автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Разработка технологии погонажных изделий с переменными по толщине свойствами из древесно-полимерных композитов

Белорусский государственный технологический университет §

с ^

^ УДК 674.04:620.22.419

сС4 ^ *

ЗАЯЦ Иргат Михайловна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОГОНАЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПЕРЕМЕННЫМИ ПО ТОЛЩИНЕ СВОЙСТВАМИ ИЗ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

05.17.06 - Технология и переработка пластических масс, эластомеров и композитов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997

Работа выполнена в Солигорском институте проблем ресурсосбережения

Научный руководитель -

кандидат технических наук ПрушакВ-Я.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Довгяло ВЛ.

кандидат химических наук, доцент Попуянович В Л.

Оппонирующая организация НПМО «Минскпроектмебелы»

Защита состоится У V1 1997 г. в !.¥.... часов на заседании сс

вета по защите диссертаций Д 02.08.04 в Белорусском государственном те> нолошческом университете, 220630, г. Минск, ул. Свердлова, 13а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского гос] дарственного технологического университета.

Автореферат разослан ^ ^"ло^

1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертации,

ъиостчи ЛШЦ11С дш-ьсрюцпп, __ ^ ^

кандидат технических наук Снопков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертации. Важнейшим и наиболее уязвимым звеном процесса добычи и обогащения минеральных удобрешш на ПО "Беларуськалий" является подъем руды с глубины 500-1000 м и ее транспортировка к сильвигагговым обогатительным фабрикам и солеотвалам, осуществляемые с помощью трубопроводов и ленточных конвейеров. Так, остановка конвейерной системы на одном руднике на 1 час приводит к исключению из объема добычи свыше 2000 тонн калийных удобрений, что равносильно потере 170 тыс. долларов США. Этот факт, а также жесткие условия эксплуатации подъемно-транспортного оборудования (ударные нагрузки, химически активная, абразивосодержащая среда) требуют проведения исследований, направленных на повышение долговечности быстроизнашивающихся узлов. К ним в первую очередь относятся корпуса роликов, подшипники скольжения и трубопроводы, транспортирующие солевые растворы.

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является применение древесно-полимерных композитов (ДПК). Однако получаемые традиционными методами детали из ДПК одного состава не могут полностью удовлетворять комплексу эксплуатационных требований. Поэтому очевидна необходимость разработки новых составов ДПК и высокопроизводительной технологии изделий с переменными по толщине свойствами, каждый слой которых соответствовал бы определенной группе требовашш.

Связь работы с крупными паучнымн программами, темами. Исследования выполнялись в соответствии с заданиями РНТП в области естественных наук "Материал 2 -15"(Ы гос. регистр. 19941928) на 1991-1995 г г.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка технологии получения из высоконаполненных древесно-полимерных композиций разнородного состава погонажных изделий с переменными по толщине свойствами для подъемно-транспортного оборудования.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

♦ на основе реологического анализа зон формующего канала получить соотношения для расчета их размеров, исходя из условия обеспечения оптимальных технолопгоеских режимов получения изделии из ДПК;

♦ разработать технологию и устройства для получения погонажных изделий с переменными по толщине физико-механическими свойствами;

♦ разработать технологические методы повышения физико-механических свойств полых щипшдрических изделий из ДПК;

♦ оптимизировать составы материалов несущего и рабочего слоев деталей, эксплуатирующихся в условиях воздействия химически актппной абразивосодержащей среды.

Научная новизна полученных результатов. Получешл соотношенл позволяющие определять оптнмалыше значения длин зон формующс канала, при прохождении которых древесно-полимерная композиция поел довательно переходит в вязко-текучее, вязко-пластическое и жесткое с стояния. Реологический анализ показал, что поверхность раздела зон вязк пластического и жесткого состоянии ДПК в канале кругового сечения нме форму эллипсоида вращения, ограниченного цилиндрической поверхность Разработана технология полых цилиндрических годелий заданной или бс конечной длины с переменными по толщине свойствами, сущность котор сводится к обеспечению синхронного и противоположно направленно перемещения различных по составу пресс-масс и разделяющей их пере1 родки в зоне уплотнения формующего канала.

Показано, что снижение температуры тачала отверждения ДПК на оснс фенолоформальдегидного олигомера (ФФО) достигается при введении в е состав оксидов хрома или цинка, способствующих возникновению в по: мерной сетке координационных связей. Экспериментально установлено, ч механические характеристики композита, армируемого волокнистым наш нителем, повышаются в 1,1-1,6 раза при увеличении содержания сорбцш ной влаги в наполнителе до 2-6 мас.%. Анализ реокинетических и термог хапических кривых показал, что этот эффект обусловлен не только уме] шением краевого угла смачивания волокон связующим и пластификацией поверхностного слоя. Более существенное влияние оказывает повыше» степени шлевки полимерной матрицы и ускорение процесса ее отвержден Ускоряющее действие влаги особенно эффективно при низких температу] и на более глубоких стадиях отверждения.

Разработаны технологические методы упрочнения изделий в проце импульсного прессования, обеспечивающие непрерывное продольно - по речное их армирование предварительно растянутыми струнами и у стране] границ раздела между слоями, образуемыми соседними циклами прессования.

Новизна полученных результатов защищена 13 патентами Республз Беларусь и Российской Федерации.

