автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления гибридного сосуда высокого давления методом ротационного формования из линейного полиэтилена с применением армирования

Игуменов Максим Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНОГО СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ МЕТОДОМ РОТАЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ ИЗ ЛИНЕЙНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА С ПРИМЕНЕНИЕМ АРМИРОВАНИЯ

специальность: 05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

■8 ИЮЛ 2015

005570396

005570396

Игуменов Максим Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНОГО СОСУДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ МЕТОДОМ РОТАЦИОННОГО ФОРМОВАНИЯ ИЗ ЛИНЕЙНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА С ПРИМЕНЕНИЕМ АРМИРОВАНИЯ

специальность: 05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре химической технологии пластмасс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)».

Научный руководитель Лавров Николай Алексеевич

доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химической технологии пластмасс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

Официальные оппоненты Мнацаканов Сурен Саркисович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры кинофотоматериалов и регистрирующих систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный институт кино i: телевидения»

Бельшииа Юлия Николаевна кандидат технических наук, начальник кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз, подполковник внутренней службы федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский университет

Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна» Защита состоится 23 сентября 2015 г. в 13.00 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.230.05, созданного на базе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) по адресу: 190013,Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТИ(ТУ) и на официальном сайте организации по ссылке: . http://technolog.edu.ra/ru/docurnents/file/2123-dissertatsiya-na-soiskanie-uchenoi-stepeni-kandidata-tekhnicheskikh-nauk.html.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Справки по тел.: (812) 494-93-75; факс: (812) 712-77-91; e-mail: dissowemiechnoloe.edu.ru.

Автореферат разослан «¿2 » июня 2015 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета, г?

доктор химических наук, доцент __Е.В. Сивцов

/

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Перспективным направлением применения конструкций из композиционных материалов является замена металлических сосудов высокого давления (СВД) полимерными композитными. Используемые в настоящее время металлические СВД имеют большую массу, не обладают коррозионной и химической стойкостью. Устранить эти недостатки позволит применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) для изготовления СВД.

Актуальность производства композитных СВД связана с тем, что при поставках газа в баллонах объем поставляемого газа лимитирован грузоподъемностью транспортного средства. Применение легких композитных баллонов позволит увеличить объем перевозимого газа, а уменьшение стоимости баллона приведет к уменьшению стоимости транспортировки газа. Внедрение водородного топлива открывает существенный и дорогой рынок для доставки водорода с заводов на автозаправочные станции.

Возможность применения полимерных композиционных материалов обусловлена сочетанием их свойств: высокой механической прочности, долговечности, устойчивости к воздействию различных рабочих сред, коррозионной стойкости. Главное преимущество композитных баллонов перед цельнометаллическими баллонами в большинстве сфер применения заключается в их легкости. Вес композитных баллонов в 2-3 раза меньше, чем цельнометаллических. Другим преимуществом композитного баллона перед цельнометаллическим является его безосколочный характер разрушения в результате действия избыточного давления. Полимерный композитный сосуд способен выдерживать большее давление при меньшей массе. В металлических баллонах и композитных баллонах с металлическим лейнером (герметизирующей оболочкой), существует вероятность внутренней коррозии, так как в сжиженном газе содержится некоторое количество влаги. При использовании баллона с пластиковым лейнером такая вероятность полностью исключена.

Таким образом, проблема повышения конструктивной надежности и снижения массы СВД приобретает важное значение, предопределяющее необходимость использования альтернативных материалов, таких как полимерные композитные материалы.

Степень разработанности. В 60-80-е г.г. прошлого века были сделаны попытки разработки конструкций СВД из полимерных и композитных материалов, но из-за высокой стоимости производства таких сосудов эти технологии не получили продолжения. В настоящее время полимерно-композитные СВД получают распространение за рубежом в различных отраслях промышленности и в быту. В России данные изделия пока не нашли широкого распространения, главным образом, по причине отсутствия их производства, а также из-за того, что не разработана нормативная база по их применению.

Цели и задачи, поставленные в диссертационной работе. Целью диссертационной работы является разработка и практическая реализация технологии изготовления изделий методом ротационного формования (РФ) на примере гибридного сосуда высокого давления из линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП) с применением армирования с характеристиками, близкими к характеристикам лучших зарубежных аналогов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Провести анализ существующих технологий и материалов для изготовления полимерных композитных СВД.

2. Изучить процессы, протекающие при изготовлении изделий методом ротационного формования. Выбрать материал и научно обосновать технологические режимы изготовления изделий методом ротационного формования.

3. Предложить конструкцию СВД, выполнить расчеты на прочность и подтвердить работоспособность.

4. Разработать технологию изготовления СВД из полимерных композиционных материалов, используя комплекс технических решений, не применявшихся ранее для создания СВД в отечественной промышленности (сочетание метода ротационного формования и намотки).

