Разработка составов полимерных композитных материалов специального назначения

Технический прогресс вызывает необходимость создания высокоэффективных полимерных материалов специального назначения, используемых в строительной индустрии.

Новые материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию существующих строительных конструкций «и изделий,' открывают возможности для реализации перспективных конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в строительстве неразрывно связаны с разработкой и широким внедрением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в производство.

Разработки и исследования отечественных и зарубежных ученых-показали большие перспективы получения композиционных материалов на основе модифицированных эпоксидных и полиэфирных смол. Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые композиционные материалы (КМ) нашли широкое применение при производстве защитных покрытий,' плиточных материалов, фундаментных плит, наливных полов, фитинговых систем, а также в качестве эффективных материалов при реконструкции и ремонте зданий, восстановлении и защите строительных конструкций, устройстве стыков сборных элементов и т. д.

В процессе производства изделий из строительных полимерных КМ повышенной точности, сложной конфигурации, а также при малых объёмах производства, когда использование трудоёмкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно, применяют механическую обработку резанием. Во многих случаях детали повышенной точности и высокого качества могут быть получены только механической обработкой — точением, сверлением и фрезерованием.

Современной тенденцией развития производства строительных облицовочных материалов и элементов фитинговых систем является повышение их технологичности за счёт увеличения габаритных размеров и использования механической обработки для получения готового изделия.

С целью повышения эффективности производства и достижения высокого качества строительных изделий специального назначения из полимерных КМ, необходима разработка моделей, позволяющих прогнозировать их физико-механические свойства и производить расчёты технологических параметров механической обработки заготовок.

Решение данной задачи связано с расчётом параметров физико-механических свойств и нахождением оптимальных технологических показателей (S — подача, V — скорость, t — глубина резания) механической обработки КМ.

Отправными положениями для теоретических и экспериментальных исследований послужили работы Н. К. Барамбойма, Ю. В. Барановского, А. Н. Бобрышева, Г. И. Грановского, В. Т. Ерофеева, Д. Е. Жарина, А. Кабаяши, А. П. Прошина, Р. З. Рахимова, В. П. Селяева, Ю. А. Соколовой, В. И. Соломатова, В. Г. Хозина, В. Д. Черкасова, Б. П. Штучного и других ученых.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы заключается в разработке системы автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи исследований:

— исследовать основные физико-механические свойства эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композиционных материалов и выявить закономерности изменения деформационно-прочностных показателей композитов на различных смолах в зависимости от вида и концентрации комплексных модифицирующих и пластифицирующих добавок, объёмного содержания наполнителя и его дисперсности;

— разработать достоверные прогнозные модели влияния рецептурно-технологических фактор на физико-механические свойства полимерных строительных композитов специального назначения с последующей разработкой системы автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения (САПС ПКМ) — исследовать влияние режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические свойства, массопоглощение и коррозионную стойкость эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов;

— определить алгоритмы оптимизации составов с заданными физико-механическими свойствами и технологических параметров механической обработки полимерных строительных композитов, с последующей разработкой экспертных подсистем «Расчёт режимов механической обработки строительных полимерных композиционных материалов» и «Прогнозирование физико-механических свойств строительных полимерных композиционных материалов»;

— разработать оптимальные составы для производства облицовочных и потолочных плиток и элементов фитинговых систем, в том числе специальных материалов, полученных механической обработкойреализовать промышленное использование разработанных материалов в строительстве.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— уточнены закономерности влияния рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства полимерных композиционных материалов;

— разработаны основные принципы создания автоматизированной системы оптимизации составов и прогнозирования физико-механических свойств композиционных материалов;

— создана уточнённая методика проектирования составов полимерных.

КМ специального назначения, полученных методом механической обработки, учитывающая закономерности изменения физико-механических и технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам.

Практическое значение. Разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных КМ специального назначения. Разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка для эпоксидных КМ, позволяющая существенно повысить физико-механические и технологические свойства получаемого КМ. Найдены оптимальные составы для производства облицовочных и потолочных плиток и элементов фитинговых систем, полученных механической обработкой. Разработаны прогнозные модели физико-механических свойств КМ с учётом топологических особенностей формирования структуры материала. Установлено влияние технологических параметров механической обработки на физико-механические свойства и качество обработанных поверхностей строительных КМ.

