автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Обоснование применения нетканых полотен для производства композиционных материалов на текстильной основе

На правах рукописи

Трещалин Юрий Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТЕКСТИЛЬНОЙ ОСНОВЕ

Специальность: 05.19.01-Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

14 ноя тз

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537731

Кострома 2013

005537731

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Киселев Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: Матрохин Алексей Юрьевич

доктор технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет» (Текстильный институт) г. Иваново, профессор кафедры материаловедения, товароведения, сертификации и метрологии,

Селиверстов Владимир Юрьевич,

кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома, доцент кафедры технологии и проектирования тканей и трикотажа.

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский

институт нетканых материалов», г. Серпухов.

Защита диссертации состоится «12» декабря 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 на базе ФГБОУ ВПО КГТУ по адресу: 156000 г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета. Текст автореферата размещен на сайте ВАК РФ: http://vak2.ed.gov.ru

Автореферат разослан «_»ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор г.К. Букалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На VII Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде «Techtextil Russia Symposium 2013» Президент Российского союза предпринимателей текстильной и легкой промышленности А. Разбродин, отметил, что «...производство технического текстиля является перспективной отраслью и обладает высоким потенциалом роста, способным коренным образом изменить ситуацию в отечественной текстильной и легкой промышленности». Основой технического текстиля, как правило, являются химические волокна, поэтому важно проанализировать перспективы их развития с точки зрения сырьевой базы. Профессор Г.Е. Кричевский считает: «Производство современных видов волокон (полиэфирные, полиамидные, полипропиленовые, акриловые) в Российской Федерации является крайне оправданным с точки зрения огромных запасов природного сырья (нефть, газ) для производства волокон и большой их потребности для модернизации значительного числа отраслей промышленности (нефте-, газоперерабатывающей, текстильной, судо-, автомобилестроение). Например, планируемый выпуск полиэфирных волокон к 2020 г. достигнет 53,4 млн. тонн, по сравнению с 2010 — 35 млн. тонн. Производство химических волокон нового поколения может сыграть роль локомотива развития отечественной индустрии, став одним из факторов национальной безопасности РФ. По мнению Генерального директора КТК «Иврегионсинтез» В. Гущина, большие перспективы развития производства химических волокон в России и, в частности, в Ивановской области.

В последнее время усилилась роль Технологической платформы «Текстильная и легкая промышленность» при формировании государственных программ и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» и, в частности, по подпрограмме №1 «Развитие производства композиционных материалов и изделий их них».

Разработка и производство многофункциональных композитов имеет практическую значимость для развития и технологического прорыва многих отраслей экономики, их можно использовать практически в любой сфере хозяйственной деятельности. Кроме того, в современных условиях создание и применение эффективных инновационных материалов, конкурентоспособных с металлами по цене, качеству и сроку эксплуатации, становится наиболее актуальным. Применение нетканой основы для изготовления изделий из композитов является одним из наиболее перспективных направлений.

Актуальность возрождения отечественной индустрии композиционных материалов, для повышения конкурентоспособности гражданских секторов экономики, отметил на первом заседании Совета по модернизации экономики и инновационному развитию России Президент РФ В.В. Путин: «Считаю, что без развития этого сектора мы рискуем потерять конкурентоспособность многих

наших отраслей. Это именно то направление, где мы можем значительно продвинуться вперед».

Работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР по теме: «Создание и исследование инновационных композиционных материалов специального назначения на основе нетканых полотен» и Договора о международном научно-исследовательском сотрудничестве КГТУ и Института физико-органической химии Национальной Академии наук Беларуси по теме: «Разработка композиционных материалов специального назначения на основе нетканых текстильных полотен из модифицированных волокон», что подтверждает актуальность работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение механических свойств композиционных материалов за счет применения нетканых полотен в качестве текстильной основы.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- анализ номенклатуры, волокнистого состава и строения текстильных материалов для производства композиционных материалов;

- исследование влияния температуры в процессе полимеризации связующего на физико-механические свойства нетканой основы композиционного материала;

- изготовление опытных образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен, полученных по различным технологиям различного волокнистого состава;

- экспериментальные исследования физико-механических свойств образцов нетканых полотен различного строения и состава;

- теоретические и экспериментальные исследования физико-механических свойств полученных образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен;

- экономическое обоснование создания композиционных материалов на основе нетканых полотен.

разработка проекта стандарта на композиционный материал, предназначенный для применения в различных областях промышленности.

Методы исследования

В процессе проведения теоретических исследований применялись математические методы механики сплошных сред в объемной постановке. Для решения задач определения напряженно-деформированного состояния композиционного материала использовался численный метод конечных элементов. Для реализации данного метода применена CAE система ANSYS ver. 15,0, Для математической обработки результатов экспериментов, решения задач аппроксимации, анализа функций на экстремум, построения графиков использовались табличный редактор Microsoft Excel и программный комплекс «Mathcad 15».

