Модифікація конструкційних склопластиків для одержання труб намотуванням
Вантажиться...
Дата
2020
Автори
ORCID
DOI
Науковий ступінь
доктор філософії
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
161 – Хімічні технології та інженерія
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада ДФ 64.050.017
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Авраменко В'ячеслав Леонідович
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2020. Роботу виконано на кафедрі Технології пластичних мас і біологічно активних полімерів Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України. Актуальність теми. Полімерні композиційні матеріали (ПКМ), які армовані волокнами, завдяки унікальному поєднанню таких властивостей як висока міцність, низька щільність, високі електро- та теплоізоляційні характеристики, стійкість до дії хімічних агресивних середовищ, знаходять широке використання у різних галузях промисловості. Велику частку усіх виробів з ПКМ займають склопластикові труби, використання яких у різних галузях передбачає різні умови їх навантаження та експлуатації. Серед багатьох існуючих методів одержання конструкційних склопластикових виробів одним з найперспективніших є косошаре повздовжнє поперечне намотування (КППН). Безперервність, високий вміст наповнювача та можливість контрольованої зміни трансверсально-ізотропної структури ПКМ дозволяє вирішити низку завдань, які неможливо забезпечити у повному обсязі іншими методами одержання склопластикових виробів.
КППН є новітнім та до теперішнього часу досконало не дослідженим методом одержання склопластикових виробів. За роки його існування покращення якості склопластикових труб та розширення їх номенклатури відбувалось лише за рахунок впровадження нових елементів конструкції устаткування та його додаткових вузлів. Однак за рахунок застосування якісних складових ПКМ, визначення їх оптимальних характеристик, оптимізації температурного та одночасно технологічного режиму одержання виробів з ПКМ цим способом, ще й досі залишається практично не дослідженим. Між іншим, цим способом можливо одержувати вироби з підвищеними експлуатаційними характеристиками та вирішувати завдання по одержанню більш складних їх конструкцій. Особливу увагу слід приділити трансверсально-ізотропній структурі склопластикових виробів. Сучасне устаткування КППН дозволяє одержувати вироби з різною трансверсально-ізотропною структурою, але на сьогоднішній день не вирішено питання її впливу на основні фізико-механічні властивості виробів. Дослідивши їх взаємозв’язок можливо визначити оптимальну трансверсально-ізотропну структуру для кожного окремого склопластикового виробу в залежності від умов його навантаження та експлуатації у відповідній галузі і в відповідних умовах. Відомо, що склопластики є стійкими до дії великої кількості агресивних середовищ, а стійкість до дії конкретного середовища визначається хімічною природою полімерної матриці. Щодо склопластикових труб одержаних методом КППН, то на сьогоднішній день розглядались лише питання міцності і не було досліджено змінення їх поводження в залежності від середовища експлуатації. Оскільки на хімічну стійкість склопластиків впливає ряд технологічних характеристик, які відрізняються в залежності від способу одержання виробів, то виникає також необхідність проведення досліджень до дії різних агресивних середовищ, в залежності від вимог їх галузей застосування. Враховуючи вищенаведе, різноманітні галузі експлуатації та недостатню кількість наукових досліджень КППН, тема дисертаційної роботи є актуальною і представляє науковий та практичний інтерес. Мета та завдання дослідження. Мета роботи – модифікація ПКМ для одержання конструкційних склопластикових труб шляхом зміни та контролю трансверсально-ізотропної структури в процесі КППН, удосконалення технологічних характеристик похідних речовин, оптимізація технологічного режиму процесу для підвищення та стабілізації експлуатаційні властивості готових виробів. Для досягнення зазначеної мети, необхідно вирішити наступні основні завдання: - дослідити процес структурування склопластиків під дією інфрачервоного випромінювання, визначити технологічні параметри, що впливають на просочення наповнювача полімерним компаундом, та за їх допомогою встановити вплив якості просочення на експлуатаційні характеристики одержаних виробів;
- встановити вплив різної трансверсально-ізотропної структури склопластикових виробів одержаних КППН на фізико-механічні властивості у повздовжньому та поперечному напрямах, їх співвідношення та визначити процес одержання склопластикових виробів з необхідними показниками міцності за допомогою зміни та контролю трансверсально-ізотропної структури; - дослідити і визначити технологічний режим процесу структурування з метою уникнення розшарування при виготовленні товстостінних виробів зі склопластиків; - дослідити ступінь структурування полімерного компаунда методами інфрачервоної спектроскопії та диференційної скануючої колориметрії, порівняти отримані дані с даними, що отримані традиційним методом екстракції і визначити оптимальний як експрес-метод оцінки ступеню структурування полімерного компаунду; - вивчити вплив наповнювачів різної хімічної природи та різної технології їх виготовлення, ряду епоксидних олігомерів різних виробників та їх систем тверднення на якість просочення та зміну фізико-механічних властивостей готових виробів і розробити системи тверднення для поліестерних та вінілестерних олігомерів з метою їх переробки методом КППН у безперервному процесі; - провести дослідження стійкості одержаних виробів у різних умовах експлуатації з метою подальшого розширення галузей застосування; - на підставі отриманих результатів досліджень розробити удосконалені технологічні схеми одержання склопластикових виробів з різною трансверсально-ізотропною структурою для реалізації безперервним та періодичним косошарим поздовжньо-поперечним намотуванням. Наукова новизна отриманих результатів. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень склопластикових виробів з різною трансверсально-ізотропною структурою одержаних методом КППН у дисертаційній роботі вперше: - встановлено залежність між трансверсально-ізотропною структурою одержаних виробів та їх фізико-механічними властивостями у повздовжньому та поперечному напрямах, та співвідношення між ними; - досліджена залежність між якістю процесу просочення наповнювача полімерним компаундом та фізико-механічними показниками виробів; - шляхом підвищення якості просочення наповнювача полімерним компаундом мінімізували процес розшарування та відповідно збільшили максимальну товщину стінки (відповідно до внутрішнього діаметру) склопластикових виробів; - розроблені нові рецептури систем тверднення поліестерних та вінілестерних компаундів, що також дозволяє здійснювати технологічний процес у безперервному режимі; - встановлено доцільность використання ІЧС та ДСК як експрес методи оцінки ступеню структурування компаундів склопластикових виробів з них; - показана можливість застосування склопластикових виробів одержаних КППН у ряді агресивних фізичних та хімічних експлуатаційних агресивних середовищ. Практичне значення отриманих результатів. Вперше проведено системне масштабне цілісне дослідження безперервного методу одержання склопластикових виробів КППН, та безпосередньо самих виробів, які характеризуються різною трансверсально-ізотропною структурою. Зміною трансверсально-ізотропної структури, а саме співвідношення наповнювача, який вкладається у повздовжньому та поперечному напрямах, у широкому інтервалі, досягнуто одержання склопластикових виробів з різним співвідношенням руйнівної напруги у поздовжньому та поперечному напрямах та можливість одержання виробів з необхідними фізико-механічними властивостями у широкому інтервалі. Результати роботи по покращенню якості просочення дозволили підняти межу міцності склопластикових виробів, що дозволило їх використовувати в умовах більшого навантаження, підвищити продуктивність обладнання, зменшити кількість браку, обрати вихідні матеріали з оптимальними технологічними властивостями. Дослідження полімерних компаундів на основі поліестерів та вінілестерів дозволило розширити номенклатуру агресивних середовищ, які можливо транспортувати використовуючи склопластикові труби одержані КППН. Усі результати досліджень впроваджені на ТОВ "Склопластикові труби" (м. Харків) та ТОВ "НПП Пластар" (смт. Золочів), що призвело до розширення галузей застосування склопластикових виробів, таких як транспортування нафтопродуктів під дією внутрішнього тиску до 10 МПа, а також транспортування агресивних середовищ (сірчаної кислоти, парахлорводневої кислоти, почергове транспортування розчину їдкого натру та нитратної кислоти). Результати досліджень підтверджені актом впровадження. При виконаннідосліджень долучали студентів спеціальності 161 "Хімічні технології та інженерії" кафедри "Технології пластичних мас і біологічно активних полімерів" у формі виконання курсових робіт і дипломних проектів. Результати досліджень використано при підготовці розділів лекційного курсу: "Полімерні суміші та композити", "Основи створення полімерних сумішей і композитів" та практичних занять курсу "Міцність полімерів", що підтверджено актами використання результатів дисертаційної роботи в навчальному процесі. Висновки по роботі. У дисертаційній роботі вперше проведено комплекс системних досліджень, за допомогою яких обґрунтована модифікація конструкційних склопластикових ПКМ і одержання на їх основі методом косошарого поздовжньо-поперечного намотування труб з підвищеними експлуатаційними властивостями, які характеризуються різною трансверсально-ізотропною структурою. При цьому отримані наступні наукові та практичні результати: 1. Встановлена залежність фізико-механічних властивостей конструкційних склопластикових виробів від їх трансверсально-ізотропної структури і показана можливість її зміни у ході технологічного процесу, що дозволяє прогнозувати одержання склопластикових виробів з необхідними показниками руйнівної напруги у поздовжньому (від 320 до 165 МПа) та поперечному (від 360 до 510 МПа) напрямах, або їх співвідношення у інтервалі коефіцієнту анізотропії від 1,2 до 3 в залежності від вимог галузі експлуатації. Проведені дослідження підтвердили пряму залежність кількості наповнювача укладеного у певному напрямі на показники міцності виробів в тому чи іншому напрямі. Отримані дані дозволяють суттєво скоротити кількість випробувань у встановленні якості виробів, задовольняючи при цьому вимоги відповідної галузі експлуатації. 2. Доведено, що основним критерієм, що визначає стабільні та високі експлуатаційні властивості склопластикових виробів, є склад полімерного компаунду та якість просочення ним наповнювача. В роботі досліджено процес структурування склопластиків під дією інфрачервоного випромінювання і визначені технологічні параметри процесу, їх узгодження з роботою технологічних вузлів діючого устаткування косошарого поздовжньо-поперечного намотування, модернізація та оптимізація сумісної роботи яких сприяє якості просочення (зменшення вмісту полімерного компаунду з 42,3 до 27 %, збільшення ступеню структурування з 92,8 до 97,8 %) та відповідно покращенню фізико-механічних властивостей на 340% у поздовжньому та 420% у кільцевому напрямах, підвищення рівню герметичності у 8,5 разів та стабілізації досягнутого комплексу властивостей відповідних виробів. 