5. Провести испытания разработанных полимерных композитных СВД. По результатам испытаний сделать выводы о преимуществах и недостатках разрабатываемых СВД по сравнению с зарубежными аналогами.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые предложено изготавливать герметизирующую оболочку для СВД из ЛПЭНП с использованием метода ротационного формования;

- впервые для изготовления СВД из ПКМ предложено использовать сочетание методов РФ (для изготовления герметизирующего баллона) и намотки (для оформления силового слоя);

- на основании глубокого анализа свойств различных ротационных марок ЛПЭНП научно обоснованы режимы ротационного формования с целью повышения качества изделий, отсутствия в них воздушных включений и устранения разнотолщинности;

- впервые изучены физико-механические свойства изделий, полученных методом ротационного формования из ЛПЭНП различных промышленных марок.

Методы исследования. Экспериментальные результаты работы по изучению влияния технологических режимов переработки термопластов методом ротационного формования на качество изделия получены на установках ротационного формования. Выявленные закономерности были подтверждены в промышленных условиях. Физико-механические испытания,

термогравиметрические исследования, изучение влияния сыпучести ПМ на качество получаемых изделий, взаимной адгезии герметизирующей и силовой оболочек СВД проводили с использованием стандартных методик.

На защиту выносятся:

- обоснование и критерии выбора материала (ЛПЭНП и композиционный материал) для изготовления гибридных СВД;

- конструкция гибридного СВД, представляющая собой двухслойный баллон, состоящий из термопластичной внутренней емкости из ЛПЭНП и композитной внешней силовой оболочки, с закладным металлическим штуцером;

- предложения по технологии изготовления СВД: внутренняя герметизирующая оболочка - методом ротационного формования ЛПЭНП; внешняя силовая оболочка

- автоматической намоткой спиральных и кольцевых слоев армирующего материала, пропитанного связующим, под углами армирования к оси баллона.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Разработанные гибридные СВД, изготовленные методом ротационного формования из полимерных материалов с применением армирования, могут быть использованы взамен применяемых в настоящее время цельнометаллических СВД и взамен иностранных полимерных композитных аналогов для: транспортировки газового топлива, хранения газового топлива при использовании специальных локальных резервуаров.

В результате проведенных в настоящей работе исследований:

1. Разработана и в ООО "Ротек" реализована технология производства гибридного СВД, в основу которой положены материалы диссертационной работы.

2. Сформулированы требования к термопластам, перерабатываемым методом РФ и предложены практические рекомендации по режимам изготовления изделий, которые могут быть взяты за основу технологами профильных производств.

3. Внесены изменения в конструкцию СВД и на новую конструкцию получен патент.

4. Проведены натурные испытания СВД, полученных по разработанной технологии и доказано, что по своим характеристикам они не уступают лучшим зарубежным аналогам.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием методик экспериментальных исследований и методов компьютерного моделирования; согласованностью результатов теоретических исследований процесса ротационного формования с полученными экспериментальными данными. Кроме этого, достоверность полученных результатов (в части натурных испытаний изготовленных СВД) подтверждается актом ОАО «КОНЦЕРН «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР» (филиал №2) (Ленинградская область, г. Сосновый Бор).

Основные результаты работы доложены на:

- международной научной конференции «Пластмассы со специальными свойствами», Санкт-Петербург, 2011 г.;

-научно-практических конференциях, посвященных 183-й, 184-й, 185-й годовщинам образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), Санкт-Петербург, 2011-2013 г.;

- научно-технических конференциях молодых ученых «Неделя науки», Санкт-Петербург, 2012-2014 г.

Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных автором.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ общим объемом 42 стр., доля автора 29 стр. (70%), в том числе 5 статей опубликовано в журналах, включенных в перечень ВАК, получен один патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 е., состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения, содержит 38 рисунков и 29 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, описаны элементы научной новизны и практической значимости.

Первая глава содержит обзор существующих конструкций сосудов высокого давления из полимерных материалов, технологий их изготовления и используемых материалов. На основании обобщения отечественных и зарубежных публикаций были определены и обоснованы основные направления исследования:

1. Разработка технологии изготовления полимерного композитного СВД, который должен обладать характеристиками, близкими к характеристикам СВД лучших зарубежных аналогов, а именно:

- иметь облеченную массу изделия;

- обладать коррозионной и химической стойкостью;

- позволять использовать широкий ассортимент рабочих сред (газов);

- иметь высокие прочностные характеристики, позволяющие выдерживать рабочее внутреннее давление не менее 20 МПа;

- эксплуатироваться в температурном диапазоне от минус 40 "С до плюс 60 °С при относительной влажности до 95 %;

- обладать относительно простой технологией изготовления.

