалы.
Испытания с управлением по деформации проводятся со скоростью деформирования 50 мм/мин.
Далее на испытательную машину устанавливаются клиновидные зажимы при контроле надежности и соосности их размещения. Далее в зажимы устанавливается образец, располагаемый соосно оси приложения нагрузки без перекосов и значительного (более 1 % от разрушающей нагрузки) преднагружения при захвате образца зажимами. Затем на испытательной машине включается режим испытания и регистрируется приложенная сила и удлинение, а также момент разрыва. Испытание завершается при полном разрушении образца.
За результат испытания принимается среднее значение десяти измерений для любой вышеуказанной серии образцов.
Результаты испытаний
На рисунках 5-7 приведены типичные диаграммы нагружения для жгутов базальтовых волокон с разной линейной плотностью, испытанных при разной длине рабочей части. Отмечено, что при нагружении жгутов значение напряжения растет практически линейно. Далее заметено значительное отклонение от линейности, которое заканчивается при полном разрушении образца. Нелинейное поведение жгутов при растяжении связано с разнодлинностью моноволокон. Отмечается отклонение от линейности при повышении линейной плотности жгутов. Следует также отметить, что геометрическая форма диаграмм растяжения жгутов прак-
тически не зависит от размера базы образцов. Из полученных диаграмм нагружения были рассчитаны прочности, модули упругости и удлинения при разрушении жгутов базальтовых волокон. Зависимость модуля упругости жгутов базальтовых волокон, от линейной плотности представлена на рис. 8.
На рисунках 9 и 10 показаны типичные диаграммы нагружения микропластиков на основе жгутов с разной линейной плотностью. Форма диаграмм нагружения не зависит от линейной плотности жгутов и типа замасливателя. Нелинейный характер изменения напряжения при растяжении образцов связан с разнодлинностью моноволокон. Из полученных диаграмм нагружения определялась прочность и модуль упругости микропластиков.
Результаты расчетов модулей упругости и прочностей при растяжении микропластиков представлены на рисунках 11 и 12. Величины ар и Ер практически не зависят от линейной плотности жгутов и от типа замасливателей. Прочность при растяжении микропластиков в среднем равна 2800 МПа, модуль упругости - около 80 ГПа. Измеренная прочность при растяжении микропластиков удовлетворяет ТТ. Еще раз следует отметить, что прочность и модуль упругости моноволокон составляет 3000 МПа и 100 ГПа соответственно. При этом различие между прочностью исходного жгута и микропластика составляет около 7%, различие между значениями модуля упругости - 20%. Этот факт свидетельствует о довольно высокой реализации прочности моноволокон в микропластике.
Рис. 5. Типичные диаграммы нагружения базальтовых жгутов с длиной рабочей части 100 мм. Линейная плотность жгута: а - 1200 г/км; б - 1600 г/км; в - 1800 г/км; г - 2000 г/км; д - 2400 г/км
Рис. 6. Типичные диаграммы нагружения базальтовых жгутов с длиной рабочей части 200 мм. Линейная плотность жгута: а - 1200 г/км; б - 1600 г/км; в - 1800 г/км; г - 2000 г/км; д - 2400 г/км
Рис. 7. Типичные диаграммы нагружения базальтовых жгутов с длиной рабочей части 300 мм. Линейная плотность жгута: а - 1200 г/км; б - 1600 г/км; в - 1800 г/км; г - 2000 г/км; д - 2400 г/км
Рис. 8. Зависимость модуля упругости жгутов базальтовых волокон, от линейной плотности. Длина рабочей части образца: а - 100 мм; б - 200 мм; в - 300 мм.
Рис. 9. Типичные диаграммы нагружения микропластиков на основе базальтовых волокон, обработанных замасливателем № 1. Линейная плотность жгута: а - 1200 г/км; б - 1600 г/км;
в - 1800 г/км; г - 2000 г/км; д - 2400 г/км.
Рис. 10. Типичные диаграммы нагружения микропластиков на основе базальтовых волокон, обработанных замасливателем № 2. Линейная плотность жгута: а - 1200 г/км; б - 1600 г/км;
в - 1800 г/км; г - 2000 г/км; д - 2400 г/км.
Рис. 11. Прочность микропластиков на основе жгутов базальтовых волокон с разной линейной плотностью, обработанных Замасливателем №1 или Замасливателем №2.