Практическая значимость полученпых результатов. Оптимнзировг режимы прессования и созданы устройства, позволяющие получать гом цилиндрические изделия с переменными по толщине физико-механическх свойствами и реализовать разработанные методы их упрочнения. Разрабс ны устройства и технология слоистых погонажных изделий из ДПК раз родного состава. Определены типы и содержание наполнителей, обес чивающих высокую стабильность прочностных и триботехнических свой ДПК в химически активных средах. Предложены новые высоконаиолнет композиты для формования ударопрочного несущего и износостойк рабочего слоев деталей, подвергаемых коррозионно-механическому и:

шивашпо и циклически повторяющимся ударным нагрузкам. Разработана методика прогнозирования долговечности роликоопор ленточных копвейе-ров, позволяющая учитывать нагрузочно-скоростные факторы и особенности эксплуатации конвейеров в воздушно-соляной среде с высоким содержанием плат и абразивных частиц.

Экономическая значимость полученных результатов. Разработанные технология и композиты нашли практическое применение при изготовлении корпусов и подшипников роликов ленточных конвейеров, антифрикционных вкладышей барабанных фильтров, трубопроводов, эксплуатирующихся на сильвинитовых обогатительных фабриках и рудниках ПО "Беларуськалий". При этом получен годовой экономический эффект в размере 1435 млн. руб., а экономия стального трубного проката составила 240 тонн в год.

Основные положения диссертации, выпосимые на защиту:

- новые технология и устройства, позволяющие получать из высокона-полненных ДПК погонажные изделия с заданным градиентом физико-механических свойств по толщине;

- результаты анализа реологических зон формующего канала и соотношения, связывающие оптимальные значения длин этих зон с теплофи-зическими и механическими характеристиками ДПК, формой и размерами получаемых изделий;

- механизм влияния оксидов металлов и сорбционной влаги волокон на процесс формования и свойства высоконаиолненных композитов;

- новые составы композитов и закономерности влияния типа и содержания наполнителей на механические и триботехнические свойства ДПК;

- технологические методы повышения механических характеристик погонажных изделий и устройства для их реализации.

Личный вклад соискателя. Выполнил исследования по оптимизации составов новых материалов [3,12,17-19,24,25]; обосновал механизм изменения свойств ДПК в зависимости от влагосодержания волокнистого наполнителя [2]; принимал участие в разработке технологии погонажных изделий с переменными по толщине свойствами [1,6,9,10,14-16,20-23], методов их упрочнения [5,8,11], методики расчета оптимальных размеров реологических зон формующего канала [4,7]; организации производства и внедрения деталей подъемно-транспортного оборудования.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, включенные в диссертацию, доложены на научно-технических конферешщ-ях "Применение композиционных материалов в народном хозяйстве" (Солигорск, 1992г.), "Ресурсосберегающие и экологически чистые техноло-гин"( Гродно, 1995г.), "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановлена дстяпей машин" (Новонолоцк, 1995г.), " Крайний Север-96" (1996г.), "Новые материалы и технологии" (Минск, 1996г.),

международной научно-технической конференции "Полимерные комнози-ты-95" (Солигорск, 1995г.) и на международном симпозиуме по трибофатике ( Гомель, 1993г.).

Опубликоваиносгь результатов. По материалам диссертации опубликовано 8 статей, 7 тезисов докладов. Методы формования и упрочнения изделий, устройства для их реализации и новые материалы защищены 13 патентами.

Структура и объем диссертация. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 121 страницах, содержащих 37 иллюстраций, 13 таблиц и список использованных источников из 116 наименований. Приложение включает 23 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Введение содержит обоснование актуальности темы работы, описание известных научных результатов и областей их практического применения.

Первая глава посвящена обзору методов получения изделий из высоко-наполненных ДПК. Показана перспективность получения длинномерных изделий методом импульсного прессования, сущность которого заключается в циклическом продавливании композиции через обогреваемый формующий канал. Анализируются недостатки этого метода и известные способы повышения механических свойств изделии, получаемых импульсным прессжшгкм

Рассмотрены составы и свойства высоконаполненных ДПК, которые применяются или могут быть применены для изготовления деталей горношахтного оборудования. Показано, что ДПК одного состава не может обеспечить соответствие детали всей совокупности эксплуатационных требований. Сделан вывод о необходимости разработки технологии слоистых изделий либо изделий с плавно изменяющимися по толщине физико-механическими и триботехническими свойствами. На основании анализа шггературных данных сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования, обоснован выбор компонетов, применяемых для создания новых композитов.

В качестве связующих использовали фенолоформальдешдный олигомер, полистирол (ПС), поливинилхлорид (ПВХ) и полиэтилен (ПЭ), а в качестве наполнителей - стекловолокно, полиакрнлнитрильные и арамидные волокна, древесные частицы, отходы переработки резины и кожи. Образцы из ДПК содержали также целевые добавки: графит, стеараты и оксиды металлов. Стойкость ДПК к воздействию химически активных веществ изучали по изменению их свойств после выдержки в течение 720 час в среде хлористого калия и натрия, сильвинита, серной, соляной и фосфорной кислот, гидрооксида натрия и сульфата аммония.

Механические и триботехнические характеристики ДПК определялись по соответствующим стандартам на разрывной машине ЦД-4 и машинах трения

МИ-1М, СМЦ-2 п АРС1. Структурные исследовашся осуществлялись с применением методов оптической микроскопии и ИК-спектроскопии, дифференциально-термического (ОД-102) и термомеханического (ТЬегтоЛех, Ш^аси) анализов. Давление и сила трения пресс-массы о стенки формующего капала измерялись с помощью специально разработанных тегоометров. Для определения ударной прочности ДГ1К была разработана установка, реализующая принцип гашения энергии падающего 1руза. Эксплуатапиотше испытания деталей из ДГЖ проводились на ПО "Беларусысашш".

Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью методов математической статистики, а оптимизация составов ДПК - с применением методов математического планирования эксперимента.

В третьей главе изложены сущность и закономерности разработанной технологии изделий с переменными по толщине свойствами, предложены и обсуждаются методы улучшения их свойств.

