автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка термоформуемых экструзионных композитов на основе смесей термопластов и дисперсной древесины

Д ') м 'А

Хкадемия наук Беларуси

ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ МЕТАЛЛОПОЛ ИМЕРНЫХ СИСТЕ1У

На правах рукопис

ГУБКИН Виктор Иванович

РАЗРАБОТКА

ТЕРМОФОРМУЕМЫХ ЭШРУЗИОННЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СМЕСЕЙ ТЕРМОПЛАСТОВ И ДИСПЕРСНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 0iS.02.01 — Материаловедение в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гомель 1992

Работа выполнена в Институте механики металлополимерных систем АН Беларуси.

Научный руководитель, —академик АН Беларуси, доктор

технических наук, профессор Белый В. А.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

Гольдаде В. А.,

■— кандидат технических наук, Анненков В. Ф.

Ведущая организация—ПО «Минский тракторный завод».

Защита состоится « 1993 г. в . ча-

сов на заседании специализированного совета Д 006.28.01 в Институте механики металлополимерных систем АН Беларуси но адресу: 246652, г. Гомель, ул. Кирова, 32а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИММС АН Беларуси. с

Автореферат разослан « » . ^Г^. . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, >канд. ф.-м. наук

Росташша

Актуальность работы. В условиях роста дефицита сырьевых ресурсов становится все Солее . актуальной проблема создания композиционных, материалов на основе промышленных отходов с использованием прогрессивных технологий их переработки. Особое место среда таких материалов занимают древеснополимерные композиты, основными компонентами которых являются смеси термопластов и дисперсные отхода древесины. Практика машиностроения показала возможность получения изделий из них высокопроизводительными методами экструзии, реализуя широкий диапазон эксплуатационных свойств, одновременно эффективно решая проблемы ресурсосбережения и экологии. Вместе с тем, использование древеснополимерных материалов для получения тонкостенных (1-5 мм) изделий сложной конфигурации с высокой размерной точностью, формоустойчивых в широком диапазоне температур, сдерживается нерешенностью материаловедческих и технологических задач, главными из которых являются: разработка рэотермически стабильных составов композитов; исследование усадочных явлений в древеснонаполненннх композитах на основа смесей термопластов; отсутствие экспериментальных данных о формовании древеснополимерных материалов с покрытиями.

Цель,работы- Разработать на основе смесей термопластов и дисперсной древесины термоформуемые экструзионные композиты, обеспечивающие стабильную размерную точность тонкостенным сложнопрофильшм изделиям, в том числе совмести' с покрытиями.

Научная новизна. Изучены особенности реологического поведения древеснополимерных материалов на основе смесей термопластов при их экструзионной переработке в тонкостенные изделия. Показано, что специфика экструзионного формования тонкостенных Изделий обусловлена соизмеримостью размеров частиц древесного наполнителя с толщиной формуемого изделия. Определено оптимальное, соотношение между толщиной формуемого тонкостенного изделия и максимальным размером частиц наполнителя при степени наполнения смесей термопластов 20-60 . мас.%. Установлена возможность эффективного управления процессами структурообразованяя в таких материалах путем формирования на границе раздела древесина-связующее слоев, образованных по механизму окклюзии. Показано, что формирование таких слоев обеспечивается при воздействии сдвиговых и сжимающих напряжений, превышающих предел текучести материала в 2-3 раза, вязкости бинарного термопластичного связующего 20-50 МПа^с.

Предложен, механизм усадки изделий из разработанных древеснополимершх материалов, учитывающий взаимную компенсацию усадки полимерного связующего и вязкоупругой деформации восстановления частиц дисперсной древесины.

Установлены закономерности формирования слоистой структуры тонкостенных изделий, получаемых путем совместного термоформования древеснополимершх композитов и микропористого отделочного материала. Показано, что наиболее эффективны покрытия, параметры деформационных характеристик которых превышают предельные деформации древеснополимерного композита, а показатель воздухопроницаемости составляет более 20-25 см3/(см2-с).

Новизна работы подтверждена 8 авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании результатов исследований созданы термоформуемыо древеснополимэрше материалы и технологический процесс их переработки в тонкостенные изделия. Разработаны и утверждены нормативные документы на листовые древеснополимерные материалы (ТУ 88 3535276-35-92). Определены области рационального использования тонкостенных изделий из древеснополимерных композиций в машиностроении (автотракторная промышленность). Сформулированы рекомендации по технологии переработки древеснополимерных материалов совместно с покрытиями. Разработаны оптимальные конструкции слоянопрофилышх тонкостенных древеснополимерных изделий, используемых для отделки автомобилей ■ ЗАЗ-Н05, КАМАЗ-5320, ОКА-ПП. Созданные материалы и . технологии их переработки прошли опытно-промышленную проверку на Гомельском ПО "Стройматериалы", Камском деревообрабатывающем комбинате, Гомельском заводе "Импульс".