3. У ході проведених досліджень вирішена суттєва проблема – встановлення оптимальних температурних режимів структурування полімерних компаундів у безперервному процесі косошарого поздовжньо-поперечного намотування за різними співвідношеннями товщини стінки до внутрішнього діаметру виробів при максимально можливій продуктивності (6 м/год для співвідношення товщини стінки до внутрішнього діаметру не більше 0,03; від 4 до 5 м/год у інтервалі співвідношення від 0,03 до 0,05; від 3 до 4 м/год у інтервалі співвідношення 0,05-0,06; від 2 до 3 м/год у інтервалі співвідношення 0,06-0,08; не більше 2 м/год при досягненні співвідношення товщини стінки та внутрішнього діаметру більше 0,08) роботи устаткування з умовою одержання виробів без розшарування з високими і стабільними експлуатаційними властивостями. Визначені технологічні вимоги (початок інтенсивного процесу структурування у точці 900 мм від початку оправки, максимальну температуру структурування не більше 160 0С, температура виробу на кінці оправки не більше 110 0С), дотримання яких дозволяє одержувати якісні вироби без розшарування, не знижуючи продуктивності процесу.
4. Показано, що одним з головних показників одержання якісних виробів є ступінь структурування полімерного компаунду, підтримання якого у межах не менше 96% дозволяє одержувати вироби з найбільшими фізико-механічними властивостями, а їх зменшення до 94% та 90% призводить до втрати показника руйнівної напруги на 10 % та 20% відповідно. Проведені порівняльні дослідження стандартного методу визначення ступеню структурування екстракційним методом (в апараті Сокслета), а також досліджені нові методи оцінки ступеню структурування шляхом використання інфрачервоної спектроскопії та диференційної скануючої калориметрії. Показані переваги даних методів, а саме швидкість та точність отримання результатів дослідження, і запропоновано використання ІЧС і ДСК як експрес-методів визначення ступеню структурування полімерного компаунду, що дає змогу пришвидшити процес косошарого поздовжньо-поперечного намотування без зупинки технологічної лінії, та підвищити рівень контролю ступеню структурування. 5. Досліджено процес просочення скляного та базальтового наповнювачів, різної технології їх виготовлення, з різною лінійною щільністю та діаметром елементарного волокна епоксидним компаундом, та визначено (рекомендовано) використання скляного наповнювача одержаного у одностадійному процесі з найменшими діаметром елементарного волокна (13 мкм) та лінійною щільністю (600 г/км) для забезпечення максимального значення руйнівної напруги за умови втрати герметичності склопластикових виробів на рівні 140 МПа та базальтового наповнювача, який дає змогу підвищити фізико-механічні властивості на 38 %, що супроводжується зменшенням руйнівної напруги за умови втрати герметичності до 8,5 МПа. 6. Досліджена можливість використання епоксидних склопластикових виробів для транспортування ряду рідких та газових агресивних середовищ, серед яких нафта, нітратна, сірчана хлорна, перхлоратна кислоти, холодна та гаряча питна вода, технічна вода, відходи сахарного та спиртового виробництва, каналізаційні стоки очистки ділянок сирного виробництва та ін.. Для подальшого розширення кількості галузей виробництво яких пов’язано з застосуванням агресивних середовищ, встановлена можливість їх транспортування у склопластикових трубопроводах. Досліджена можливість застосування поліестерних та вінілестерних компаундів, які раніше не використовувались у технологічному процесі косошарого поздовжньо-поперечного намотування. Для реалізації цих можливостей розроблена нова система тверднення (суміш третбутил перекис бензоату та пероксид метілізобутілкетону у пропорції 0,8:1 м.ч. на 100 м.ч. олігомеру). Ця система тверднення відповідає всім технологічним вимогам у безперервному процесі косошарого поздовжньо-поперечного намотування, яка досліджена і успішно застосована при одержанні склопластикових виробів на поліестерних та вінілестерних компаундах. 7. На основі отриманих проведеними дослідженнями даних розроблені удосконалені принципові технологічні схеми одержання конструкційних склопластикових виробів методом косошарого поздовжньо-поперечного намотування, в яких реалізовані оптимальний температурний та технологічний режим процесу структурування, їх узгодженість з роботою технологічного обладнання для можливості одержання виробів з трансверсально-ізотропною структурою відповідною до умов навантаження та відповідними до умов експлуатації дослідженими полімерними компаундами та наповнювачами. Розроблені технологічні схеми передбачають реалізацію косошарого поздовжньо-поперечного намотування безперервним та періодичним методами. Результати дисертаційної роботи впроваджені на наступних підприємств – ТОВ "Склопластикові труби", ТОВ "НВП Пластар". Отримані дані використані в навчальному процесі у лекційному курсі "Полімерні суміші і композити" та "Основи створення полімерних сумішей і композитів", практичних заняттях курсу "Міцність полімерів", при виконанні курсових робіт і дипломних проектів студентами кафедри "Технології пластичних мас і біологічно активних полімерів" НТУ "ХПІ".