Технология импульсного прессования позволяет получать из высокона-нолненпых ДПК полые цилиндрические заготовки для трубопроводов, подшипников скольжения и корпусов роликов ленточных конвейеров. При формовании таких заготовок пресс-масса перемещается вдоль формующего канала, испытывая воздействие изменяющихся по величине давления и температуры (рис.1). При этом она последовательно проходит зоны: уплотнения и перехода в вязко-текучее состояние (А), вязко-пластического (В) и жесткого состояния (С). Длина 4 каждой из этих зон является основным фактором, регулирующим давление прессования и время отверждения композиции и определяющим физико-механические характеристики получаемых изделий. Поэтому был выполнен расчет /¡, с учетом свойств ДПК и оптимальных значений технологических параметров

формования изделий. рис. 1. Схема устройства, реализующего метод

получения изделий с переменными по толщине свойствами

/

1,

Ь С /

\ /

Длина зоны уплотнения /„ оценивалась экспериментально на основании анализа зависимостей плотности и ее распределения но объему изделия от давления прессования Р, текучести пресс-массы и высоты Л заготовки, формуемой за один цикл прессования. Для расчета длины участка канала, при прохождении которого ДПК переходот в вязко-текучее, а затем - в вязко-пластическое состояние и резит (зоны А и В) получена формула вида:

Т-Тп _ аЛ

М2Л

а /

К + к2 1п

Т -Тт

+ А, — ДЯ

(1)

где Д К - толщина формуемого изделия;

а - коэффициент температуропроводности пресс-массы; г - время между двумя соседними циклами прессования; к,, к} - безразмерные коэффициента, зависящие соответственно от давления прессования и высоты заготовки;

Т - температура обогреваемой стенки канала; Та - температура пресс-массы на входе в формующий канал; Тт- температура перехода ДПК в вязко-текучее состояние; к} - коэффициент, характеризующий время выдержки ДПК при температуре отверждения связующего, необходимое для его перехода из стадии резолита в резит.

Достоверность полученного соотношения подтверждена экспериментально, а также расчетами 11, выполненными с использованием нестационарного решения уравнения теплопроводности для длинного сплошного цилиндра, нагреваемого внешней средой, температура которой, достигнув максимума, остается постоянной.

На основании решения дифференциального уравнения равновесия элементарного объема ДПК в формующем канале, была получена формула для расчета длины 12 зоны С, в которой реализуется "пробкообразный" режим движения композита. Анализ показал, что длина зоны С, определяющая усилие прессования, зависит от формы и размеров получаемого изделия, прочности ДПК на сдвиг % и удельной силы трения композита по стенке формующего канала г0. В частном случае, при получении полых цилиндрических изделий (канал кольцевого сечения), формула для расчета I, принимает вид:

12 =

РёУ | 1

2т,

1 - iv

2

Рх

2

ДЯ

где плотность и коэффициент Пуассона ДПК;

Яп, Р; - наружный и текущий радиусы полого цилиндра; Я - параметр, включающий высоту изделия и пресс-массы в канале.

I

Получены также соотношения, свидетельствующие о том, что поверхность раздела зон В и С представляет собой часть эллипсоида вращения, огратпгенного цилиндрическими поверхностями. Радиус кривизны этой поверхности определяет пределыгые значения длшгы 12 и распределеггтге давлений в зоне С. Таким образом, изме1гяя длину зон формующего канала, можно управлять технологическими режимами получения изделий, а следовательно и их физико-механическими свойствами.

Метод импульсного прессования позволяет получать изделия из ДПК одного состава, который не может в полной мере удовлетворять всему комплексу требований, предъявляемых к деталям горно-шахтного оборудовали.

Для решения этой проблемы был разработан метод формования погонажных изделий с переменными по толщине свойствами. Сущность технологии, реализующей этот метод заключается в том, что в наружную и внутреннюю полости формующего канала, разделенного подвижной перегородкой, одновременно подаются две разнородные по составу композиции (рис.1). В процессе прессования (прямой ход пуансона) происходит синхронное и противоположно направленное перемещение прессуемой массы и перегородки, а освобождаемое перегородкой пространство заполняется пресс-массой обоих составов. В результате между наружным и внутренним слоями образуется переходной слой, состоящий из смеси обеих композиций. Изменяя диаметр и толнцшу подвижной перегородки, можно управлять градиентом физико-механических свойств по толщине изделия.

Разработанная технология позволяет получать изделия, у которых отсутствует четко выраженная граница раздела между композитами различных составов и наблюдается плавное изменение свойств по толщине. В отличие от традиционно применяемых технологий слоистых изделий, исключается необходимость поиска методов повышения адгезионной прочности соединения слоев. При изготовлении изделий, высота которых соизмерима с диаметром, например, заготовок подшипников скольжения, предложено применять тонкие перегородки из спрессованной, но не отверждешгой ДПК, которая но содержанию наполнителей занимает промежуточное положение между композициями внутреннего и наружного слоев. Поскольку оба слоя изделия формуются при одинаковых температурно-временных и силовых режимах, то ДПК для них различались только типом и содержанием наполнителей. В качестве связующего во всех случаях выбирался ФФО.

Установлено, что зависимости механических свойств ДПК на основе ФФО от температуры Т и давления Р прессования графически изображаются крутыми с макагмумами при Р„=35^45 МПа и Т0~-\55-г165 °С . Причем, рост содержания волокнистого наполнителя в ДПК вызывает смещение координат максимумов в область более высоких давлений. Увеличение Р п Т после

достижения оптимальных значении вызывает разрушение структуры древес пых частиц и достижение чрезмерной степени сшивки связующего, что при водит к падению механических характеристик ДПК. Для снижения Та д( уровня , ниже температуры начала разложения структуры древесных части! (7—150 °С), было предложено вводить в состав связуюхцего оксиды цинка I хрома. Установлено, что это позволяет снизить температуру начала отверж дения ДПК до 145 °С, что объясняется возникновением в полимерной сеткс дополшггельных координационных связей. Возможно также, что оксида, цинка и хрома способствуют также возникновению комплексов, склонных I образованию поперечных связей с элементами структуры лигнина.