Экспериментальные исследования материалов проводились при помощи разрывной машины РТ - 250М - 2. Измерение температуры полимеризации связующего осуществлялось бесконтактным инфракрасным пирометром, марки AR300. Диаметр волокон определялся микрометром гладким цифровым МКЦ0-

750. Толщина образцов измерялась толщиномером типа ИС - 01 (Венгрия), их взвешивание производилось на аналитических весах фирмы АССЦЬАВ марки АЬС — 210/4. Дтя изучения микроструктуры применялся электронный твердомер, марки 2\У1СКЛ10Е1Х гНШбОТОР. Научная новизна работы:

В процессе проведения диссертационного исследования автором получены следующие научные результаты:

- разработана математическая модель структуры композиционного материала на основе нетканых полотен, позволяющая прогнозировать его разрушающую нагрузку и напряженно-деформированное состояние компонентов;

- разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния волокон, в процессе полимеризации связующего в порах текстильной основы, позволяющая произвести оценку применяемости различных видов волокон для изготовления композитов;

- установлено, что в процессе изготовления композита на основе нетканых полотен методом капиллярного насыщения, его структура не испытывает пластических деформаций и напряжений, что позволяет применять нетканые полотна для производства композитов;

- получены функциональные зависимости физико-механических свойств композиционных материалов от объемной плотности нетканых полотен различного волокнистого состава, изготовленных по различным технологиям, позволяющие прогнозировать данные характеристики при проектировании новых изделий;

- получены функциональные зависимости температуры полимеризации связующего от толщины нетканого полотна в процессе получения композиционных материалов, позволяющие прогнозировать параметры технологического процесса их производства.

Практическая ценность и реализация результатов работы Практическая значимость работы заключается в:

- разработке новых композиционных материалов на основе нетканых полотен с повышенными механическими характеристиками по отношению к аналогичным показателям полимерной матрицы по значениям прочности при растяжении на 140 - 520 % и прочности на изгиб на 120 - 860 %;

- определении незначительного (менее 1%) водопоглощения исследуемых образцов композитов, что позволяет использовать изделия из композиционных материалов на нетканой основе во влагонасыщенных средах;

- разработке рекомендаций по выбору волокнистого состава нетканых полотен и технологического способа их получения для изготовления на их основе композиционных материалов с заданными механическими характеристиками;

- получении регрессионных зависимостей физико-механических свойств композиционных материалов на основе нетканых полотен от параметров технологического процесса их изготовления, позволяющих использовать их в условиях реального производства;

- расчете показателей экономической эффективности применения изделий из композиционных материалов, показывающих уменьшение их стоимости в

сравнении с аналогичными полипропиленовыми изделиями на 30 %, а по отношению к металлическим изделиям ниже в 3 - 5 раз;

- разработке проекта стандарта на композиционный материал на нетканой основе, предназначенный для применения в различных областях строительства и промышленности.

Результаты работы внедрены на ООО «Технологии Судостроения» г. Кострома, ул. Московская, д. 84. Апробация работы Основные результаты работы доложены и получили положительную оценку на:

- XXXII международной научно-практической конференции «Модели и методы разрешения формально-научных и прикладных проблем в физико-математических, технических и химических исследованиях». II этап первенства по физико-математическим и техническим. III этап по химическим наукам, Лондон, 20 - 25 сентября 2012 г. (награжден Дипломом «Лидер научной мысли»);

региональной научно-технической конференции «Наноматериалы и нанотехнологии», Красноярск, Сибирский федеральный университет 1-9 октября 2012 г.;

- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012)», Кострома, Костромской государственный технологический университет, 18-19 октября 2012 г.;

- XXXIX международной научно-практической конференции «Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества». III этап первенства по научной аналитике по физико-математическим, техническим наукам. Лондон, 19-24 декабря 2012 г. (третье место в национальном первенстве по научной аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);

международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextil Russia Symposium 2013. Тема симпозиума: «Защитные и строительные материалы на волокнистой основе: новые технологии, опыт применения в России», Москва, 18-19 апреля 2013 г.;

- межвузовской научно-технической конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК

- 2013)», Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 23-25 апреля 2013 г.;

- XLIX международной научно-практической конференции «Технологии строительства и архитектурной эстетики информационного общества». I этап первенства по научной аналитике по техническим наукам, архитектуре и строительству. Лондон, 25 - 30 апреля 2013 г. (третье место в национальном первенстве по научной аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);

- международная научно-технической конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой

промышленности» (ПРОГРЕСС - 2013), Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 28-30 мая 2013 г.;

- кафедре «Материаловедение и технология швейных изделий» Костромского государственного технологического университета, 2012,2013 г.г.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 20 печатных работы, из которых 7 входят в «Перечень...» ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 166 страниц, в том числе 56 таблиц и 32 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во—введении обоснована актуальность диссертационной работы, изложены цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе

Проанализированы современные тенденции развития производства композиционных материалов на текстильной основе. Проведен анализ научно-технических работ, посвященных выбору текстильной основы и методам создания композиционных материалов, который показал, что существует достаточно много различных способов производства композитов, как с позиции используемых армирующих текстильных структур, так и выборе полимерного связующего. Выполнен анализ тканых, трикотажных и плетеных структур с точки зрения получения на их основе композиционных материалов. Результаты анализа показали целесообразность применения данных структур для получения композиционных материалов, обладающих повышенными физико-механическими свойствами. Применение таких материалов нашло применение в оборонной, авиационной и космических отраслях. Недостатком данных материалов является их высокая стоимость как изделий из них, так и стоимости исходного сырья. На основе физико-механических свойств нетканых полотен выполнен анализ возможности их применения для получения композиционных материалов. Нетканые материалы обладают изотропными свойствами, различными физико-механическими свойствами, определяемыми технологией их изготовления и составом волокон, низкой себестоимостью изготовления. Применение таких материалов экономически оправдано в бытовой сфере, строительстве и др. Выполнен обзор различных смол, которые могут выступать в качестве связующего при получении композиционного материала.

