CC BY
37
Таблица 3
Характеристика состояния покрытия
Обозначение обобщенной оценки Количественное значение Критерий оценки Состояние
АДф 0,794 0,7 <АДф< 1 Хорошее
АДл 0,794 0,7 <АДл< 1 Хорошее
АДв 0,794 0,7 <АДв< 1 Хорошее
АЗф 1 0,8 <АЗф< 1 Хорошее
АЗл 1 0,8 <АЗл< 1 Хорошее
АЗв 1 0,8 <АЗв< 1 Хорошее
ства). В наибольшей степени проявились грязеудержание (со снижением оценки) и изменение блеска (без влияния на оценку). Изменения защитных свойств не наблюдалось ни в складских условиях, ни при использовании мебели в жилых помещениях. Это значит, что покрытие сохранило надлежащее качество в течение гарантийного срока службы изделий.
Библиографический список
1.Новоселова И.В. Отделка мебели: вчера, сегодня, завтра // Дизайн и производство мебели. 2005. № 1. С.37-40.
2. Новоселова И.В. Оценка эксплуатационных свойств прозрачных покрытий мебели // Совершенствование технологий и экономики лесопромышленного комплекса: сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 1998. С. 95-96.
DOI: 10.12737/1766 УДК 620: 674+66
ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ КОМПОЗИТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Т. Н. Стородубцева кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Э. А. Черников аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии А. И. Томилин аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии А. А. Аксомитный ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
tamara-tns@yandex.ru
Совершенствование композита по- определяющих их факторов в процессах
требовало детального изучения как взаи- изготовления конструкций, так и в услови-
мосвязи появляющихся внутренних сил и ях их эксплуатации при различных видах
силовых воздействий.
При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются различные композиционные материалы, вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации.
Процесс изменения механических характеристик - прочности и упругости при растяжении и сжатии, скалывании, трещиностойкости элементов композита от действия температуры в литературных источниках крайне ограничен.
Таким образом, анализ объемного напряженного состояния матрицы композита, в котором древесина является его армирующим заполнителем, вызвал необходимость провести соответствующие экспериментальные исследования [1], (например, на сжатие, рис. 1).
К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей, грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность.
Методика эксперимента была такова. Образцы помещали в термошкаф, позволявший создавать в камере необходимую
Рис. 1. Образец композита при испытании на сжатие
температуру, а именно плюс 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95, 105 и 115 °С, а для достижения температуры минус 5 °С - в морозильную камеру холодильника. В течение часа образцы выдерживали при необходимой температуре, а затем сразу испытывали на сжатие по обычной методике, (рис. 1).
С учетом падения температуры образца за время установки измерительных приборов и самого эксперимента в расчет принимали температуры от 0 °С до 110 °С с шагом 10 °С. Каждая экспериментальная точка на рис. 2, например, является средним арифметическим значением предела прочности или модуля упругости по результатам трехкратных испытаний в общей сложности 240 образцов из древесины сосны и стекловолокнистого композиционно-
го материала при соответствующей температуре.
Характер расположения экспериментальных точек на графиках позволил сделать предположение о том, что пределы прочности и модули упругости древесины и композита при растяжении, сжатии и скалывании зависят до температуры 100 °С линейно (до точки перелома на прямой). Это предположение подтвердила математическая обработка результатов опытов, которая дала возможность получить теоретические зависимости указанных характеристик от температуры методом наименьших квадратов. Суммы отклонений оказались незначительными - от 0 до 0,55 МПа (рис. 2).
Рис. 2. Графики зависимостей от температуры предела прочности и модуля упругости древесины при растяжении поперек волокон в тангенциальном направлении (сосна, влажность 12 %)
Приведенные на графике эмпирические формулы позволяют вычислить необходимые значения характеристик проч-
ности и упругости от 0 °С до 100 °С, а также соответствующие температурные коэффициенты по прочности КТ и жесткости ПТ.
Рассмотрим зависимости механических характеристик основных компонентов композита - древесины (Д) и полимерной оболочки из стекловолокнистого композиционного материала ФАМ от температуры (20 °С), МПа: модуль Юнга при растяжении и сжатии полимерной оболочки имеет одно и то же значение - 1,64-104; а для армирующего заполнителя - древесины: в тангенциальном направлении при растяжении -0,051-104, при сжатии - 0,06-104; в радиальном направлении волокон, соответственно - 0,06-104, 0,07-104; поперечном направлении: при растяжении - 1,234 -104, при сжатии - 1,07-104. Напряженное и деформируемое состояние у произвольной точки в объеме деревянного кубика, например, у его центра, является объемным, но сам кубик не является главным как и его грани не являются главными площадками, т.к. на них действуют и нормальные и касательные напряжения, поэтому с использованием специальной программы для ЭВМ были получены величины главных напряжений и главных деформаций для двух вариантов - с положительными и отрицательными нормальными напряжениями по направлению нормалей «a», «г» и «Ъ>.
Приведем значения модуля Юнга для армирующего заполнителя - древесины сосны при температуре 60 °С при растяжении и сжатии соответственно, МПа: в тан-
генциальном направлении 0,037-104 и 0,056-104; в радиальном направлении -0,056-104 - одинаковое значение при растяжении и сжатии и в поперечном направлении - 1,00-104, тоже одинаковое значение при растяжении и сжатии.
На рис. 3, а, б показаны направления разреза ствола, по которым выпиливались образцы для испытания и определения прочности древесины по направлению нагрузки [2, 3].