Известно, что частичная замена древесных частиц волокнами, выпол няющими роль армирующего наполнителя, позволяет значительно повысил ударную вязкость а, и сопротивление ДПК разрушению при изгибе <т„. Одна ко этот эффект достигается при высокой прочности адгезионного взаимо действия связующего с волокнистым наполнителем. Исследования показали что свойствами ДПК можно управлять путем изменения влагосодержания С волокон. Так, увеличение С, арамидных волокон приводит к немонотонном} изменению механических свойств (осу, сг„), пористости и влагопоглощенш изделий из высоконаполненных композитов. Оптимальные значения указан ных параметров наблюдаются при содержании сорбционной влаги в преде лах 2-6 мас.% в зависимости от типа волокна. При этом, растет текучесп пресс-композиции и увеличиваются в 1,1-1,6 раза а,, и егц.

Экспериментально установлено, что этот эффект обусловлен влияниег» ряда факторов. С ростом содержания сорбционной влаги увеличиваете} разрывное удлинение волокон вследствие ее пластифицирующего действш на поверхностный слой. При С, = 2,5-4,5 мас.% достигает минималыюге значения краевой угол смачивания в волокна связующим (0= 26 - 28°). Од нако основной причиной изменения механических характеристик композит; является то, что увеличение С, до 8 мас.% ускоряет процесс отверждеши связующего. Это подтверждается реокинетическими исследованиями I расчетными значениями скоростей реакции отверждения. Ускоряющее дей ствие влаги особенно заметно при низких температурах и на более глубоки? стадиях отверждения. Сорбционная влага способствует также повышенгас степени сшивки связующего, о чем свидетельствует увеличение температуры его стеклования. Ответственными за дополнительную сшивку полимерной матрицы являются пщроксильные группы. Следовательно, регулирование С, волокнистого наполнителя является эффективным технологическим методом повышения физико-механических свойств ДПК.

Исследования показали, что наиболее вероятной областью концентрации микротрещин и разрушешш является граница раздела слоев, формуемы* соседними циклами прессования. Для повышения прочности материала н;

грашще раздела предложено торцевую поверхность пуансона выполнять криволинейной и сообщать ему вращательное движение при выходе из формующего канала. При повороте пуансона выступы его торцевой поверхности рыхлят верхний слой спрессованной заготовки, что обеспечивает возможность прошпшовешш в объем этого слоя древесных частиц следующей пор-щш композита. Такое решение позволяет получать погонажные изделия с высокой стабильностью степени уплотнения материала по объему изделия и равномерным распределением механических свойств по длине.

Для получения высокопрочных корпусов роликов, эксплуатирующихся в условиях воздействия ударных нагрузок, была разработана технология продольно-поперечного армирования полых цилиндрических изделий. Сущность ее в том, что гильза и сердечник, образующие формующий канал, снабжены фильерами, через которые в пресс-массу подаются армирующие струны. В процессе прессования сердечшж поворачивается на заданный угол, укладывая струну по спирали. Струны, пропускаемые через фильеры ггеиодвггжггой гильзы и перемещающиеся вместе с пресс-массой, осуществляют ее продольное армирование. В результате в объеме изделия образуется армирующая сетка, форма и размеры ячейки которой регулируются соотношением скоростей вращательного движения сердечника и поступательного - пуансона. Продольно-поперечное армирование позволяет повысить сопротивление корпусов роликов разрушению в 1,3-1,7 раза

Четвертая глава содержит данные о свойствах ДПК различного состава и закономерностях их изменения в зависимости от режимов нагружения и состава окружающей среды.

Горно-шахтное оборудование эксплуатируется в воздушно-соляной среде, содержащей сильвишгт, хлористый калий и хлористый натрий, а также в растворах этих солей и фосфорной кислоты. Поэтому были выполнены исследования по выбору типа связующего, определяющего хим-влаго-стойкость и другие свойства ДПК. Показано, что высокой стабильностью механических свойств обладают ДПК на основе ФФО. После выдержки в течетше 720 часов в растворах указанных веществ Оу и <хв этих композитов снижаются в среднем на 12%. Для ДПК на основе ПС этот показатель находится в интервале 25-40%. Наименее стойкой оказалась композиция на основе ПВХ (свыше 50%), что связано с низкой адгезионной способности связующего к частицам древесины.

Оптимизация содержания древесных частиц (*/), волокнистого наполнителя (хг) и ФФО (г?) в композиции ггроводшгась с применением центрального композиционного ротатабельного планирования. Установлено, что максимумы Оу и сг„ ДПК достигаются при содержагат древесных частиц, соответствующем 54-57 мас.%. Для композитов с более высоким х1 характерна слабая адгезия связующего с наполнителем, обусловленная не полным обвола-

киванием наполнителя олигомером и уменьшением вероятности его проникновения в кашшярно-нориетую систему древесины. При значении х1 шше оптимального, толщина слоя связующего между частицами наполнителя становится достаточной для его хрупкого разрушения. В кодированных переменных влияние факторов х2 и х} на ударную вязкость и прочность на изшб при оптимальном значащи х1 адекватно описывается следующими соотношениями:

а = 26,3 + 2,6х2 + 3,Ъс, + 0,08х,х, - 2,4*? - 2,1x1

(3)

<ти = 105,8 + 14л:2 + 6,9*3 ~ °Д2*2*3 ~ 9'2х2 ~ 9'34*з Канонический анализ уравнений (3) и решение компромиссной задачи показали, что а^н аи достигают максимума при 22-25 маем. ФФО, и 12-18 мас.ч волокнистого наполнителя (рис.2). Таким образом, содержание волокнистого наполнителя но отношению к х1 должно находиться в шггервале 0,210,33, а но отношению кхгв интервале 0,5-0,88. Эти соотношения остаются справедливым для стеклянных, по-лиакршшитрильных и ара-мидных волокон. При этом возможно введение до 10 мас.% целевых добавок.