2. Разработка конструкции гибридного СВД, представляющего собой двухслойный баллон, состоящий из внутреннего герметизирующего слоя, изготовленного из ЛПЭНП, и композитного внешнего силового слоя с закладным металлическим штуцером. Выбор материалов для предлагаемой конструкции, проведение ее прочностного расчета.

3. Разработка требований к материалам, рекомендуемым к использованию для изготовления внутреннего герметизирующего слоя СВД на основании теоретических представлений о процессах, протекающих при ротационном формовании и результатов экспериментальных исследований.

4. Проведение комплексных экспериментальных исследований по анализу влияния параметров процесса ротационного формования (продолжительности, температуры нагрева, скорости вращения формы и т.д.) на формирование свойств изделия (равнотолщинность, отсутствие газовых включений), полученного этим методом, что позволило бы не только обоснованно выбирать технологические режимы, но и создавать изделия с требуемыми свойствами. Исследование влияния сыпучести, размера частиц полимерного материала на равнотолщинность и качество готового изделия.

5. Разработка новой, не применявшейся ранее технологии изготовления гибридного СВД с использованием процесса ротационного формования для изготовления внутреннего герметизирующего слоя и способа намотки для формирования внешнего силового слоя.

6. На основании проведенных натурных испытаний сравнение характеристик разработанного гибридного СВД с зарубежными аналогами, выявление преимуществ и недостатков новой конструкции и технологии изготовления СВД.

Основываясь на материалах аналитического обзора в качестве материала для изготовления герметичной внутренней оболочки предложено использовать ротационные марки ЛПЭНП, в качестве материала для изготовления силовой

внешний оболочки - полимерный композиционный материал на основе стекловолокна, пропитанного эпоксидным связующим.

Вторая глава посвящена изучению процессов, протекающих при изготовлении изделий методом ротационного формования и научному обоснованию технологических режимов.

Сущность процесса ротационного формования заключается в том, что полимерный термопластичный материал, загруженный в раковинообразную ротационную форму, вращающуюся в двух плоскостях одновременно, разогревается, переходит в вязкотекучее состояние и, распределяясь по внутренней поверхности формы, приобретает необходимую конфигурацию, а затем охлаждается вместе с формой. После завершения охлаждения готовое изделие извлекается и процесс повторяется заново.

Среди материалов, перерабатываемых методом ротационного формования, доминирующее место занимает полиэтилен (ПЭ). Наиболее распространен линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), который по сравнению с другими обладает более узким ММР, имеет больше сравнительно коротких ответвлений от основной молекулярной цепи. Это обеспечивает его высокую прочность и жесткость.

Получение качественных изделий возможно только при правильном выборе технологических режимов формования, учитывающих распределение полимерных частиц в ротационной форме. Поэтому в ходе выполнения диссертационной работы проведен комплекс исследований, направленных на изучение влияния температуры процесса, продолжительности нагрева и охлаждения, скорости вращения формы, сыпучести и размера частиц полимеров на качество и равнотолщинность получаемых изделий.

При переработке ПМ методом РФ не происходит уплотнения, сжатия и гомогенизации расплава. Переход полимера из твердого состояния в вязкотекучее зависит от коэффициента теплопроводности материала и формы, а также наличия воздушных включений. Наличие воздушных включений определяется пустотами между частицами полимера. Поэтому размер частиц материала оказывает значительное влияние на качество получаемого изделия и продолжительность расплавления материала (таблица 1).

Таблица 1 - Продолжительность перехода ЛПЭНП из твердого состояния в вязкотекучее для полимеров с разным размером частиц____

Показатель Размер частиц полимера, мкм

200-300 400-500 600-700 3000-4000

Продолжительность перехода, мин 15 23 30 40

Насыпная плотность, кг/м3 250 340 | 470 593

Для ротационного формования характерны невысокие частоты вращения ротационных форм, обычно 3-20 об/мин. Определяющим фактором при РФ является действие силы тяжести, благодаря которой при вращении формы происходит распределение ПМ по внутренней поверхности стенки формы. С целью определения сыпучих свойств материала образцы ЛПЭНП с размером частиц 200300 мкм, 400-500 мкм, 3000-4000 мкм были исследованы на установке,

представляющей собой металлическую нагреваемую пластину, угол наклона которой может изменяться (рисунок 1). Исследования проводили при температурах 20 — 190 °С. Был определен угол подъема ротационной формы при котором происходит пересыпание ЛПЭНП. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Рисунок 1 - Установка для определения сыпучих свойств материалов:

1 - доска; 2 - металлическая нагреваемая пластина; 3 - регулятор высот; 4 - нагревательный элемент; 5 - термопара; 6 - фиксатор нагревательного элемента;

7 - прямоугольная рамка с материалом

Лучшим с технологической точки зрения (наименьшая продолжительность нагрева порошкообразного термопласта) оказался ЛПЭНП с размерами частиц 200300 мкм и 400-500 мкм. Частицы полимера данного размера быстрее остальных перешли в вязкотекучее состояние, а полученные изделия отличались равнотолщинностью, гладкой поверхностью и глянцем.