Апробация работы. Основные результаты научных исследований доложены и обсуждены на следующих научно-технических симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях: "Древесно-полимерные композиционные материалы и изделия" (Гомель, 1991), "Композит" (Москва, 1990), "Модификация древесины" (Варшава, 1989), "Достижения науки и техники в области ресурсосбережения и экологии" (Гомель, 1990), "Релаксационные явления и свойства полимерных материалов" (Воронеж, 1990), "Формирование поверхности и мекфазиое взаимодействие в композитах" (Ижевск, 1989), "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров" (Ижевск, 1989),

"Модификация древесины" (Минск, 1990), "Полимерные материалу в мшшшос трое нии" (Ижевск, 1990), ХУП-ХХ областных научно-тохшческш конференциях "Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров'" (Гомель, 1938-1991).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, получено 8 авторских свидетельств и положительных решений на изобретения. .

Структура и оОтем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения, содержит 148 страшщ печатного текста, 43 иллюстрации, 25 таблиц и список цитированной литературы, включающий 221 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В цервой глава дан критический анализ работ, посвященных созданию композитов на оснонч дисперсной древесины и полимерных связующих.

Особое место среда дровоснополидарных композитов, перерабатываемых методом окслрузш, зшимаыт материалы на основе термопластов и их смесей. Качество и уровень свойств таких материалов определяются, главным образом, адгезионным взаимодействием дисперсной древесины и расплава термопласта. Отмечено, что переработка композитов методом червячной экструзии в тонкостенный заготовки с последующим формованием в сложнопрофилыше детали сдерживается в ряде случаев низкой термостабильностью связующего, а также нерешенностью материаловедческих и технологических проблем, связанных с особенностями структурных превращений в композициях с дисперсной древесиной при интенсивном реатеринческом воздействии. В связи о этим систематизированы сведения о процессах структурообразования, наблюдаемых при экструзионной переработке древеснополимерных. материалов н тонкостенные изделия. Показано, что процесс получения-тонкостенных изделий из древеснополимерных материалов' сопровождается пульсациями 'давления в экструзиошюм канале и отклонениями температуры от заданной. Обоснована необходимость реотермичоских исследований древесиополимерннх материалов в широком диапазоне скоростей сдвига (10-10000 с"1) с целью разработки термоформуэмых зкструзиошшх композитов, характеризующихся высокими размерной точностью и стабильностью при

- б -

переработке в слозкнопрофильше изделия.

На основании проведенного анализа определены следующие задачи исследований:

- изучить влияние процессов реотермического совмещешя компонентов термопластичных смесей и дисперсной древесины на структуру материала и свойства экструзионшх тонкостенных изделий;

- создать термоформуемые эксгрузионные композиты на основе термопластов и их смесей, обеспечивающих в сочетании с дисперсной древесиной высокую размерную точность тонкостенных сложнопрофильных изделий;

- разработать технологию изготовления тонкостенных изделий из термоформуемых древеснодаяимерных материалов с покрытиями, получить экспериментальные данные об их эксплуатационных свойствах.

Вторая глава посвящена методике исследований. Основные объекты исследований - композиты на основе термопластов, многотоннажно выпускаемых промышленностью: полиэтилен низкой плотности 15803-020 (ШИП, ГОСТ 16337-77), полиэтилен высокой плотности 277 (ПЭВП, ГОСТ 16338-85), полипропилен 21030 (ПП, ТУ 6-05-1756-76), поливинилхлорид ПВХ-Е- 6750 Ж (ПВХ, ГОСТ 14039-78), полистирол УШ-325 (ПО, ТУ 6-05-1871-79), полиэтилен вторичный (ПЭВт, ТУ 6-05-1798-76). В качество наполнителя использовали дисперсную древесину лиственных и хвойных пород.

Для улучшения реотермических, дилатометрических и физико-механических характеристик композиций использовали следующие вещества и материалы: предельные углеводороды - парафин (ГОСТ 23683-79). церват (ГОСТ 2488-79), ствгрин (ГОСТ 6484-88); стеараты двухвалентных металлов- цинка (ТУ 6-09-3567-75), кальция (ТУ 6-14-722-76), меди (ТУ 6-14-742-79); структурирующие добавки -дициандиамид (ГОСТ 6988-73), фэнол-формальдегидные смолы ЯБС-1, ЛБО-3 (ГОСТ 901-78); растворители - этиленгликоль (ГОСТ 10164-75), диметшфэрмамид (ГОСТ 20289-74).