The thesis for the PhD degree in the specialty of 161- Chemical Technologies and Engineering (16 “Chemical Engineering and Bioengineering”). - National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Science and Education of Ukraine, city of Kharkiv,2020. The research was done by the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers at the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” under the Ministry of Science and Education of Ukraine. Urgency of the research. The fiber-reinforced polymer composite materials (PCM) find a wide application for the different branches of industry due to the combination of such properties as a high strength, low density, high energy and heat insulation performances and the resistance to the action of chemical corrosive media. Most of the products made of PCM are glass-fiber pipes and due to their use for different industry their loading and operating conditions should be taken into account. Among many available methods used for the production of engineering fiber-reinforced plastic products the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding (CLTW) is considered to be the most promising. The process continuousness and a high content of the filler and also an opportunity to control a change in the transverse isotropic structure of the PCM allow us to resolve many problems that cannot be settled in full measure using other methods of the formation of fiber-glass goods. The CLTW method is a novel method used for the formation of fiberglass products and it requires additional studies as of today. Over the years since its introduction the quality of fiberglass pipes was improved and the product was differentiated due to the incorporation of the new elements to its structure, equipment and its additional assemblies. However, in spite of the use of the high-quality components of PCMs, the determination of their optimal performances and the optimization of the working temperature range and simultaneously process parameters the production of the products made of PCM using this method still remains practically uninvestigated. By the way, this method enables the production of the goods with improved operating performances and the resolution of the problems dealing with the fabrication of their more complicated structures. Special attention should be paid to the transversal and isotropic structure of fiberglass products. Contemporary equipment available for the realization of the CLTW method enables the formation of the items of a different transversal and isotropic structure. However, the issue of its effect on the basic physical and mechanical properties of the products has not been studied so far. By studying their interaction it is possible to define their optimal transversal and isotropic structure for each individual article made of fiberglass reinforced plastic depending on the conditions of its loading and operation in the appropriate industry and under appropriate conditions. It is known that the fibreglasses are resistant to the action of many corrosive media and the resistance to the action of a certain environment is defined by the chemical nature of the polymer matrix. As for the fiberglass reinforced plastic pipes formed using the CLTW method the consideration is given today only to the issue of their strength and the issue of their increased resistance with regard to different operating conditions requires additional studies. It should be noted that many process parameters have an effect on the chemical stability of fiberglass reinforced plastics and these parameters differ depending on the method of the product formation, therefore the effect of different corrosive media should also be studied depending on the demands made by their application fields. Taking into consideration the aforementioned and the scanty research of the CLTW method we can state with confidence that the subject of this PhD thesis is topical and it is of great scientific and practical interest for the different promising industries of the FPT operation. The objective and tasks of the research. The objective of this research is modification of PCM for production of engineering fiberglass reinforced plastic pipes by change and control of transverse and isotropic structure in the CLTW process, improvement of the process parameters of ingoing material, optimization of technological modes for the purpose increase and stabilization of operational properties of finished goods. In order to attain the specified goal the following basic tasks should be resolved: - studying the structuring process of fiberglass reinforced plastic products exposed to the action of the infrared radiation, defining the process parameters that have an effect on the impregnation quality of the filler with polymer compounds and based on the obtained results we will be able to establish the effect of the impregnation quality on the operating performances of the fiberglass reinforced plastic products; - establishing the effect of the different transversal and isotropic structures of fiberglass reinforced plastic products produced using the CLTW method on the physical and mechanical properties in longitudinal and transverse directions and their ratio, defining the process of obtaining of fiberglass reinforced plastics with appropriate strength indices by way of the variation and control of the transverse isotropic structure; - studying and determining the structuring process mode to get rid of the lamination during the production of thick-walled fiberglass reinforced plastic goods; - investigating the polymer compound structuring degree by infrared spectroscopy and differential scanning colorimetry, comparing the obtained data with the data obtained by the traditional extraction method and determining the optimal express method for estimating the polymer compound structuring degree; - studying the effect of the fillers of a different chemical nature and of a different technological process of their production, some epoxy oligomers fabricated by different manufacturers and their curing systems on the impregnation quality and a change in physical and mechanical properties of final products and developing curing systems for polyester and vinylester oligomers for the purpose of their processing using the CLTW method