автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Модифицированные поливинилхлоридные композиции и порошковые покрытия специального назначения

Галимова Назиря Яхиевна

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫЕ КОМПОЗИЦИИ И ПОРОШКОВЫЕ ПОКРЫТИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.02^ - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 ИЮН 2010

Набережные Челны - 2010

004603526

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение, сварка и структурообразующие технологии» ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева».

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент

Аблясова Алсу Галиевна

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, доцент

Жарин Денис Евгеньевич - доктор технических наук, профессор Архиреев Вячеслав Петрович

Ведущая организация: - Марийский государственный

технический университет (г. Йошкар-Ола).

Защита состоится «25» июня 2010 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 в ГОУ ВПО Камской государственной инженер-нокмсоно^ической академиу^ по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Камской государственной инженерно-экономической академии.

Автореферат разослан «24» мая 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

доктор технических наук,

профессор

Л.А. Симонова

Актуальность. Прогресс в создании и промышленном производстве полимерных композиционных материалов и покрытий, в огромной степени способствующий развитию современной техники, неразрывно связан с их многочисленными достоинствами.

По перспективности применения и разнообразию свойств среди полимерных материалов лидирующее положение занимает поливинилхлорид (ПВХ), материалы на основе которого применяются в машиностроении, энергетике и т.п.

В машиностроении композиции на основе ПВХ в виде гранул, порошков, пленок, лент, листов, пенопластов применяются для изготовления широкого ассортимента технических деталей, технологической оснастки, гибких трубок, шланг, изоляции кабелей, прокладочно-уплотнительных и других видов материалов, а также дня антикоррозионной защиты и декоративной отделки.

Отличительной особенностью ПВХ является высокая вязкость расплава в условиях переработки и невысокая термическая стабильность, что является причиной использования его исключительно в модифицированном виде в сочетании с различными целевыми добавками: стабилизаторами, пластификаторами, наполнителями, полимерами и др.

Применительно для ПВХ важной задачей является изыскание новых, доступных и дешевых модификаторов, среди которых наибольший интерес представляют техногенные отходы в виде дисперсных наполнителей. Перспективным направлением является также модификация ПВХ полимерными добавками как в отдельности, так и в сочетании с наполнителями, что обеспечивает получение усиленных ПВХ-композиций конструкционного назначения.

Наличие многочисленных добавок в ПВХ-композициях приводит к возникновению разнообразных специфических эффектов в процессе переработки и эксплуатации готовых изделий. Установление особенностей и закономерностей проявления этих эффектов, влияющих на формирование структуры и свойств композиционных материалов, представляет актуальную проблему.

Важным направлением в современной технике, в том числе и в машиностроении, является использование различных по функциональному назначению покрытий, среди которых наиболее перспективными являются покрытия на основе полимерных порошковых композиций (111 ¡К). Особую актуальность в этой связи приобретают исследования по разработке составов, совершенствованию оборудования и технологии нанесения коррозионно-эрозионностойких, защитно-декоративных и других видов покрытий.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка рецептурно-технологических параметров получения композиционных материалов и порошковых покрытий различного функционального назначения с заданным уровнем технологических и эксплуатационных свойств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- выявить закономерности влияния дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов на изменение реологических, геплофизических и деформационно-прочностных свойств композиционных материалов на основе ПВХ;

- установить особенности совместного модифицирующего действия дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов на технологические и эксплуатационные свойства ПВХ-композиций;

- определить интервалы количественного соотношения модифицирующих добавок, обеспечивающие оптимальные технические свойства композиционных материалов;

- разработать полимерные композиции, технологические процессы и оборудование для получения порошковых покрытий различного назначения; определить оптимальные режимные параметры их нанесения и формирования;

- апробировать в производственных условиях результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна:

- установлены особенности модифицирующего действия различных по природе дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов как в отдельности, так и при оптимальном их сочетании.

- определены закономерности изменения реологических, теплофизиче-ских и деформационно-прочностных свойств ПВХ-композиций в широком интервале соотношения модифицирующих добавок, температур и режимов деформирования;

- выявлен эффект малых добавок, проявляющийся в заметном изменении доминантных свойств композиций, обусловленный спецификой структурно-морфологического строения ПВХ;

- определены закономерности изменения режимных параметров получения различных по функциональному назначению полимерных порошковых покрытий.

Практическая значимость:

- расширена сырьевая база дешевых и доступных наполнителей органической и неорганической природы, а также полимерных модификаторов;

- разработаны эффективные композиционные материалы на основе органических дисперсных наполнителей, смесевых термоэластопластов, а также смесей органических и неорганических наполнителей, синтетических каучуков и термоэластопластов с повышенной перерабатываемостью, термической стабильностью и прочностью;

- определены оптимальные соотношения дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов, а также их смесей в рецептурах ПВХ-композиций;

- разработаны композиции, комплекс новых технологий и оборудования для нанесения и формирования порошковых покрытий различного функционального назначения.

Внедрение результатов исследований:

Результаты исследований нашли практическое применение при изготовлении деталей машиностроения из композиционных материалов на «ХИТОН-ПЛАСТ», профильно-погонажных изделий на ООО «Полимерно-композитные материалы», а также для нанесения порошковых покрытий на изделия различного назначения из металлических и неметаллических материалов в

ООО «Стальспецмонтаж», ООО «Политон», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», инженерно-технологическом центре «ЛАКОР» (г.Киров), ООО «Заводское» (г. Воткинск).

Апробация работы:

Результаты выполненной работы обсуждались на конференциях: «Новая химическая продукция, технология изготовления и применения», Пенза, 1995г.; «Актуальные проблемы научных исследований и высшее профессиональное образование», Казань, 1997г.; «Современные проблемы материаловедения», Гомель, 1998г.; «Технологические проблемы производства элементов и узлов авиакосмической техники», Казань, 1998, 2000гг.; «Формирование структур, свойств порошковых композиций и функциональных материалов», Самара, 1999г.; «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей», Самара, 1999г.; «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов», Н. Челны, 1999г.; «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве», Казань, 1999-2001г.; «Композиты в народное хозяйство России», Барнаул, 1999г.; «Химия и окружающая среда», Казань, 2000г.; «Энергосбережения в химической технологии», Казань, 2002г.; «Фундаментальные исследования в технических университетах», С-Петербург, 2003г.; «Машиностроение и техносфера XXI века», Севастополь, 2003-2009гг.; «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков», «Пенза, 2003г.; «Электромеханические и внутрика-мерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2004-2009гт.; «Современные проблемы технической химии», Казань, 2007г.; «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва, 2006г.; «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань, 20072009гг.; «Современные техника и технологии», Томск, 2007г.; «Материаловедение и технологии конструкционных материалов в промышленности», Ялта-Киев, 2006-2009гг.; «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», Казань, 2009г.; «Автомобиль и техносфера», Казань, 2008г.; «Полимеры в строительстве», Казань, 2009г.; «Камские чтения», Н. Челны, 2009г.

Реализация работы:

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по дисциплинам «Материаловедение и ТКМ», «Новые материалы и технологии», «Электротехнические материалы». Галимова НЛ. является соавтором пяти учебных пособий с грифом УМО: «Полимерные материалы. Структура, свойства и применение», Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 2001г., 187с; «Полимерные материалы в биомедицинской технике», Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2003г., 242с; «Материалы приборостроения», Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2008г., 672с; «Материаловедение для экономистов» в 2-х томах, Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2009г., 309с; «Материалы приборостроения», Изд-во «Колос С» .М.,20 Юг., 284с.

На защиту выносятся:

- закономерности изменения реологических, термических, термомеханических и деформационно-прочностных свойств модифицированных композиционных материалов на основе ПВХ;

- оптимальные рецептуры наполненных лигнинсодержащими соединениями ПВХ-композиций с повышенной Перерабатываемостью, термической стабильностью и прочностью;

- оптимальные составы модифицированных термоэластопластами ПВХ-композиций с повышенной перерабатываемостью и термической стабильностью;

- оптимальные составы многокомпонентных систем: ПВХ - дисперсные наполнители органического или минерального происхождения - термоэласто-пласты или синтетические каучуки с повышенной перерабатываемостью и деформационно-прочностными свойствами;

- эффективные составы модифицированных порошковых поливинилхло-ридных композиций для получения покрытий с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами;

- технология и оборудования для нанесения порошковых покрытий на неметаллические материалы электростатическим способом;

- технология и оборудования для нанесения порошковых покрытий сублимационным декорированием;

- технология нанесения коррозионно-эрозионностойких порошковых покрытий на корпусные и другие детали приводов компрессоров газоперекачивающих установок.