Формирование тонкостенных изделий из древеснополимерных материалов производили методом вкструзии и последующего прямого прессования с использованием промышленных установок и линий производства СНГ (червячный пресс ЧП-90-30 с плоскощелевой головкой центрального питания и листовальная линия ЛЛ-9О-90-Т000 ).

Физико-химические изменения структуры материалов изучали методами ИК-спеКтроскопии (спектрофотометр Ш-20;, микроскопии

(олектроншй микроскоп JCM-50A, оптический микроскоп NU-2), дифференциально-термического анализа (дориватограф • 0Д-Ю2-Т), рентгено-структурного анализа (дифрактометр ДРОН-2). Геотермические и дилатометрические характеристики

древоснополимерных материалов при переработке в тонкостенные изделия оценивали при помощи специально разработанной методики с использованием компьютеризированного реометра фирмы "НААКЕ" (ФРГ). Физико-механические параметры материалов определяли на машине ZD-4 (изгиб, ГОСТ 4648-71; сжатие, ГОСТ 4651-82: растяжение,. ГОСТ П262-80) и маятниковом копре КМ-0,5 (.ударная вязкость, ГОСТ 4647-80).

В качестве покрытий, напасших на древесиополнмерные изделия в процессе формования сложнопрофилъннх изделий, использовали исскуственные кожи, шерстяные и трикотажные ткани с воздухопроницаемостью в диапазоне Q-70 см^лсм^-с). Адгезивом между древэснополимпрной основой и • покрытием в ряде случаев ' служили пленки ({¡=0,2-1,0 мм) из полипропилена и полиэтилена высокой плотности. Прочность адгезионного соединения покрытие-древеснополимерная основа оценивали методом отслаивания Покрытия от древесиаполимерного листа под углом 180°.

Обработку результатов исследований осуществляли методами математической статистики, ' ГОСТ 14359-69. Число измерений обеспечивало доверительный интервал от до ~ 10% сродного арифметического значения совокупности при надежности 0,9Б.'

Третья глава посвящена изучению влияния реотермического совмещения дисперсной древесины и компонентов термопластичных смесей на процессы структурообразования композита и свойства акструзиошшх тонкостенных, изделий.

Методами реометрии. исследовали древеснополимерные композиты на основе смесей термопластов в диапазоне скоростей сдвига, которые реализуются в совокупности на отдельных стадиях переработки (IO-IOOOO с-1). Обработка' экспериментальных данных роодинамического анализа позволила получить уравнение вида:

Р = Ц.РИ f |in- т . (I)

где Р - давление формования / МПа /

Ри - предел текучести древесконолимерного материала при сдвиге / МПа /;

7 - скорость сдвига / с"1/; ц0 - коэффициент структурной вязкости / МПа-с /. к - коэффициент соизмеримости толщины получаемого изделия с максималышм размером наполнителя.

Полученные результаты свидетельствуют, что специфика процесса формования тонкостенных изделий, получаемых методом экструзии, обусловлена, в первую очередь, соизмеримостью размеров частиц древесного наполнителя а тещиной формуемого изделия. Исходя из этого, для термопластов (ГШ, ПЭШ, ПЭВП) методом капилярной вискозиметрии определено оптимальное соотношение (Копт= 1,5 - 3,5) между толщиной (б) формируемого тонкостенного изделия и максималышм размером (Сшк) частиц наполнителя при степени наполнения композита 20-60 мае Л. Отмечено, что для каждого связующего даже при оптимальном значении коэффициента копт параметры процесса экструзии тонкостенных изделий существенно отличаются от условий получения изделий объемного характера. Это проявляется в изменении реотермических характеристик процесса по * длине экструзнойного канала (пульсации давления до - 20 %, локалыше отклонения температуры от заданной на отдельных стадиях достигают 10 : 25 °С). Одновременно изменяются энергозатраты на преодоление нормальных и тангенсалышх сил сопротивления материала продвижению по каналу экструдера, связанных с межчастичным трением в композите и. на границе с формующим элементом, что приводит к возникновению в тонкостенных изделиях зон концентраций напряжений.

