CC BY
15кон на установках с индукционным способом плавления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ТУ 07508902-140-94. Сырье из горных пород для производства базальтовых волокон. Технические условия. - Бийск, 1994.- 10 с.
2. ТУ 88 УССР 023.001-89. Сырье из горных пород для производства непрерывного волокна. - Киев, 1989. - 10 с.
3. Структура, состав, свойства и формование стеклянного волокна / Под ред. М.С. Аслановой.-
4. II. - 1969.- 90 с.
4. Махова М.Ф., Бачило Т.М., Томилко Г.Ф. // В кн. «Промышленность полимерных, мягких кровель-
ных и теплоизоляционных материалов»: Реф. ин-форм. - М.: ВНИИЭСМ, 1975. - Вып. 6. - С. 20-22.
5. Дубровский В.А., Рычко В.А., Бачило Т.М., Лы-сюк А. Г. // Стекло и керамика. - 1968. - № 12. - С. 18-20.
6. Джигирис Д.Д., Махова М.Ф., Горобинская В.Д., Бомбырь Л.Н. // Стекло и керамика. - 1983. - № 9. - С. 14-16.
7. Джигирис Д.Д. Основы производства базальтовых волокон и изделий - М.: Теплоэнергетик, 2002. - 412 с.
8. ГОСТ 4640-93. Вата минеральная. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1993.- 7 с.
9. Тобольский Г.Ф. Минеральная вата и изделия из нее. - Челябинск: Южно-Уральское кн. изд-во, 1968. - 235 с.
ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА НАМОТОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
В. В. Гаврилов1, А.Н. Блазнов1, В.Ф. Савин1, В. В. Самойленко2, О. В. Старцев3
ООО «Бийский завод стеклопластиков» 2 Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения РАН 3 Алтайский государственный университет
Описана новая технология изготовления полых композитных стержней методом продольно-поперечной намотки. Предложена модель для расчета схемы укладки продольных и поперечных слоев с целью оптимизации массопрочностных характеристик изделий. С помощью экспериментальных исследований доказана адекватность модели и определены механические свойства намоточных изделий.
Ключевые слова: волокнистые композиционные материалы; продольно-поперечная намотка; схема армирования; трехточечный изгиб; продольный изгиб.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире в разных отраслях народного хозяйства широко применяются изделия из волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ), состоящих из отдельных волокон и связывающей их термопластичной или термореактивной матрицы. В зависимости от требований к эксплуатационным характеристикам и технологии производства расположение армирующих элементов может быть случайно ориентированным или упорядоченным с целью обеспечения заданной анизотропии свойств.
К наиболее часто применяемым ВПКМ по виду волокнистого материала относятся стекло-, базальто-, органо- и углепластики [1]. В настоящее время благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как высокая прочность, малая плотность, высокие электро- и
теплоизоляционные свойства, стойкость в химически агрессивных средах и низкая стоимость, наибольшее распространение получили стеклопластики.
Классическим способом изготовления стеклопластиков является пултрузионный способ непрерывного формования, позволяющий получать профильные изделия с постоянным сечением, такие как стержни, уголки, профильные полые изделия и т.д. Пултрузионные профили используются в строительстве в виде каркасных несущих сооружений, для изготовления окон, в электротехнике, в спорте. Обладая вышеперечисленными уникальными свойствами, пултру-зионные стеклопластики имеют ряд недостатков:
- неполная реализация прочности волокон по отношению к массе полых тонкостенных многогранных изделий в сложнонапря-
женных условиях из-за специфики схемы армирования;
- неполная реализация прочностных характеристик при многостадийном армировании из-за рыхлой структуры отвержденного пластика;
- явно выраженная анизотропия свойств из-за отсутствия поперечного армирования;
- низкая ударная прочность.
В связи с расширением области применения ВПКМ меняются требования к изделиям и к условиям их эксплуатации, что приводит к возникновению потребности создания других технологий формования.
Физико-механические показатели ВПКМ определяются следующими факторами:
- прочностью армирующего волокнистого материала;
- степенью армирования;
- характеристиками связующей матрицы;
- адгезионной прочностью между армирующим материалом и матрицей;
- схемой армирования;
- технологическими параметрами.
В реализации упруго-прочностных свойств армирующего волокнистого наполнителя в полимерных композиционных материалах (ПКМ) огромное значение имеют технологические параметры, т. к. они обеспечивают адгезионную прочность в композиционных структурах, степень отверждения поли-
мерной матрицы и полнителя.