Достоверность результатов работы подтверждается достаточным объемом проведенных экспериментальных исследований, использованием современных методов и средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных.

Публикации:

По результатам выполненных исследований опубликовано 67 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 127 наименований и приложения. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц и 42 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится литературный обзор, посвященный рассмотрению физико-химических основ направленного регулирования структуры и свойств полимерных материалов путем физической, химической и физико-химической модификации. Рассмотрены проблемы разработки и применения полимерных материалов на основе полившшлхлорида. Показана перспектив-

ность применения покрытий на основе ГОЖ и рассмотрены технологические способы их нанесения с использованием специализированного оборудования.

Во второй главе приведены характеристики объектов и методов исследований, методики подготовки образцов для испытаний и статистической обработки экспериментальных данных.

В качестве базового полимера в работе использовался поливинилхлорид ПВХ-С7058М, стабилизатором служила смесь стеарата кальция и силиката свинца, а пластификатором - диоктилфталат (ДОФ). Органическими наполнителями были выбраны технические отходы в виде лигнинсодержащих соединений (ЛСС): гидролизный лигнин (ГЛ), щелочные сульфатные лигнины (ЩСЛ) и лигносульфонаты (ЛС). Неорганическими наполнителями являлись отходы литейных и гальванических производств: бегхаузовая пыль (БП) и алюмонатриевые отходы (AHO). В качестве эласгомерных добавок были выбраны синтетические каучуки: бутадиеннит-рильные СКН-18, СКН-26, СКН-40; фторсодержащие СКФ-26, СКФ-32; уретано-вые СКУ-8. Смесевыми термоэластопластами являлись композиции с различным соотношением этиленпропиленовых и изопреновых каучуков с полиэтиленом высокого давления: ТЭП-1 (70СКЭПТ : 30 ПЭВД); ТЭП-2 (70СКИ : 30 ПЭВД); ТЭП-3 (35 СКЭПТ : 35СКИ : 30 ПЭВД).

ПВХ-композиции получали термопластикацией смесей на фрикционных вальцах.

Исследования реологических свойств ПВХ-композиций проводили на капиллярном вискозиметре постоянных давлений. Показатель текучести расплавов определяли на приборе ИИРТ. Деформационно-прочностные свойства композиций определяли на установках «Инстрон» и маятниковом копре КМ-1,5. Термомеханические исследования проводили на трехканальной автоматической установке ПТБ-1-НЖ. Дифференциальный термический анализ и термогравиметрический анализ проводили на дериватографе системы «Ф. Паулик, И. Пау-лик, Л.Эрдеи».

Для получения порошковых покрытий использовали промышленные ППК: эпоксидные П-ЭП-177, П-ЭП-219, П-ЭП-534; полиэфирные ПЭ-1130У, ПР-16, П-ПЛ-1015; поливинилхлоридные П-ХВ- 16, П-ХВ-729, а также разработанные ПВХ-композиции модифицированные ЛСС. Испытания образцов с покрытиями на эрозионную стойкость проводили на установке абразивно-жидкостной обработки ЭЖ-120. Коррозионно-эрозионные испытания проводили на образцах, подвергнутых местной обработке абразивной жидкостью до удаления покрытия с последующим погружением в теплый (50°С) 3%-ный раствор NaCl и выдержкой в течении 12 часов.

В третьей главе приведены результаты комплексных экспериментальных исследований вязкоупругих, термических, термомеханических и деформационно-прочностных свойств модифицированных ПВХ-композиций.

Одним из перспективных направлений в области разработки модифицированных ПВХ-композиций является вовлечение производственных отходов, использование которых открывает широкие возможности их практического применения. Из огромного разнообразия промышленных отходов большой интерес представляют лигнинсодержащие соединения.

На рисунке 1 в качестве примера представлены данные по влиянию лиг-носульфонатов на вязкостные свойства расплавов жестких и пластифицированных композиций при различных температурах и режимах деформирования.

Видно, что для жестких композиций наблюдается резко выраженный эффект снижения эффективной вязкости расплавов в области сравнительно малых содержаний (5-15 масс ч.) наполнителей (рис 1,а).

P. raW

Р. мпсс-ч

Рисунок 1. Зависимости эффективной вязкости жестких (а) и пластифицированных (б) ПВХ-композиций, наполненных лигносульфонатом. Кривые 1 и Г(170°С);

2 и 2'(180 °С); 3 и 3'(190 °С) при lgr = 5,5 и 5,7 [Па]; 4 и 4' (170°С); 5 и 5'(180 °С);

6 и 6'(190 °С) при lgr =4,8 и 5,0 [Па]. Содержание ДОФ-ЗО масс. ч.

Проявляемый эффект влияния малых добавок наполнителей на изменение вязкостных свойств композиций обусловлен, сохраняющейся в процессе течения расплавов глобулярной структуры ПВХ. При введении малых доз наполнителей увеличивается подвижность структурных образований путем разрыва проходных цепей, связывающих глобулярную структуру, а по мере увеличения содержания JICC, имеющих активные функциональные группы (гидроксильные, карбоксильные, метоксильные, карбонильные), усиливается межмолекулярное взаимодействие на границе раздела полимер-наполнитель и происходит постепенный переход полимера в межфазные слои, приводящий к увеличению концентрации полимера в граничной области и эффективного объема наполнителя.

Для пластифицированных композиций (рис. 1,6) по мере увеличения температуры и напряжения сдвига эффект снижения вязкости проявляется в меньшей степени, что обусловлено возрастанием подвижности структурных образований полимера и свободного объёма полимера, а также снижением влияния адсорбционного взаимодействия на границах раздела. Причем с увеличением содержания ДОФ уровень изменения вязкостных свойств снижается.

Эффективность наполнителей в значительной мере определяется дисперсностью частиц. Исследование влияния дисперсности наполнителей на вязкостные свойства позволило установить, что для жестких и пластифицированных композиций сохраняется экстремальный характер изменения вязкости. Причем увели-

чение размера частиц наполнителей приводит к усилению эффекта снижения вязкости и уменьшению степени её повышения в области больших содержаний добавок, что обусловлено изменением эффективного объёма наполнителей.

При течении расплавов через формующие каналы возникает эффект разбухания струи, который в технологической практике оценивается коэффициентом восстановления струи (Кэ) и используется для определения зависимости нормальных напряжений от режимов деформирования, температуры и содержания модифицирующих добавок.

Обобщая экспериментальные данные можно отметить, что в области малых содержаний наполнителей наблюдается заметное изменение вязкоупругих свойств, характер и величина изменения которых определяются содержанием и дисперсностью добавок, температурой и режимами деформирования. Указанные изменения, в первую очередь, проявляются на релаксационном поведении расплавов, оцениваемом релаксационным спектром, связанным с релаксационным механизмом сдвигового деформирования. Показана корреляция данных, полученных при исследовании вязкостных свойств с результатами расчетов релаксационных спектров.

Исследования влияния ЛСС на термомеханические характеристики позволили установить, что температура стеклования (Тс) при наполнении практически не изменяется. Это объясняется ограниченной подвижностью структурных образований ПВХ в условиях проведения термомеханического анализа, а именно малые нагрузки и сравнительно низкие температуры перехода композиций из стеклообразного в высокоэластическое состояние. Температура текучести (Тт) более чувствительна к наполнению, благодаря повышенным температурам перехода композиций в вязкотекучее состояние и проявлением вышеописанных эффектов, связанных с изменением подвижности структурных образований полимера.

Анализ изменения деформационно-прочностных свойств позволил выявить, что в жестких композициях изменение разрушающего напряжения при растяжении (ств) от концентрации ЛСС носит экстремальный характер. В области небольших содержаний добавок характерно повышение сг в, обусловленное проявлением ориентационных эффектов и усилением степени межмолекулярного взаимодействия, приводящего к усилению наполненных композиций. Последующее снижение прочности по мере увеличения степени наполнения объясняется неравномерностью напряжений, возникающих в нагруженной полимерной матрице в присутствии частиц наполнителей. С повышением содержания пластификатора наблюдается уменьшение степени упрочнения в области малых содержаний наполнителей, что связано с уменьшением межмолекулярного взаимодействия на границах раздела. Характер изменения относительного удлинения при разрыве для жестких и пластифицированных композиций практически одинаков, а именно при увеличении степени наполнения наблюдается снижение этой характеристики.

На рисунке 2 представлены обобщенные данные по влиянию органических наполнителей на изменение вязкоупругих, термомеханических и деформационно-прочностных свойств.