Результаты проведенного экспериментального исследования показали, что для получения равнотолщинного лейнера из ЛПЭНП необходимо использовать полимеры с большей сыпучестью (коэффициентом подвижности не менее 0,6; коэффициентом притяжения в интервале температур переработки не менее 0,8; углом естественного откоса от 10 до 35 °) и с размером частиц 400-500 мкм.

Таблица 2 - Угол перемещения материала в зависимости от температуры поверхности и размера частиц, градус_

Размер частиц ПМ, мкм Температура металлической поверхности, °С

25 50 100 120 150

200-300 30 31 23 33 не движется

400-500 30 31 23 33 не движется

3000-4000 16 6 5 не движется не движется

Получение качественного изделия методом РФ возможно только при выборе оптимальных скоростей вращения ротационной формы. Теоретически можно предположить, что при малых или чрезмерно высоких скоростях вращения будет наблюдаться отсутствие равнотолщинности стенок получаемого изделия. Равнотолщинность изделия можно достигнуть при таких значениях скоростей вращения формы, при которых будет достигнуто равенство линейных скоростей вращения формы и перемещения материала. В результате теоретического расчета

установлено, что значение скорости, с которой материал перемещается при подъеме стенки ротационной формы на угол а, составляет 16,4 м/мин.

Для подтверждения расчетных данных проведены измерения толщины стенки изделий, полученных с использованием разных марок ЛПЭНП при различных скоростях вращения формы (рисунок 2).

г: £

<3

3

в

7 6 5

4 3 2 Г О

Рисунок 2 - Зависимость разнотолщинности АЬ (мм) изделия от скоростей

вращения формы V (м/мин) для ЛПЭНП различных марок: 1 - Я50035Е;

2 - 1Ш 50011; 3 - № 644; 4 - Бо\*1ех

Анализируя кривые зависимости разнотолщинности (АК) изделия от скоростей вращения формы (V), представленной на рисунке 2, условно можно выделить три зоны:

I — зона малых скоростей вращения формы,

II - зона оптимальных скоростей вращения формы,

III - зона высоких скоростей вращения формы.

Процессы формирования изделий в каждой из этих скоростных зон имеют свои особенности. Наименьшая разнотолщинность, являющаяся результатом несоосности формующей поверхности формы с осью вращения манипулятора, наблюдается во второй зоне при окружной скорости вращения формы, равной 8 м/мин.

Полученные результаты экспериментов позволяют прогнозировать величину отклонения реальной толщины стенки изделия от расчетной величины. С учетом полученных экспериментальных данных (рисунок 2) для получения изделий из ЛПЭНП с минимальной разнотолщинностью стенки можно рекомендовать выбирать оптимальные окружные скорости вращения формы в пределах от 7,5 до 11 м/мин.

Основным видом брака при переработке пластмасс методом ротационного формования является наличие воздушных включений или недоплавленных частиц порошка в изделии. Присутствие недоплавленных частиц порошка свидетельствует о недостаточной продолжительности нагрева материала. Окончанием процесса

6 8 Ю 12 14 16 1Я >п 97 и Ж и. м/мин

плавления и дегазации материала является отсутствие при визуальном контроле воздушных включений в монолитной стенке изделия.

В результате термогравиметрических исследований определена оптимальная температура переработки материала. Исследование проводилось с использованием различных марок полиэтилена, в таблице 3 приведены результаты, полученные при использовании ротационных марок ЛПЭНП. Исходя из того, что температура переработки термопласта должна быть на 20 °С выше температуры плавления и на 30 °С ниже температуры деструкции, была выбрана температура переработки ЛПЭНП 190 °С.

Таблица 3 - Результаты термогравиметрических исследований различных марок ЛПЭНП

Показатель Марка ЛПЭНП

UR-754 RG-500 CSG (М3804) UR-644

Т °С 1 пл.начало? 87 92 93 83

'Г °г * ПЛ.ПИК) ^ 131 130 127 121

т °с 1 пл.окончание; ^ 157 160 149 153

Т °г 1 дест начало; ^ 241 233 226 232

Рассматривая особенности формованиия изделия методом ротационного формования, представлялось необходимым произвести теоретический расчет продолжительности нагрева (Тн), необходимой для формообразования стенки изделия заданной толщины (5М).

При расплавлении полимерного материала в ротационной форме (рисунок 3), при передаче тепла от металлической формы полимерному материалу происходит образование тонкого вязкотекучего слоя полимера на поверхности формы. Переход оставшегося материала из твердого состояния в вязкотекучее происходит в результате передачи тепла от тонкого вязкотекучего слоя материала с температурой, равной температуре плавления ЛПЭНП.