Учитывая невысокую себестоимость производства нетканых полотен, наличие необходимых физико-механических свойств, возможность использования в качестве структурных элементов синтетических волокон, в частности, полипропиленовых и полиэфирных, прочностные и термические параметры которых отвечают требованиям, предъявляемым к условиям создания композитов, сделан вывод о перспективности применения нетканых полотен в качестве основы для композиционных материалов.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе

Описываются результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств образцов нетканых полотен и полученных на их основе композиционных материалов. Описана технология получения композиционных материалов на основе нетканых полотен. Учитывая многообразие нетканых полотен, вырабатываемых отечественными предприятиями, были созданы композиты на основе следующих видов полотен: иглопробивных термоскрепленных из непрерывных полипропиленовых нитей, изготовленных фильерным способом спанбонд (ООО «Сибур-Геотекстиль», ОАО «Ортон»), иглопробивных из штапельных полиэфирных и полипропиленовых волокон (ОАО «Комитекс») и др.

Полагаем, что текстильная основа, применяемая для изготовления композиционного материала, будет определять его эксплуатационные характеристики. Поэтому исследование структурных составляющих нетканых полотен является очень важным . этапом исследования получения композиционных материалов на их основе.

Для каждого образца определялись следующие характеристики: поверхностная плотность, объемная плотность, прочность при продавливании шариком, разрывная нагрузка и относительное разрывное удлинение по длине и ширине образцов. Проведенные испытания позволили определить основные структурные и физико-механические характеристики нетканой основы. Нами установлено, что исследуемые образцы имеют практически равные значения коэффициента изотропности по прочности и деформации исследуемых образцов, что позволяет предположить наличие изотропных свойств у композиционного материала, создаваемого на основе нетканых полотен. В работе выполнен анализ способов пропитки нетканой основы. С точки зрения технологического упрощения, снижения трудоемкости и энергетических затрат процесса пропитки, из всего многообразия методов пропитки нетканой основы нами выбран метод капиллярного насыщения, а также разработана технология получения образцов композиционного материала на основе нетканых полотен. На основе обзора научно-технических источников, сделанного в первой главе, а также с учетом физико-механических свойств материала связующего для изготовления композиционных материалов нами была выбрана полиэфирная смола РОЬУЫТЕ 516-М855.

Изготовленные образцы композитов подвергались испытаниям на растяжение, изгиб, сжатие и водопоглошение в соответствии с ГОСТами и методиками, принятыми для композиционных материалов. Результаты испытаний представлены на рис. 1 и показали значительное превышение прочностных характеристик композиционных материалов на нетканой основе на разрыв и изгиб по отношению к аналогичным показателям полимерной матрицы.

Превышение прочностных характеристик композиционных материалов но отношению к аналогичным показателям полимерной матрицы (раз)

Номер образна

Рис. 1. Соотношение прочностиых показателей композитов на нетканой основе и полимерной матрицы для образцов в виде пластин

При этом водопоглощение всех образцов составляло величину менее 1%. Выполнено исследование динамики изменения температуры в процессе полимеризации связующего при изготовлении композиционных материалов на основе выбранных образцов нетканых полотен. Установлено, что максимальная температура композиционного материала в процессе полимеризации связующего достигает температуры 120 °С и зависит от материала нетканой основы и толщины полотна. Изменение температуры связующего при полимеризации в порах образцов нетканой основы представлено на рис. 2.

115.1

Й„ 58.32 г' 79.45

70.4 61.3 52.25 4 л

34.16 25.1

! /

! 1 1 1 1

I \ 1

ь

и 2 9 \

/ Г\ \ 1 \ Ч

/ ч

1 1 ж.

------------ А_____

40 43 36 64

Время 1 Вреяя 189. Зреул ПОЛШ-,1£рЕ23!ШН связующего, шш

"Ч 80 33 96 104 112 120

Рис. 2. Изменение температуры связующего при полимеризации в порах образцов нетканой основы

Для математического описания темпа изменения температуры связующего в процессе полимеризации подобрана аппроксимирующая функция вида (рис. 2):

[1]

где: 1:(т) - ^ - ^ - длительность процесса полимеризации связующего;

к, Г - параметры функции.

Относительная погрешность вычислений составляет 5,5 - 8,71 %.

Полученные регрессионные зависимости позволяют прогнозировать такие важные характеристики технологического процесса получения композиционных материалов как время полимеризации и изменение температуры.

В третьей главе

Решаются две различные задачи определения напряженно-деформированного состояния (НДС) композиционных материалов на основе нетканых полотен. Первая из них связана с определением НДС одиночных волокон нетканой основы для определения отсутствия пластических деформаций в процессе изготовления композитов. Основным внешним фактором, влияющим на НДС в этом случае является температура в процессе полимеризации связующего. Таким образом одиночные волокна нетканых полотен будут испытывать существенные температурные деформации в закрытом объеме.