Рис. 12. Модуль упругости микропластиков на основе жгутов базальтовых волокон с разной линейной плотностью, обработанных Замасливателем №1 или Замасливателем №2.
Заключение
В настоящей работе был сформирован и практически отработан базовый профиль исследования базальтовых моноволокон и жгутов на предмет соответствия исходного природного базальтового сырья и технологии производства техническим требованиям к производимой продукции.
Представленный перечень исследований может составлять основу контрольного технологического тестирования, и включать в себя практически отработанные в данной работе исследования следующих технических характеристик контрольной продукции:
a) Прочности и динамики нагружения вплоть до разрушения жгутов и микропластиков;
b) Упругих характеристик жгутов и микропластиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Композиционные материалы на основе базальтовых волокон: Сборник научных трудов. - Киев: ИПМ, 1989. - 164 с.
2. Базальтоволокнистые материалы. Сборник статей. / Под ред. В.И. Костикова, Л.Н. Смирнова. - М.: Информ-конверсия, 2001. - 307 с.
3. Смирнов Л.Н., Кошелев В.Ю. Механика формования базальтовых непрерывных волокон при фильерном способе их получения. // Базальтоволокнистые материалы: Сборник статей исполнителей «Комплексной программы по применению новых базальтоволокнистых материалов и изделий в городском хозяйстве Москвы в 1998-2000 гг. и до 2005 г.» -М.: Информконверсия, 2001. - С. 5-34.
4. Промышленные полимерные композиционные материалы. Пер. с англ. / Под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1980. - 472 с.
5. Гурьев В.В, Непрошин Е.И. Особенности технологии производства теплоизоляционных изделий из базальтовых волокон и их физико-механические свойства. // Базальтоволокнистые материалы: Сборник статей исполнителей «Комплексной программы по применению новых базальтоволокнистых материалов и изделий в городском хозяйстве Москвы в 1998-2000 гг. и до 2005 г.» -М.: Информконверсия, 2001. - С. 129-156.
6. Громков Б.К., Смирнов Л.Н., Трофимов А.Н. Горные породы для производства базальтовых волокон. // Ба-зальтоволокнистые материалы: сборник статей исполнителей «Комплексной программы по применению новых базальтоволокнистых материалов и изделий в городском хозяйстве Москвы в 1998-2000 гг. и до 2005 г.» / -М.: Информконверсия, 2001. - С. 54-64.
7. Тутаков О.В., Божко В.И. Температуроустойчивые ткани из базальтовых волокон // Текстильная промышленность. - 1982. - №1. - С. 42.
8. Базальтопластики для работ при повышенных температурах. И.Ф. Давыдова, Н.С. Кавун, Е.П. Швецов. ВИАМ/2012-205979.
9. Влагоперенос в базальтопластике на основе модифицированного силикатными наночастицами эпоксиан-гидридного связующего. Д.Е. Зимин, Н.Н. Ходакова, Т.К. Углова, В.В. Самойленко, А.Н. Блазнов. Ползуновский вестник № 3 2015.УДК 678.6.
10. Полимерные композиционные материалы на основе базальта И. Г. Матвеев, М. П. Лебедев. Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН, Якутск. Журнал «Химическая технология» №6 за 2017
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Орлов М.А., Золотаренко И.Д., Поволокин О.В., Боярчук М.В. Прочностные свойства жгутов базальтовых волокон и микропластиков на их основе. — Системные технологии. — 2018. — № 29. — С. 47—60.
STRENGTH PROPERTIES OF BASALT FIBER BUNDLES AND MICROPLASTICS BASED ON THEM
Orlov M.A., Zolotarenko I.D.,Povolokin OV, Boyarchuk M.V. Bauman Moscow State Technical University
Abstract
This article presents an example of a study of the basic technological and operational characteristics of basalt fiber, determined by the chemical composition of the used natural basalt raw materials: strength, elastic modulus of basalt fibers and microplastic materials based on them, and loading dynamics characteristics. These parameters are key in determining the quality level of the produced fiber and can be completely reproduced within the real production and technological cycle.
Keywords:
basalt fiber, tows, basalt composite materials, strength, elasticity, chemical composition of basalt raw materials Date of receipt in edition: 12.11.18 Date of acceptance for printing: 14.11.18