ДПК приведенного состава обладают высокими механическими характеристиками ( Оу= 29-36 кДж/м2, сгц = 91130 МН/м2, <тс = =179-193 МН/м2), способны выдерживать длительное воздействие циклических ударных нагрузок и могут быть использованы для формования несущего слоя корпусов роликов, подшипников скольжения и трубопроводов. Рабочий слой деталей эксплуатируется в условиях фрикциошгого нагружения. Поэтому, сохраняя высокие прочностные свойства, он должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к триботехническим материалам. Введение в состав ДПК сухих смазок (стеараты кальция и цинка, оксид цинка, йодистый калий, фторопласт) до Са=3 мае. % не вызывает существенного снижения Оу и сг„, а коэффициент трешш / уменьшается в 1,3-2 раза. При дальнейшем увеличении содержания сухих смазок/монотонно уменьшается, но при этом образуется сольватирующий слой, препятствующий адгезион-

Рнс. 2 Сечение поверхностей отклика, характеризующих ударную вязкость и прочность ДПК на изгиб, плоскостью, соответствующей опти-мальпому содержат®) древесных частиц (С(=55 мас.%) \-cty = 28 кДж/м2; 2 - 27; 3 - 25; 4 - о"ц =110МН/1г;5-105; 6-90

пому взаимодействию связующего и наполнителя, что приводит к значительному падению Оу и аи. Установлено, что /и прочностные характеристики, являясь конкурирующими факторами, обуславливают немонотонную зависимость интенсивности J изнашивания ДПЬС по стали и закрепленному абразиву от С„. Минимум кривой *!(Са) наблюдается в интервале 2,5-4 мас.% в зависимости от тшта смазки.

Экспериментальные исследования показали, что для лепсонагруженных узлов трения эффективно примените ДПК, модифицированных оксидом цинка. Повышение нагрузочной способности достигается при использовании смеси оксида цинка (2,5 мас.%) с йодистым калием (1,0 мас.%). Композиты, содержащие стеараты металлов, отличаются высокой стабильностью трибо-технических характеристик при изменении нормальной нагрузки.

На основании выявленных закономерностей трения и изнашивания ДПК были разработаны рекомендации по выбору тина и содержания наполнителей в зависимости от условий эксплуатащш. В частности, показано, что формование рабочего слоя корпусов ленточных конвейеров, эксплуатирующихся при трении качения в присутствии абразива, должно осуществляться из ДПК, содержащего 1,0-2,5 мас.% стеарата цинка или кальция. При этом снижается f и увеличивается сопротивление ДПК изнашнвшшю.

Рабочий слой трубопроводов, по которым осуществляют транспортировку солевых растворов, подвергается воздействию потока абразивных частиц и химически активных веществ. В этих условиях древесные частицы, волокна которых ориентированы вдоль вектора скорости солевого потока, обеспечивают низкое сопротивление ДПК абразивному изнашиванию. Замена 50% входящих в состав ДПК древесных частиц измельченными отходами кожи повышает долговечность трубопроводов в 1,8-2,1 раза. Обладая пористо-волокнистой структурой и хорошей адгезионной способностью к связующему, частицы кожи обеспечивают возможность получения ДПК с высокими стойкостью к воздействию агрессивных сред и сопротивлением абразивному изнашиванию.

Подшипники скольжения роликоопор эксплуатируются в воздушно-соляной среде при воздействии ударных нагрузок. Возможно попадание в зону трения мелкодисперсных твердых частиц горной породы и растворов хлористого калия и поваренной соли. Моделируя такие условия эксплуатащш подипппшков, установили, что введение волокнистых наполшгтелей в ДПК, несмотря на повышение с^ и сг„, приводит к снижению износостойкости рабочего слоя и сопрягаемого с ним вала ролика. Увеличение содержания волокон С„ в композиции сопровождается монотонным ростом интенсивности изнаипгвания, обусловленным повышением адгезионной составляющей коэффициента трения и температуры фрикционного нагрева. При

этом Минимум кривой зависимости f(P) и допустимый 1федел нормальной ла1рузки смещаются в область малых значении Р.

Показано, что соироттшлигие ДНК изнашиванию в ирисутств1ш абразива повышается в 1,4-1,7 раза при введении в его состав до 8 мас.% частиц эластомеров. Этот эффект более ощутим при воздействии на ДИК солевых растворов, которые, по-видимому, являются основным источником кристаллизации в зоне контакта частиц солей, оказывающих абразивное действие. При трении эластомер деконцентрирует напряжстгия в зоне кошакта рабочего слоя подшипника с абразивом. При содержании эластомера свыше 8 мас.% сопротивление ДПК изнашиванию снижается, что в значительной мере обусловлено падением прочностных характеристик композита.

Пятая глава содержит сведения о практическом применении полученных результатов.