Другая задача состоит в разработке математической модели, позволяющей прогнозировать механические свойства будущих композитов с учетом многообразия технологий изготовления нетканых полотен, их волокнистого состава и применяемого материала связующего. Разработана модель НДС волокна в композите на основе решения дифференциального уравнения :

-аг ■ хавёг + (ог + ^ с!г)(г + с!г)с1есЬ - 2 • се • зт (--) с!гс1г = 0 [2]

С учетом принятых допущений получены аналитические зависимости параметров НДС волокон в композиционном материале:

Сг =

а2.Ра-Ь;.Р0 1 а2 ■ Ь2 ■ (Ра — Рь) Е-«^

Ь2 - а2 г2 ' Ь2 - а2 1 - V [3]

ое -а2'Р:~Ь2'Ръ ; 1 '(Ра-Рь)

Ь2 - а2 г2 Ь2 — а2 1 - V [4]

Основываясь на результатах исследования динамики изменения температуры разработана методика расчета характеристик напряженно-деформированного состояния волокна в процессе полимеризации связующего в порах нетканой основы. В соответствие с предложенной методикой при помощи программного комплекса «Ма&сас! 15» проведен расчет изменения напряжений и деформации полипропиленовых и полиэфирных волокон в зависимости от времени полимеризации связующего. Один из вариантов

зависимости интенсивности напряжений для полиэфирного волокна от времени полимеризации связующего представлен на рис. 3.

5.«- "с и.зззам.бб- ¡да тзэкбле вз.шм.«7 ;зо зоз.ззз:««" з» о _

Ввеыя сслзш«рязашш «зязуюшего. шш

Рис. 3. Зависимость интенсивности напряжений для полиэфирного волокна от времени полимеризации связующего Решена задача определения напряженно-деформированного состояния композиционного материала. Обзор методов решения задач подобного класса позволил выявить наиболее перспективный из них - метод конечных элементов. Для расчета и моделирования структуры композита, вследствие сложности и вероятностного характера геометрических размеров и формы составляющих композиционного материала применялись специально разработанные программные средства. В качестве программного комплекса для расчета напряженно-деформированного состояния композиционного материала на основе нетканых полотен использован ANSYS Mechanical APDL ver, 14.1.

На рис. 4 представлены этапы построения геометрической' модели композиционного материала на основе нетканого полотна «Холлофайбер Софт 70г/м" Р 5190» построенной в Solid Works.

Моделирование структуры нетканого полотна

Моделирование структуры

композиционного материала ™'4' -Зтапы построения геометрической модели композиционного материала на основе нетканых полотен

Граничные условия при решении задачи имитировали испытания образца на разрывной машине. Для определения момента разрушения, согласно теории слабого звена Пирса, использовался метод последовательных нагружений. Один из вариантов расчета в виде распределения интенсивности напряжений в композиционном материале приведен на рис. 5.

Рис 5. Распределение интенсивности напряжений в композиционном материале на основе нетканого полотна «Холлофайбер Софт 70г/м2 Р 5190»

Результаты расчетов показывают, что наибольшие напряжения в композите испытывает нетканая основа. Данный факт связан с тем, что предел прочности полиэфирных волокон на порядок больше предела прочности материала связующего. Материал связующего испытывает равномерное напряженное состояние, что характерно для такого вида деформации. Наибольший интерес вызывает НДС нетканой основы, так как при ее разрушении начинается катастрофическое разрушение композита. Проведенные расчеты показали, что вследствие своего случайного расположения и отсутствия четкой ориентации одиночных волокон по отношению к направлению действия нагрузки они испытывают существенно различные напряжения. Диапазон изменения напряжений в волокнах композиционного материала доходит до величины 1 порядка. Оценка адекватности разработанной конечно-элементной модели проводилась путем сравнения среднего значения напряжения при разрыве, полученного экспериментальным и теоретическим методами. Численное сравнение показывает, что погрешность расчетов находится в пределах 7 %.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать заключение о положительном влиянии физико-механических характеристик нетканой основы на прочностные свойства полученных образцов композитов.

В четвертой главе

Исследуемые образцы объединены в группы, разработаны конкретные рекомендации производителям и обоснована экономическая целесообразность изготовления композиционных материалов на нетканой основе. Основными принципами формирования групп выбраны: объемная плотность материала, его волокнистый состав и технология получения. Такое разбиение нетканых

полотен на условные группы позволяет охватить практически все многообразие исследуемых образцов нетканых полотен.

С целью определения прочностных характеристик композиционных материалов на нетканой основе в зависимости от условий эксплуатации, проведена статистическая математическая обработка полученных экспериментальных данных для различных групп нетканых полотен. При этом в качестве определяющего параметра выбрана объемная плотность нетканого полотна, как наиболее информативный показатель, учитывающий вид волокон, геометрические размеры, массу и пористость армирующего каркаса.

Используя программный комплекс МаЛсаё 15.0, определены формулы для приближенного расчета характеристик нетканой основы и композиционных материалов в зависимости от объемной плотности полотен. Графическая интерпретация полученных результатов приведена на рис. 6, 7.

1 ж 2 гууййа

.....т/~.....~

——......-

/-- ......."Г"

Г1. 1 ГРУпп»^

~-

->з ;и »6 ::» » уз ::4

Рис.6. Зависимость разрывной нагрузки от объемной плотности нетканых

полотен по группам а - нетканой основы; б - композиционного материала

2 П

......^ ..... 1.......

/ : :..............