Рисунок 2. Характер изменения свойств ПВХ-композиций: где Н(8) -спектр времен

релаксации; сгп—сг22-первая разность нормальных напряжений; Кэ -коэффициент восстановления струи; Цъ -эффективная

вязкость; СУц и £ - предел прочности и относительное удлинение; Тт и Тс -температура текучести и стеклования;

Особенности изменения свойств модифицированных ПВХ-композиций, в первую очередь, определяются формированием на границах раздела компонентов межфазных слоёв (МФС). Эффективная толщина (£) МФС оценивалась с использованием калориметрического метода путем измерения скачка теплоёмкости в процессе рассгекловывания-стеклования ПВХ-композиций.

Установлено, что увеличение объёмной доли наполнителя и пластификатора, а также температуры приводит к уменьшению величины 3, благодаря ослаблению межмолекулярного взаимодействия и увеличению подвижности структурных образований полимера.

Оценка термической стабильности методами дифференциального термического и термогравиметрического анализа позволила установить, что введение наполнителей приводит к повышению термической стабильности ПВХ-композиций на 10-25°С.

тсс. ч

Модификация ПВХ смесевыми термоэластопластами

Наиболее детально и обстоятельно изучены смеси ПВХ с синтетическими каучуками, для большинства которых характерен эффект малых добавок. Менее изучены смеси ПВХ с термоэластопластами и в связи с этим в работе проведены исследования по оценке влияния термоэластопластов на основе полиэтилена высокого давления с различным соотношением каучуков: ТЭП-1 (70СКЭПТ: ЗОПЭВД); ТЭП-2 (70СКИ: ЗОПЭВД); ТЭП-3 (35СКЭПТ: 35СКИ: ЗОПЭВД).

На рисунке 3 в качестве примера представлены данные по изменению показателя текучести расплава (ПТР) и термостабильности расплавов в условиях, моделирующих процессы переработки полимерных смесей.

а б

Рисунок 3. Изменение ПТР (а) и термостабильности (б) композиций от содержания ТЭП при Т=180°С. Кривые 1,2 и З-ТЭП-1, ТЭП-2 и ТЭП-3.

Видно, что введение термоэластопластов до 10 масс. ч. приводит к заметному повышению ПТР и термостабильности ПВХ-композиций, причем максимальное возрастание наблюдается для ТЭП-2 и ТЭП-3, содержащих в своём составе изопреновый каучук. Подобное изменение важнейших для ПВХ характеристик обусловлено одновременным проявлением пластифицирующего и стабилизирующего действия ТЭП.

Результаты исследований деформационно-прочностных свойств поли-

Рисунок 4. Изменение предела прочности (а) и относительного удлинения (б) композиций от содержания ТЭП. Кривые 1,2 и З-ТЭП-1, ТЭП-2 и ТЭП-3.

Видно, что по мере увеличения содержания ТЭП наблюдается монотонное снижение предела прочности и относительного удлинения. Для компози-

ций, модифицированных ТЭП, содержащими в своём составе этиленпропиле-новый каучук наблюдается незначительное увеличение относительного удлинения в области малых добавок (до 2 масс.ч.).

Таким образом, термоэластопласты при содержании до 10 масс.ч. повышают термическую стабильность, снижают вязкость расплавов, т.е. проявляют пластифицирующие и стабилизирующие действие на ПВХ-композиции.

Многокомпонентные системы на основе ПВХ, дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов

В работе исследованы многокомпонентные системы типа: ПВХ- наполнители (органические и неорганические)-полимерные добавки (синтетические кау-чуки и термоэластопласты) в различных сочетаниях и количественных соотношениях. Содержание каучуков (СКН-18, СКН-26, СКН-40, СКФ-26, СКФ-32, СКУ-8) в композициях составляло - 5, термоэластопластов - 5 и 10, а наполнителей от 1 до 30 масс.ч.

Принимая во внимание широкий спектр модифицированных композиций проведено обобщение экспериментальных данных по влиянию содержания модификаторов, температуры и режимов деформирования на изменение вязкостных свойств расплавов путем построения температурно-концентрационно-инвариантной зависимости приведенной вязкости от приведенной скорости сдвига. В качестве приведения использован показатель текучести расплава (ГПГР). В охваченном экспериментами диапазоне реологических измерений построены обобщенные кривые в координатах: т}-ПТР/р-у-р! ПТР (рисунок5). цПТР/р

Рисунок 5. Обобщенная температурно-кснцентрационно-инвариантная характеристика вязкостных свойств исследованных композиций: где т] -вязкость расплава, у - скорость сдвига, ПТР - показатель текучести расплава, р - плотность расплава. Различные символы соответствуют разным температурам и композициям.

ур/ПТР

Видно, что обобщенные характеристики вязкостных свойств расплавов модифицированных ПВХ-композиций, наполненных дисперсными и полимерными модификаторами аппроксимируются одной кривой, пользуясь которой можно достаточно точно построить кривую течения любой композиции при заданной температуре в обычных координатах: напряжение сдвига - скорость сдвига.

На рисунке 6 представлены данные по изменению термомеханических и физико-механических характеристик многокомпонентных ПВХ-композиций, наполненных органическими и минеральными наполнителями.

Р/пссч.

Рисунок 6. Интервалы изменения свойств ПВХ- композиций от концентрации органических и неорганических наполнителей. Содержание синтетических каучуков и ТЭП - 5 и 10 масс, ч.: где а -удельная ударная вязкость.

Наиболее заметное изменение свойств наблюдается при содержании небольших количеств наполнителей (5-15масс.ч.), что обусловлено формированием межфазных и переходных слоев, приводящих к изменению плотности упаковки и подвижности структурных образований.

Полученные экспериментальные данные и их интерпретация с использованием представлений о структурно-морфологической модели строения ПВХ, подтверждаются электронномикроскопическими исследованиями.

Для обобщения экспериментальных исследований и оптимизации составов ПВХ-композиций использован метод планирования экспериментов. Получены регрессионные уравнения, описывающие изменение свойств от состава и соотношения компонентов.

Таким образом, комплексные исследования позволили установить эффект активного влияния малых добавок модификаторов на технологические и эксплуатационные свойства ПВХ-композиций. Экспериментально определены и обоснованы граничные интервалы содержания добавок в отдельности или в сочетании (в пределах от 5 до 15 масс.ч.), обеспечивающие максимальную эффективность их модифицирующего действия. Выявлена полифункциональность большинства добавок, выполняющих одновременно функции стабилизаторов, пластификаторов и наполнителей, приводящих к повышению термической стабильности, механических свойств и перерабатываемости композиционных материалов.

В четвертой главе проведены исследования по разработке составов, специализированного оборудования, технологических процессов и оптимизации режимных параметров нанесения и формирования порошковых покрытий различного функционального назначения.

Разработан электростатико-термогазодинамический способ, основанный на совмещении электростатического и газопламенного методов и позволяющий получать покрытия в нестационарных условиях. Принципиальная схема окрасочной установки представлена на рисунке 7.

J

4

■JjlJ

ПВС 6 в S 9 В 11

S

\ \

_______ r /u .„

12

Рисунок 7. Принципиальная схема мобильной окрасочной установки: 1 - блок подготовки воздуха; 2 - пневмопанель; 3 и 4 - газовые баллоны;

5 - порошковый питатель; 6 - термогазогенератор для нанесения ПВС;

7 - факел заряженных частиц ППК; 8 - вентилятор; 9 - термогазогенератор для нагрева поверхности; 10 - горячий поток продуктов сгорания; И - вентилятор;

12 - окрашиваемая поверхность, Г - газ; В - воздух.

Стрелкой показано направление движения установки.

Основными узлами установки являются два термогазогенератора (ИТ), представляющие собой горелочные устройства Первый ТГГ предназначен для предварительного нагрева окрашиваемой поверхности горячим потоком продуктов сгорания газа, а второй - обеспечивает подачу потока заряженных частиц ППК для окончательного формирования покрытия. В камеры сгорания обоих ТГГ через каналы подводится горючий газ (пропан), а через боковые каналы подается воздух. Для поджигания газа используется блок искрового зажигания, вырабатывающий высоковольтные импульсы с помощью искровой свечи зажигания.

К соплу второго ТГГ (рисунок 8) через боковой канал дополнительно подается порошково-воздушная смесь (ПВС), при этом происходит нагревание и зарядка частиц ППК. Катод представляет собой набор игл, установленных на срезе сопла подачи ПВС, а анод - заземленную подложку, на которую наносится покрытие. Для создания электростатического поля предусмотрена система генерации высокого напряжения, включающая блок питания, генератор и умножитель напряжения. При воздействии электрического поля высокого напряжения и горячего газового потока формируется факел ПВС и заряженные частицы ППК осаждаются на окрашиваемую поверхность.