Описаны разработа1гные и защищенные патентами составы ДПК для изготовления несущего и рабочего слоев корпусов роликов, подшипников скольжения и труб. Разработана методика прогнозирования долговечности роликоопор ленточных конвейеров. Показано, что основным эксплуатационным фактором, определяющим их долговечность, является экспоненциально возрастающая с увеличением скорости вращения ролика циклическая радиальная нагрузка, вызванная неточностью изготовления корпуса и налипанием fia его поверхность транспортируемого материала.

Для получения заготовок деталей заданной длины в технологический процесс включена операция расчленения полых цилиндров, реализующая разработанные способ и устройство и осуществляемая без остановки процесса прессования. Сущность способа заключается в том, что на выходе изделия из формующего канала установлено приемное устройство в виде крестовины, поворот которого осуществляется синхронно с перемещением отрезного механизма и пуансона. Изготовление подшипников скольжения заданной длины осуществляется путем периодической подачи в зону уплотнения формующего канала смеси талька и стеарата цинка, которая препятствует спрессовыванию соседних порций композиции.

Эксплуатационные испытания изделий га ДПК на сильвинитовых обогатительных фабриках и рудниках ПО "Беларуськалий" показали, что они обладают более высокой долговечностью по сравнению с традиционно применяемыми аналогами. Замена металла на ДПК позволила снизить металлоемкость изготавливаемых деталей в 2,4-7 раз, значительно уменьшить стоимость и энергопотребление подъемно-транспортного оборудования.

На опытном производстве Солигорского института проблем ресурсосбе-режешм организовано серийное изготовление деталей трубопроводов, корпусов роликов ленточных конвейеров, подшипников скольжения барабанных фильтров и роликоопор. Внедрение на ПО "Беларуськалий" 36 тыс. штук

деталей и -180 погонных метров трубопровода позволило получить в 1996 году экономический эффект в размере 1435 млн. руб., при этом экономия трубного стального проката составила 240 тонн.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа реологических состояний ДПК при перемещении вдоль формующего канала с тменяющейся температурой получены соотношения, позволяющие определять оптимальную длину реологических зон с учетом теплофизических и механических свойств композиции, формы и размеров формуемого изделия. Показано, что поверхность раздела зон вязко-пластического и жесткого состояний ДПК в канале кругового сечения имеет форму эллипсоида вращения ограниченного цилиндрической поверхностью.

2. Разработана технология погонажных изделий заданной или бесконечной длины с перемешшми по толщине свойствами. Сущность ее в том, что одновремешю подаваемые в зону уплотнения разнородные по составу ДПК и разделяющая их (по периметру) перегородка в процессе прессования перемещаются синхронно в противоположные стороны, а освобождаемое перегородкой пространство заполняется смесью композиций обоих составов.

3. Установлено, что механические характеристики ДПК на основе термо-реакгивного связующего зависят от влагосодержання армирующих волокон. Графически эта зависимость изображается кривой с максимумом, координата которого зависит от типа армирующего наполнителя и связующего. Для арамидных волокон максимум наблюдается при содержании 2-6 мас.% сорб-циошшй влаги. Анализ термомеханических и реокинетических кривых показал, что этот эффект обусловлен повышением степени сшивки и ускорением процесса отверждения связующего. Роль ускоряющего действия сорбцион-ной влаги более существенна при низких температурах и на более глубоких стадиях отверждешм. Повышению механических характеристик ДПК способствуют также пластификация поверхностного слоя волокон в присутствии влаги и уменьшение краевого угла смачивания.

4. Изучено влияние оксидов металлов на процесс отверждения феноло-формальдегидного олигомера. Установлено, что температура начала от-верждешм ДИК снижается на 10-15 °С нри введении в их состав оксидов цинка или хрома, способствующих образованию дополнительных коордгага-ционных связей в полимерной сетке.

5. Разработаны технологические приемы повышеши прочности изделий из ДПК и устройства для их реализации, обеспечивающие формирование армирующей сетки в объеме изделия и исключающие возможность образования участков с низкой когезионной прочностью, которые разделяют части детали, сформированные соседними циклами прессования. Эти методы pea-

лизуются путем сообщения вращательного движения пуансону с криволи ценной торцевой поверхностью и сердечнику, образующему внутреннюи поверхность формующего канала и содержащему фильеры для подачи арми рующих струн в зону прессования. Форма и размеры армирующей сстк регугафуются соотношением скоростей вращательного движения сер дечника и поступательного - пуансона.

6. Получена немонотонная зависимость интенсивности изнашивания Д111 по закрепленному абразиву от содержания антифрикционных наполнителе! которая обусловлена снижением коэффициента трения и прочности ДПР Максимальная износостойкость композита наблюдается в интервале 2,5-мас.%, в зависимости от природы наполнителя. Установлено, что сопротт влснис ДПК гидроабразивному изнашиванию химически активной средо! содержащей абразганые частицы, значительно повышается при введешш его состав до 32 мас.% измельченных отходов кожи или эластомеров.

7. Разработаны и защищены 13 патентами РБ и РФ новые вьтсоконапо1 ценные древесно-полимерные материалы, устройства и технология серишк го изготовления слоистых и с переменными по толщине свойствами детале трубопроводов, корпусов роликов ленточных KoimeiiepoB, подшипнике скольжения роликоопор и барабанных фильтров. Годовой экономически эффект от внедрения результатов исследовании на ПО "Бсларуськашш" с< ставил 1435 млн. руб., а экономия трубного стального проката - 240 тонн год

Основные результаты диссертации изложены п публикациях:

1. Прушак В.Я., Щерба В.Я., Заяц U.M., Протассня A.B. Особешюсти пр< цесса получения изделий из древесно-полимерных композитов методо импульсного прессовашгя // Вести АН Б, сер. фнз.-техн. HiiyK.-1995.-N3.-44-47

2. Мокиенко P.J1., Черкасова Н.Г., Михайлова О.И., Протасеня A.B., За; И.М. Влияние сорбционной влага арамидных волокон на свойства орг ногшастиков на основе термореакпшных связующих // Вести АНБ, се физ.-техи. наук - 1995. - N4 - С.15-19.