—'г эм зя

а б

Рис.7. Зависимость характеристик композиционных материалов от плотности нетканых полотен по группам а - предельной нагрузки (Н) на изгиб; б - напряжения при изгибе (кПа)

Проведен экономический анализ производства наружных оболочек (облицовочные панели, пластины, листовые изделия) из разработанных композитов на нетканой основе. Расчет экономической эффективности показал, что затраты на изготовление панелей, площадью 1 м2, находятся в интервале от 54 до 92 руб/м2 в зависимости от цены компонентов связующего и

поверхностной плотности, волокнистого состава и производителя. Как показали расчеты, трубы из разработанных композитов в 5 раз дешевле металлических и на 30% полипропиленовых.

По результатам проведенных исследований разработан проект стандарта предприятия на композиционные материалы на нетканой основе применительно к использованию в различных областях промышленности. Стандарт внедрен на предприятии ООО «Технологии судостроения» г. Кострома.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель структуры композиционного материала на основе нетканых полотен с учетом их реального строения, позволяющая прогнозировать его разрушающую нагрузку и напряженно-деформированное состояние компонентов.

2. Наибольшие напряжения в композиционном материале при нагрузке испытывают волокна нетканой основы. Диапазон напряжений в волокнах достигает величины одного порядка, что является следствием случайной ориентации волокон в нетканых полотнах.

3. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния волокон в процессе полимеризации связующего в порах текстильной основы, позволяющая произвести оценку применяемости различных видов синтетических волокон для изготовления композитов.

4. Применение нетканой основы из синтетических волокон позволяет значительно повысить физико-механические характеристики композиционных материалов по отношению к аналогичным показателям полимерной матрицы по прочности на разрыв на 140 - 520 %, по прочности на изгиб на 120 - 860 %.

5. Получены регрессионные уравнения зависимости времени и температуры полимеризации связующего при изготовлении композиционных материалов, позволяющие прогнозировать параметры технологического процесса их производства.

6. Водопоглощение исследуемых образцов композитов составляет величину менее 1%, что позволяет использовать изделия из композиционных материалов на основе нетканых полотен во влагонасыщенных средах.

7. Установлено, что в процессе изготовления композита методом капиллярного насыщения его нетканая структура не испытывает пластических напряжений. Их величина составляет 14 - 31 % по отношению к предельным величинам.

8. Получены уравнения регрессии зависимости механических характеристик композиционных материалов от объемной плотности нетканых полотен различного волокнистого состава, изготовленных различными технологическими способами, позволяющие выбирать нетканые полотна для изготовления композитов заданной прочности.

9. Затраты на изготовление изделий из композиционных материалов на основе нетканых полотен в виде наружных панелей от 1,5 до 10 раз меньше стоимости

аналогичных листовых материалов. Трубы из композитов в 5 раз дешевле металлических и на 30 % полипропиленовых.

10. Разработан проект стандарта на композиционный материал на нетканой основе, предназначенный для применения в различных областях строительства и промышленности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования основных научных результатов диссертагщй:

1. Трещалин Ю.М. Изделия из композиционных материалов на основе нетканых полотен / М.Ю. Трещалин, B.C. Дышенко, М.Б. Клюев, Ю.М. Трещалин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 2012, № № 4 (340), с. 155 - 158;

2. Трещалин Ю.М. Анализ внутренних напряжений в волокнах, возникающих в процессе полимеризации связующего при изготовлении композиционных материалов на основе нетканых полотен / Ю.М. Трещалин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2012, № 4 (340), с. 37 - 40;

3. Трещалин Ю.М. Инновационные композиционные материалы на нетканой основе - прогрессивные композиты XXI века / Ю.М. Трещалин // Актуальные проблемы социально-экономического развития России. Научно-аналитический журнал.-2012, №3, с. 36-38;

4. Трещалин Ю.М. Конкурентоспособные композиты для оборонных и гражданских секторов экономики России / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Актуальные проблемы социально-экономического развития России. Научно-аналитический журнал. - 2012, № 4, с. 31 - 34;

5. Трещалин Ю.М. Определение рациональных параметров и прогнозирование свойств композиционных материалов на нетканой основе / Ю.М. Трещалин // Актуальные проблемы социально-экономического развития России. Научно-аналитический журнал. - 2013, № 1, с. 93 - 96;

6. Трещалин Ю.М. Создание и исследование композиционных материалов на основе нетканых полотен / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2013, № 2, с. 95 - 100.

7. Трещалин Ю.М. Деформация одиночного волокна при полимеризации связующего в порах нетканой основы / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2013, № 3, с. 58 - 64.

Статьи в других журналах

8. Трещалин Ю.М. Технико-экономическая эффективность применения нетканых полотен в производстве полимерных композиционных материалов / М.Ю. Трещалин, М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Журнал «Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии» № 2 (165), 2013, с. 36 - 37;

9. Трещалин Ю.М. Применение иглопробивных нетканых полотен в производстве изделий из полимерных композиционных материалов / М.Ю. Трещалин, М.В. Киселев, В. С. Дышенко, Ю.М. Трещалин // Журнал «Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии» №3 (166), 2013, с. 34-35;

10. Трещалин Ю.М. Особенности технологии пропитки волокнистой основы при изготовлении пластин из композиционных материалов / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Научные труды молодых ученых КГТУ / Костромской государственный технологический университет. - Вып. 14. - Кострома: КГТУ, 2013. с. 19- 23;

11. Трещалин Ю.М. Исследование композитов на основе нетканых материалов / Ю.М. Трещалин // Информационный научно-технический журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», № 7 (174), 2013. с. 28-29;

12. Трещалин Ю.М. Анализ характеристик и свойств композитов на нетканой основе / Ю.М. Трещалин // Информационный научно-технический журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», № 8 (175), 2013. с. 33-35;

13. Трещалин Ю.М. Нетканые материалы как основа композитов / М.Ю. Трещалин, М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Textile - report. Электронный ресурс. Режим доступа: http://textile-report.ra/?p=2076.