Были определены значения характеристик прочности при температуре 20 °С (60 °С) соответственно, полимерной оболочки, МПа: при растяжении - 19,03 (16,79), при сжатии - 20,16 (17,83); древесины - в тангенциальном направлении при сжатии поперек волокон - 7,36 (6,36), в тангенциальном направлении при скалывании поперек волокон - 6,93 (4,33), в тангенциальном направлении при растяжении поперек волокон - 3,28 (2,57), в радиальном направлении при сжатии - 5,47 (5,41), в радиальном направлении при растяжении - 5,20 (5,00). Приведем значения температурных коэффициентов по жесткости: для полимерной оболочки при растяжении, сжатии - 0,76, для древесины в тангенциальном направлении при растяжении -0,73, при сжатии - 0,93 и в радиальном направлении при растяжении - 0,93, при сжатии в радиальном - 0,80; вдоль волокон - при растяжении - 0,81, при сжатии -
0,99. Значения характеристик прочности древесины определялись в соответствии с главными направлениями упругой симметрии древесины как ортотропного тела.
После отверждения полимерной обо-
Рис. 3. а) направления разреза ствола:
1 - поперечный, 2 - радиальный,
3 - тангенциальный; б) испытание прочности древесины по направлению нагрузки
лочки образовавшееся механическое соединение, усиленное обжатием заполнителя за счет усадки создает прочную адгезионную связь в зоне раздела фаз, что подтверждается экспериментально при определении предела прочности при скалывании (разрушение происходит по полимерной мастике) и адгезионной прочности соединения полимерная оболочка - деревянный цилиндрический стержень.
Молекулярная (адсорбционная) теория Де-Бройна-Маклорена предполагает разделение адгезии полимеров на две стадии: 1 - миграция больших молекул (олимера ФАМ у нас) к поверхности
субстрата (древесины) в результате броуновского движения. При этом полярные группы, способные образовывать водородную связь, приближаются к соответствующим группам субстрата; 2 - установление адсорбционного равновесия, которое наступает потому, что при расстоянии между молекулами адгезива и субстрата меньше 5 ангстрем начинают действовать Ван-дер-Ваальсовы силы и адгезив обязательно должен обладать поляр-ностью. Эта теория вполне применима для установления причин возникновения адгезионных связей в зоне раздела между олигомером ФАМ и древесиной, так как полярность ФАМ доказана, а наличие Ван-дер-Вааль-совых сил очевидно.
Теория химических связей предполагает, что адгезия обусловлена химическими взаимодействиями адгезива и субстрата. Точной границей между адгезией, обусловленуой физическими силами, и адгезией являющейся результатом хими-чес-кого взаимодействия, установить нельзя [4], т.к. молекулы олигомера ФАМ имеют активные функциональные группы, то между такими молекулами и поверхностью целлюлозы и лигнина могут быть и химические связи.
С нашей точки зрения заполнитель оказывает большее влияние на поверхностные свойства материала, чем наполнители. Известно, что оксиды алюминия и железа имеют положительный заряд поверхности, т.е. они обладают электронно-акцепторными свойствами [5], тогда как диоксид кремния, являясь ангидридом кремния кислоты, имеет отрицательный заряд поверхности, т.е. они обладают электронно-
донорными свойствами. Таким образом, эти материалы по знаку частиц поверхностей обладают противоположными показателями. Именно это обстоятельство обуславливает их активное взаимодействие.
В этой связи необходимо подчеркнуть, что теория совместимости полимерной матрицы и поверхности наполнителя находятся в стадии разработки и становления. Введение замедлителя реакции кристаллизации (ЗРК) уменьшает значения модулей упругости композита, что приближает полученный материал к эталонному - древесине.
При температуре около ста градусов в древесине происходит уменьшение (распад) пентозанов, это сопровождается уменьшением прочности и упругости полимерной оболочки и древесины, молекула которых содержит пять атомов углерода, которые содержит клеточная оболочка древесины. И это, в свою очередь, обеспечивает механическую прочность.
В стекловолокнистом композиционном материале происходит термическая деструкция полимерного связующего - отвержденного фурфуролацетонового мономера ФАМ.
Установлено, что процесс отверждения полимерного раствора ФАМ протекает по экспоненциальному закону, т.е. неравномерно во времени Т. Вначале он достаточно интенсивен в связи с самораз-огревом его при экзотермической реакции полимеризации. Затем раствор густеет и с этого момента свободным деформациям его усадки начинают препятствовать элементы древесного заполнителя, в конкретном случае - грани деревянного кубика.
При этом у его ребер возможна концентрация напряжений.
Предложена формула для подсчета температурных напряжений на поверхности изделия из композиционного материала [1]. В ней использованы новые результаты, полученные при исследовании влияния температуры на величины модуля упругости композита и коэффициентов температурного расширения.
Результаты данной работы - механические характеристики композита (модуля упругости, пределов прочности) в зависимости от температуры его изготовления методом литьевого формования могут быть использованы при исследовании готовых изделий на долговечность, надежность, трещиностойкость, а с целью оптимизации данного процесса, необходимо соблюдать режим температуры и времени.
Библиографический список
1. Стородубцева Т.Н. Строительные древесностекловолокнистые композиционные материалы для изделий специального назначения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж: Воронеж. гос. архи-тектурно-строит. ун-т., 2005. 43 с.
2. Справочник столярно-мебельный:
информационно-поисковая система. [Электронный ресурс]. Ц^: http://wъъd-
Ьъък.ШЪ /page/drevesina.php (дата обращения 15.08. 2013г.).
3. Древесина: информационно-поис-
ковая система. [Электронный ресурс]. Ц^: http://www.telenir.net/tehnicheskie_
паикі/stъlj amye_i_plъtшchnye_rabъty/p2. php (дата обращения 15.08. 2013г.).
4. Берлин А.А., Васин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. 391 с.
5. Химия привитых поверхностных соединений / под ред. Г. В. Лисичкина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 592 с.