Рисунок 8. Схема термогазогенератора для нанесения порошкового покрытия: 1 - камера сгорания; 2 - канал подачи газа; 3 - электросвеча для зажигания газа; 4 - канал подачи сжатого воздуха; 5 - технологический отсек; 6 - канал подачи ПВС; 7 - сопло для подачи заряженных частиц ППК; 8 - электроды

высокого напряжения; 9 - сопло термогазогенератора; 10-термопара.

1®

14

Основными параметрами, определяющими эффективность нанесения ППК и качество покрытий являются: коэффициент осаждения (KJ порошковой композиции на окрашиваемую поверхность, плотность потока (р) и расхода (Q) ППК, напряжение (U) на электродах и расстояние (1) между соплом и подложкой.

Интервалы изменения режимных параметров нанесения покрытий были выбраны в пределах: плотность потока от 3 до 8 кг/ч-м2, расход ППК от 4 до 20 кг/ч, напряжение на электродах от 30 до 70 кВ, расстояние между соплом TIT и подложкой от 0,025 до 0,150м.

На рисунке 9 приведены данные по изменению величины К0 от расстояния между соплом ТГГ и окрашиваемой поверхностью.

К»

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0А

\г

VU

к \J1

25 5 ] 75 10 0 125 150 1-

Рисунок 9. Зависимость коэффициента осаждения ППК от расстояния между соплом и подложкой: 1 - (2 = 4 кг/ч, и = 30 кВ; 2 - <3 = 4 кг/ч, 11 = 40 кВ; 3 - 0 = 4 кг/ч, и = 60 кВ; 4 - (2 = 10 кг/ч, и = 60 кВ; 5 — <3 = 20 кг/ч, и = 70 кВ.

Видно, что по мере увеличения расстояния наблюдается экстремальный характер изменения величины Кр. Причем максимальный эффект осаждения проявляется при расходе порошка от 4 до 10 кг/ч в интервалах изменения напряжения от 30 до 60 кВ и расстояния от 0,050 до 0,125 м. (кривые 1,2 и 3), а с повышением расхода порошка и напряжения коэффициент осаждения заметно уменьшается (кривые 4 и 5).

Вышеизложенное подтверждается данными, полученными при изучении изменения плотности потока порошковой композиции от расстояния до подложки (рисунок 10). Видно, что кривые изменения плотности потока ППК имеют экстремальный характер, причем экстремумы в виде максимумов проявляются также в интервале изменения расстояния от 0,050 до 0,125м.

р-Ю'.кг/чн7

-----Рисунок 10. Изменение плотности потока ППК

от расстояния между соплом и подложкой:

1 - Q = 4 кг/ч, U = 30 кВ; 2 - Q = 4 кг/ч, U = 40 кВ; 3 - Q = 4 кг/ч, U = 60 кВ; 4 - Q = 10 кг/ч, U = 60 кВ; 5 - Q = 20 кг/ч, U = 70 кВ.

Таким образом, максимальная эффективность осаждения ППК обеспечивается при изменении плотности потока ППК от 3,5 до 8,0 кг/ ч-м2, расходе ППК от

4 до 10 кг/ч, напряжении электрического поля от 30 до 60 кВ, расстояния между соплом и подложкой от 0,050 до 0,125 м.

Преимуществами разработанного способа являются: мобильность установки, возможность получения покрытий на крупногабаритных изделиях из различных по природе материалов в нестационарных условиях, снижение расхода ППК на 20-30%, короткий технологический цикл и высокая производительность.

Разработаны технологический процесс, комплекс специализированного оборудования модульного типа и токопроводящая композиция для нанесения защитно-декоративных полимерных порошковых покрытий электростатическим способом на неметаллические материалы (пластмассы, керамика, МДФ и др.), а также технология и термовакуумная установка для сублимационного декорирования металлических изделий, в том числе длинномерных профилей сложной геометрии.

Проведены экспериментальные исследования эффективности использования порошковых покрытий для защиты широкой номенклатуры корпусных и других деталей из магниевых и алюминиевых сплавов приводов компрессоров газоперекачивающих установок от коррозионно-эрозионных и других видов повреждений в процессе эксплуатации.

На рисунке 11 в качестве примера представлены данные эрозионных испыта-

Рисунок 11. Изменение массы образцов из магниевого сплава с покрытиями от времени воздействия абразивной жидкости. Кривые 1,2,3,4 - порошковые покрытая на основе П-ЭП-177, П-ЭП-219, П-ЭП-534, УП-2155; кривые 5 и 6 - покрытия на основе эмалей ЭП-140 и ЭП-586.

О 0,5 1.0 1.5 t.HQC

Видно, что полимерные порошковые покрытия резко повышают эрозионную стойкость по сравнению с покрытиями на основе эмалей.

Установлено, что использование порошковых покрытий повышает водо-, бен-зо-, маслостойкосхь, эрозионную и коррозионно-эрозионную стойкость изделий из цветных сплавов приводов компрессоров.

Таким образом, на основании комплексных исследований разработаны новые композиции, технологические процессы и нестандартное оборудование, а также определены оптимальные режимные параметры нанесения порошковых покрытий специального назначения на металлические и неметаллические материалы различными способами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований обоснована и экспериментально подтверждена эффективность модификации ПВХ техногенными отходами и полимерными добавками как в отдельности, так и при различных их сочетаниях и соотношениях с целью повышения качества изделий из композиционных материалов.

2. Определены закономерности изменения вязкоупругих, термических, термомеханических и деформационно-прочностных свойств модифицированных композиций. Выявлен эффект активного влияния малых добавок, проявляющийся в заметном изменении доминантных свойств и обусловленный спецификой структурно-морфологического строения ПВХ. Совокупность эффектов модификации показала полифункциональность использованных добавок и позволила разработать рецептуры ПВХ-композиций с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами.

3. Разработаны эффективные составы модифицированных лигнинсодер-жащими соединениями и смесевыми термоэластопластами ПВХ-композиций, позволяющих повысить перерабатываемость и термическую стабильность по сравнению с базовой композицией от 10 до 30 %. Оптимальные интервалы содержания дисперсных наполнителей в виде JICC и ТЭП в композитах составляют соответственно 5 -15 и 1-10 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ. Установлено, что наиболее эффективными из модификаторов с учетом изменения комплекса свойств являются ГЛ и ЛС, а также ТЭП - 2 и ТЭП - 3.

4. Определены составы многокомпонентных ПВХ-композиций, модифицированных дисперсными органическими (ЛСС), минеральными (БП, AHO) и полимерными (ТЭП, CK) добавками, позволяющих повысить перерабатываемость, термическую стабильность и прочностные свойства по отношению к базовой композиции на 10-20 %. Установлено, что оптимальное содержание наполнителей и полимерных модификаторов составляет 5-20 и 5-10 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ. Показано, что максимальный модифицирующий эффект проявляется при использовании смесей дисперсных наполнителей и термоэласто-пластов в соотношении 10-15 м 5-10 масс.ч. на 100 масс.ч. базового полимера

5. Разработаны порошковые ПВХ-композиции, модифицированные ЛСС, для получения покрытий с высокими техническими свойствами по сравнению с базовым составом. При оптимальном содержании наполнителей ( 5 -10 масс.ч.) текучесть композиций и адгезионные свойства покрытий повышаются на 10-15 %.

6. Разработан новый электростатико-термогазодинамический способ нанесения полимерных порошковых покрытий на поверхности различных по природе материалов в нестационарных условиях. Определены и оптимизированы конструктивные и режимные параметры, влияющие на эффективность получения покрытий с гарантированным качеством. Установлено, что максимальная эффективность осаждения ППК обеспечивается при изменении плотности потока ПК отЗ,5 до 8,0 кг/ч-м2, расходе ППК от 4 до 1,0 кг/ч, напряжении от 30 до 60 кВ, расстояния между соплом ТГГ и подложкой от 0,050 до 0,125 м. Раз-

работанный способ позволяет снизить расход ППК на 20-30 %, в 2-3 раза сократить технологический цикл и повысить производительность процесса.

7. Разработаны токопроводящая композиция с высокой адгезией для формирования промежуточного слоя, технологический процесс и нестандартное оборудование модульного типа для нанесения порошковых покрытий электростатическим способом на изделия из неметаллических материалов (пластмассы, керамика, МДФ и т.п.).

8. Разработаны технология и оборудование для получения защитно-декоративных покрытий методом сублимационного декорирования, в том числе на длинномерных металлических профилях сложной конфигурации.