Материалы конференций

14. Трещалин Ю.М. Экспериментальное исследование процесса капиллярной пропитки нетканой основы при изготовлении композиционных материалов / М.Ю. Трещалин, Ю.М. Трещалин // Материалы XXXII Международной научно-практической конференции «Модели и методы разрешения формально-научных и прикладных проблем в физико-математических, технических и химических исследованиях». II этап первенства по физико-математическим и техническим, III этап по химическим наукам. Лондон, 20 - 25 сентября 2012 г. с. 57-59;

15. Трещалин Ю.М. Исследование свойств композиционных материалов на нетканой основе / М.Ю. Трещалин, Ю.М. Трещалин // Материалы XXXIX Международной научно-практической конференции «Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества». III этап первенства по научной аналитике по физико-математическим, техническим наукам. Лондон, 19-24 декабря 2012 г. с. 49-53;

16. Трещалин Ю.М. Экспериментальное исследование процесса полимеризации связующего в порах нетканой основы при изготовлении композиционных материалов / Ю.М. Трещалин // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012)»:-Кострома, Изд-во Костром, гос. технол. ун-та, 2012 г., с. 159 - 161;

17. Трещалин Ю.М. Изготовление композитов с использованием иглопробивных нетканых материалов / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Сборник трудов межвузовской научно-технической конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2013)», Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 23-25 апреля 2013 г., с. 105 - 106;

18. Трещалин Ю.М. Специфика пропитки нетканых материалов связующим для изготовления композитов / М.В. Киселев, Ю.М. Трещалин // Сборник материалов международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС - 2013), Иваново, Ивановский государственный политехнический университет 27-29 мая 2013 г., с. 377 - 381;

19. Трещалин Ю.М. Разработка композитов на основе синтетических текстильных материалов / Ю.М. Трещалин // Наноматериалы и нанотехнологии: материалы регион, науч.-техн. конф., Красноярск, 1-9 окт.

2012 г. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. с. 79 - 81;

20. Трещалин Ю.М. Сравнительный экономический анализ производства изделий из полимерных композитов на основе нетканых материалов / М.Ю. Трещалин, Ю.М. Трещалин // Материалы ХЫХ Международной научно-практической конференции «Технологии строительства и архитектурной эстетики информационного общества». I этап первенства по научной аналитике по техническим наукам, архитектуре и строительству. Лондон, 25 - 30 апреля

2013 г. с. 49-52;

Трещалин Юрий Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТЕКСТИЛЬНОЙ ОСНОВЕ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 7.11.2013. Печ. л. 1,06. Заказ 497. Тираж 100. РИО КГТУ, Кострома, ул. Дзержинского, 17

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический

университет»

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА

ТЕКСТИЛЬНОЙ ОСНОВЕ

Специальность: 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и лёгкой промышленности

на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201452431

На правах рукописи УДК 677.026.424:625.877(043.3)

ТРЕЩАЛИН ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель: Д.т.н., доцент М.В. КИСЕЛЕВ

КОСТРОМА - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................... 4

Общая характеристика работы........................................................ 5

Глава 1. Обоснование выбора волокнистого состава и нетканых полотен для изготовления композиционных материалов.................. 15

1.1. Современные способы изготовления композиционных материалов на текстильной основе..................................................................... 15

1.2. Текстильные материалы как основа производства композитов.......... 19

1.2.1. Тканые, трикотажные и плетеные структуры.............................. 21

1.2.2. Нетканые текстилыше материалы........................................... 24

1.3. Волокнистый состав, используемый при выработке основы для производства композитов............................................................... 28

1.4. Связующее, используемое при производстве композитов на волокнистой основе..................................................................... 38

1.5. Результаты анализа научно-исследовательских работ. Цель и задачи исследования............................................................................. 46

1.6. Выводы по главе 1..................................................................... 49

Глава 2. Экспериментальные исследования образцов нетканых полотен и композиционных материалов на их основе..................... 50

2.1. Определение характеристик образцов нетканых полотен................... 52

2.2. Экспериментальное исследование процесса капиллярной пропитки нетканой основы композиционных материалов..................................... 56

2.3. Описание технологии получения образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен............................................. 61

2.4. Экспериментальные исследования свойств образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен............................................. 71

2.5. Экспериментальное исследование изменения температуры полимеризации связующего в порах нетканой основы............................. 76

2.6. Выводы по главе 2...................................................................... 84

Глава 3. Анализ напряженно-деформированного состояния композиционных материалов на основе нетканых полотен................. 85

3.1. Разработка расчетной методики определения напряженно-деформированного состояния волокон нетканых полотен в процессе изготовления композиционных материалов.......................................... 86