3. Заяц И.М. Триботехннческие и физико-механические характеристш древесно-полимерных нресс-комнозиций // Трение и износ - 1996.- Т.1' N4. - С.554-558.

4. Barsukov V.G., Sveklo J.I*'., Zayats I.M., Shapovalov V.M. Friction aspects efficiency of extnisiin eipiipment for processing of nigh-filled composites Qualityan of machines. Nitra. - 1996,- P.92-94.

5. Заяц И.М. Особенности формирования погонажных изделии из древесно-полимерных композитов с использованием металлической арматуры // Вести АНБ, сер. физ.-техн. наук,- 1996.-N3.- С.50-52.

6. Pryszak W., Szczerba W., Zajac I. Poprawa trwalosci przenosnikow tasmowych w zakladach prztrobki soli potasowych// Trwalosc elementow i weztow konstmkcyjnych maszyn gorniczych.- 1996,- C.l-3.

7. Барсуков В.Г., Заяц И.М. Поверхность раздела реологических зон экстру-зиошгого канала кругового сечения при переработке высоконаполненных пресс-композиций // Материалы, технологии, инструменты.- 1996.- N1.-

. С.46-48.

8. Прушак В.Я., Заяц И.М. Долговечность и надежность роликов ленточных конвейеров //Материалы, технологии, инструмент.-1996. - N1. - С.-93-95.

9. Прушак В.Я., Заяц И.М., Делендик В.П. Технология и устройство для изготовления полых погонажных изделий из композиционных пресс-масс // Применение композиционных материалов в народном хозяйстве: Тез. докл. конф. - Солигорск, 1992.-С.94

10. Прушак В.Я., Щерба В.Я., Заяц И.М., Протасеня A.B. Технология производства труб на основе бинарных композитов // Тез. докл. межд. сими, по трибофатике: Гомель, 1993. - С..78.

11. Прушак В.Я., Щерба В.Я., Заяц И.М. Продолыю-понеречное упрочнение погонажных изделий го композиционных материалов // Современные материалы, оборудовать и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тез. докл. коф. Новоиолоцк, 1995. - С.93.

12. Заяц И.М. Влтшше антифрикционных модификаторов на физико-механические свойства древесно-полимерных композиционных материалов // "НОМАТЕХ": Тез. докл. конф,- Минск, 1996. - С.56-57.

13.Пат. N 2005613 (РФ) В29С. Устройство для изготовления полых погонажных изделий из пресс-масс / Прушак В.Я., Заяц И.М. (РБ); - 5018903; Заяви. 24.12.91; Опубл. 15.01.94; БИ. N1.

14. Пат. N 974 (РБ) B27N. Устройство для изготовления полых погонажных изделий из irpecc-Macc / Прушак В.Я., Заяц И.М.(РБ); - 86А; Заявл. 14.01.93; Опубл. 15.12.95; АБ N1.

15. Пат. N 2026184 (РФ) В29С. Устройство для изготовления полых погонажных изделий из КОМИОЗИЦНОШ1ЫХ пресс-масс / Прушак В.Я., Заяц И.М. (РБ); - 5060959; Заявл.4.06.92; 0публ.9.01.95; БИ. N2.

16. Пат. N 832 (РБ) B27N. Устройство для изготовления погонажных изделий из пресс-масс / Прушак В.Я., Заяц И.М. (РБ); -71 А; 3аявл.04.01.93; Опубл. 15.08.95; АБ N3.

17.Пат. N2ö47626(PO) C08L. Полимерная иресс-компознция / Пругаак В.Я., Щерба В.Я., Заяц И.М. (РБ); - 5058453; Заявл. 11.08.92; Опубл. 10.11.95; КИ. N31.

18. Пат. N845(PB) C08L. Древесная пресс-композиция / Прушак В.Я.,Заяц И.М.(РБ), - 109А; Заявл.26.01.93; Опубл. 15.08.95; АБЫ1

19. Решение по заявке N 950012 (РБ). C08J. Антифрикционная полимерная пресс-композиция / Прушак В.Я., Щерба В.Я., Протасеня A.B., Заяц И.М. (РБ). Заявл. 4.01.1995.

20. Пат. N 2026789 (РФ) В29С. Устройство для изготовления полых изделий из разнородных древесных пресс-масс / Прушак В.Я., Заяц И.М.(РБ); -50568837; Заявл.28.07.92; 0публ.20.01.95; БИ N2

21.Пат. N 2026790 (РФ) В29С. Устройство для изготовления полых изделий из разнородных пресс-масс / Прушак В.Я., Заяц И.М. (РБ); - 5058266; Заявл.10.08.92; 0публ.20.01.95; БИ N2

22. Пат. N 2041817 (РФ) B27N. Способ получения погонажных изделий из пресс-масс и устройство для его осуществления / Прушак В.Я., Щерба В.Я., Заяц И.М.(РБ); - 5068186; Заявл. 29.07.92; Опубл. 10.11.95; БИ N23.

23.Пат. N 2051789 (РФ) B27N. Устройство для получения полых погонажных изделий заданной длины из пресс-масс / Прушак В.Я., Щерба В.Я., Заяц И.М. (РБ); - 5057029; Заявл.29.07.92; Опубл. 10.01.96; БИ N1.

24.Пат. N1049(PB) C08L. Древесная пресс-композиция / Прушак В.Я.,Заяц И.М.(РБ); - 110А; Заяпл.26.01.93; Опубл. 14.03.96; АБ N1

25. Решение по заявке N2599 (РБ) C08L. Полимерная композиция / Прушак В.Я., Щерба В.Я., Протасеня A.B., Заяц И.М. (РБ). Заявл. 12.12.1994.