Установлено, что отмеченные недостатки преодолеваются путем использования в качестве связующего древеснополимерных материалов смеси термопластов Ьри раздельном совмещении компонентов смеси. При этом один из компонентов смеси характеризуется более низкой сдвиговой прочностью и обеспечивает снижение межчастичного трения, выполняя роль высокомолекулярного пластификатора. Второй компонент обеспечивает необходимый уровень эксплуатационных свойств (прочность, формоустойчивость).

Реотермические диаграммы совмещения поллолефинов с дисперсной древесиной свидетельствуют, что использование в .^качестве связующего смеси полиолефинов позволяет более технологично, по сравнению . с индивидуальными полимерами, реализевывать эксплуатационные свойства экструзионного древопластика. Так, введение в композицию на основе ПП 15-30 мас.% ПЭВП повышает

_ д _

реотврмическую стабильность материала при экструзионной переработке. Причем, наряду со стабилизацией процесса экструзии, понимаются ударная вязкость и теплостойкость по Вика материала на 25-40%, а разброс показателей водопоглощения снижается в 3 раза и не превышает 1,52 ( а.с.1562145 ).

Сопокупностью методов реометрии ( ротационной вискозиметрии и сшмагацой пластометрии ) определено, что критерием, характеризующим межчастичноэ трение при переработке древеснополимерных композитов, является предел текучести. Последний для материалов на основе смесей полиолефинов (ПП - ПЭВД, ПП - ПЭВД ) регистрируется при степени наполнения дисперсной древесиной не менее 20 мас.%, что свидетельствует об образовании жесткого структурного каркаса из частиц наполнителя. Показано, что жесткость такого каркаса зависит от прочности и числа контактов древесных частиц, которые осуществляются непосредственно или через прослойку связующего, состоящую из одного компонента ' или имеющую слоистую структуру.

Методом экстрагирования установлено, что последовательное совмещение дисперсной древесины с компонентами бинарного связующего ( при соотношении 1Ш:ПЭВД*- 75:25 ) в процессе экструзии обеспечивает формирование на границе раздела "древесина-связующее" слоев, образованных по механизму окклюзии. Эти слои образуются вследствие поглощения микропорами древесных частиц расплава полимера при совместном воздействии сдвиговых и сжимающих напряжений на композит. Такой процесс способствует снижению предела текучести композита на 20-35 % и расширению реотермяческого диапазона переработки. Сопоставление параметров процесса экструзии, структуры и свойств образцов позволило определить оптимальную толщину слоев (6= 0,45-1,34 ' мкм), образованных го механизму окклюзии. Показано, что такая структура композита образуется при воздействии сдвиговых и сжимающих напряжений, превышающих предел текучести материала в 2-3 раза, и вязкости бинарного термопластичного связующего 20-50 МПа^с.

Изучено влияние технологических рейтов переработки (температуры, скорости сдвига, давления ) на интенсивность реотермических процессов при получении тонкостенных изделий из термоформуемых композитов на основе смесей термопластов и дисперсной древесины методом экструзии. В гемгоратурном интервале Тй-Тп, где Т -температура размягчения, Т^- температура начала

- 'J -

тсшодеструкщш ■ композиции, оптимальная скорость изменения температуры 100°- 200°С/Ю00 с, а силовые характеристики экструзии 'ограничены пределом текучести материала или прочностью расплава 0,015 - 0,960 МПа при оптимальной скорости сдвига 7 = 100 - 300 с-1. Результаты обобщения экспериментальных данных положены в основу материаловедческих и технологических рекомендаций по обеспечению гарантированного уровня свойств термоформуемых экструзнойных материалов.

Важным этапом формирования структуры экструзионшх изделий является прохождение материала через формующий элемент. Неоднородность силового поля, обусловленная конструкцией формующего элемента, отражается на стабильности распределения свойств материала по сечению тонкостенного экструдата.

Установлен симбатный характер . распределения физико-механических характеристик материала и давления 'в формующем элементе на начальных стадиях уплотнения экструдата при давлениях, соизмеримых с (k'Pm) материала. Однако при таком давлении древесные частицы имеют преимущественно случайную ориентацию относительно направления экструзии. Степень анизотропности экструзнойного тонкостенного изделия значительно повышается при давлениях (1,4-2,0 )k-Pm. Дальнейшее повышение давления практически не влияет на степень ориентации древесных частиц, а прочностные характеристики экструзионного древеснополимерного изделия при давлениях выше <1,4-2,0')к-Рт существенно зависят от стабильности потока расплава в формующем элементе,которая определяется скоростью деформирования материала. Исходя из этого, для прямоточной плоскощелевой головки рассчитано и экспериментально определено оптимальное давление на входе в формующий элемент, обеспечивающее устойчивость течения материала в максимальной по площади зоне. В пределах области стабильного течения, ограниченной конусом с углом при вершине (3 = 2 • а - 58°, прочностные характеристики тонкостенного изделия относительно стабильны (разброс значений не более 26%). Очевидно, что в экструдатэ шириной В= 2-L-tg a (L - длина формующего элемента), подвергнутом воздействию однородного поля напряжений, допкна наблюдаться предпочтительная ориентация древесного наполнителя вдоль направления экструзии. Однако 'полностью избежать неоднородности структуры материала, обусловленной характером течения расплава композиции в плоскощелевом формующем элементе, не удалось.