3.2. Разработка конечно-элементной модели напряженно-деформированного состояния композиционного материала..................... 101

3.3. Выводы по главе 3.................................................................... 108

Глава 4. Разработка практических рекомендаций и нормативно-технической документации применения нетканых полотен для изготовления композиционных материалов..................................... 109

4.1. Определение зависимости прочностных характеристик композиционных материалов от плотности нетканых полотен............... 110

4.2. Технико-экономическое обоснование использования в качестве основы композитов нетканых полотен.......................................................... 119

4.2.1. Технико-экономическое обоснование производства облицовочных панелей из композиционных материалов.......................................... 119

4.2.2. Технико-экономическое обоснование производства цилиндрических опор из композиционных материалов................................................ 124

4.3. Проект стандарта на композиционный материал на нетканой основе

для применения в различных областях строительства и промышленности ... 131

4.4. Выводы по главе 4........................................................................................ 142

Общие выводы........................................................................... 143

Список использованных источников............................................. 145

Приложение I.............................................................................. 163

Приложение II........................................................................... 196

ВВЕДЕНИЕ

На VII Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде «Techtextil Russia Symposium 2013» Президент Российского союза предпринимателей текстильной и легкой промышленности А. Разбродин, отметил, что «...производство технического текстиля является перспективной отраслью и обладает высоким потенциалом роста, способным коренным образом изменить ситуацию в отечественной текстильной и легкой промышленности» [1]. Основой технического текстиля, как правило, являются химические волокна, поэтому важно проанализировать перспективы их развития с точки зрения сырьевой базы. В [2] профессор Г.Е. Кричевский делает вывод: «Производство современных видов волокон (полиэфирные, полиамидные, полипропиленовые, акриловые) в Российской Федерации является крайне оправданным с точки зрения огромных запасов природного сырья (нефть, газ) для производства волокон и большой их потребности для модернизации значительного числа отраслей промышленности (нефте-, газоперерабатывающей, текстильной, судо-, автомобилестроение). Например, планируемый выпуск полиэфирных волокон к 2020 г. достигнет 53,4 млн. тонн (по сравнению с 2010 -35 млн. тонн). Производство химических волокон нового поколения может сыграть роль локомотива развития отечественной индустрии, став одним из факторов национальной безопасности РФ. По мнению Генерального директора КТК «Иврегионсинтез» В. Гущина, большие перспективы развития производства химических волокон в России и, в частности, в Ивановской области [1].

В последнее время усилилась роль Технологической платформы «Текстильная и легкая промышленность» при формировании государственных программ и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» и, в частности, по подпрограмме №1 «Развитие производства композиционных материалов и изделий их них» [3].

Создание материалов, представляющих собой композицию из матрицы армированной волокнами, позволило совершить качественный скачок в развитии индустрии и, прежде всего, в авиационной, космической, машиностроительной, автомобильной и судостроительной отраслях промышленности. Поэтому расширение и постоянное обновление ассортимента композиционных материалов, совершенствование их прочностных характеристик и увеличение выпуска является актуальной научно-технической задачей [4, 5].

Разработка и производство многофункциональных композитов имеет практическую значимость для развития и технологического прорыва многих отраслей экономики, их можно использовать практически в любой сфере хозяйственной деятельности. Кроме того, в современных условиях создание и применение эффективных инновационных материалов, конкурентоспособных с металлами по цене, качеству и сроку эксплуатации, становится наиболее актуальным. Применение нетканой основы для изготовления изделий из композитов является одним из наиболее перспективных направлений [6, 7].

Актуальность возрождения отечественной индустрии композиционных материалов, для повышения конкурентоспособности гражданских секторов экономики, без которой Россия рискует потерять конкурентоспособность на международном рынке, отметил на первом заседании Совета по модернизации экономики и инновационному развитию России Президент РФ В.В. Путин: «Считаю, что без развития этого сектора мы рискуем потерять конкурентоспособность многих наших отраслей. Это именно то направление, где мы можем значительно продвинуться вперед» [8].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Направление исследований, выполненных в диссертационной работе, входит в перечень критических технологий Российской Федерации, согласно Указа президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года № 899 -«Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового

поколения». Работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР по теме: «Создание и исследование инновационных композиционных материалов специального назначения на основе нетканых полотен» и Договора о международном научно-исследовательском сотрудничестве КГТУ и Института физико-органической химии Национальной Академии наук Беларуси по теме: «Разработка композиционных материалов специального назначения на основе нетканых текстильных полотен из модифицированных волокон», что подтверждает актуальность работы.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение механических свойств композиционных материалов за счет применения нетканых полотен в качестве текстильной основы.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- анализ номенклатуры, волокнистого состава и строения текстильных материалов для производства композиционных материалов;

исследование влияния температуры в процессе полимеризации связующего на физико-механические свойства нетканой основы композиционного материала;

- изготовление опытных образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен, полученных по различным технологиям различного волокнистого состава;

- экспериментальные исследования физико-механических свойств образцов нетканых полотен различного строения и состава;

- теоретические и экспериментальные исследования физико-механических свойств полученных образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен;

- экономическое обоснование создания композиционных материалов на основе нетканых полотен.

разработка проекта стандарта на композиционный материал, предназначенный для применения в различных областях промышленности.