9. Экспериментально подтверждена эффективность нанесения однослойных порошковых покрытий на широкий ассортимент корпусных и других деталей из магниевых и алюминиевых сплавов приводов компрессоров газоперекачивающих установок для повышения их эрозионной, коррозионно-эрозионной и химической стойкости в условиях эксплуатации. Указанные характеристики при использовании порошковой технологии существенно выше, чем у полученных по традиционной технологии с применением многослойных (до 7 слоев) покрытий на основе эмалей.

10. На основании проведенных исследований предложены научно-обоснованные рекомендации, направленные на повышение технико-экономической и экологической эффективности использования разработанных композиционных материалов и покрытий, технологических процессов и комплекса оборудования, которые прошли экспериментально-промышленную апробацию и внедрены на предприятиях машиностроительного и другого профиля с учетом их целевого назначения.

Основное положения диссертации отражены в следующих публикациях:

Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Галимова, Н.Я. Разработка технологии и оборудования для нанесения полимерных порошковых покрытий электростатико- термогазодинамическим способом [Текст]/ Н.Я. Галимова, С.А.Воронцов, Э.Р.Галимов, Э.Е.Тукбаев// Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. 2010. №1. - С. 44-47.

2. Галимова, Н.Я. Композиционные материалы на основе поливинилхлори-да, дисперсных наполнителей и эластомерных добавок [Текст]// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. №4 -2(89).- С. 34-38

3.. Галимова, Н.Я. Разработка технологии и оборудования для нанесения полимерных порошковых покрытий специального назначения [Текст] / Н.Я. Галимова, Э.Е. Тукбаев// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. №4-2(89).-С. 38-44

Научные статьи и материалы докладов:

4. Галимова, Н.Я. Разработка ПВХ- композиций с использованием отходов лесохимического производства [Текст]/ Н.Я. Галимова, А.Г.Исмаилова, Э.Р. Галимов //Новая химическая продукция, технология изготовления и применения: тезисы докладов в материалах Всероссийской научно-технической конференции /Пенза: ПДНТП, 1995. - С. 36- 38.

5. Галимова, Н.Я. Повышение надежности и работоспособности элементов конструкции ГТД с использованием защитных порошковых покрытий [Текст]/ Н.Я. Галимова, Е.П.Круглов, А.Ф.Павлов, А.Г.Исмаилова, Э.Р. Гали-мов //Современные проблемы машиноведения: тезисы докладов Международной научно- технической конференции /Гомель: ГПИ, 1998. - С. 18-20.

6. Галимова, Н.Я. Исследование свойств полимерных композиций и оптимизация технологии нанесения полимерных порошковых покрытий [Текст]/ Н.Я. Галимова, А.Г.Исмаилова, Э.Р. Галимов//Технологические проблемы производства элементов и узлов изделий авиакосмической техники: статья в материалах Всероссийской научно - технической конференции /Казань: КГТУ, 1998.-С. 19-23.

7. Галимова, Н.Я. Оптимизация структуры и свойств защитных порошковых покрытий [Текст]/ Н.Я. Галимова, Е.П.Круглов, А.Г.Исмаилова //Формирование структуры, свойств порошковых, композиционных и функциональных материалов. Металлдеформ-99: статья в материалах I Международной научно- технической конференции /Самара, 1999. - С.32- 36.

8. Галимова, Н.Я. Разработка дисперсно-наполненных полимерных композитов с заданным уровнем свойств и оптимизация технологических процессов их формования [Текст]/ Н.Я. Галимова, А.Г.Исмаилова, Э.Р. Галимов //Формирование структуры, свойств порошковых, композиционных и функциональных материалов: статья в материалах 1 Международной научно- технической конференции / Самара, 1999. - С.37- 39.

9. Галимова, Н.Я. Оптимизация структуры, свойств и режимов переработки дисперсно-наполненных композиционных материалов [Текст]/ Н.Я. Галимова, И.Г.Хабибуллин, А.Г.Исмаилова, Э.Р. Галимов //Композиционные материалы в промышленности: тезисы докладов 19 Международной научно- технической конференции / Киев: ИПП, 1999. - С.41- 43.

10. Галимова, Н.Я. Современные проблемы в разработке и применении композиционных материалов [Текст]/ Н.Я. Галимова, Э.Р. Галимов, Р.К. Низамов, А.Г. Аблясова //Машиностроение и техносфера XXI века: статья в материалах X Международной научно-технической конференции / Донецк: Дон НТУ, 2003. -С. 112-116.

11. Галимова, Н.Я. Дисперсно-наполненные материалы на основе поли-винилхлорида [Текст]/ Н.Я. Галимова, Э.Р. Галимов, Р.К. Низамов, А.Г. Аблясова, Ю.А. Шмакова //Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: статья в материалах VIII Международной научно- технической конференции /Пенза, 2003. - С. 23- 27.

12. Галимова, Н.Я. Композиционные материалы на основе наполненного ПВХ [Текст]/ Н.Я. Галимова, A.A. Каримов //Современные техника и технологии: статья в материалах XIII Международной научно- технической конференции /Томск, 2007. -С. 103- 107.

13. Галимова, Н.Я. Разработка технологии и оборудования для нанесения композиционных порошковых покрытий специального назначения [Текст]/ Н.Я. Галимова, Э.Е. Тукбаев, ЭБ.Зверев, С.А.Воронцов, АА. Каримов// Сварщик. 2007.№2. -С. 7- 11.

14. Галимова, НЛ. Оптимизация составов и свойств композиционных материалов на основе поливинилхлорида [Текст]/ Н.Я. Галимова, Р.К.Низамов, А.Г. Аблясова, Э.Р. Галимов //Машиностроение и техносфера XXI века: статья в материалах XII Международной научно-технической конференции /Донецк: Дон ПТУ, 2008. - С. 138- 142.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч. изд. л. 1,07.

_Тираж 100. Заказ Н94._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАПРАВЛЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Основные способы модификации полимерных материалов.

1.2. Проблемы разработки и применения композиционных материалов на основе поливинилхлорида.

1.3. Состояние, перспективы применения и способы нанесения по- 29 лимерных порошковых покрытий.

Актуальность темы. Прогресс в создании и промышленном производстве полимерных композиционных материалов и покрытий, в огромной степени способствующий развитию современной техники, неразрывно связан с их многочисленными достоинствами [1-3].

По перспективности применения и разнообразию свойств среди полимерных материалов лидирующее положение занимает поливинилхлорид (ПВХ), материалы на основе которого применяются в машиностроении, энергетике и т.п.

В машиностроении композиции на основе ПВХ в виде гранул, порошков, пленок, лент, листов, пенопластов применяются для изготовления широкого ассортимента технических деталей, технологической оснастки, гибких трубок, шланг, изоляции кабелей, прокладочно-уплотнительных и других видов материалов, а также для антикоррозионной защиты и декоративной отделки [4-5].

Отличительной особенностью ПВХ является высокая вязкость расплава в условиях переработки и невысокая термическая стабильность, что является причиной использования его исключительно в модифицированном виде в сочетании с различными целевыми добавками: стабилизаторами, пластификаторами, наполнителями, полимерами и др. [5,6].

Применительно для ПВХ важной задачей является изыскание новых, доступных и дешевых модификаторов, среди которых наибольший интерес представляют техногенные отходы в виде дисперсных наполнителей. Перспективным направлением является также модификация ПВХ полимерными добавками как в отдельности, так и в сочетании с наполнителями, что обеспечивает получение усиленных ПВХ-композиций конструкционного назначения [4,7].

Наличие многочисленных добавок в ПВХ-композициях приводит к возникновению разнообразных специфических эффектов в процессе переработки и эксплуатации готовых изделий. Установление особенностей и закономерностей проявления этих эффектов, влияющих на формирование структуры и свойств композиционных материалов, представляет актуальную проблему.

Важным направлением в современной технике, в том числе и в машиностроении, является использование различных по функциональному назначению покрытий, среди которых наиболее перспективными являются покрытия на основе полимерных порошковых композиций (ППК). Особую актуальность в этой связи приобретают исследования по разработке составов, совершенствованию оборудования и технологии нанесения коррози-онно-эрозионностойких, защитно-декоративных и других видов покрытий.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка рецептурно-технологических параметров получения композиционных материалов и порошковых покрытий различного функционального назначения с заданным уровнем технологических и эксплуатационных свойств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- выявить закономерности влияния дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов на изменение реологических, теплофизических и деформационно-прочностных свойств композиционных материалов на основе ПВХ;

- установить особенности совместного модифицирующего действия дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов на технологические и эксплуатационные свойства ПВХ-композиций;

- определить интервалы количественного соотношения модифицирующих добавок, обеспечивающие оптимальные технические свойства композиционных материалов;

- разработать полимерные композиции, технологические процессы и оборудование для получения порошковых покрытий различного назначения; определить оптимальные режимные параметры их нанесения и формирования;

- апробировать в производственных условиях результаты экспериментальных исследований.