степень уплотнения на-
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Учитывая опыт использования изделий, изготовленных пултрузионным способом, в сложнонапряженных условиях, включающих в себя изгибающие нагрузки и кручение, на Бийском заводе стеклопластиков (БЗС) разработана технология изготовления полых тонкостенных профильных стержней методом продольно-поперечной намотки (ППН) с использованием схемы «мокрого формования». Освоена технология производства удилищ, спиннингов, лыжных палок, весел, трубок прямоугольного сечения для ручек хоккейной клюшки и т.д. Основными требованиями к таким изделиям являются малый вес, высокая прочность, жесткость и внешний вид.
Для достижения высоких эксплуатационных характеристик, полноты реализации упруго-прочностных свойств по отношению к массе изделия, реализована схема непрерывной намотки полых стержней с дополнительным внешним давлением.
Технологическая схема намотки полых тонкостенных профильных изделий из ПКМ показана на рисунке 1.
1 - узел загрузки; 2 - узел стыковки; 3 - тянущее устройство; 4 - укладчик пленки; 5 - центрирующее устройство; 6 - правки; 7 - шпулярник; 8 - пропиточная ванна; 9 - узел раскладки ровинга; 10 - формующая фильера; 11 - вертлюг; 12 - тоннельная печь полимеризации; 13 - отрезное устройство; 14 - укладчик
наружной пленки
Рисунок 1. Технологическая схема намотки полых профильных изделий
Эта схема включает формование стержня путем непрерывной укладки пропитанного армирующего материала с чередованием
поперечных и продольных слоев на непрерывно движущиеся оправки, обмотку сформированного пакета пленкой, отверждение и
съем готового изделия с оправок. Формование пакета производят многостадийно, исходя из необходимой толщины стенки, при этом полимеризацию проводят в один прием на оправках до полного отверждения. В целях исключения дальнейшей обработки поверхности изделия и для формирования монолитного композита под воздействием внешнего давления производят укладку наружной термоусадочной пленки на неотвержденный сформированный пакет. Благодаря этому формуемое изделие в процессе полимеризации находится под давлением со стороны оправки (изнутри) и термоусадочной пленки (снаружи), что создает необходимые условия для формирования плотной структуры композита.
Предложенная технология намотки обеспечивает высокую степень реализации прочностных характеристик, высокую ударную прочность изделий, применяемых в сложнонапряженных условиях, где кроме сочетания свойств армирующего волокнистого материала и свойств полимерных связующих важную роль играет схема армирования композита.
В работе исследовали влияние наиболее значимых технологических факторов -схемы армирования и внешнего давления на свойства изделий. В качестве объектов исследования были выбраны ручка хоккейной клюшки (РХК) прямоугольного профиля, и лыжные палки круглого сечения, исследования проводили теоретическим и экспериментальным методом.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Целью исследований была оптимизация схемы раскладки при условии получения максимальной прочности при заданных габаритно-весовых характеристиках изделий.
Базовая схема армирования РХК (рисунок 2) состоит из шести слоев: внутренний кольцевой, внутренний продольный, средний кольцевой, наружный продольный, наружный кольцевой и антишоковый, где кольцевая арматура формируется стеклонитью ЕС6-28х2, продольная арматура - ровингами РБН-13-1200 и РБН-13-420 и антишоковый слой -лентой ЛСБ 0,25 х 100.
Для моделирования были выбраны следующие типы армирования трубок РХК: тип № 1 (юношеская); тип № 2 (взрослая); тип № 3 (взрослая усиленная). Состав кольцевых и продольных слоев для каждого типа приведен в таблице 1.
В
1, 3, 5 - кольцевые слои; 2, 4 - продольные слои;
6 - антишоковый слой
Рисунок 2. Схема армирования трубок РХК
Для прогнозирования требуемых свойств и оптимизации структуры на стадии проектирования изделия (рисунок 2) разработана модель, в основу которой положен расчет основных геометрических размеров, модулей и жесткости на основании правила смесей [2].