Предложены способы получения термоформуемнх материалов и конструкция устройства, позволявшие стабилизировать прочностные характеристики тонкостенных изде.1и1й и снизить. разброс значений прочности до G-73S при одинаковых рецептурно- технологических параметрах (а.с. 1666306, пол. реи. по заявке 4874715).

Установление рецептурно-технологичесние особенности экструзионного формования тонкостенных изделий на основе термопластов и дисперсной древесины ( состав композита, режимы формования, тип древесного наполнителя ) положены в основу создания термоформуемнх экструзионных композитов.

Четвертая глава носвящена разработке термоформуемнх экстру зиошмх композитов на основ J термопластов и их смесей, обеспечивающих в сочетании с дисперсной древесиной высокую размерную точность тонкостенным сложнопрофилышм изделиям.

Методом ротационной вискозиметрии показано, что контакт компонентов осуществляется на стадии гомогенизации композиции, в связи с чем солыиое влияние на степень взаимодействия компонентов оказывают процессы, протвквщио' из границе их раздела. Интенсивность этих процессов связана с вязкостью связующего и термической усадкой компонентов, которую можно охарактеризовать OTP.

Влияние КЛТР компонентов на свойства древолластика оценивали по структурным изменениям, происходящим в композите при охлаждении, которые достаточно полно описываются • таким интегральным показателем, как термическая усадка. Показано, что эти изменения многообразны и зависят от условий получения смесей и природы компонентов. Независимо от. природы образующих смесь полимеров на параметры мекфазного слоя и структуру композита влияет термическая предыстория системы. При переработке композитов на основе нристолизующихся полимеров структурные изменения шраженн наиболее ярю, а их интенсивность зависит от скорости криотализоции компонентов связующего. Так, в ненаполненннх или-низконаполненних •( до 20 мае.® ) композитах преобладает' термическая усадка связующих, приводящая к обжатию наполнителя и возникновению напряжений, величина которых пропорциональна разности КЛТР компонентов. Это подтверждается зависимостью низкотемпературной усадки композитов от КЛТР связующих: 30J для ПЭВП с КЛТР- 2Э-1СГ5 градТ1 И до 20% ДЛЯ ПП с КЛТР= 12-10~5 градТ1. При высоких степенях наполнения композита в процессе

иД

2

ч

30

20

10

0

-н ОД

-10 ■-

-20 ■-

-30 -

Рис. Зависимость коэффициента усадки экструдата и (%) от степени наполнения С {%) смесей термопластов (1-(35Ж НШ-15% ПЭВ11), 2-(35% ГПМ5Ж ПЭШ)). Установившийся режим течения.

экструзии преобладают упругие и вязкоупругие деформации древесных частиц. Упругая составляющая деформации реагирует на изменение нагрузки еще в формующем элементе и обращается в ноль при выходе материала из, экструзионного канала, а .деформации, обусловленные вязкоупругим восстановлением экструдата, развиваются во времени до момента кристализащш связующего. Показано, что вязкоупругие деформации древесных частиц носят устойчивый характер при степенях наполнения композита более 20 мае.Ж, что соответствует появлению предела текучести на кривых нагрузкения материала. Установленная закономерность позволяет управлять релаксационными процессами на стадии переработки. Определена оптимальная • степень наполнения связующих, в том числе и бинарных (ПП - ПЭВП, ГШ ПЭШ), дисперсной древесиной (31-48 мае.Ж), обеспечивающая соизмеримость и взаимную нейтрализацию процесса усадки полимеров и вязкоупругую деформацию частиц дисперсной древесины (рис.). Это обеспечило усадку разработанных древеснополимерных материалов в направлении экструзии не более 2,5% ( а.с. 1666306, пол. реш. по заявке 4827519). 'О целью расширения температурного диапазона формоустойчиросги тонкостенных изделий и повышения их эксплуатационных свойств определена оптимальная последовательность смешения двухкомпонентного связующего и дисперсной древесины, которое начинают с термопласта, имеющего меньший 1ШР.