РЭЗЮМЭ ЗАЯЦ 1РЫНА М1ХАЙЛАУНА

Распрацо$тса тэхналога паганажных вырабау з перамегашш па та$тичыш уласщвасдяш з драунянапалшерных кампазггау

Адгез1я, арм!раванне, валакно, даугавечнасць, драуняныя часцшк?, кам-пазп, напауняльтк, зацвярдзенне, паганажны выраб, трываласць, рэалапчная зона, звязваючае, тэхналопя, фенолафармальдэгщны алшшер, фармуючы канал.

Аб'екг даследавання: драунянапашмерныя камназпы.

Мэта работы: распрацоука тэхналоги атрымання з высоканапоуненых драунянапалзмерных кампазщый разнастайнага саставу паганажных вырабау з перамегашш па таушчыш уласцшасцям1 для пад'ёмна-транспартнага аб-сталявалня.

Метады даследавання 1 апаратура - метады 1К-спектраскапи. дыферэтщы-яльна-тэрмчнага 1 тгзрмамехашчнага анал1зау, машыны трэння, растграцава-ныя прылады 1 стэнды.

Прыведзены суадносшы для вызначэння аптымальных даужынь зон фар-муючага канала, якш ул^чваюць цеплафгачныя 1 мехагачныя уласцгвасщ кам-пгсмцьп, форм)' 1 памеры выраб]у^ атрыманага ¡мпульсным прэсаваннем. Лшсанм распрацаваныя тэхналопя 1 нрыстасаванга для яе рэатзацьи, яюя дазваляюць атрышпваць з высоканапоуненых драунянапал1мерных кампазщый (ДНК) паганажныя вырабы з пераменньм па таушчыш уласщваспямг

Прапанаваны тэхналапчныя метады умацавання вырабау з ДГ1К шляхам дасягнення аттгымальнага утРЬ1МаН11Я вшьгащ арм1руючым1 валокнам1, ажыццяулешш п^дш/^на-папярочнага аршравання вырабау 1 дасяпгения раунамернага размеркавання шчыльнасщ кампазпу 1 кагезшнай трываласн? па даужыт вырабу.

Распрацаваны новыя матэрыялм для атрымання карнусоу ролпсау стуж-кавых канве.-ерау, трубаправодау, подшыпшкау с.тпзгацення ролжаапор \ барабанных фш/грау. Рэал1зацыя въппкау даследава1пм>; па ВА "Беларуськалш" дазвшше эканомщь 240 тон трубнага сгалеват нракату у год.

РЕЗЮМЕ

ЗАЯЦ ИРИНА МИХАЙЛОВНА

Разработка технологии погонажных издешш с переменными но тога свойствами из древесно-полимерлых композитов

Адгезия, армирование, волокно, долговечность, древесные частицы, позиг, наполнитель, отверждение, погонажное изделие, прочность, р( гическая зона, связующее, технология, фенолоформальдегццный олигс формующий канал.

Объект исследования: древесно-полимерные композиты.

Цель работы: разработка технологии получения из высоконаполне] древесно-полимерных композиций разнородного состава погонажных i лий с переменными по толщине свойствами для подъемно-транспорт оборудования.

Методы исследования и аппаратура - методы ИК-спектроскопии, ди ренциально-термического и термомеханического анализов, машины тр( разработанные устройства и стенды.

Приведены соотношения для определения оптимальных длин зон мующего канала, учитывающие теплофизические и механические сво{ композиции, форму и размеры изделия, получаемого импульсным npeci нием. Описаны разработанные технология и устройства для ее реализ; позволяющие получать из высоконаполнешшх древесно-полимерных позиций (ДПК) погонажные изделия с переменными по толщине свойстт Предложены технологические методы упрочнения издешш из ДПК и достижения оптимального влагосодержания армирующих волокон, осуп вления продольно-поперечного армирования изделий и равномерного пределения плотности композита и когезиогаюй прочности по длине i лия.

Разработаны новые материалы для получения корпусов роликов точных конвейеров, трубопроводов, подшипников скольжения роликоог барабанных фильтров. Реализация результатов исследований на "Беларуськалий" позволяет экономить 240 тонн трубного стального прс в год.

SUMMARY

Zayals Irina Mikhailovna The development of technology for wood-polyincr composite-based continuous articles with varying across tliickness properties

Adhesion, reinforcement, fiber, longevity, wood particles, composite, filler, curing, continuous article, strength, rheological zone, binder, teclmology, phenol-fonnaldehide oligomer, forming channel.

The. object of investigation are wood-polymer composites.

The aim of the work is to develop a technology for continuous article based on high-filled wood-polymer composite with varying across thickness properties intended for hosting-and-conveying machinery.

Experimental technique involves IR spectroscopy, DTA and thermotnechani-cal analysis as well as friction machines and developed devices and benches.

Formulae to calculate optimal length of forming channel zones have been obtained. The analysis takes into account thermo-physical, mechanical properties of composite material as well as shape and dimensions of parts obtained by pulse molding. Hie technology developed and the devices for its realization are described used to obtain the mentioned articles. Optimizing convent of reinforcing fiber moisture, longitudinal and transversal reinforcement of parts as well as creation of uniform distribution of material density and its cohesive strength along part length have been proposed to increase the strength of wood-polymer based parts.

New materials for roller bodies of belt conveyors, pipelines, idler plain bearings and drum filters have been developed. Use of the results obtained al "Belaruskaliy" leads to economics efTect equal to 240 tons of steel rolled stock per year.