Зная объёмное содержание связующего фм, можно определить общую толщину текущего кольцевого слоя композита ^ол.общ:
1,о,о6щ = 0,25 • (^(В+НТТТлОЛЖ-ф) - (В + Н)), (1) где площадь кольцевой арматуры Бкол будет равна:
= (в + 2 • 1Кол ) • (Н + 2 • 1Кол ) - В Н)
(2)
Толщина продольного слоя композита по стороне В определяется по формуле:
^ пр 1 А 6
N •Р
прВ 1 ровВ
106- Р1п1р В •(! -фм)
(3)
где ЫпрВ - количество ровингов, РровВ - масса одного ровинга в тексах, Р
1прВ
плотность
продольной арматуры по стороне В.
Расчет толщины продольного слоя композита по стороне Н аналогичен.
Толщина композита антишокового слоя выразится следующим образом:
(аНт=0,25 фв+Н? +4 • БаНт/(1-Ум) -(В+Н)) (4) Для расчета изгибной жесткости необходимо знать геометрические характеристики и модуль упругости Е для каждого слоя РХК, который определяют по выражениям: для продольного слоя
Епр = Еа -(1 -фм ) + Ем фм ,
(5)
для кольцевого слоя
Е = Е •Е /(Е -(1 -Ф ) + Е ф ), (6)
кол а м ^ м ^ т м ' а т м ' 4 '
где Еа - модуль упругости арматуры, Ем - модуль упругости матрицы.
Таблица 1
Количественная раскладка армирующих слоев РХК различных типов
Слой Тип № 1 № 2 № 3
Линейная 56 56 56
? ° плотность,
I ш ф % текс
'у 5 I о m * Кол-во слоев 1 1 1
Шаг подачи, об/мм 0,45 0,45 0,45
со Ф Текс 420 420 420
>s Кол-во ро 6 6 6
X _0 с; о ч и вингов
s э о Текс 1200 1200 1200
Кол-во ро 12 12 12
ср а IZ вингов
>s s X Текс 420 420 420
I I ф е н о Кол-во ровингов 11 11 11
£ _о Текс 1200 1200 1200
СО о IZ Кол-во ровингов 17 17 17
Текс 56 56 56
Средний кольцевой Кол-во слоев 2 1 1
Шаг подачи, об/мм 0,34 0,34 0,34
со Текс 420 420 420
>s Ф I Кол-во 6 3 3
I _0 с; и ровингов
s 3 Текс 1200 1200 1200
о р с о IZ Кол-во ровингов 12 18 18
JS Текс 420 420 420
н * е н о о _0 Кол-во ровингов 11 14 3
го X Текс 1200 1200 1200
о Кол-во 17 17 28
ровингов
Текс 56 56 56
Наружный кольцевой Кол-во слоев 2 2 1
Шаг подачи, об/мм 0,34 0,34 0,34
Ан- Кол-во слоев 1 1 1
тишо-
ковый
Тогда жесткость любого слоя относительно оси, параллельной В и проходящей через центр тяжести сечения, будет определяться следующим образом: Е■ J=E ((B+2-tB) (H+2-tH)-В■ Н)/12, (7) где tB, tH - толщина слоя в направлении В и Н.
Общая жесткость РХК будет равна сумме жесткостей всех слоев.
В качестве демонстрации использования разработанной модели в таблице 2 приведены
результаты расчета и оптимизации характеристик изделия, путем замены в типах №№ 2, 3 части стекловолокон (420 текс + 1200 текс) х 11 в продольном слое по ширине В на углеродную нить 410текс х 11.
Таблица 2
Расчетные характеристики РХК после замены стеклянных волокон углеродными
Параметр Стекло- Уголь Уголь
s н волокно укн 500 укн П500
В, мм 30,06 30 30
Н, мм 19,75 19,25 19,25
2 Масса, г. 424,4 382,5 382,5
(L=125 см)
Е-J, Нмм2 3,5108 3,5108 3,6108
В, мм 29,86 29,8 29,8
Н, мм 19,95 19,45 19,45
3 Масса, г. 426,8 385 385
(L=125 см)
Е-J, Нмм2 3,9108 3,9108 4,0108
Таким образом, при равной или большей жесткости изделия с добавлением угленити имеют меньшие размеры и массу по сравнению со стеклопластиками.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальные исследования проводили методом трехточечного поперечного и продольного изгиба. Метод трехточечного изгиба известен в литературе и наиболее широко распространен благодаря простоте осуществления [3] для испытаний пластин и стержней, в том числе трубчатой формы. Наряду с этим, метод имеет недостатки: искажение результатов испытаний вследствие воздействия нажимного металлического наконечника на образец и создания в этой зоне неучитываемых концентраций напряжений и сдвиговых деформаций.