III

стенка формы, III - первоначальный вязкотекучий слой полимера, IV - слой полимера, V - внутренняя среда формы

Таким образом, продолжительность разогрева (Т) ЛПЭНП толщиной 1 мм составит:

- для материала с размером частиц 400-500 мкм Т=2,2 мин/мм,

- для материала с размером частиц 3000-4000 мкм Т= 3,9 мин/мм.

Анализируя полученные результаты можно отметить, что

продолжительность расплавления материала с размером частиц 3000-4000 мкм в 1,77 раза больше продолжительности расплавления материала с размером частиц 400-500 мкм. Результаты расчета соответствуют результатам эксперимента представленным в таблице 2.

Теоретические выводы были проверены экспериментально. Суть эксперимента состояла в изготовлении изделий при одинаковой массе загрузки ротационной формы сырьем, формовании изделий с варьированием продолжительности нагрева и измерении толщины стенки полученного изделия. После окончания процесса формования изделие разрезали, ссыпали нерасплавленный полимерный материал и измеряли толщину стенки изделия.

На рисунке 4 показана зависимость содержания нерасплавленной фракции порошка ЛПЭНП от продолжительности его нагрева. Из рисунка видно, что продолжительность перехода материала с размером частиц 400-500 мкм из твердого состояния в вязкотекучее составляет 2,1 мин/мм.

Таким образом, теоретическая и экспериментальная продолжительность нагрева материала составили 2,2 мин/мм и 2,1 мин/мм соответственно.

Из литературных источников известно что наиболее распространенным браком при переработке пластмасс методами литья под давление, вакуумного формования и экструзии является наличие утяжин и коробления всего изделия. Исходя из многолетнего опыта работы на предприятиях по изготовлению изделий из ПМ методом РФ можно утверждать, что получение изделия точно повторяющего геометрию ротационной формы возможно только при выборе оптимальных режимов охлаждения. При изготовлении внутреннего баллона сосуда высокого давления из ЛПЭНП, охлаждение осуществлялось при внутрицеховой температуре 20-25°С, без использования охлаждающих агентов. Номинальная зависимость величины утяжин на изделии от продолжительности охлаждения представлена на рисунке 5.

ОА 0.8 1,2 1.6 2,0 2Л

Продолжительность нагреби мин/т Рисунок 4 - Зависимость содержания нерасплавленной фракции порошка ЛПЭНП (%) от продолжительности его нагрева (мин/мм)

Рисунок 5 - Номинальная зависимость величины утяжин на изделии от продолжительности охлаждения

Для расчета продолжительности охлаждения материала в ротационной форме без использования охлаждающих агентов можно использовать следующее уравнение:

Т0ХЛ=2-Тн=2(Т,+2,1-Ь),

где Тн - общая продолжительность нагрева материала с формой, мин, ^ Т] - продолжительность разогрева камеры нагрева до рабочей температуры

Ь - толщина изделия, мм.

Таким образом, в результате исследований, результаты которых приведены во второй главе диссертации, научно обоснованы оптимальные режимы переработки ЛПЭНП методом ротационного формования: температура переработки 190 °С, окружная скорости вращения формы - от 7,5 до 11 м/мин, рекомендуемая продолжительность нагрева ЛПЭНП с размером частиц 500 мкм -2,1 мин/мм, продолжительность охлаждения 4,2 мин/мм.

В третьей главе изложены материалы, полученные в ходе работы над данной диссертацией, по разработке конструкции сосуда высокого давления и проведены его прочностные расчеты.

Предлагаемая конструкция СВД из ПКМ представляет собой двухслойный баллон. Внутренний слой баллона является герметизирующим, изготавливается из ЛПЭНП методом ротационного формования. Внешний слой баллона является силовым, оформляется намоткой волокнистого полуфабриката (стекловолокна), пропитанного термореактивным связующим на внутренний баллон.

В качестве СВД рассмотрена конструкция огнетушителя углекислотного, с рабочим давлением 21 МПа, давление испытаний 30 МПа (рисунок 6). По сравнению с типовыми образцами в конструкцию баллона были внесены некоторые изменения - придали сферическую форму днищу огнетушителя.

490

11

У

Рисунок 6 - Конструкции СВД (огнетушитель углекислотный)

Использование новых материалов в конструкции влечет за собой необходимость проведения прочностных расчетов основных элементов. При этом следует исходить из того, что в одних случаях наступление предельного состояния отождествляется с появлением пластических деформаций, в других - с разрушением изделия. В нашем случае ситуация осложнена тем, что СВД из полимерных композитных материалов находится в объемном напряженном состоянии. Для новой конструкции сосуда примем коэффициент запаса прочности пт=2.