in the uninterrupted process; - studying the stability of the obtained products in different operating conditions for the purpose further expand the application fields; - developing the improved process flow chart for the production of the products with different transversal and isotropic structure based on the obtained research data and using the method of the uninterrupted and periodic cross-fiber longitudinal and transverse winding. Scientific novelty of the obtained data. Based on the theoretical and experimental investigations of fiberglass products with different transversal and isotropic structure that were obtained using the CLTW method, this thesis established for the first time: - the availability of the dependence between the transversal and isotropic structure of obtained products and their physical and mechanical properties in longitudinal and transversal directions and their ratio was established; - the dependence between the impregnation process quality of the filler with a polymer compound and the physical and mechanical properties of the products is investigated; - by improving the impregnation property of the filler by the polymer compound the lamination process was minimized and a maximum wall thickness (with respect to the inner diameter) of fiberglass reinforced plastic products was increased; - new formulations were developed for the curing systems of polyester and vinylester compounds enabling thus the uninterrupted technological process; - the expediency of the use of IRS and DSC as an express method for the evaluation of the structuring degree of the compounds used for the fabrication of the fiberglass reinforced plastic products was established; - it was shown that the fiberglass reinforced plastic products obtained using the CLTW method can be applied for the use under many corrosive physical and chemical operating conditions. Practical importance of obtained data. The uninterrupted CLTW method of the formation of fiberglass reinforced plastic products and directly the products that are characterized by a different transversal and isotropic structure were studied for the first time using the systematic large-scale integral approach. By varying the transversal and isotropic structure, in particular the ratio of the filler that is embedded in longitudinal and transversal directions in a wide range we managed to obtain fiberglass reinforced plastic products with a different ratio of the failing stress in longitudinal and transversal directions and provide an opportunity for the production of a wide range of the products with appropriate physical and mechanical properties. The research data obtained to improve the impregnation quality allowed us to raise the strength margin for fiberglass-reinforced plastic products and enabled thus their application under increased loading conditions increasing thus the equipment efficiency, decreasing the number of rejected goods and giving an opportunity to us to select ongoing materials with optimal technological properties. The studies of the polymer polyester and vinylester-based compounds enabled the extension of the range of corrosive media that can be transported by fiberglass reinforced plastic pipes produced using the CLTW method. All the research data were implemented by the Limited Liability Company “Fiberglass Plastic Pipes” (city of Kharkiv ) and the Limited Liability Company “Science and Industry Plant Plastar” (city of Kharkiv) and it resulted in the extension of the fields of application of the products made of fiberglass reinforced plastic, for example, the transportation of oil products under the internal pressure of up to 10 MPa or the transportation of corrosive media (sulphuric acid, pentachlorhydrogen acid, alternate transportation of the solutions of caustic alkali and nitrate acid). The research data were confirmed by Implementation Statements. The students majoring in the specialty of 161 “Chemical Technologies and Engineering” also contributed to this thesis by their graduation thesis. The research data were included into the lecture course sections on “Polymer Mixtures and Composites”, “Basics of Creating Polymer Mixtures and Composites” and hands-on lessons for the “Polymer Strength” course that is confirmed by the Statements of the application of the thesis data for the educational process at the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers. Thesis conclusions. This thesis delves for the first time into the entire set of systematic research that enabled the modification engineering glass-fiber PCM and on their basis pipes formed using the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding with improved operating properties that are characterized by a different transversal and isotropic structure. As a result, the following scientific and practical results were obtained: 1. The dependence of physical and mechanical properties of the structural fiberglass reinforced plastics on their transversal and isotropic structure was established and it was shown that it can be changed in the course of the technological process enabling thus the prediction of the production of fiberglass reinforced plastic products with the appropriate indices of the failure stress in longitudinal (from 320 to 165 MPa) and transversal (from 360 to 510 MPa) directions or their ratio in the range of the anisotropy coefficient from 1.2 to 3 depending on the demands made by the fields of their operation. The research done confirmed a direct dependence of the amount of the filler embedded in a certain direction on the strength indices of the products in either direction. The obtained data allow us to essentially reduce the number of tests carried out to define the product quality and satisfy the requirements of the appropriate fields of operation. 