Методы исследования

В процессе проведения теоретических исследований применялись математические методы механики сплошных сред в объемной постановке. Для решения задач определения напряженно-деформированного состояния композиционного материала использовался численный метод конечных элементов. Для реализации данного метода применена CAE система ANSYS ver. 15,0, Для математической обработки результатов экспериментов, решения задач аппроксимации, анализа функций на экстремум, построения графиков использовались табличный редактор Microsoft Excel и программный комплекс «Mathcad 15».

Экспериментальные исследования материалов проводились при помощи разрывной машины РТ - 250М - 2. Измерение температуры полимеризации связующего осуществлялось бесконтактным инфракрасным пирометром, марки AR300. Диаметр волокон определялся микрометром гладким цифровым МКЦ0-750. Толщина образцов измерялась толщиномером типа FC - 01 (Венгрия), их взвешивание производилось на аналитических весах фирмы ACCULAB марки ALC - 210/4. Для изучения микроструктуры применялся электронный твердомер, марки ZWICK/ROELL ZHU250TOP.

Научная новизна

В процессе проведения диссертационного исследования автором получены следующие научные результаты:

- разработана математическая модель структуры композиционного материала на основе нетканых полотен, позволяющая прогнозировать его разрушающую нагрузку и напряженно-деформированное состояние компонентов;

- разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния волокон, в процессе полимеризации связующего в порах текстильной основы,

позволяющая произвести оценку применяемости различных видов волокон для изготовления композитов;

- установлено, что в процессе изготовления композита на основе нетканых полотен методом капиллярного насыщения, его структура не испытывает пластических деформаций и напряжений, что позволяет применять нетканые полотна для производства композитов;

- получены функциональные зависимости физико-механических свойств композиционных материалов от объемной плотности нетканых полотен различного волокнистого состава, изготовленных по различным технологиям, позволяющие прогнозировать данные характеристики при проектировании новых изделий;

- получены функциональные зависимости температуры полимеризации связующего от толщины нетканого полотна в процессе получения композиционных материалов, позволяющие прогнозировать параметры технологического процесса их производства.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке новых композиционных материалов на основе нетканых полотен с повышенными механическими характеристиками по отношению к аналогичным показателям полимерной матрицы по значениям прочности при растяжении на 140 - 520 % и прочности на изгиб на 120 - 860 %;

- определении незначительного (менее 1%) водопоглощения исследуемых образцов композитов, что позволяет использовать изделия из композиционных материалов на нетканой основе во влагонасыщенных средах;

- разработке рекомендаций по выбору волокнистого состава нетканых полотен и технологического способа их получения для изготовления на их основе композиционных материалов с заданными механическими характеристиками;

- получении регрессионных зависимостей физико-механических свойств композиционных материалов на основе нетканых полотен от параметров

технологического процесса их изготовления, позволяющих использовать их в условиях реального производства;

- расчете показателей экономической эффективности применения изделий из композиционных материалов, показывающих уменьшение их стоимости в сравнении с аналогичными полипропиленовыми изделиями на 30 %, а по отношению к металлическим изделиям ниже в 3 - 5 раз;

- разработке проекта стандарта на композиционный материал на нетканой основе, предназначенный для применения в различных областях строительства и промышленности.

Результаты работы внедрены на ООО «Технологии Судостроения» г. Кострома, ул. Московская, д. 84.

Апробация результатов работы Основные результаты работы доложены и получили положительную оценку

на:

- XXXII международной научно-практической конференции «Модели и методы разрешения формально-научных и прикладных проблем в физико-математических, технических и химических исследованиях». II этап первенства по физико-математическим и техническим, III этап по химическим наукам, Лондон, 20 - 25 сентября 2012 г. (награжден Дипломом «Лидер научной мысли»);

региональной научно-технической конференции «Наноматериалы и нанотехнологии», Красноярск, Сибирский федеральный университет 1-9 октября 2012 г.;

- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012)», Кострома, Костромской государственный технологический университет, 18-19 октября 2012 г.;

XXXIX международной научно-практической конференции «Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества». III этап первенства по научной аналитике по физико-математическим, техническим наукам. Лондон, 19-24

декабря 2012 г. (третье место в национальном первенстве по научной аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);

- международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextil Russia Symposium 2013. Тема симпозиума: «Защитные и строительные материалы на волокнистой основе: новые технологии, опыт применения в России», Москва, 18-19 апреля 2013 г.;

- межвузовской научно-технической конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК -2013)», Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 23-25 апреля 2013 г.;

- XLIX международной научно-практической конференции «Технологии строительства и архитектурной эстетики информационного общества». I этап первенства по научной аналитике по техническим наукам, архитектуре и строительству. Лондон, 25 - 30 апреля 2013 г. (третье место в национальном первенстве по научной аналитике, награжден «Бронзовым знаком»);

- международная научно-технической конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности»(ПРОГРЕСС - 2013), Иваново, Ивановская государственная текстильная академия 28-30 мая 2013 г.;

- кафедре «Материаловедение и технология швейных изделий» Костромского государственного технологического университета, 2012,2013 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 7 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций и 13 в иных изданиях и сборниках.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Трещалин Ю.М. Изделия из композиционных материалов на основе нетканых полотен / М.Ю. Трещалин, B.C. Дышенко, М.Б. Клюев, Ю.М. Трещалин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 2012, № № 4 (340), с. 155 — 158;

2. Трещалин Ю