При проведении прочностных расчетов СВД необходимо использовать сведения о реальных прочностных характеристиках используемых материалов. В справочной литературе имеются сведения о физико-механических свойствах полиэтилена. Но приводимые в этих изданиях показатели были определены при проведении испытаний образцов, полученных по стандартным методикам с использованием методов прессования или литья под давлением. Использовать такие сведения при проведении прочностных расчетов изделия, полученного методом РФ, нельзя. Как уже отмечалось ранее, при переработке ПМ методом РФ не происходит уплотнения, сжатия и гомогенизации расплава. В получаемом изделии могут образовываться дефекты в виде пузырьков и пустот и это будет оказывать влияние на свойства изделий.

Поэтому в ходе выполнения данной диссертационной работы было проведено изучение физико-механических свойств изделий, полученных методом РФ (таблица 4). Образцы получали как из ЛПЭНП без вводимых добавок, так и с использованием полимерных композиций, в которые вводили вторичный ЛПЭНП. Вторичные материалы, вводимые в состав исследованных композиций, являлись технологическими отходами собственного производства. Возможность их использования играет важную роль в решении внутрипроизводственных экономических проблем, таких как снижение себестоимости продукции, а также позволяет разработать технологию безотходного производства.

Для проведения испытаний использовали образцы необходимой формы и стандартных размеров, которые вырубались или вырезались из пластин полимеров. Полимерные пластины вырезали из изделий, полученных методом РФ, имеющих минимальную разнотолщинность стенки.

Таблица 4 - Свойства изделий из ЛПЭНП марки 1Ж 644 с добавлением вторичного

сырья. Температура формования изделий 190 °С_________

1 ! Количество вводимого вторичного сырья, % |

100 |

Показатели

Разрушающее напряжение при растяжении ар, МПа

I—

17,8

5 10 ! 15 I 20 18,0 118,6

25 ! 50 ! 70

17,7

16,7

15,4

16,5 ! 16,8

17,7

| Относительное удлинение I при разрыве е,%

744 790 769

724

727

694 497

536

674 I

Твердость по Бринеллю, 29,8 МПа

Число упругости,%

54,7

30,3 29,7 | 29,0 54,4 54,7

54,6

28,3

27,8

Число пластичности, %

45,3 | 45,4 | 45,6

54,8

54,7

45,3

45,2 | 45,3

29,8

31,6

31,9

56,6 43,4

52,7 55,6 47,3 ! 44,4

Свойства изделий, полученных ротационным формованием из ЛПЭНП марки ТЖ-644, близки к свойствам полиэтилена базовых марок отечественного производства. Поэтому использовать ЛПЭНП марок 1Ж-644 для изготовления внутреннего слоя сосудов высокого давления вполне возможно. Результаты исследования показывают, что введение вторичного сырья в состав композиций не приводит к существенному ухудшению свойств изделий. Значения показателей, в основном, сохраняются, изменения почти не превышают погрешности определения исследуемых величин.

Баллон, образующий внутренний герметизирующий слой СВД, изготавливается из ЛПЭНП с толщиной стенки 3 мм. Коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести составляет п=0,049, что примерно на 98 % меньше требуемого. Поэтому прочностные расчеты подтверждают необходимость армирования внутреннего полиэтиленового баллона для обеспечения заданной прочности СВД.

Расчет прочности оболочек из стеклопластиков имеет свои особенности ввиду анизотропности свойств стеклопластиков и возможностей ее регулирования в процессе изготовления изделий. При выполнении работы требовалось определить угол спиральной намотки на цилиндрической части баллона, толщину спирального слоя, толщину кольцевой подмотки на цилиндрической части СВД.

В диссертации приведены результаты исследования взаимной адгезии герметизирующего и силового слоев СВД. На основании анализа различных материалов, пригодных для оформления силового слоя (волокнистых материалов и полимерных связующих), в качестве рекомендуемого выбран стеклопластик на основе высокомодульного волокна ВМП С6-7,2x1x2-78 и эпоксидной смолы марки ЭД-20.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований показано, что общая толщина силового слоя СВД должна составлять 3 мм, угол армирования при намотке спиральных слоев - 15,8 ° к оси баллона, кольцевых слоев - около 90 При переходе на днище, намотка спиральных слоев

будет варьироваться от 10 ° до 50 ° к оси баллона. Вследствие того, что реализовать оптимальный процесс намотки практически невозможно, оформление реальной оболочки всегда связано с наличием технологических погрешностей, примем толщину силового слоя равной 4 мм.

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке технологии изготовления сосуда высокого давления из полимерных композитных материалов. Она включает в себя три этапа:

1 - изготовление полимерного баллона методом ротационного формования,

2 - подготовка поверхности полимерного баллона перед нанесением силового слоя,

3 - изготовление силовой оболочки методом намотки.

В диссертации представлена аппаратурно-технологическая схема производства СВД. На изготовленный по данной технологии полимерный композитный СВД получен патент РФ на полезную модель. На рисунке 7 приведена фотография изготовленных СВД, покрытых краской для придания лучшего внешнего вида.