2. It was proved that the main criterion that defines stable and high operating performances of the fiberglass reinforced plastic products is the polymer compound composition and the quality of its impregnation with the filler. The thesis defines the process of structuring fiberglass under the action of infrared radiation, the technological parameters of the process and their adjustment to the operating performances of the process assemblies of the operating equipment used for the cross-fiber longitudinal and transversal winding, and the modernization and optimization of their joint operation contributes to the improved impregnation quality (reducing the content of the polymer compound from 42.3 to 27%, increasing the degree of structuring from 92.8 to 97.8%) and as a consequence it results in the improvement of physical and mechanical properties by 340% in the longitudinal and 420% in the transversal directions, increasing the level of tightness by 8.5 times and stabilization of the set of achieved properties of appropriate products. 3. The research done allowed us to resolve a complex problem dealing with the specification of the optimal temperature modes required for the structuring of polymer compounds in the uninterrupted process of cross-fiber longitudinal and transversal winding with a different ratio of the wall thickness to the inner diameter of the products at a maximum possible equipment operation efficiency (6 m/h for the ratio of wall thickness to the inner diameter not more than 0.03; from 4 to 5 m/h in the range of the ratio from 0.03 to 0.05; from 3 to 4 m/h in the range of 0.05-0.06; from 2 to 3 m/h in the range of 0.06-0.08; not more than 2 m/h when the ratio of wall thickness and inner diameter is more than 0.08) providing the production of lamination-free products with high and stable operating performances. The process requirements were defined (the beginning of the intensive structuring process at a point 900 mm from the beginning of the mandrel, the maximum structuring temperature is not more than 160 0C, the product temperature at the end of the mandrel is not more than 110 0C) and their observation enables the production of high-quality products with no lamination and the process efficiency is not degraded. 4. It is shown that one of the main indices of the production of high-quality products is the structuring degree of the polymer compound, maintaining which within at least 96% allows obtaining products with the greatest physical and mechanical properties, and their reduction to 94% and 90% leads to loss of failure stress 10% and 20% respectively. The comparative investigation of the standard method of the determination of the structuring degree by extraction method (using the Soxhlet’s apparatus) was carried out and consideration was given to the new methods of the estimation of the structuring degree based on the infrared spectroscopy and differential scanning colorimetry. The advantages of these methods namely the speed and accuracy of obtaining research results were given, IRS and DSC were suggested for the use as express-methods for the determination of the structuring degree of the polymer compound and it gives us an opportunity to speed up the process of the cross-fiber longitudinal and transversal winding with no-stop of the equipment and increase the level of the control of the structuring degree. 5. The epoxy compound impregnation process of the glass and basalt fillers of a different production technology and with a different linear density and diameter of the elementary fiber was studied and a specific type of the filler was defined and recommended the use of glass filler obtained in a single-stage process with the smallest elemental fiber diameter (13 μm) and linear density (600 g/km) to ensure the maximum value of the destructive stress in case of loss of tightness of fiberglass products at 140 MPa and basalt filler that allows to increase the physical and mechanical properties by 38%, which is accompanied by a decrease in the destructive stress in the event of a loss of tightness to 8.5 MPa. 6. The opportunity for the use of the epoxy fiberglass reinforced plastic products for the transportation of many liquid and gaseous corrosive media including oil, nitrate acid, sulphuric and chloric acids and perchloric acids, cold and hot drinking water, process water, the waste of sugar and alcohol production, the sewage water of the cleansing of the cheese production sections, etc. To increase the number of industry whose production process is related to the use of corrosive media the investigations were carried out to establish if these can be transported by fiberglass reinforced plastic pipelines. Consideration was given to the opportunity of the use of polyester and vinylester compounds that were earlier not used for the technological process of the cross-fiber longitudinal and transversal winding. To realize these opportunities a new curing system (a mixture of tert-butyl benzoate peroxide and methyl isobutyl ketone peroxide in a ratio of 0.8: 1 ppm at 100 m.h. oligomer) was developed. This system satisfies all the technical requirements set to the uninterrupted process of cross-fiber longitudinal and transversal winding. This system was studied and successfully used for the production of fiberglass plastic products based on polyester and vinylester compounds. 7. Based on the obtained research data the improved principal flow charts were developed for the production of the engineering fiberglass reinforced plastic products using the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding and these principal flow charts enables the optimization of the temperature and technological modes of the structuring process and their compliance with the operation of the updated process equipment. It gives us an opportunity to produce the products with an appropriate transversal and isotropic structure that meets the loading conditions and also with appropriate studied polymer compounds and fillers suitable for operation conditions. The developed process flow charts provide for the realization of the cross-fiber longitudinal and transversal winding using uninterrupted and periodic approaches. The thesis research data were implemented by many Companies, in particular by the Limited Liability Company “Fiberglass Plastic Tubes”, Limited Liability Company “SPC Plastar”, and these data have also been used for the educational process to give lectures on “Polymer Mixtures and Composites” and “the Basics of the Formation of Polymer Mixtures and Composites”, to conduct the hands-on lessons on the “Polymer Strength”, and these are also used by the students writing their term papers and graduation thesis at the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers of NTU “KhPI”.