Научная новизна:

- установлены особенности модифицирующего действия различных по природе дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов как в отдельности, так и при оптимальном их сочетании.

- определены закономерности изменения реологических, тепло-физических и деформационно-прочностных свойств ПВХ-композиций в широком интервале соотношения модифицирующих добавок, температур и режимов деформирования;

- выявлен эффект малых добавок, проявляющийся в заметном изменении доминантных свойств композиций, обусловленный спецификой структурно-морфологического строения ПВХ;

- определены закономерности изменения режимных параметров получения различных по функциональному назначению полимерных порошковых покрытий.

Практическая значимость:

- расширена сырьевая база дешевых и доступных наполнителей органической и неорганической природы, а также полимерных модификаторов;

- разработаны эффективные композиционные материалы на основе органических дисперсных наполнителей, смесевых термоэластопластов, а также смесей органических и неорганических наполнителей, синтетических каучуков и термоэластопластов с повышенной перерабатываемостью, термической стабильностью и прочностью;

- определены оптимальные соотношения дисперсных наполнителей и полимерных модификаторов, а также их смесей в рецептурах ПВХ-ком-позиций;

- разработаны композиции, комплекс новых технологий и оборудования для нанесения и формирования порошковых покрытий различного функционального назначения.

Внедрение результатов исследований:

Результаты исследований нашли практическое применение при изготовлении деталей машиностроения из композиционных материалов на «ХИТОН-ПЛАСТ», профильно-погонажных изделий на ООО «Полимерно-композитные материалы», а также для нанесения порошковых покрытий на изделия различного назначения из металлических и неметаллических материалов в ООО «Стальспецмонтаж», ООО «Политон», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», инженерно-технологическом центре «ЛАКОР» (г.Киров), ООО «Заводское» (г. Вот-кинск).

Апробация работы:

Результаты выполненной работы обсуждались на конференциях: «Новая химическая продукция, технология изготовления и применения», Пенза, 1995г.; «Актуальные проблемы научных исследований и высшее профессиональное образование», Казань, 1997г.; «Современные проблемы материаловедения», Гомель, 1998г.; «Технологические проблемы производства элементов и узлов авиакосмической техники», Казань, 1998, 2000гг.; «Формирование структур, свойств порошковых композиций и функциональных материалов», Самара, 1999г.; «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. Проблемы конструкционной прочности двигателей», Самара, 1999г.; «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов», Н. Челны, 1999г.; «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве», Казань, 1999-2001г.; «Композиты в народное хозяйство России», Барнаул, 1999г.; «Химия и окружающая среда», Казань, 2000г.; «Энергосбережения в химической технологии», Казань, 2002г.; «Фундаментальные исследования в технических университетах», С-Петербург, 2003г.; «Машиностроение и техносфера XXI века», Севастополь, 2003-2009гг.; «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков», «Пенза, 2003г.; «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2004-2009гг.; «Современные проблемы технической химии», Казань, 2007г.; «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва, 2006г.; «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань, 2007-2009гг.; «Современные техника и технологии», Томск, 2007г.; «Материаловедение и технологии конструкционных материалов в промышленности», Ялта-Киев, 2006-2009гг.; «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», Казань, 2009г.; «Автомобиль и техносфера», Казань, 2008г.; «Полимеры в строительстве», Казань, 2009г.; «Камские чтения», Н. Челны, 2009г.

Реализация работы:

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по дисциплинам «Материаловедение и ТКМ», «Новые материалы и технологии», «Электротехнические материалы». Галимова Н.Я. является соавтором пяти учебных пособий с грифом УМО: «Полимерные материалы. Структура, свойства и применение», Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 2001г., 187с; «Полимерные материалы в биомедицинской технике», Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2003г., 242с; «Материалы приборостроения», Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2008г., 672с; «Материаловедение для экономистов» в 2-х томах, Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 2009г., 309с; «Материалы приборостроения», Изд-во «Колос С».М.,20 Юг., 284с.

На защиту выносятся:

- закономерности изменения реологических, термических, термомеханических и деформационно-прочностных свойств модифицированных композиционных материалов на основе ПВХ;

- оптимальные рецептуры наполненных лигнинсодержащими соединениями ПВХ-композиций с повышенной перерабатываемостью, термической стабильностью и прочностью;

- оптимальные составы модифицированных термоэластопластами ПВХ-композиций с повышенной перерабатываемостью и термической стабильностью;

- оптимальные составы многокомпонентных систем: ПВХ - дисперсные наполнители органического или минерального происхождения -термоэластопласты или синтетические каучуки с повышенной перерабатываемостью и деформационно-прочностными свойствами;

- эффективные составы модифицированных порошковых поливи-нилхлоридных композиций для получения покрытий с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами;

- технология и оборудование для нанесения порошковых покрытий электростатико- термогазодинамическим способом;

- технология и оборудование для нанесения порошковых покрытий на неметаллические материалы электростатическим способом;

- технология и оборудование для нанесения порошковых покрытий сублимационным декорированием;

- технология нанесения коррозионно-эрозионностойких порошковых покрытий на корпусные и другие детали приводов компрессоров газоперекачивающих установок.

Достоверность результатов работы подтверждается достаточным объемом проведенных экспериментальных исследований, использованием современных методов и средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных.

Личный вклад автора. Работа основана на анализе и обобщении многолетних экспериментальных исследований, выполненных при личном участии автора, либо проведенных при его непосредственном руководстве; разработке конструкторской документации на отдельные узлы специализированного оборудования, участии в испытании и внедрении результатов.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр ТСМИК КГ АСУ, «Материаловедение, сварка и структурообразующие технологии» и «Авиационные двигатели и энергетические установки» КГТУ им. А.Н. Туполева, специалистам ИТЦ «Лакор» (г. Киров) и ООО «Заводское» (г. Воткинск).

Автор выражает благодарность руководству университета за предоставленные условия для выполнения работы.

выводы

1. В результате проведенных исследований обоснована и экспериментально подтверждена эффективность модификации ПВХ техногенными отходами и полимерными добавками как в отдельности, так и при различных их сочетаниях и соотношениях с целью повышения качества изделий из композиционных материалов.

2. Определены закономерности изменения вязкоупругих, термических, термомеханических и деформационно-прочностных свойств модифицированных композиций. Выявлен эффект активного влияния малых добавок, проявляющийся в заметном изменении доминантных свойств и обусловленный спецификой структурно-морфологического строения ПВХ. Совокупность эффектов модификации показала полифункциональность использованных добавок и позволила разработать рецептуры ПВХ-композиций с повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами.

3. Разработаны эффективные составы модифицированных лигнинсо-держащими соединениями и смесевыми термоэластопластами ПВХ-композиций, позволяющих повысить перерабатываемость и термическую стабильность по сравнению с базовой композицией от 10 до 30 %. Оптимальные интервалы содержания дисперсных наполнителей в виде JICC и ТЭП в композитах составляют соответственно 5 —15 и 1—10 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ. Установлено, что наиболее эффективными из модификаторов с учетом изменения комплекса свойств являются ГЛ и ЛС, а также ТЭП - 2 и ТЭП-3.

4. Определены составы многокомпонентных ПВХ-композиций, модифицированных дисперсными органическими (ЛСС), минеральными (БП, АНО) и полимерными (ТЭП, СК) добавками, позволяющих повысить перерабатываемость, термическую стабильность и прочностные свойства по отношению к базовой композиции на 10-20 %. Установлено, что оптимально ное содержание наполнителей и полимерных модификаторов составляет 5-20 и 5-10 масс.ч. на 100 масс.ч. ПВХ. Показано, что максимальный модифицирующий эффект проявляется при использовании смесей дисперсных наполнителей и термоэластопластов в соотношении 10-15 м 5-10 масс.ч. на 100 масс.ч. базового полимера.

5. Разработаны порошковые ПВХ-композиции, модифицированные JICC, для получения покрытий с высокими техническими свойствами по сравнению с базовым составом. При оптимальном содержании наполнителей (5-10 масс.ч.) текучесть композиций и адгезионные свойства покрытий повышаются на 10-15 %.

6. Разработан новый электростатико-термогазодинамический способ нанесения полимерных порошковых покрытий на поверхности различных по природе материалов в нестационарных условиях. Определены и оптимизированы конструктивные и режимные параметры, влияющие на эффективность получения покрытий с гарантированным качеством. Установлено, что максимальная эффективность осаждения ППК обеспечивается при л изменении плотности потока ПК от 3,5 до 8,0 кг/ч-м , расходе ППК от 4 до 10,0 кг/ч, напряжении от 30 до 60 кВ, расстояния между соплом ТГГ и подложкой от 0,050 до 0,125 м. Разработанный способ позволяет снизить расход ППК на 20-30 %, в 2-3 раза сократить технологический цикл и повысить производительность процесса.