Рисунок 7 - Фотография изготовленных полимерно-композитных баллонов

В таблице 5 кратко приведены сведения, позволяющие сравнить технологии изготовления СВД из полимерных композитных материалов и металлов на примере изготовления изделий одного типа. Из таблицы видно, что технология производства полимерных композитных СВД менее энергоемкая, поскольку нет необходимости нагрева до высоких температур, как в случае изготовления металлических СВД, и требуется меньше времени на полный цикл изготовления таких сосудов.

Таблица 5 - Сравнение технологии изготовления СВД одного типа из полимерных композитных материалов и металлов__

Полимерный композитный СВД Металлические СВД

Наименование технологической операции Режимы: продолжительность, температура Наименование технологической операции Режимы: продолжительность, температура

Изготовление лейнера методом ротационного формования 64-84 мин, 190-210 °С Раскрой, гибка, сварка листов 70-90 мин, 900-1000 °С

Продолжение таблицы 5.

Изготовление силовой оболочки 5-10 мин, 20-25 °С Сборка днищ с обечайкой 10-15 мин, 900-1050 °С

Механическая обработка изделия 1 -2 мин Механическая обработка изделия 2-5 мин

Окончательная термообработка сосуда 10-15 мин, 900-1000 °С

ИТОГО 70-96 мин ИТОГО 92-125 мин

Технология изготовления полимерных композитных сосудов (баллонов) исключает необходимость использования сварочного оборудования, больших производственных площадей, отсутствует операция сборки днищ с обечайкой, как, например, в случае традиционного изготовления металлических СВД.

В пятой главе проведены результаты испытаний разработанных полимерных композитных сосудов высокого давления в ЦНИИ «Электроприбор» ИТЦ КБ «СВЯЗЬМОРПРОЕКТ» (таблица б). Перечень испытаний был основан на стандартной методике проведения испытаний баллонов высокого давления.

Таблица 6 - Перечень испытаний новых композитных СВД

Вид испытаний Результат воздействия

Разрушение гидравлическим давлением, в том числе пневматические испытания Разрушение изделия произошло при Р=34 МПа

Циклическое изменение давления при температуре окружающей среды и при пониженной температуре Нарушение герметичности изделия не обнаружено

Утечка до разрушения Нарушение герметичности изделия не обнаружено

Ударные нагрузки и наличие дефектов Нарушение герметичности изделия не обнаружено

Климатическое в нормальной среде Нарушение герметичности изделия не обнаружено

Кручение закладной горловины Нарушение герметичности изделия не обнаружено

Перечисленные в таблице 6 испытания относятся непосредственно к готовому изделию. В результате проведенных испытаний установлено, что созданные СВД имеют свойства, не уступающие зарубежным аналогам.

Заключение

1. Разработана технология изготовления гибридного СВД методом ротационного формование из ЛПЭНП с применением армирования. По разработанной технологии изготовлены СВД, которые по своим показателям не уступают лучшим зарубежным аналогам.

2. Сформулированы требования, предъявляемые к термопластам, используемым для изготовления внутреннего герметизирующего слоя

(полимерного лейнера) СВД и выбран материал - ЛПЭНП, удовлетворяющий заданным требованиям. Результаты проведенного экспериментального исследования показали, что для получения равнотолщинного лейнера из ЛПЭНП необходимо использовать полимеры с большей сыпучестью (коэффициентом подвижности не менее 0,6; коэффициентом притяжения в интервале температур переработки не менее 0,8; углом естественного откоса от 10 до 35 °) и с размером частиц 400-500 мкм.

3. На основании результатов комплексного исследования влияния сыпучести, гранулометрического состава полимеров, скорости вращения формы, температуры формования на качество получаемых изделий научно обоснованы оптимальные режимы переработки ЛПЭНП методом ротационного формования: температура переработки 190 °С, окружная скорость вращения формы - от 7,5 до 11 м/мин, рекомендуемая продолжительность нагрева ЛПЭНП с размером частиц 500 мкм - 2,1 мин/мм, продолжительность охлаждения 4,2 мин/мм.

4. Исследован характер взаимной адгезии герметизирующего и силового слоев СВД: В качестве связующего для оформления силового слоя выбрана эпоксидная смола марки ЭД-20.

5. Разработана конструкция гибридного полимерного композитного СВД и выполнен проверочный прочностной расчет всех ее основных элементов. Внутренний герметизирующий слой толщиной 3 мм рекомендовано изготавливать методом ротационного формования из ЛПЭНП. Обоснована необходимость армирования внутренней герметизирующей оболочки из ЛПЭНП для обеспечения заданного коэффициента запаса прочности СВД. Внешний силовой слой толщиной 4 мм наносится автоматической намоткой спиральных слоев армирующего материала (на основе зысокомодульного волокна ВМП С6-7,2x1x2-78 и эпоксидной смолы марки ЭД-20) под углом армирования 15,8 0 к оси баллона и намоткой кольцевых слоев под углом около 90 при переходе на днища намотка спиральных слоев будет варьироваться от 10 ° до 50 0 к оси баллона. Спроектирована латунная горловина, способная выдерживать давление 30 МПа. Решена задача обеспечения скрепления герметизирующего и силового слоев СВД с использованием специального металлического закладного штуцера.