The thesis for the PhD degree in the specialty of 161- Chemical Technologies and Engineering (16 “Chemical Engineering and Bioengineering”). - National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Science and Education of Ukraine, city of Kharkiv,2020. The research was done by the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers at the National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” under the Ministry of Science and Education of Ukraine. Urgency of the research. The fiber-reinforced polymer composite materials (PCM) find a wide application for the different branches of industry due to the combination of such properties as a high strength, low density, high energy and heat insulation performances and the resistance to the action of chemical corrosive media. Most of the products made of PCM are glass-fiber pipes and due to their use for different industry their loading and operating conditions should be taken into account. Among many available methods used for the production of engineering fiber-reinforced plastic products the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding (CLTW) is considered to be the most promising. The process continuousness and a high content of the filler and also an opportunity to control a change in the transverse isotropic structure of the PCM allow us to resolve many problems that cannot be settled in full measure using other methods of the formation of fiber-glass goods. The CLTW method is a novel method used for the formation of fiberglass products and it requires additional studies as of today. Over the years since its introduction the quality of fiberglass pipes was improved and the product was differentiated due to the incorporation of the new elements to its structure, equipment and its additional assemblies. However, in spite of the use of the high-quality components of PCMs, the determination of their optimal performances and the optimization of the working temperature range and simultaneously process parameters the production of the products made of PCM using this method still remains practically uninvestigated. By the way, this method enables the production of the goods with improved operating performances and the resolution of the problems dealing with the fabrication of their more complicated structures. Special attention should be paid to the transversal and isotropic structure of fiberglass products. Contemporary equipment available for the realization of the CLTW method enables the formation of the items of a different transversal and isotropic structure. However, the issue of its effect on the basic physical and mechanical properties of the products has not been studied so far. By studying their interaction it is possible to define their optimal transversal and isotropic structure for each individual article made of fiberglass reinforced plastic depending on the conditions of its loading and operation in the appropriate industry and under appropriate conditions. It is known that the fibreglasses are resistant to the action of many corrosive media and the resistance to the action of a certain environment is defined by the chemical nature of the polymer matrix. As for the fiberglass reinforced plastic pipes formed using the CLTW method the consideration is given today only to the issue of their strength and the issue of their increased resistance with regard to different operating conditions requires additional studies. It should be noted that many process parameters have an effect on the chemical stability of fiberglass reinforced plastics and these parameters differ depending on the method of the product formation, therefore the effect of different corrosive media should also be studied depending on the demands made by their application fields. Taking into consideration the aforementioned and the scanty research of the CLTW method we can state with confidence that the subject of this PhD thesis is topical and it is of great scientific and practical interest for the different promising industries of the FPT operation. The objective and tasks of the research. The objective of this research is modification of PCM for production of engineering fiberglass reinforced plastic pipes by change and control of transverse and isotropic structure in the CLTW process, improvement of the process parameters of ingoing material, optimization of technological modes for the purpose increase and stabilization of operational properties of finished goods. In order to attain the specified goal the following basic tasks should be resolved: - studying the structuring process of fiberglass reinforced plastic products exposed to the action of the infrared radiation, defining the process parameters that have an effect on the impregnation quality of the filler with polymer compounds and based on the obtained results we will be able to establish the effect of the impregnation quality on the operating performances of the fiberglass reinforced plastic products; - establishing the effect of the different transversal and isotropic structures of fiberglass reinforced plastic products produced using the CLTW method on the physical and mechanical properties in longitudinal and transverse directions and their ratio, defining the process of obtaining of fiberglass reinforced plastics with appropriate strength indices by way of the variation and control of the transverse isotropic structure; - studying and determining the structuring process mode to get rid of the lamination during the production of thick-walled fiberglass reinforced plastic goods; - investigating the polymer compound structuring degree by infrared spectroscopy and differential scanning colorimetry, comparing the obtained data with the data obtained by the traditional extraction method and determining the optimal express method for estimating the polymer compound structuring degree; - studying the effect of the fillers of a different chemical nature and of a different technological process of their production, some epoxy oligomers fabricated by different manufacturers and their curing systems on the impregnation quality and a change in physical and mechanical properties of final products and developing curing systems for polyester and vinylester oligomers for the purpose of their processing using the CLTW method in the uninterrupted process; - studying the stability of the obtained products in different