Реализация работы. Полученные композиты и разработанная автоматизированная система проектирования и создания полимерных КМ специального назначения прошли опытно-промышленную проверку на предприятиях г. Набережные Челны (ОАО «КАМАЗ» и ООО «Фарнассервис»), что подтверждается соответствующими актами использования и внедрения, представленными в приложении к диссертации.

Апробация работы. Результаты выполненной работы обсуждались на таких научно-технических конференциях: II Всероссийская конференция «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2007 г.) — Международная научно-техническая • конференция «Современные строительные материалы, конструкции и технологии. Система менеджмента качества (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях» (Новосибирск, 2008 г.) — Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных, исследований.

2008″, (Одесса, 2008 г.) — VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).

Автор выражает глубокую признательность академику РААСН, д.т.н., профессору Ю. А. Соколовой за ценные консультации при выполнении работы, чл.- кор. РААСН, д.т.н., профессору А. Н. Бобрышеву за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы, заведующему кафедры ТБК и В (Технологии бетонов, керамики и вяжущих) ПТУ АС д.т.н., профессору В. И. Калашникову за предоставленные условия для проведения испытаний.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана система автоматизированного проектирования составов полимерных наполненных композиционных материалов специального назначения, обеспечивающая получение изделий повышенной геометрической точности.

2. Получены экспериментально-статистические модели, описывающие влияние рецептурно-технологических факторов на физико-механические свойства композиционных материалов (динамический модуль упругости, предел прочности при одноосном сжатии, твердость и чистота поверхности). Показано, что эти модели соответствуют классическим представлениям разрушения и деформирования композиционных материалов.

3. Разработан состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для эпоксидных композиционных материалов, состоящей из простого полиэфира и полиизоцианата в соотношениях 1:1. Оптимальное содержание модифицирующей добавки в композите составляет 10 мас.ч., что позволяет существенно повысить физико-механические (.Ед на 44%, НВКр на 33%), технологические свойства (п на 50%, S на 40%) композиционных материалов и качество обработанных изделий из эпоксидного композита (Ra снизилась на 18,7%) по сравнению с матричным композиционным материалом.

4. Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на физико-механические и технологические свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено, что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 3 =0,2 ч-0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (Ед = 5,3 ГПа, Ясж = 160 МПа, НВ5р = 40 МПа), технологическими свойствами и качеством обработанных изделий (Ra = 7−8 мкм).

Введение

в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Ел на 19%), прочностные (Ясж на 8%, НВбр на 7%), технологические (п на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Ra на 9%).

5. Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры механической обработки. Установлено, что полиэфирные наполненные композиционные материалы следует обрабатывать при более низких подачах (5=0,1.0,2 мм/об) и более высоких скоростях резания («=500. 1000 об/мин), чем эпоксидные и эпоксиполиуретановые композиционные материалы.

6. Установлено влияние жидких агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость) на физико-механические свойства композиционных материалов. Образцы, экспонированные в смазочно-охлаждающей жидкости, через 28 суток имеют массопоглощение на 15.30% больше по сравнению с композиционными материалами, помещёнными в воду. Предложено кинетическое уравнение массопоглощения и рассчитаны эмпирические коэффициенты процесса поглощения для предлагаемых материалов (Ашт, Г, т).

7. Разработан алгоритм расчёта технологических параметров механической обработки композиционных материалов с учётом необходимых физико-механических свойств и повышенной коррозионной стойкости композиционных материалов.

8. На основании исследований разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности производства полимерных композиционных материалов. Внедрение предложенных рекомендаций позволило существенно снизить временные (20%) и стоимостные (15%) затраты на проектирование и производство изделий из строительных полимерных композиционных материалов. Результаты работы используются в ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны), ООО «Фарнас — сервис» (г. Набережные. Челны) и в учебном процессе ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия».