автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка составов полимерных композитных материалов специального назначения

На правах рукописи

003448Ь-£:Ь

/

Шафигуллин Ленар Нургалеевич

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05 23 05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 0НТ2пп3

Пенза 2008

003448626

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор

Жарин Денис Евгеньевич Официальные оппоненты - Чл - кор РААСН, доктор технических наук,

профессор Ерофеев Владимир Трофимович, доктор технических наук, профессор Хвастунов Виктор Леонтьевич

Ведущая организация - Государственная академия профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС, г Москва)

Защита состоится «7»ftílSUpW 2008 г в ISчас на заседании диссертационного совета ДМ 212 184 01 в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства по адресу 440028, Пенза, ул Г Титова, д 28, корп 1, конференц - зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства

Автореферат размещен на официальном сайте университета WEB www ^asa penza com ru

Автореферат разослан <&>a¿feew3r 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета sf)/ ¿s*

ДМ 212 184 01 Ирг В А. Худяков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые композиционные материалы (КМ) нашли широкое применение при производстве защитных покрытий, плиточных материалов, фундаментных плит, наливных полов, фитин-говых систем, а также в качестве эффективных материалов при реконструкции и ремонте зданий, восстановлении и защите строительных конструкций, устройстве стыков сборных элементов итд

В процессе производства изделий из строительных полимерных наполненных КМ повышенной точности геометрических размеров, сложной конфигурации, а также при малых объемах производства, когда использование трудоемкой и дорогостоящей технологической оснастки (пресс-форм) экономически нецелесообразно, применяют механическую обработку резанием

Современными тенденциями развития производства строительных облицовочных материалов и элементов фитинговых систем является повышение их технологичности за счет увеличения габаритных размеров и использования механической обработки для получения готового изделия

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

Решение данной задачи связано с расчетом параметров физико-механических свойств и нахождением оптимальных технологических показателей (Б - подача, V - скорость, I - глубина резания) механической обработки КМ

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

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи исследований

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

- разработать достоверные прогнозные модели влияния рецептурно-технологических фактор на физико-механические свойства полимерных строительных композитов специального назначения с последующей разработкой системы автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения (САПС ПКМ),

- исследовать влияние режимов механической обработки и агрессивных сред на физико-механические свойства, массопоглощение и коррозионную стойкость эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов,

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

- разработать оптимальные составы для производства облицовочных и потолочных плиток и элементов фитинговых систем, в том числе специальных материалов, полученных механической обработкой,

- реализовать промышленное использование разработанных материалов в строительстве

Научная новизна работы состоит в следующем

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

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

- создана уточненная методика проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения, полученных методом механической обработки, учитывающая закономерности изменения физико-механических и технологических свойств композиционных материалов и их стойкости к агрессивным средам

Основные положения, выносимые на защиту:

- система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов специального назначения,

- закономерности разрушения и деформирования эпоксидных, полиэфирных и эпоксиполиуретановых композиционных материалов при различных видах на-гружения,

- модели прогнозирования физико-механических и технологических свойств композиционных материалов, стойкости композиционных материалов к агрессивным средам в зависимости от дисперсности и объемного содержания наполнителя до и после механической обработки,

- состав двухкомпонентной модифицирующей добавки для эпоксидных композиционных материалов, состоящей из простого полиэфира и полиизоциана-та, позволяющей повысить физико-механические и технологические свойства композиционных материалов, и качество обработанных поверхностей композиционных материалов,

- оптимальные составы композиционных материалов для получения материалов специального назначения, обладающих заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств

Практическая ценность работы заключается

- разработана система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов специального назначения,

- разработана эффективная двухкомпонентная модифицирующая добавка для эпоксидных композиционных материалов, позволяющая существенно повы-

сить физико-механические и технологические свойства получаемого композиционного материала,

- разработаны оптимальные составы для производства облицовочных и потолочных плиток и элементов фитинговых систем, полученных механической обработкой,

- разработаны прогнозные модели физико-механических свойств композиционных материалов с учетом топологических особенностей формирования структуры материала,

- установлено влияние технологических параметров механической обработки на физико-механические свойства и качество обработанных изделий строительных композиционных материалов,

Полученные композиты и разработанная система автоматизированного проектирования и создания полимерных композиционных материалов специального назначения прошли опытно-промышленную проверку на предприятиях г Набережные Челны

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

Достоверность результатов работы заключается в использовании при испытаниях КМ механического оборудования и измерительной аппаратуры, способных точно регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями Количественные результаты исследований обработаны с применением аппроксимирующих функций (степенных, экспоненциальных, полиномиальных и др ), корреляционного и регрессионного анализа Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена испытаниями большого количества различных видов и составов полимерных КМ и высокой степенью сходимости экспериментальных и расчетных данных с применением статистической обработки

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в журнале, входящем в перечень ВАК

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка использованных источников из 152 наименований и 2 приложений, содержит 185 страниц машинописного текста, 109 рисунков и 34 таблицы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с заявкой на грант ОАО «КАМАЗ» 2007-2009 гг

Автор выражает глубокую признательность академику РААСН, д т н , профессору Ю А Соколовой за ценные консультации при выполнении работы, чл -кор РААСН, д т н , профессору А Н Бобрышеву за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы, заведующему кафедры ТБК и В (Технологии

бетонов, керамики и вяжущих) ПГУАС д т н , профессору В И Калашникову за предоставленные условия для проведения испытаний

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели исследований и основные положения, выносимые на защиту

В первой главе приводится литературный обзор данных исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению свойств и структуры эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых КМ и методов оптимизации их составов Рассмотрены специальные полимерные КМ, используемые для получения облицовочных, потолочных плиток и элементов фитинговых систем

Отмечается вклад в исследование этих проблем Н К Барамбойма, Ю В Барановского, А Н Бобрышева, Г И Грановского, В Т Ерофеева, Д Е Жарина, А Кабаяши, А П Прошина, Р 3 Рахимова, В П Селяева, Ю А Соколовой, В И Со-ломатова, В Г Хозина, В Д Черкасова, Б П Штучного и других ученых

Рассматриваются проблемы прогнозирования и оптимизации физико-механических свойств композитов, формирование их структуры, проблемы моделирования процессов механической обработки, выделяются факторы, влияющие на эффективность процесса механической обработки строительных КМ

Рассмотрено влияние топологических особенностей термореактивных КМ, природы отвердителей и различных способов модификации на физико-технические свойства матричных и наполненных композитов

Обоснован выбор эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых материалов и область их применения в строительстве Отмечено, что благодаря уникальному комплексу эксплуатационных свойств эпоксидные и полиэфирные смолы находят широкое применение в качестве вяжущего для получения строительных композитов различного назначения Данные КМ применяются при ремонте, восстановлении и усилении строительных изделий и конструкций, устройстве стыков элементов, герметизации, в качестве защитных покрытий, а также при изготовлении плиточных материалов, фундаментных плит, наливных полов, фитинговых систем и др

Рассмотрены методы оптимизации составов полимерных наполненных композитов, учитывающие физико-механические, технологические и стоимостные критерии композита при получении специальных КМ

Рассмотрена классификация эпоксидных и полиэфирных наполненных облицовочных покрытий и элементов фитинговых систем для мелиоративного строительства в зависимости от номенклатуры, условий эксплуатации и назначения

Проанализированы существующие методы изготовления заготовок и деталей из полимерных наполненных КМ В соответствии с современными тенденциями развития строительного производства изделий и деталей из КМ эффективным представляется их изготовление механической обработкой

Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов Экспериментальные исследования проводили на эпоксидных, полиэфирных,

эпоксиполиуретановых композитах В качестве матричных компонентов использовали эпоксидную смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), дибутилфталат (ДБФ) (ГОСТ 8728-88), полиэтиленполиамин (ПЭПА) ТУ 2413-357-00203447-99, полиэфирную смолу 540-М 888, пероксид №1 (раствор перекиси метилэтилкетона в диметил-фталате), простой полиэфир (Сарэл А-04) и полиизоцианат (Сарэл Б-04) Наполнителями КМ служили диабаз (р„=2900 кг/м3, 5уд=80-780 м2/кг), маршалит (р„=2650 кг/м3, 5уд=80-780 м2/кг), ПЦ400 ДФ (р„=3100 кг/м3, 5уд=80-780 м2/кг), аэросил А 300 (5уд=80-780 м2/кг), гранитный порошок (р„=2650 кг/м3, 5^=150 м"/кг) и полиамидное волокно (df = 15мкм, 1 = 6 мм) (5ул - удельная поверхность наполнителя, й- объемное содержание наполнителя)

Оценка физико-механических свойств и коррозионной стойкости КМ в воде и в СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость) проводилась по измеренным величинам динамического модуля упругости Ел, предела прочности на растяжение при изгибе /?,„,, предела прочности при одноосном сжатии твердости по Бринел-лю ЯВ6р, твердости по Гепплеру НВТ, условно-мгновенного модуля упругости Е0, равновесного модуля упругости Еу„ ударной вязкости А, массопоглощению т,, коэффициенту химической стойкости Ккс согласно действующим ГОСТам и нормативным документам

Испытания КМ, полученных механической обработкой с использованием осевого инструмента, проводили на образцах, поверхность которых предварительно фрезеровалась

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств, коррозионной стойкости, технологических параметров и качества обработанных поверхностей КМ (/?а-средняя величина микронеровностей поверхностей)

Экспериментальным путем подтверждена эффективность модифицирования эпоксидных КМ, как однокомпонентными добавками (ДБФ, полиизоцианатом Сарэл Б-04, простым полиэфиром Сарэл А-04), так и двухкомпонентной (простой полиэфир+полиизоцианат) Исследования свойств эпоксидной матрицы показали, что введение однокомпонентных добавок повышает Ед до 40%, ЯВЕр -до 19% и снижает /?а на 8,3%, а двухкомпонентная добавка увеличивает Ел до 44%, НВ6р -до 33% и уменьшает Ка на 18,7% Установлено, что оптимальное количество поли-изоцианата и простого полиэфира, при котором полимерная модифицированная матрица имеет высокие физико-механические свойства и повышенную способность подвергаться механической обработке, составляет 11 мае ч ПЭПА, 5 мае ч простого полиэфира А-04 и 5 мае ч полиизоцианата Б-04 на 100 мае ч эпоксидной смолы

В результате экспериментальных исследований установлено, что полученные механической обработкой эпоксиполиуретановые композиты обладают более высокими физико-механическими свойствами и качеством обработанных поверхностей, в отличие от эпоксидных и полиэфирных композитов (рис 1)

В работе представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических, коррозионных свойств и качества оптимизированных низкона-полненных КМ до и после механической обработки Характер изменения исследуемых свойств КМ представлен на рис 2 5

В процессе исследований установлено, что введение высокомодульных (маршалит, диабаз, портландцемент) и низкомодульных (аэросил) наполнителей в полиэфирный, эпоксидный и эпоксиполиуретановый КМ приводит к существенному повышению физико-механических свойств КМ (для полиэфирных КМ: £д до 60%, Лсж-до 64%, НВб?~до 60%; эпоксидных КМ: Ел до 50%, Ясж-до 60%, ЯВ6р -до 55%; эпоксиполиуретановых КМ: Ел до 50%, Ксж -до 63%, НВ6р -до 61% ) и качества обработанных поверхностей (снижение йа на 10...20%).

а) б)

Рис.1. Влияние технологических параметров механической обработки на качество полимерных КМ: а) влияние скорости обработки; б) влияние подачи осевого

инструмента:

1 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; ДБФ -5 мас.ч.; 4 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.

Гаити.'»? изпопжгага д5тйш<* сздэрта*« нвгетнгапв

Рис. 2. Влияние содержания маршалита (5,уд= 250 м2/кг) на динамический модуль упругости полимерного КМ до (а) и после (б) механической обработки: 1 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА -11 мас.ч.; Сарэл 04 - 10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.

а)

б)

Рис. 3. Влияние содержания маршалита (5^=250 м2/кг) на предел прочности при одноосном сжатии полимерного КМ до (а) и после (б) механической обработки:

I - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 маем.; Сарэл 04 - 10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.

а)

б)

Рис. 4. Влияние содержания маршалита (5уд=250м /кг) на твёрдость полимерного КМ до (а) и после (б) механической обработки: 1 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; Сарэл 04-10 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; 4 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.

объёмное содераэнйе наполнителя

Рис. 5. Влияние содержания маршалита (5уд=250м2/кг) на качество полимерного

КМ после механической обработки («=355 об/мин; 5=0,2мм/об): 1 - Полиэфирная смола 540-М 888 - 100 мас.ч.; Пероксид №1 - 2,5 мас.ч.; 2 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; 3 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; 4 - ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - И мас.ч.; Сарэл 04 - 10 мас.ч.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что механическая обработка КМ возможна при содержании наполнителя г? до 0,4. При г? более 0,4 в КМ происходит разрушение композита вследствие процессов связанных с меха-нодеструкцией.

Данные прочностных исследований образцов, подвергнутых механической обработке, показывают, что с ростом объёмного содержания высокомодульного наполнителя в исследуемом интервале наполнения увеличивается /?сж. При сжатии основная часть подводимой механической энергии рассеивается вследствие ветвления трещин и их торможения частицами наполнителя, что способствует упрочнению КМ (рис.б).

Рис. 6. Микроструктура образца, подвергнутого механической обработке (х200):

ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; марщалит - г?=0,3

По результатам исследования определено объёмное содержание наполнителей (для низкомодульных ¿»=0,3+0,4 и для высокомодульных г? =0,2+0,4), при котором композиты имеют повышенные деформационно-прочностные свойства и повышенное качество обработанных поверхностей.

Установлено влияние дисперсности наполнителя на физико-механические свойства исследуемых композитов. Введение наполнителя с различной дисперсностью существенно изменяет показатели упругих и прочностных свойств КМ.

Анализ результатов экспериментов выявил характерный рост динамического модуля упругости, предела прочности на растяжение при изгибе, прочности при одноосном сжатии и твёрдости с увеличением удельной поверхности наполнителя. Уменьшение прочности полимерных композитов с ростом размера дисперсных частиц обусловлено образованием трещин у поверхности крупных частиц наполнителя (рис.7).

Установлено влияние технологических параметров механической обработки на качество обрабатываемых поверхностей КМ. Экспериментальным путём определены диапазоны оптимальных параметров обработки КМ для получения строительных изделий высокого качества.

В ходе проведённых исследований установлено, что при механической обработке резанием полимерных композитов источником возникновения трещин и

больших значений микронеровностей являются значительные силы сопротивления частиц наполнителя, приводящие к механодеструкции и росту шероховатости поверхности (рис.8).

Рис. 7. Влияние дисперсности наполнителя на прочностные (а) и упругие (б) свойства полимерных КМ до механической обработки (ЭД-20 - 100 мас.ч.;

ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.); I - маршалит г? =0,4; 2 - диабаз ¡5=0,4; 3 - цемент г? =0,4; 4 - аэросил г? =0,4

Рис. 8. Внешний вид поверхностей КМ, полученных механической обработкой (а) на входе сверла (хЗ) и (б) на внутренней поверхности (х20) (ЭД-20 - 100 мас.ч.; ПЭПА - 11 мас.ч.; ДБФ - 5 мас.ч.; маршалит г? =0,3): 1 - сколы; 2 - отверстие 015; 3 - полимерный КМ; 4 - трещина

При механической обработке наполненных полимерных композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала.

Установлена эффективность использования комплексного наполнителя, состоящего из полиамидного волокна (г? =0,02) и гранитного порошка (г? =0,4). Оп-

тимизированные составы наполненных эпоксидных, полиэфирных и эпоксипо-лиуретановых КМ представлены в табл 1

Таблица 1

Оптимизированные составы наполненных полимерных КМ

Полимерная матрица Наполнитель г9 ГПа Ясж, МПа нв6,, МПа ¿'¡у ГПа Я«., МПа нвщ, МПа мкм

до механической обработки после механической обработки (н=355 об/мин, 5=0,2 мм/об)

ЭД-20 -100 мае ч, ПЭПА-11 мае ч , ДБФ-5 мае ч Диабаз 0,3 5,50 150,6 37,65 4,68 119,5 29,88 6,99

0,4 5,84 162,0 40,50 3,38 127,4 31,85 6,74

Портландцемент 0,3 5,02 146,0 36,50 4,39 116,6 29,15 6,07

0,4 5,36 156,4 39,10 4,70 121,8 30,45 5,96

Аэросил 0,3 4,73 116,8 29,19 4,20 92,8 23,20 7,34

0,4 4,88 120,7 30,16 4,35 97,7 24,43 7,21

Маршал ит 0,3 5,74 156,5 39,13 5,11 126,6 31,65 6,85

0,4 6,32 169,4 42,34 5,50 137,0 34,25 6,64

Гранитный порошок 0,4 5,80 180,0 45,00 5,30 160,0 40,00 7,10

Гранитный порошок 0,4 6,30 194,0 48,50 6,00 175,0 44,00 6,50

Полиамидное волокно 0,02

540-М 888100 мае ч, Пероксид №1 -2,5 мае ч Диабаз 0,3 2,29 100,2 24,94 2,09 80,9 20,06 7,66

0,4 2,50 108,7 26,76 2,30 86,4 21,04 7,44

Портландцемент 0,3 2,22 95,0 23,43 2,02 78,4 19,30 6,28

0,4 2,30 103,4 25,43 2,10 81,6 20,30 6,15

Аэросил 0,3 2,04 76,3 17,65 1,88 63,0 14,78 7,40

0,4 2,20 79,0 19,12 2,00 67,0 15,83 7,20

Маршал ит 0,3 2,60 103,5 25,88 2,30 85,8 21,45 7,38

0,4 3,00 115,0 28,75 2,70 92,7 23,18 7,15

ЭД-20 -100 мае ч, ПЭПА-11 мае ч , Сарэл 04 -10 мае ч Диабаз 0,3 6,49 171,2 42,80 6,00 129,0 32,25 6,76

0,4 7,00 182,6 45,65 6,50 137,8 34,45 6,50

Портландцемент 0,3 6,83 166,2 41,55 6,33 125,2 31,30 6,00

0,4 7,50 176,0 44,00 7,00 130,8 32,70 5,90

Аэросил 0,3 5,77 131,8 32,95 5,28 107,6 26,90 7,22

0,4 6,00 136,8 34,20 5,50 114,4 28,60 7,10

Маршал ит 0,3 6,83 178,8 44,70 6,33 138,2 34,55 6,70

0,4 7,50 192,0 48,00 7,00 149,0 37,25 6,50

Представлены результаты исследований влияния агрессивных сред на свойства КМ до и после механической обработки В процессе обработки в полимерном материале образуются трещины, сколы, внутренние дефекты, в связи с этим массопоглощение полимерных композитов возрастает (для эпоксидных КМ в воде на 22 31% и в СОЖ-на 20 30%, для полиэфирных КМ в воде на 25 35% и в СОЖ-на22 32%, для эпоксиполиуретановых КМ в воде на 20 30% и в СОЖ-на 17 25 %)

Установлен рост коэффициентов химической стойкости КМ в агрессивных средах с увеличением степени наполнения, в связи с формированием в полимерной матрице пленочной структуры, обладающей высокой плотностью, и инертностью наполнителя к агрессивным средам

В четвертой главе приведены результаты моделирования физико-механических и эксплуатационных свойств КМ специального назначения

С позиций современных представлений теорий перколяции (протекания) и структурной механики рассмотрены научные основы получения полимерных строительных композитов Изучен процесс формирования структуры полимерных КМ на уровне макроструктуры, характерной для наполненного композита

При формировании структуры полимерных КМ одновременно протекают два процесса 1) упрочнение за счет перевода матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное, с более высокой прочностью и структурированностью, 2) разупрочнение вследствие различия упругих постоянных, а также коэффициентов линейного термического расширения материалов наполнителя и матрицы

В результате проведенных исследований установлено, что динамический модуль упругости низконаполненных образцов, испытанных до и после механической обработки, адекватно описывается уравнением

. ЕтЕ,+1Ет6+Е¿1-0)1

~ ,, р /1 П1 . где Ет - модуль упругости матричного материала, Е Е ¡(1-й)

Е( - модуль упругости материала наполнителя С учетом параметров удельной поверхности наполнителя указанная зависимость преобразуется к виду Е Ьт 5уд куд

Еп0+Е,(1-0) ' 0)

где ¿>уПр- постоянный коэффициент, равный тангенсу угла наклона зависимости £д=/(5уд) (аналогично определяется коэффициент ¿>сж), куя - поправочный коэффи-

^УДО ^УД ,

В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований установлено, что предел прочности при одноосном сжатии эффективно описывается перколяционной зависимостью Ясжс= /?сжс (1+асжбу), где /?сжс и Лсжт- предел

прочности при одноосном сжатии КМ и матричного материала, а„ = - пре-

СЖП1

дел прочности при одноосном сжатии единичного элемента КМ, V - критический индекс Получены параметры моделей расчета предела прочности при одноосном сжатии для анализируемых наполненных КМ (табл 2)

Для КМ, испытанных до и после механической обработки, наблюдается аналогичный характер изменения показателей

Для определения твердости полимерных КМ предложены зависимости. - для маршалита, диабаза, цемента

НИ М- *.»(*)_ «П+Ь.. *

- (¿)

- для аэросила

л ™ л Л.

где #56рс(г?) - твердость КМ, Я5брт(г5) - твердость матричного материала, ЛГСЖ -коэффициент пропорциональности между КСжс(д) и характеризующий

зависимость между объемными и поверхностными свойствами материала КМ

АГсж=—Р"(г?) - полином л - степени, описывающий изменение предела проч-

ности при одноосном сжатии от объемного содержания наполнителя

Таблица 2

_Предел прочности при одноосном сжатии полимерных КМ _

Вид композита Наполнитель ^сже 1 ч« 1 V Ксжс | асж | V

до механической обработки после механической обработки

Эпоксидный маршалит 90 1,35 0,82 80 1,15 0,82

диабаз 1,20 1,00

цемент 1,10 0,90

Полиэфирный маршал ит 70 1,30 0,82 60 1,10 0,82

диабга 1,15 0,90

цемент 1,05 0,80

Эпоксиполи-уретановый маршал ит 120 1,25 0,82 100 1,00 0,82

диабаз 1,10 0,80

цемент 1,00 0,70

Получены концентрационные полиномиальные зависимости условно-мгновенного модуля упругости, равновесного модуля упругости, ударной вязкости полимерных КМ от объемного содержания и дисперсности наполнителей

Предложена модель (4), описывающая закономерность массопоглощения эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых дисперсно-наполненных КМ

Дт = Дтт [1 - е~н'~х' ], (4)

где Дтт - асимптотическое значение массопоглощения полимерного наполненного КМ, к = Т - время, за которое параметр Дт(г) изменяется в е раз, г - текущее значение времени, т - время переходного запаздывания

По экспериментальным данным установлены значения параметров модели (4) для полимерных наполненных КМ

Для расчета режимов механической обработки резанием КМ использовали

С £>"•

стойкостную модель тейлоровского типа У= ^ (С» - коэффициент факторов,

не входящих в уравнение в явном виде (физико-технические свойства обрабатываемого материала и осевого инструмента), О - диаметр инструмента, Т - лимитируемое время работы инструмента, ху, у„ т - коэффициенты технологических параметров обработки)

Технологические параметры обработки КМ, полученные по тейлоровской модели, плохо коррелируют с экспериментальными данными в области низких подач (рис 9)

035 04

S мм/об

Рис 9 Технологические параметры механической обработки КМ (ЭД-20 -100 мае ч , ПЭПА -11 мае ч , ДБФ - 5 мае ч , маршалит ¡5=0,3) 1 - тейлоровская модель, 2 - модель (5), 3 - экспериментальные данные

Предложена экспоненциальная модель стойкости (5), учитывающая прочность, твердость, динамический, условно-мгновенный и равновесный модули упругости обрабатываемого материала и коэффициенты коррозионной стойкости

С D'* К. е"

Т'" SK

к...

£... к.

,(5)

К.

Л«., К, п.

где Кх - коэффициент, учитывающий отличие конкретных условий работы инструмента от принятых за основу, м> - показатель степени, зависящий от Д Б, Т,

н са> "-т

- коэффициенты стойкости в агрессивных средах, ка - коэффици-

^от 1

Е

к = V1IL

У"

ент, характеризующий условно-мгновенный модуль упругости КМ к0 коэффициент, характеризующий равновесный модуль упругости КМ к

Z\ z5 - соответствующие показатели степени

Установлено, что характер изменения исследуемых свойств КМ до и после механической обработки с различными наполнителями в интервале варьирования дисперсии Буд=80 - 780 м2/кг аналогичен

Разработан обобщенный критерий (Fok), учитывающий экономические и технологические показатели

L

S) =

п S *,„ (п S'" ?

т + к„

(i + l)(318 Cv D'1 е" К,

Е, к,„

Е„ L

где L - длина рабочего хода осевого инструмента, п - частота вращения шпинделя, kLm - стоимость одной минуты работы станка, к,п - стоимость одной минуты рабочего времени работника, кт - стоимость инструмента, к - число переточек сверла

С применением F„t установлены режимы обработки и определены составы для получения полимерных КМ специального назначения, используемых в качестве отделочных стеновых и потолочных плиток, а также элементов фитинговых систем для мелиоративного строительства (табл 3)

Как видно из табл 3, полученные по рекомендуемым режимам механической обработки полимерные композиты по комплексным показателям качества (шероховатость поверхности, наличие сколов и трещин, других дефектов) превосходят изделия, изготовленные по справочным классическим моделям

В пятой главе приведены алгоритмы функционирования, структурная модель и практическая реализация системы автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения Структурно-логическая модель САПС ПКМ приведена на рис 10

Рис 10 Структурно-логическая модель САПС ПКМ

Для решения задачи оптимизации режимов обработки КМ разработана система информационного обеспечения, позволяющая идентифицировать различные альтернативные решения при механической обработке эпоксидных, полиэфирных, эпоксиполиуретановых композитов

На основе представленных моделей прогнозирования физико-механических и деформационных свойств полимерных КМ разработана автоматизированная система расчета режимов обработки (АСРРО), являющаяся рабочим модулем САПС ПКМ, алгоритм функционирования которой представлен на рис 11 Предлагаемая программа предусматривает возможность накопления информации в базе данных (БД) по прогнозным моделям, процессам обработки, оборудованию, инструменту и экономическим параметрам, отражающим условия работы предприятия

Таблица 3

Оптимизированные составы полимерных КМ специального назначения

№ Состав Рекомендуемые режимы обработки Справочные режимы обработки

Полимерная смола Отверди-тель мае ч на 100 мае ч смолы Модификатор мае ч на 100 мае ч смолы Пластификатор мае ч на 100 мае ч смолы Объемное содержание наполнителя п, об/мин 5, мм/об Яа, мкм п, об/мин 5, мм/об Яа, мкм

Фитинговые системы

1 ЭД-20 ПЭГ1А 11 - ДБФ5 Диабаз и=0,3 500 0,20 7,0-8,0 500 0 20 7,0-8,0

2 ЭД 20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Маршал ит о =0,3 500 0,20 7,0-8 0 500 0,20 7,0 8 0

3 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ5 Цемент о=0,3 500 0,20 6,5-7,5 500 0 20 6 5-7,5

4 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Аэросил и=0,3 355 0,14 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

Облицовочные плитки

5 540 М 888 Пером: ид 2,5 - - Диабаз о=0,3 500 0,20 7,0 8,0 500 0,20 7,0-8,0

6 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Диабаз и=0,4 355 0,28 6,5-7,5 500 0,20 6,5-7,5

7 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Маршал ит и=0,Э 500 0,20 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8 0

8 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Маршал ит о=0,4 355 0,28 6 0-7,0 500 0,20 6 5-7 5

9 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Цемент и=0,3 500 0,28 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

10 540-М 888 Пероксид 25 - - Цемент и=0,4 355 0,28 6,5-7,5 500 0,20 6,5-7,5

11 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Диабаз и=0,4 355 0,20 6,5-7,5 500 0,20 7,0-8,0

12 ЭД-20 ПЭПА 11 - ДБФ 5 Маршалит и=0 4 355 0,20 6,5-7,5 500 0,20 7,0-8 0

13 ЭД-20 ПЭПА11 - ДБФ 5 Цемент о =0,4 355 0,28 6,5-7,5 500 0,20 7,0-8,0

14 ЭД 20 ПЭПАI1 - ДБФ 5 Аэросил и=0,4 250 0,20 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

15 ЭД-20 ПЭПА11 - ДБФ 5 Гранитный порошок \>=0,4 500 0,28 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

16 ЭД-20 ПЭПА 11 ДБФ 5 Гранитный порошок и=0,4 Полиамидное волокно и=0,02 710 0,28 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

Потолочные плитки

17 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Аэросил и=0,3 355 0,14 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

18 540-М 888 Пероксид 2,5 - - Аэросил и=0,4 250 0,20 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

19 ЭД-20 ПЭПА11 Сарэл 04 10 - Диабаз и=0,3 500 0,28 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

20 ЭД 20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Диабаз и=0,4 355 0,28 6,5-7,5 500 0,20 6,5-7,5

21 ЭД-20 ПЭПА11 Сарэл 04 10 - Маршалит «=0,3 500 0,28 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8,0

22 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Маршалит о=0,4 355 0,28 6,5-7,5 500 0,20 6,5-7,5

23 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Цемент \>=0,3 500 0,28 6,5-7,5 500 0,20 6,5-7,5

24 ЭД 20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Цемент и=0,4 355 0,28 6,0-7,0 500 0,20 6,0-7,0

25 ЭД 20 ПЭПА11 Сарэл 04 10 - Аэросил о=0,3 355 0,20 7,0-8,0 500 0,20 7,0-8 0

26 ЭД-20 ПЭПА 11 Сарэл 04 10 - Аэросил о=0,4 250 0,20 7,0-8,0 500 0,20 7,5-8,5

Рис 11 Алгоритм функционирования АСРРО

В рамках САПС ПКМ созданы модули «Расчет режимов механической обработки строительных полимерных КМ» и «Прогнозирование физико-механических свойств строительных полимерных КМ», реализуемые как экспертные системы Модули позволяют использовать данные о функциональной зависимости компонентов материалов для получения различных вариантов прогнозирования путем ввода дополнительных компонентов, ограничений, усложнений вариантов решений При необходимости данную систему могут обеспечивать несколько автоматизированных рабочих мест (АРМ) па основе персональных компьютеров САПС ПКМ может быть интегрирована в общую систему автоматизации производства строительных материалов через единую сеть, связывающую, также, автоматизированную систему научных исследований Информационное обеспечение единой интегрированной системы позволит межотраслевое использование глобальных информационных систем по строительному материаловедению Построение САПС осуществлено в рамках САЬ8-технологии (непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта), предметом которой является создание единой интегрированной модели строительного изделия или конструкции в рамках их жизненного цикла

В САПС реализована база данных, предназначенная для хранения информации о физико-механических свойствах и режимных параметров различных компонентов При проектировании БД использовалась 1Ж-модель, исключающая возможность дублирования данных в базе и оптимизирующая количество хранимой информации

Промышленное внедрение САПС ПКМ для производства отделочных и стеновых плиток и фитинговых систем проведено на ОАО «КАМАЗ» и ООО «Фар-нас - сервис»

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

4 Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на физико-механические и технологические свойства полимерных наполненных композиционных материалов Определено, что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения г? =0,2+0,4 Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (¿'д = 5,3 ГПа, Ясж = 160 МПа, ЯВ6р = 40 МПа), технологическими свойствами и качеством обработанных изделий (Ra = 7-8 мкм) Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Еп на 19%), прочностные (Rcx на 8%, ЯЛбр на 7%), технологические (и на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Да на 9%)

5 Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры механической обработки Установлено, что полиэфирные наполненные композиционные материалы следует обрабатывать при более низких подачах (S~0,1 0,2 мм/об) и более высоких скоростях резания («=500 1000 об/мин), чем эпоксидные и эпоксиполиуретановые композиционные материалы

6 Установлено влияние жидких агрессивных сред (вода, смазочно-охлаждающая жидкость) на физико-механические свойства композиционных материалов Образцы, экспонированные в смазочно-охлаждающей жидкости, через 28 суток имеют массопоглощение на 15 30% больше по сравнению с композиционными материалами, помещенными в воду Предложено кинетическое уравнение массопоглощения и рассчитаны эмпирические коэффициенты процесса поглощения для предлагаемых материалов (&»*,„ ,Г,т)

7 Разработан алгоритм расчета технологических параметров механической обработки композиционных материалов с учетом необходимых физико-

механических свойств и повышенной коррозионной стойкости композиционных материалов

8 На основании исследований разработаны рекомендации, направленные на повышение эффективности производства полимерных композиционных материалов Внедрение предложенных рекомендаций позволило существенно снизить временные (20%) и стоимостные (15%) затраты на проектирование и производство изделий из строительных полимерных композиционных материалов Результаты работы используются в ОАО «КАМАЗ» (г Набережные Челны), ООО «Фарнас

- сервис» (г Набережные Челны) и в учебном процессе ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»

Основное содержание и результаты исследований отражены в следующих публикациях:

1 Шафигуллин, JIН Оптимизация режимов обработки строительных эпоксидных наполненных композитных материалов [Текст]/ Соколова Ю А , Жарин Д Е, Шафигуллин JI НУ/ Журнал Вестник Центрального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук №6 - Воронеж-Тверь, РААСН, 2007

- С 186-192

2 Шафигуллин, JI Н Моделирование процессов обработки эпоксидных наполненных композитных материалов [Текст]/ Жарин Д Е, Калимуллин А Ш , Шафигуллин JI Н // Журнал Пластические массы №6 - Москва, 2007 - С 35 - 37

3 Шафигуллин, Л Н Оптимизация режимов резания термореактивных полимерных материалов с использованием системы информационного обеспечения [Текст]/ Жарин Д Е , Шафигуллин Л Н // Журнал Проектирование и исследование технических систем №10 - Набережные Челны, ИНЭКА, 2007 - С 51-53

4 Шафигуллин, Л Н Разработка системы проектирования и создания строительных композитов, полученных методом механической обработки [Текст]/ Соколова Ю А , Жарин Д Е, Шафигуллин Л Н // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов Материалы П-й всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Пенза, ПГУАС, 2007 - С 291 -293

5 Шафигуллин, Л Н Исследование структуры матричных эпоксидных композитов с высокими вибродемпфирующими свойствами [Текст]/ Соколова Ю А , Жарин Д Е , Гумеров М И , Шафигуллин Л Н // Современные строительные материалы, конструкции и технологии Система менеджмента качесгва (CMC) серии ISO 9000 на предприятиях Материалы международной научно - технической конференции - Новосибирск, НГАУ, 2008 - С 48 - 50

6 Шафигуллин, Л Н Оптимизация режимов механической обработки дисперсно-наполненных полимерных композитов [Текст]/ Жарин Д Е, Гумеров М И , Шафигуллин Л Н, Буторин ИВ// Тезисы докладов к VII Конгрессу технологов автомобилестроения Москва,2008 -С 118-119

7 Шафигуллин, Л Н Разработка технологии расчета и производства шумо-вибропоглощающих полимерных композитных материалов [Текст]/ Жарин Д Е, Гумеров М И , Шафигуллин Л Н , Макарова А И // Тезисы докладов к VII Конгрессу технологов автомобилестроения Москва, 2008 - С 111-112

8 Шафигуллин, Л Н Строительные полимерные изделия, полученные методом механической обработки [Текст]// Современные направления теоретических и прикладных исследований' 2008 Материалы международной научно -практической конференции - Одесса, 2008 - С 6-10

Подписано в печать 6 10 08 г Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч-издл 1,3 Усл-печл 1,3 Тираж 100 экз Заказ 1180 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел /факс (8552) 39-65-99 e-mail ic@kampi ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

1.1 Эпоксидные, полиэфирные и эпоксиполиуретановые строительные композиционные материалы.

1.2 Методы оптимизации составов композиционных материалов.

1.3 Специальные полимерные композиционные материалы для получения облицовочных, потолочные плиток и элементов фитинговых систем.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Исследуемые материалы.

2.2 Приборы и установки, методы исследований.

2.3 Статистическая обработка экспериментальных данных.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МАТРИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ И НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Влияние матричных компонентов на физико-механические и технологические свойства полимерных композитов.

3.2 Влияние объемного содержания наполнителей на физико-механические и технологические свойства полимерных композитов.

3.3 Влияние агрессивных сред на физико-механические, технологические свойства и качество полимерных композиционных материалов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

4.1 Топологическая модель дисперсно-наполненных композиционных материалов.

4.2 Прогнозирование физико-механических свойств КМ.

4.3 Кинетические модели коррозионной стойкости полимерных композиционных материалов.

4.4 Оптимизационная модель расчета технологических параметров механической обработки полимерных композиционных материалов специального назначения.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

5.1 Система автоматизированного проектирования составов полимерных композиционных материалов специального назначения, используемых в строительстве.

5.2 Практическое применение строительных материалов и изделий специального назначения.

5.2.1 Облицовочные и потолочные плитки из полимерных КМ.

5.2.2 Фитинговые системы из полимерных КМ.

Выводы по главе 5.

ОБЩИЕ ВЫВ ОДЫ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи исследований:

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

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

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

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

Научная новизна работы состоит в следующем:

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

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

- создана уточнённая методика проектирования составов полимерных

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

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

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

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

2008», (Одесса, 2008 г.); VII Конгресс технологов автомобилестроения (Москва, 2008 г.).

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

4. Установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на физико-механические и технологические свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено, что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 3 =0,2 ч-0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими (Ед = 5,3 ГПа, Ясж = 160 МПа, НВ5р = 40 МПа), технологическими свойствами и качеством обработанных изделий (Ra = 7-8 мкм). Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие (Ел на 19%), прочностные (Ясж на 8%, НВбр на 7%), технологические (п на 42%) свойства и качество обработанных изделий (снижение Ra на 9%).

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

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

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

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

1. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . канд. техн. наук.- М.: 1982. 18 с.

2. Козомазов, В.Н. Структура и свойства высоконаполненных строительных полимерных композитов: Автореф. . доктор, техн. наук. -М: 1996.-42 с.

3. Бобрышев, А.Н. Прочность эпоксидных композитов с дисперсными наполнителями: Автореф. . доктор, техн. наук. М.: 1996. - 42 с.

4. Синергетика композитных материалов / В.И. Соломатова и др.. -Липецк: НПО "ОРИУС", 1994. 153 с.

5. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. N.Y.: Freemen, 1983. -480 p.

6. Смирнов, Б.М. Фрактальные кластеры // Успехи физических наук. -1986. Т. 149, № 2. - С.177 - 219.

7. Хакен, Г. Синергетика / Хакен. Г. М.: Мир, 1980. - 404 с.

8. Хакен, Г. Синергетика. Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах / Хакен Г. М.: Мир, 1985.-419 с.

9. Кардашов, Д.А. ^Полимерные клеи. Создание и применение / Д.А. Кардашов, А.П. Петрова. М.: Химия,1983. - 256 с.

10. Пакен, A.M. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы / A.M. Пакен. Пер. с англ. Л.: Госхимиздат,1962. - 964 с.

11. Благонравова, А.А. Лаковые эпоксидные смолы / А.А. Благонравова, А.И. Непомнящий. М.: Химия, 1970. - С. 110-155

12. Воробьев, В. А. Технология полимеров: учебное пособие/ В. А. Воробьев. 1-е. изд. - М.: Высшая школа, 1971. - С.284-288

13. Лапицкий, В.А. Физико-механические свойства эпоксидных полимеров и стеклопластиков / В.А. Лапицкий, А.А. Крицук. Киев: Наук. Думка,1986. 96 с.

14. Ли, X. Справочное руководство по эпоксидным смолам / X. Ли., К. Невилл; Пер. с англ. под ред. Н.В. Александрова. М., Энергия, 1973. -415 с.

15. Соколова, Ю.А. Модифицированные эпоксидные клеи и покрытия в строительстве / Ю.А. Соколова, Е.М. Готлиб. М.: Стройиздат, 1990. -176 с.

16. Справочник по композитным материалам / Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; под ред. Б.Э. Геллера. Кн.1. М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

17. Справочник по пластическим массам / Под ред. В.М. Катаева. 2-е изд. - М.: Химия, 1978.Т.2. - 568 с.

18. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. 3-е изд. пераб. и доп. - М.: Химия, 1985. - 560 с.

19. Гаврилина, С.А. Лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол / Гаврилина С.А. Черкассы.: НИИ техн.- эконом, информации в хим. Промышленности, 1977. - 32 с.