6. Составлена аппаратурно-технологическая схема производства предлагаемого полимерно-композитного СВД. По разработанной технологии изготовлены СВД, которые прошли испытания в ЦНИИ «Электроприбор» ИТЦ КБ «СВЯЗЬМОРПРОЕКТ». В результате проведенных испытаний установлено, что созданные СВД имеют свойства, не уступающие зарубежным аналогам.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Лавров, H.A. О разнотолщинности изделий из полиэтилена, получаемых методом ротационного формования / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2010. - № 7 (33). - С. 37-38.

2. Лавров, H.A. Комплексы ротационного формования / H.A. Лавров, К.С. Беседина, М.С. Игуменов//Пластические массы. - 2011. - № 9. - С. 36-41.

3. Лавров, H.A. О режимах ротационного формования термопластов / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, И.В. Никитина, К.С. Беседина // Известия Санкт-

Петербургского государственного технологического института (технического университета). - 2013. - № 18 (44). - С. 27-29.

4. Лавров, H.A. Свойства изделий из линейного полиэтилена низкой плотности, получаемых методом ротационного формования / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина, В.В. Кузьмин // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). -2013.-№20 (46).-С. 48-50.

5. Лавров, H.A. Использование технологических отходов в производстве изделий из линейного полиэтилена низкой плотности методом ротационного формования / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина // Пластические массы. - 2014. - № 1-2. С. 56-60.

Патент

6. Пат. 139612 Российская Федерация, МПК F17C1/06. Сосуд высокого давления / С.Н. Беседин, В.К. Крыжановский, H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина, C.B. Рудых; заявитель и патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «Ротек». - 2012124494/06; заявл. 13.06.2012, опубл. 20.03.2014.

Публикации в других изданиях

7. Лавров, H.A. Полимерные материалы, перерабатываемые методом ротационного формования / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина // Энциклопедия инженера-химика. - 2011. - № 9. С. 9-12.

8. Лавров, H.A. Сосуды высокого давления из полимерных материалов / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина // Пластмассы со специальными свойствами, сб. научн. трудов. - СПб.: Профессия, 2011. - С. 323-325.

9. Лавров, H.A. Технологические особенности разработки сосудов высокого давления из полимерных композиционных материалов / H.A. Лавров, М.С. Игуменов, К.С. Беседина // Материалы научно-практической конференции, посвященной 183-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). -СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2011. - С. 79.

10. Игуменов, М.С. Разработка технологии производства сосудов высокого давления из полимерных композиционных материалов / М.С. Игуменов, H.A. Лавров, К.С. Беседина // Сб. тезисов II научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2012» СПбГТИ (ТУ) - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2012. - С. 95.

11. Игуменов, М.С. Выбор оптимальных режимов переработки линейного > полиэтилена методом ротационного формования / М.С. Игуменов, H.A. Лавров, К.С. Беседина // Материалы научно-практической конференции, посвященной 184-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2012. - С. 97-98.

12. Игуменов, М.С. Облегченный сосуд высокого давления га полимерных композиционных материалов / М.С. Игуменов, H.A. Лавров, К.С. Беседина // Сб. тезисов III научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки -2013» СПбГТИ (ТУ) - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2013. - С. 122.

13. Беседина, К.С. Технологические особенности оформления композиционного слоя в гибридном сосуде высокого давления / К.С. Беседина, H.A. Лавров, М.С. Игуменов // Материалы научной конференции, посвященной

185 -й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013.-С. 186-187.

14. Игуменов, М.С. Композиционный слой в гибридном сосуде высокого давления / М.С. Игуменов, H.A. Лавров, К.С. Беседина // Материалы научной конференции, посвященной 185-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) -СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2013.-С. 190-191.

15. Беседина, К.С. Сыпучесть порошкообразных термопластов, применяемых в процессах ротационного формования / К.С. Беседина, H.A. Лавров, М.С. Игуменов // Сб. тезисов III научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2013» СПбГТИ (ТУ) - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2013. с. 129.

16. Игуменов, М.С. Адгезия герметизирующего и силового слоев сосуда высокого давления из полимерных композитных материалов / М.С. Игуменов, H.A. Лавров, К.С. Беседина // Сб. тезисов IV научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2014» - СПб.: СПбГТИ(ТУ), - 2014. - С. 127.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат бОхЭО1/^ Объем 1,0 печл. Тираж 100 экз. Зак. № 103.

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ (ТУ), тел. 49-49-365