7. Разработаны токопроводящая композиция с высокой адгезией для формирования промежуточного слоя, технологический процесс и нестандартное оборудование модульного типа для нанесения порошковых покрытий электростатическим способом на изделия из неметаллических материалов (пластмассы, керамика, МДФ и т.п.).

8. Разработаны технология и оборудование для получения защитно-декоративных покрытий методом сублимационного декорирования, в том числе на длинномерных металлических профилях сложной конфигурации.

9. Экспериментально подтверждена эффективность нанесения однослойных порошковых покрытий на широкий ассортимент корпусных и других деталей из магниевых и алюминиевых сплавов приводов компрессоров газоперекачивающих установок для повышения их эрозионной, кор-розионно-эрозионной и химической стойкости в условиях эксплуатации. Указанные характеристики при использовании порошковой технологии существенно выше, чем у полученных по традиционной технологии с применением многослойных (до 7 слоев) покрытий на основе эмалей.

10. На основании проведенных исследований предложены научно-обоснованные рекомендации, направленные на повышение технико-экономической и экологической эффективности использования разработанных композиционных материалов и покрытий, технологических процессов и комплекса оборудования, которые прошли экспериментально-промышленную апробацию и внедрены на предприятиях машиностроительного и другого профиля с учетом их целевого назначения.

4.5. Заключение

Таким образом, в результате комплексных исследований разработаны технологический процесс и специализированное оборудование модульного типа для нанесения полимерных порошковых покрытий электроста-тико-термогазодинамическим способом на различные по природе материалы в нестационарных условиях. Проведены стендовые испытания оборудования, установлены характер и интервалы изменения основных параметров, влияющих на формирование порошковых покрытий. Определены оптимальные режимные параметры нанесения и формирования покрытий, обеспечивающие их гарантированное качество.

Разработаны составы, технология и оборудование для нанесения порошковых покрытий на неметаллические материалы с наложением электростатического поля высокого напряжения.

Разработаны технология и оборудование для сублимационного нанесения защитно-декоративных покрытий.

Показана эффективность использования полимерных порошковых покрытий для повышения коррозионно-эрозионной стойкости корпусных и других деталей из цветных сплавов приводов компрессоров газоперекачивающих установок.

1. Симонов-Емельянов И.Д., Кулезнев В.Н. Основы создания композиционных материалов. М.: МИТХТ, 1986, 86с.

2. Симонов-Емельянов И.Д., Кулезнев В.Н. Наполнение как метод модификации полимеров и особенности технологии их переработки //Сб. Основные достижения научных школ МИТХТ им. М.В. Ломоносова. М.: МИТХТ, 2000, С. 255-263.

3. Трофимов Н.Н., Канович М.З. Основы создания полимерных композитов. М.: Наука, 1999, 540с.

4. Низамов Р.К., Полифункциональные наполнители поливинилхло-рида. Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева. Казань, 2005, 234с.

5. Руководство по разработке композиций на основе ПВХУПод ред. Ф.Гроссмана. 2-е издание. Пер. с англ. под ред. В.В.Гузеева. СПб.: Изд-во НОТ. 2009, 608с.

6. Штаркман Б.П. Пластификация поливинилхлорида. М.: Химия, 1975, 248с.

7. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: Изд-во АСВ, 1994, 264 с.

8. Архиреев В.П. и др. Новые пути химической модификации структуры и свойств полимеров/ В.П. Архиреев, Ю.В. Перухин, A.M. Кочнев // Вестник КГТУ, 1998, №1, С.57-70.

9. Архиреев В.П. и др. Наполнение смесей полимеров // В.П.Архиреев, Е.А.Заикин// Материалы Всеросс. НТК «Композиционныематериалы в авиастроении и народном хозяйстве». Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 1999, С.21-24

10. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991, 260 с.

11. Минскер К.С., Федосеева Г.Т. Деструкция и стабилизация поли-винилхлорида. М.: Химия, 1979, 272 с.

12. Бобрышев А.Н. и др. Эффект усиления свойств в дисперсно-наполненных композитах/ А.Н.Бобрышев, В.И.Калашников, Д.В.Квасов, Д.Е.Жарин, Л.Н.Голикова//Изв. вузов. Строительство. 1996, №2, С. 48-53.

13. Головкин Г.С., Гончаренко В.А., Дмитриенко В.П. и др. Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов. М.: Изд-во МАИ, 1993, 232с.

14. Chem. Week, 1988, №10, p. 7.

15. Plast. Age, 1988, v. 34, №12, p. 156.

16. Sovastianoff D. Inf. Chim., 1989, №305, p. 131.18. Пат. США 4755538.19. Пат. США 4775700.20. Пат. США 4775702.21. Пат. США 4757091.22. Пат. США 4757092.23. Пат. США 4755338.24. Пат. США 4775098.25. Пат. США 4775699.26. Е.В. Заявка №85101741.8.

17. Mod. Plast. Enciki., 1989,

18. Plast. Technol., 1989, v. 35, №8, p. 680.

19. Plast. Technol., 1990, v. 36, №2, p. 19.

20. Plast. Technol., 1989, v. 35, №8, p. 695.

21. Szulengi F. e.a. Petrochemia, 1988, v. 28, №1, p. 9.

22. Szulengi F. e.a. Plasty a. kanc., 1988, v. 25, №11, p. 331.

23. Kraus H. Kunststoffe, 1988, v. 78, №1, p. 1091.

24. Europ. Plast. News. 1988, v. 15, №1, p. 38.

25. New. Mater. Dev. Jap., 1987, p. 565.

26. Kunststoffe, 1987, Bd. 77, №11, p. 1178.37. Проспект фирмы «Hoechst».

27. Kunst. Plast. u. Kautsch. ztg., 1987, №352, S. 23.

28. Plast. Technol., 1987, v. 33, №6, p.79.

29. Plast. Technol., 1987, v. 33, №6, p.37.

30. Plast. Technol., 1987, v. 33, №6, p.37.42. Plast. World. 1987, №18.

31. Promt., 1988, v. 80, №6, p. 282.

32. Plast. Technol., 1987, v. 33, №6, p. 46.

33. Chem. Market. Rep., 1987, v. 232, №2, p. 24.

34. Plast. Technol., 1987, v. 33, №6, p.75.

35. Europ. Plast. News. 1988, v. 15, №2, p. 13.

36. Plast. World. 1987, v. 45, №5, p. 72.

37. D. Gerlach, 3rd, Int. Conf. PVC 87, Brigton, 1987.

38. Plastverarbeiter, 1989, Bd. 40, №11, S. 308.

39. Plast. mod. Elast., 1989, v. 41, №7, p. 77.

40. Plast. Flasch., 1989, v. 25, №222, p. 45.

41. Plast. mod. elast., 1989, v. 41, №5, p. 82.

42. Plastverarbeiter, 1989, Bd. 40, №11, S. 296.

43. Воронкова И.А., Белякова JI.K. Основные достижения в области производства и применения ПВХ (обзор)//Пласт. массы. 1994, №2,С.26-31.

44. Bukmann G. 3rd Int. Conf. PVS 87, Brigton, 1987.

45. Kinst. Plast. u. Kautsch. ztg., 1986, №332, S. 36.

46. Claerbout A. Conservation and Recycking, 1987, v. 10, №2/3, p. 185.

47. DufourD. Rev. Gen. Caoutch. Plast., 1986, № 600, p. 63.

48. Europ. Plast. News, 1988, v. 15, №4, p. 56.

49. Europ. Plast. News, 1988, v. 15, №3, p. 28.

50. Mitting P. Paskaging (USA), 1989, Suppl. p. 31.

51. Europ. Plast. News, 1988, v. 15, №3, p. 32.

52. Plast. Age, 1989, v. 35, №2, p. 205.

53. Niva O. e.a. Macromolekules, 1987, v. 20, №4, p. 749.

54. Головкин Г.С. Тенденции в развитии и совершенствовании термопластичных композиционных материалов// Материалы Всеросс. НТК «Композиционные материалы в авиации и народном хозяйстве». Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 1999. С.5-10.

55. Чалая Н.М. Производство продукции из ПВХ реальность и перспективы (обзор материалов научно-практического семинара) // Пласт, массы, 2006, №1. С. 4-7.

56. Низамов Р.К., Абдрахманова Л.А., Хозин В.Г., Строительные материалы на основе поливинилхлорида и полифункциональных техногенных отходов. Монография. Казань. Изд-во Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2008, 181с.