Схема испытаний на трехточечный поперечный изгиб приведена на рисунке 3. В результате определяли прогиб образца f под действием приложенной нагрузки Р и вычисляли жесткость Еи.
Р
Рисунок 3. Схема испытаний на поперечный изгиб
Для получения более достоверных результатов проводили параллельные исследования методом продольного изгиба [4]. Сущность метода заключается в продольном
изгибе шарнирно опертого тонкого стержня вплоть до разрушения, с регистрацией продольной силы Р и величины взаимного перемещения (сближения) концов образца А (рисунок 4). Прогиб образца в средней части f определяют непосредственно измерением в процессе испытания или косвенно по значениям сближения концов А, с учетом формы изогнутой линии стержня.
деформации £пи и модуля Юнга Епи образцов, по выражениям (8-10) [4]:
Р'^ ±4'Р ■ (8)
ст„„ =-±-- ■ (8)
м п- б2
впи = ±б/2р;
Е„, = да„, / де„,,
Рисунок 4. Схема испытаний на продольный изгиб
По результатам измерений рассчитывали значения прочности апи, предельной
Поперечный
1 800
(9) (10)
где м/, б - момент сопротивления поперечного сечения и диаметр образца, р - радиус кривизны изогнутой линии в средней части, в месте наибольшего прогиба.
Для проверки адекватности модели и экспериментального измерения механических свойств РХК проводили сравнительные испытания методами поперечного и продольного изгиба. Сравнение расчетных и экспериментальных диаграмм нагружения показаны в виде окна рабочей программы, реализованной в среде РеШ, на рисунке 5.
изгиб
30 35 40 45 Перемещение, мм
а
Продольный изгиб
10
11
3 4 5 6 7 8 9
Перемещение, мм
б
Рисунок 5. Сравнение опытных и теоретических данных при нагружении на трехточечный (а) и продольный изгиб (б): линии - эксперимент, точки - расчет по модели
Таблица 3
Сравнение экспериментальных и расчетных данных
Тип Расчетная жесткость Е Л, И-мм2 Продольный изгиб Трехточечный изгиб
ЕЛ, И-мм2 отклонение, % ЕЛ, И-мм2 отклонение, %
№ 1 3,4108 3,50-108 +2,5 3,12108 -8
№ 2 3,5108 3,49108 -0,8 3,22108 -8,4
№ 3 3,9108 3,85108 -1,1 3,57108 -8,3
Для каждого типа армирования в таблице 3 приведены результаты расчетов теоретической изгибной жесткости и данные испытаний соответствующих образцов.
Из таблицы видно, что экспериментальные данные при поперечном изгибе дают заниженные значения жесткости в сравнении с продольным. Это связано, по-видимому, с воздействием металлического наконечника в зоне приложения нагрузки при испытаниях на поперечный изгиб. В целом расчетная жесткость соответствует экспериментальной, определенной методом продольного изгиба, с отклонением 1-2 %, что доказывает адекватность модели.
р, н
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800
4—
-^
| 2
800 700 600 500 400 300 200 100 0
,♦ ♦ 2
0,005
0,01
0,015
0,02
б
Рисунок 6. Диаграммы нагружения продольным изгибом (а) и зависимость напряжения от деформации (б) образцов: 1 - исходных; 2 -изготовленных с приложением давления
С целью оценки влияния приложенного внешнего дополнительного давления в процессе отверждения на свойства изделий проведены сравнительные испытания полых стержней, изготовленных по обычной схеме,
и под действием внешнего давления. Экспериментальные исследования проводили при нагружении образцов поперечным (рисунок 3) и продольным (рисунок 4) изгибом.
Типичные диаграммы нагружений образцов лыжных палок показаны на рисунке 6.
По диаграмме нагружения (рисунок 6а) видно, что образец № 2 обладает большей деформативностью, что сказывается на увеличении прочности а при сопоставимом значении модуля упругости Е (рисунок 6б).
В таблице 4 приведены сводные результаты испытаний. Дополнительно приведено сравнение варианта облегченного образца 3, у которого отсутствует наружный кольцевой слой.