Введение пластификаторов в композиты на основе дисперсной древесины и полиолефинов малоэффективно, так как в большинстве

случаев это приводит к снижению физико-механических характнристик материалов и интенсивному старению материалов при эксплуатации. С целью преодоления указанных недостатков предложены способы получеш!я тонкостенных изделий из термоформуемых экструзиошшх композитов с тиксотропными добавками. Использование в качестве таких добавок предельных углеводородов (парафин, церезин, стеарин) позволяет повысить технологичность материала, а происходящая при окструзионной переработке пластификация дисперсной древесины не сопровождается переходом упругих деформаций в остаточные ( как это обычно происходит при пластификации ) (пол.реш. по заявке 4755924). Методами реометрии установлено, что влияние вышеперечисленных модифицирующих веществ не связано с эффектом пристенного скольжения расплава древеснополимерного материала. Эти вещества нэ являются истинными растворителями термопластов, а механизм их действия основан на межструктурной модификации. Можно предположить,что микродобавки совмещаются с основными компонентами на надмолекулярном уровне и обусловливают проскальзывание древесных частиц относительно друг друга. Это приводит к изменению релаксационных характеристик расплава древеснополимерных материалов и к резкому понижению вязкости смеси по сравнению с немодифицированной композицией. Аналогичное действие вызывает введение в древеснополимерннй материал '4-12% раствора дициандиамида в этилэнгликоле. При этом происходит изменение релаксационных спектров древе снонаполнешшх полимеров: резко подавляется область медленных релаксационных процессов, благодаря чему переход в вязкотекучеэ состояние у модифицированного композита происходит при значительно меньших временах релаксации, чем у "базового" композита ( пол. решение по заявке 4827519).

Таким образом, комплекс проведенных исследований позволил снизить реотврмическую деструкцию древопластиков при экструзии и создать термоформуемые композиты на основе термопластов и их смесей, обеспечивающие высокую размерную точность тонкостенных слошопрофильных изделий (табл.)

В пятой главе описана технология нанесения покрытий в процессе термоформовакия тонкостенных изделий из разработанных композитов и приведены экспериментальные данные об их эксплуатационных свойствах.

Изучены особенности формирования структуры двухслойных тонкостенных изделий, полученных путем совместного термоформования

дровеснополимерных композитов и микропористого покрытия.

Таблица

СВОЙСТВА ТЕРМОФОРМУЕМЫХ ЗКСТРУВМОННЫХ КОМПОЗИТОВ

Разработанные композиты Зарубежные анало-

Показатели ги

свойств ЭДГШ-1 ЭДПЛ-2 эдпл-з "ГООВ- "Р0Ы-

а.С.СССР пол.реш. пол.реш. БТОСК" ¥ГО0В"

1562145 по заяв. 4755924 по заяв. 4827519 Италия Италия

1 <1 3 4 ь 6

Плотность, К1п/М

850-1000 800-950 915-1000 1000 - 850-950

Разрушающее 1100

напржениэ при

растяжении,

-вдоль направ-

ления экстру-

зии, МПа 19-21 16-18 18-25 19-21 5-10

-поперек нап-

равления экст-

рузии, МПа 15-17 11-15 12-17 11-16 2-4

•Ударная проб-

но с ть.кДжДГ 5-7 4-5 4-6 3-5 2-4

Теплостойкость по Вика, С

125-135 110-120 110-115 120-135 70-85

Усадка при тем пературе 150 С

-вдоль направ- 15,0-

ления экстру-

зии , % 1,0-1,5 2,1-2,5 1,0-2,6 7,5-9,0 -20,5

-поперек нап- 10,5

равления экст-

рузии , % 2,5-3,0 4.5-6,0 3,4-5,9 9,0-12,5 -13,0

Предел текучее 0,005 0,001 0,005 0,015 0,007

ти,МПа -0,010 -0,007 -0,010 -0,035 -0,010

Структурная

вязкость,МПа•с 120-160 60-100 120-150 180-200 40-70

Индекс разно- 0,85 0,85 0,80 0,87 0,78

толщинности -0,90 -0,90 -0,90 -0,93 -0,85

Водопоглощение

за суткиД 2,1-4,9 1,8-2,3 1,5-2,7 3,5-6,3 3,3-7,3

Наиболее технологичны покрытая, предельная деформация которых не превышает максимальную деформацию древесноиолимэрного материала при переработке в сложнопрофильные изделия, и имеющие микропористую структуру с показателем воздухопроницаемости более 20-25 см3/(см2-с). Определен вклад различных покрытий в повышение эксплуатационных свойств тонкостенных ■ изделий из древеснополимерных композитов и определены критерии их выбора с учетом различных климатических условий.

Проведенные исследования и опытно-промышленная проверка материалов позволила разработать рекомендации по направленному изменению технологических параметров и эксплуатационных свойств тонкостенных изделий, a также преодолеть недостатки, связашше с размерной точностью экструзионных изделий.

Высокая технологическая точность материалов, способность изделий из них не терять форму в широком диапазоне температур позволяет им конкурировать с известными композитами, изделия из которых эксплуатируются в условиях Крайнего Севера или тропического климата. Определены области рационального использования тонкостенных изделий из древеснополимерных композиций в машиностроении (автотракторная промышленность). Разработаны оптимальные конструкции сложнопроддоышх тонкостенных древеснополимерннх изделий, модифицированных отделочными материалами для автомобилей.

На Камском и Запорожском автомобильных заводах проведет; испытания накладок дверей автомобиля КамАЭ-5320, полки багажника автомобиля OKA—IIII и 3A3--II05, изготовленных в соответствии с предложенным способом ( а.с.1562145). На тонкостенные древеснополимеркые изделия разработана нормативно-техническая документация (ТУ 8в 3535276-35-92). Выпуск новых материалов и освоение технологии их переработки ведется на Гомельском ПО "Стройматериалы", Камском деревообрабатывающем комбинате, Гомельском заводе "Импульс".

В приложении приведены акты опытно-промншленной проверки и технико-экономической эффективности внедрения предложенных разработок на предприятиях СНГ.

основные вывода

I. Изучены закономерности структурообразования и реологического поведения древеснополимерных композиций на основе смесей термопластов при их экструзионной переработке в тонкгетешше изделия. Показано, что реотермическая нестабильность древеснополимерных композиций обусловлена, в основном, соизмеримостью частиц древесного наполнителя с толщиной формуемого изделия. Предложен структурно-технологический параметр (к), определяемый соотношением геометрических размеров {юрмующей оснастки и частим, дисперсной древесины. Установлено, что в области

значений коэффициента К = 1 ,5 - 3,5 при степени наполнения смесей термопластов (ПП-ПЭВП, ПП-ПЭПП) 20-60 мае.Ж достигается стабилизация давления и температуры в экструзионном канале, обеспечивающая оптимальные структуру материла и свойства тонкостенных изделий.

2. Исследовано влияние процессов реотермического совмещения смесей термопластов и дисперсной древесины в экструзионном канале на структуру древееншолимерного материала в тонкостенном изделии. Показано, что совместное действие сдвиговых и сжимающих напряжений, превышающих предел текучести материала в 2-3 раза и вязкости бинарного связующего 20-50 МПа-с обеспечивает Формирование на границе древесипа-связующео повехностных слоев, образованных по механизму окклюзии.

3. Исследован механизм малоусадочного эффекта термоформуемых экструзионных композитов на основе бинарных термопластичных связующих, обусловленный компенсацией усадки термопластов вязкоупругими деформациями частиц дисперсной древесины. Определена оптимальная степень наполнения смесей термопластов (ПП-110) дисперсной древесиной ( 31- 48 час Л), обоснованы критерии выбора модификаторов, вводимых в композит для обеспечения усадки в направлении экструзии не более 2,Ь%.

4. Установлена оптимальная последовательность смешения двухкомпонентного связующего с дисперсной древесиной, которую осуществляют, начиная с термопласта, имеющего меньший показатель коэффициента линейного термического расширения( КЛТР ), что позволяет расширить температурный диапазон формоустойчивости тонкостенных изделий и повысить их эксплуатационные характеристики.

5. Предложен метод расчета формующей оснастки при экструзии тонкостенных изделий, учитывавший особенности реологического

'поведения древеснонолимерных материалов. С использованием этого метода установлен симбатшй характер распределения физико-механических характеристик материала и давления в формующем инструменте, позволяющий прогнозировать прочностные свойства по сечению тонкостенного экструдата.

6. Изучено влияние материалов покрытий на эксплуатационные характеристики тонкостенных изделий - из разработанных древоснонолимерных композитов и определены критерии их выбора с учетом различных климатических условий. Показано, что в качество

покрытий целесообразно использование отделочных материалов, деформационные параметры которых превышают предельную деформацию дровеснополимерного материала при переработке в сложнопрофилыше изделия, и имеющих микропористую структуру с показателем воздухопроницаемости более 20-25 см3/(см2-с).

7. На основании экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний разработаны и внедрены в производство гермоформуемые экструзио!пше композиты и технология их переработки в тонкостенные древеснополимерныэ изделия - детали отделки интерьеров автомобилей 3A3-II05, KAMA3-5320, 0KA-IIII.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Губкин В.И. Влияние конструктивно-технологических параметров процесса экструзии на структуру и свойства листовых •дре весною лимерных материалов ВесЩ АН Беларуси.. Сер. ф1з.-тэхн. навук.- 1992,(в печати)

2. Купчшюв В.И., Шаповалов В.М., Губкин В.И. Исследование адгезионных свойств в системе "древесноиаполненннй термопласт-покрытие" // Пласт, массы. 1992. №б. С. 41-43

3. Губкин В.И., Ковалева З.Г., Мельников С.Ф. Наполнение вторичных термопластов древесной шлифовальной гшлью // Пласт, массы. 1991. N°I. 0. 47-49

4. Шаповалов В.М., Барсуков В.Г., Лапшина Е.М., Губкин В.И. Композиционные отделочные материалы на основе древесных волокон и термопластов // Строительные материалы. 1991. N°5. С. 18-20.

5. Купчшов Б.И., Барсуков В.Г., Шаповалов В.М., Губкин В.И., Катущак С., Бакса Г1. Композиты на основе модифицированных измельченных отходов древесины и термопластов для экструзионной переработки // В сб. Модификация древесины - Минск. 1990. С. НО.

6. Мельников С.Ф., Кругляк В.И., Костюков U.A., Ковалева' З.Г., Губкин В.11. Термопластичные древоплачтики на основе' модифицированной давя сини // В сб. Модификация дровесшш -Варшава. 1989. С. 177-ШТ.

Т. Купчинов Б.И., Обсеков Г.В., Губкин В.И. Термостябилизация дропесиополиморшх композиций в процессе экструзии // В сб. Композиционна матвриалн -■Москва. 1990. С. 104-185

8. Купчинов В,И., Мельников С.Ф., Комлепп З.Г., Губкин В.И.,

Технология получения древеснонолимерных листовых материалов и область их применения в автомобильной технике // В сб. Применение неметаллических материалов в автомобилестроении - Москва. 1990. С. 28-30

9. Губкин В.И. Сопоставление реологических характеристик древеснополимэрных систем, полученных различными методами вискозиметрии // В сб. Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров - Гомель. 1990. С.149-150.

10. Губкин В.И., Ковалева З.Г., Мельников С.Ф. Композиционные материалы на основе отходов синтетических и природных полимеров // В сб. Экология производства и применения пластмасс и изделий из mix - Ленинград. 1989. С. 94-95.

11. Губкин В.И., Сергиенко B.II. О влиянии толщины адсорбированных слоев на реологические характеристики древеснонаполнешшх полимеров //В сб. Формирование поверхности и межфазное взаимодействие в композитах - Ижевск. 1989. С. 21.

12. Губкин В.И., Мельников С.Ф. Исследование постэкструзнойного разбухания древеснонаполнешшх полимеров // В сб. Реология и оптимизация процессов переработки полимеров -Ижевск. 1989. С. 101.

13. Губкин В.И. Реологические свойства древеснополимерных систем при различных .видах деформаций // В сб. Релаксационные явления и свойства полимерных материалов - Воронеж. 1990. С. 47

14. Губкин В.И. Взаимосвязь реологических- и прочностных характеристик экструзиошшх древоплаотиков// В сб. Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении - Самара. 1990. С. 50-51

15. A.C. М°1562145 СССР, МКМ4 В 29 1 5/00 - Способ изготовления древопластика на основе смеси полипропилена и полиэтилена./ Купчинов Б.И., Губкин В.И., Ковалева З.Г., Костюков П.А.,Мельников С.Ф., Кругляк Н.В.

16. A.C. Н°1666305 СССР, МКИ4 В 27 N 3/02 Способ изготовления листового древопластика / Губкин В.И., Ковалева З.Г., Костюков П.А..Мельников С.Ф.

17.. Реш. на выдачу а.с. по з. N°475ü924/05 от 27.02.90. Способ получения полиолефинового древопластика,

пластифицированного предельными углеводородами / Белый В.А..Мельников С.Ф., Ковалева З.Г., Губкин В.И. ( СССР )

18. A.c. №1666306 СССР, МКИ4 В 27 N 3/02 Способ изготовления древопластика на основе двухкомпонентного связующего / Мельников