57. Коврига В.В. Поливинилхлорид ясная экологическая перспектива // Пласт, массы. 2007, №7, С.52-55.

58. Технология и оборудование для нанесения порошковых полимерных покрытий в электростатическом поле / Под ред. Верещагина И.П., Котлярова Л.Б., Морозова B.C. и др. М.: Энергоатомиздат, 1990, 150с.

59. Чеботаревский В.В., Кондратов Э.К. Технология лакокрасочных покрытий в машиностроении, М.: Машиностроение, 1978, 295с.

60. Гоц В.Л., Ларин А.В. Современное окрасочное оборудование. Методы распыления. М.: Изд-во Пейнт-Медиа, 2005. 91с.

61. Покрытия на основе порошковых материалов и методы их нанесения // Обзор, инф. Серия: Технология лакокрасочных покрытий. М.: НИИТЭХИМ, 1981,28с.

62. Яковлев А.Д. Порошковые краски. Л.: Химия, 1987, 216с.

63. Казарновский A.M. Использование лигнина в качестве наполнителя полимерных материалов // Обз. инф. Серия: Переработка платмасс. М.: 1983, 53с.

64. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. М.: Лесная промышленность, 1983,200с.

65. Любешкина Е.Г. Лигнины как компонент полимерных композиционных материалов // Успехи химии, 1983, Т.52, вып. 7, С.1196-1224.

66. Виноградов Г.В., Прозоровская Н.В. Исследование расплавов полимеров на капиллярном вискозиметре постоянных давлений // Пласт, массы. 1964, № 5, С. 50-57.

67. Бортников В.Г. Производство изделий из пластических масс: Учебное пособие для вузов в трех томах. Том 2. Технология переработки пластических масс. Казань: Изд-во «Дом печати», 2002, 399с.

68. Тейтельбаум Б.Л. О термомеханических кривых полимеров при постоянном нагружении // Высокомол. соед. 1962. т. А1У, N5, С. 655-661.

69. Санжаровский А.Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. М.: Химия. 1978, 182С.

70. Практикум по полимерному материаловедению / Под. ред. П.Г. Бабаевского. М.: Химия, 1980, 256с.

71. Каузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. 3-е изд. перер. Д.: Химия, 1987, 264с.

72. Гузеев В.В. и др. Течение наполненного поливинилхлорида /

73. B.В.Гузеев, М.Н.Рафиков, Ю.М.Малинский // Пласт, массы. 1971, № 12,1. C.21-22.

74. Пахаренко В.А. Реологические свойства термопластов с различными наполнителями /В.А.Пахаренко, Е.Ф.Петрушенко, Е.М.Кириенко, М.Г.Соломенко//Пласт. массы. 1984, №7, С. 14-16.

75. Прокопенко В.В. и др. Влияние малых добавок твердых наполнителей на реологические свойства полимеров / В.В.Прокопенко, О.К.Петкевич, Ю.М.Малинский Н.Ф.Бакеев //Докл. АН СССР. 1974, Т. 214, №2, С. 389-392.

76. Прокопенко В.В. и др. О природе аномалии концентрационного хода вязкости наполненных полимеров в области малых наполнений /В.В.Прокопенко, О.К.Титова, Н.С.Фесик, Ю.М.Малинский, Н.Ф.Бакеев // Высокомол. соед. 1977, AI9. № 1, С. 95-101.

77. Масюров В.Ю. и др. Исследование влияния наполнителя на свойства ПВХ-композиций / В.Ю.Масюров, В.С.Осипчик, П.Г.Егоров, Е.Д.Лебедева//Пласт. массы. №2, 2005, С.44-45.

78. Хархардин А.Н. Реология наполненных полимерных систем //Пласт, массы. 1984, №8, С.40-43.

79. Куличихин С.Г. Реологические свойства поливинилхлорида //Обз. инф. Серия: Акрилаты и поливинилхлорид. М.: 1983, 34 с.

80. Штаркман Б.П. и др. Микроскопические исследования структуры пластифицированного поливинилхлорида / Б.П.Штаркман, Т.Л.Яцынина, Л.И.Видяйкина, В.Л.Балакирская, Д.Н. Борт //Высокомол. соед. 1971, А13, №8. С. 1894-1899.

81. Гузеев В.В. и др. Электронно-микроскопическое изучение аэросила в пластифицированном ПВХ / В.В.Гузеев, Д.Н.Борт, С.И.Передереева //Коллоид, журнал. 1971, Т.ЗЗ, №3, С. 349-351.

82. Гузеев В.В. и др. Определение толщины межфазного слоя ПВХ/ В.В.Гузеев, Л.М.Мартынова, Ж.И.Шкаленко и др.//Пласт, массы. 1980, №10, С 32-33.

83. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия. 1977, 440 с.

84. Гузеев В.В. и др. Влияние наполнителей на температуру стеклования ПВХ / В.В.Гузеев, Л.К.Белякова, СМ.Юшкова, Ю.С.Бессонов, А.А.Тагер // Пласт, массы. 1981, № 7, С.16-17.

85. Бобрышев А.Н. и др. Оценка модуля деформации дисперсно-наполненных полимерных композитов / А.Н.Бобрышев, В.С.Козицын, Р.И.Авдеев, В.Н.Козомазов, С.В.Курин // Пласт, массы. №3, 2003, С.20-22.

86. Г.А. Лущейкин. Моделирование упругих и механических прочностных свойств наполненных полимеров и композитов // Пласт, массы. 2003, №1, С. 36-39.

87. Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ошмян В.Г., Ениклопов Н.С. Принципы создания композиционных полимерных материалов. М.: Химия, 1990. 240с.

88. Галимова Н.Я. и др. Композиционные материалы на основе наполненного ПВХ/Н.Я.Галимова, А.А.Каримов// Материалы XIII Междунар. НТК «Современная техника и технологии». Томск, 2007. С. 103-105.

89. Галимова Н.Я. Композиционные материалы на основе поливинилхлорида, дисперсных наполнителей и синтетических каучуков // Научные ведомости СПбГПУ, 2009, №4-2 (89). С. 34-38.

90. Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980, 304 с.

91. Физикохимия многокомпонентных полимерных систем / Под общ. ред. Ю.С.Липатова. Киев: Наук. Думка, 1986, 376 с.

92. Серенко О.А. и др. Свойства композитов с дисперсным эластичным наполнителем / О.А.Серенко, В.С.Авинкин, С.Л.Баженов, Ю.М.Будницкий // Пласт, массы. 2003, №1, С. 18-21.

93. Серенко О.А. и др. Влияние деформационного упрочнения термопластичной матрицы на свойства композита с эластичным наполнителем/ О.А.Серенко, В.С.Авинкин, С.Л.Баженов// Высокомол. соед. Серия А. Т.44.2002, №3. С. 457-464.

94. Шварц А.Г., Динсбург Б.Н. Совмещение каучуков с пластиками и синтетическими смолами. М.: Химия, 1972, 227С.

95. Галимова Н.Я. Дисперснонаполненные композиционные материалы на основе поливинилхлорида/ Изв. Вуз. Проблемы энергетики, №910, 2007, С.

96. Торнер Р.В. Основы переработки полимеров (теория и методы расчета). М.: Химия, 1972, 453с.

97. Shenoy A.V. t.n. J. Vinyl. Tech., 1983, v.5, №4, p. 192.

98. Лапутько Б.Н. и др. Построение обобщенной зависимости вязкости расплавов наполненных ПВХ-композиций от скорости сдвига/ Б.Н.Лапутько, А.П. Савельев//Пласт, массы, 1994, №3, С.31-34.

99. Низамов Р.К. и др. Модификация ПВХ-композиций отходами металлургических производств / Р.К.Низамов, Р.Р.Галеев, Э.И.Нагуманова, Л.А.Абдрахманова, В.Г.Хозин // Изв. вузов. Строительство, 2006, вып. 3-4, С. 47-50.

100. Реклейтис Г. Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике

101. Пер. с англ. В.Я.Алтаева, В.И.Моторина. М.: Мир, 1986, 534с.

102. Галимова Н.Я. и др. Разработка технологии и оборудования для нанесения полимерных порошковых покрытий электростатико-термогазо-динамическим способом/ Н.Я.Галимова, Э.Е.Тукбаев//Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева, 2010, №2, С.44-47.

103. Галимова Н.Я. и др. Разработка технологии и оборудования для нанесения полимерных порошковых покрытий специального назначе-ния/Н.Я. Галимова, Э.Е. Тукбаев// Научные ведомости СПбГПУ, 2009, №42 (89). С.38-44.