Таблица 4 Результаты сравнительных испытаний
Схема армирования Поперечный изгиб Продольный изгиб
Л, мм ЕЛ, Нмм2 Е, ГПа £, % а, Мпа
1 (К+П+К) 35,0 0,61108 36,2 1,28 456
2 (К+П+К+Т) 29,0 0,73-108 38,1 2,17 764
3(К+ П+Т) 29,5 0,72108 36,7 1,36 482
Примечание. Схема армирования: К - кольцевой (поперечный) слой; П - продольный слой; Т - термоусадочная пленка.
Из данных таблицы следует, что действие давления при формовании увеличивает жесткость (по результатам испытаний на поперечный изгиб) и деформативность изделий (по результатам испытаний на продольный изгиб). Именно эти параметры определяют основные требования к лыжным палкам. По результатам сравнения образцов 1 и 3, можно заключить, что воздействие давления обеспечивает возможность реализации требуемых прочностных характеристик с уменьшенным на 20 % весом изделия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана технология изготовления полых стержней круглого и многогранного профиля из композиционных материалов методом продольно-поперечной намотки.
Д, мм
0
60
а
2. Создана математическая модель для проектирования изделий и расчета сочетания продольных и поперечных слоев с учетом требований к массе и прочности.
3. Разработаны методы и получены результаты испытаний изготовленных изделий на поперечный и продольный изгиб, определены прочность, жесткость и модуль упругости образцов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Э.С. Зеленский, А.М. Куперман, Ю.А. Горбатки-на, В. Г. Иванова-Мумжиева, А. А. Берлин // Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им.
Д. И. Менделеева). - 2001. - Т. XIV, № 2. - С. 5674.
2. Промышленные полимерные композиционные материалы. / Под ред. М. Ричардсона/ Пер. с англ. / Под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1980. -472 с., ил.
3. Ю.М. Тарнопольский, Т.Я. Кинцис. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1981. - 272 с., ил.
4. Испытания упругих стержней методом продольного изгиба: монография / В.Ф. Савин, А.Н. Блаз-нов, О.В. Старцев и др. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2009. - 222 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАДИИ ДЕЗАКТИВАЦИИ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЕПОЛИМЕРНЫХ СМОЛ
А. А. Мананкова, В. Г. Бондалетов, А. С. Белоусова, А. А. Ляпков Томский политехнический университет
Изучены закономерности стадии дезактивации TiCl4 оксидом пропилена в бензоле. С помощью ЯМР 1Н- спектроскопии установлена структура полученных алкоксидов титана. Термометрическим методом определены константы скорости дезактивации и значение теплового эффекта реакции TiCl4 и оксидом пропилена.
Ключевые слова: нефтеполимерые смолы, дезактивация катализатора, эпоксидные соединения.
ВВЕДЕНИЕ
Пиролиз прямогонного бензина, осуществляемый с целью получения низших оле-финов, сопровождается образованием значительных количеств жидких продуктов пиролиза (ЖПП), выкипающих в интервале температур от 40 до 360 °С [1] и разделяемых на стандартные фракции С4, С5, С9 и тяжелую пиролизную смолу. Одним из наиболее квалифицированных и наименее затратных направлений использования фракций ЖПП является получение нефтеполимерных смол (НПС) - олигомерных продуктов, обладающих ценными свойствами: хорошей растворимостью в углеводородных растворителях, высокой кислото-щелочностойкостью, совместимостью с окисленными растительными маслами и алкидными олигомерами и находящих широкое применение в лакокрасочной и шинной промышленности, в производстве резинотехнических изделий, для приготовления проклеивающих составов и изготовления нетоксичных древесных плитных материалов.
Олигомеризацию непредельных компонентов фракций ЖПП с целью получения НПС осуществляют термической, каталитической и инициированной полимеризацией. Технологии процессов термической и инициированной полимеризации достаточно просты и позволяют получать светлые НПС. Недостатками данных способов полимеризации является невысокий выход смол и повышенная продолжительность процесса. В случае применения термической полимеризации необходимо наличие высоких температур и давления, а в процессе инициированной полимеризации используют пожаро- и взрывоопасные соединения.
Сравнение различных способов получения НПС показывает, что каталитическая полимеризация обеспечивает наиболее высокий выход смолы. Отличительными особенностями данного метода являются: возможность широко варьировать условия полимеризации и, соответственно, синтезировать смолы, характеризующиеся различными температурами плавления и цветом; высокая