20. Камон, Т. Отвердители эпоксидных смол / Т. Камон // ВЦП №А 79800. Кобунси како. 1977. - №26. - С. 120-133.

21. Орлова, О.В. Технология лаков и красок: учебник для техникумов / О.В. Орлова, Т.Н. Фомичева. М., Химия, 1990. - С. 101-126.

22. Хувинк, Р. Химия и технология полимеров / Р. Хувинк, А. Ставерман. -М.; Л.: Химия, 1966. 891 с.

23. Чернин, И.З. Эпоксидные полимеры и композиции / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. М.: Химия, 1982. - 230 с.

24. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции / Ю.С. Зайцев и др.. -Киев: Наукова думка, 1990. 220 с.

25. Кардашов, Д.А. Эпоксидные клеи / Кардашов Д.А. М.: Химия, 1973. -192 с.

26. Иржак, В.И. Сетчатые полимеры/ В.И. Иржак, Б.А. Розенберг, Н.С. Ениклопов. М.: Наука, 179. - 248 с.

27. Иржак, В.И., Розенберг Б.А. Особенности кинетики формирования сетчатых полимеров // Высокомолекулярные соединения: тр. XXVII. -1985.-№9-С. 1979-1809.

28. Розенберг, Б.А. Образование, структура и свойства эпоксидных матриц для высокопрочных композитов / Б.А.Розенберг, Э.Ф. Олейник. // Успехи химии. 1984. - Т. LIII, № 8. - С. 273-289.

29. Николаев, А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе / Николаев А.Ф. М.: Химия, 1966. - С. 638-678.

30. Щелочестойкие эпоксидные композиты строительного назначения / А.Н. Бобрышев и др. Пенза: ПГУАС, 2004. - 164 с.

31. Начакура М. Блокированные изоцианаты // Химия. 1992. - № 6. - С. 257.

32. Хозин, В.Г. Усиление эпоксидных полимеров / Хозин В.Г. Казань: Изд-во ПИК «Дом печати», 2004. - 446 с.

33. Саундерс, Дж. Химия полиуретанов / Дж. Саундерс, К. Фриш; пер. с англ. под ред. С.Г. Энтелиса. М.: Химия, 1968. - 472 с.

34. Справочник по пластическим массам / Под ред. М. И. Гарбара М., 1969.-Т. 2.-С. 7.

35. Соломатов, В.И. Полимерные композиционные материалы в строительстве / В.И. Соломатов, А.Н. Бобрышев, К .Г. Химмлер; под ред. В.И. Соломатова. М.: Стройиздат, 1988. - 312 с.

36. Влияние различных компонентов на вибропоглощающие свойстваполимерных материалов / Л.И. Трепелкова и др. // Пласт. Массы. -1964. -№ 10.-С. 36-40.

37. Физико-химия многокомпонентных полимерных систем / под ред. Ю.С. Липатова. Киев: Наукова думка, 1986. - Т.2. - 384 с.

38. Николаев, А.Ф. Технология пластических масс // Химия Л., 1977. - С. 261-266.

39. Эпоксидные и полиуретановые строительные композиты / А.Н. Бобрышев и др.. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. - 159с.

40. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. // Химия М., 1972. - С.33-48.

41. Сагалаев, Г.В. Общие технические требования к наполнителям // Наполнители полимерных материалов. / МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского М., 1983. - С.57-64.

42. Петров, В.П. Структура минеральных веществ и их использование в качестве наполнителя // Наполнители полимерных материалов. / МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского М., 1983. - С. 139-144.

43. Промышленные композиционные материалы / Под ред. М. Ричардсона. -М.: Химия, 1980.-472 с.

44. Черкасов, В.Д. Строительные композиты с повышенными вибро-поглощающими свойствами: Автореф. дис. . докт. техн. наук. М.: 1995.-40 с.

45. Жарин, Д.Е. Упругие свойства металлополимерных эпоксидных композитов / Д.Е. Жарин, О.Ю. Селиванов, Н.Н. Туманова // Актуальные проблемы современного строительства: материалы XXX

46. Всероссийской иауч.-техи. Конференции / ПГАСА. Пенза, 1999. - С. 35-36

47. Соломатов, В.И. Полимерцементные бетоны и пластбетоны / Соломатов В.И. М.: Изд-во литературы по строительству, 1976.

48. Патуроев, В.В. Демпфирующие свойства полимербетонов / В.В. Патуроев, А.Н. Волгушев, В.А. Елфимов // Бетон и железобетон. -1988. №2. -С. 12-13.

49. Новиков, В.У. Полимерные материалы для строительства: справочник / Новиков В.У. М.: Высш.шк., 1995. - 448 с.

50. Бакушинский, А.Б Регуляризующие алгоритмы в банаховом пространстве, основанные на обобщенном принципе невязки // Некорректные задачи математической физики и анализа / Наука.- Новосибирск, 1984. С. 18-21.

51. Вайникко, Г.М. Методы решения линейных некорректно поставленных задач в гильбертовых пространствах / Вайникко Г.М. -Тарту: Изд-во ТГУ, 1982.

52. Гончарский, А.В., Степанов В.В., Численные методы решения некорректных задач на компактных множествах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 15. Вычислительная математика и кибернетика. 1980.- № 3. С. 12-18.

53. Тихонов, А.Н. Об устойчивости задач оптимизации функционалов // ЖВМ и МФ. 1966. - Т.6, № 4. - С. 631-634.

54. ЭВМ и оптимизация композиционных материалов / В.А. Вознесенский и др. К.: Будивэльнык, 1989. - 240 е.: ил.

55. Строительные материалы: учебник / Под общей ред. В.Г. Микульского- М.: Изд во АСВ, 2000. - 536 е.: ил.

56. Комар, А.Г. Строительные материалы и изделия: учебник для инженерно-экономических специальностей строительных вузов / Комар А.Г. М.: Высш. шк., 1983. - 487 е.: ил.58.61.