operating conditions for the purpose further expand the application fields; - developing the improved process flow chart for the production of the products with different transversal and isotropic structure based on the obtained research data and using the method of the uninterrupted and periodic cross-fiber longitudinal and transverse winding. Scientific novelty of the obtained data. Based on the theoretical and experimental investigations of fiberglass products with different transversal and isotropic structure that were obtained using the CLTW method, this thesis established for the first time: - the availability of the dependence between the transversal and isotropic structure of obtained products and their physical and mechanical properties in longitudinal and transversal directions and their ratio was established; - the dependence between the impregnation process quality of the filler with a polymer compound and the physical and mechanical properties of the products is investigated; - by improving the impregnation property of the filler by the polymer compound the lamination process was minimized and a maximum wall thickness (with respect to the inner diameter) of fiberglass reinforced plastic products was increased; - new formulations were developed for the curing systems of polyester and vinylester compounds enabling thus the uninterrupted technological process; - the expediency of the use of IRS and DSC as an express method for the evaluation of the structuring degree of the compounds used for the fabrication of the fiberglass reinforced plastic products was established; - it was shown that the fiberglass reinforced plastic products obtained using the CLTW method can be applied for the use under many corrosive physical and chemical operating conditions. Practical importance of obtained data. The uninterrupted CLTW method of the formation of fiberglass reinforced plastic products and directly the products that are characterized by a different transversal and isotropic structure were studied for the first time using the systematic large-scale integral approach. By varying the transversal and isotropic structure, in particular the ratio of the filler that is embedded in longitudinal and transversal directions in a wide range we managed to obtain fiberglass reinforced plastic products with a different ratio of the failing stress in longitudinal and transversal directions and provide an opportunity for the production of a wide range of the products with appropriate physical and mechanical properties. The research data obtained to improve the impregnation quality allowed us to raise the strength margin for fiberglass-reinforced plastic products and enabled thus their application under increased loading conditions increasing thus the equipment efficiency, decreasing the number of rejected goods and giving an opportunity to us to select ongoing materials with optimal technological properties. The studies of the polymer polyester and vinylester-based compounds enabled the extension of the range of corrosive media that can be transported by fiberglass reinforced plastic pipes produced using the CLTW method. All the research data were implemented by the Limited Liability Company “Fiberglass Plastic Pipes” (city of Kharkiv ) and the Limited Liability Company “Science and Industry Plant Plastar” (city of Kharkiv) and it resulted in the extension of the fields of application of the products made of fiberglass reinforced plastic, for example, the transportation of oil products under the internal pressure of up to 10 MPa or the transportation of corrosive media (sulphuric acid, pentachlorhydrogen acid, alternate transportation of the solutions of caustic alkali and nitrate acid). The research data were confirmed by Implementation Statements. The students majoring in the specialty of 161 “Chemical Technologies and Engineering” also contributed to this thesis by their graduation thesis. The research data were included into the lecture course sections on “Polymer Mixtures and Composites”, “Basics of Creating Polymer Mixtures and Composites” and hands-on lessons for the “Polymer Strength” course that is confirmed by the Statements of the application of the thesis data for the educational process at the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers. Thesis conclusions. This thesis delves for the first time into the entire set of systematic research that enabled the modification engineering glass-fiber PCM and on their basis pipes formed using the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding with improved operating properties that are characterized by a different transversal and isotropic structure. As a result, the following scientific and practical results were obtained: 1. The dependence of physical and mechanical properties of the structural fiberglass reinforced plastics on their transversal and isotropic structure was established and it was shown that it can be changed in the course of the technological process enabling thus the prediction of the production of fiberglass reinforced plastic products with the appropriate indices of the failure stress in longitudinal (from 320 to 165 MPa) and transversal (from 360 to 510 MPa) directions or their ratio in the range of the anisotropy coefficient from 1.2 to 3 depending on the demands made by the fields of their operation. The research done confirmed a direct dependence of the amount of the filler embedded in a certain direction on the strength indices of the products in either direction. The obtained data allow us to essentially reduce the number of tests carried out to define the product quality and satisfy the requirements of the appropriate fields of operation. 2. It was proved that the main criterion that defines stable and high operating performances of the fiberglass reinforced plastic products is the polymer compound composition and the quality of its impregnation with the filler. The thesis defines the process of structuring fiberglass under the action of infrared radiation, the technological parameters of the process and their adjustment to the operating performances of the process assemblies of the operating equipment used for the cross-fiber longitudinal and transversal winding, and the modernization and optimization of their joint operation contributes to the improved impregnation quality (reducing the content of the polymer compound from 42.3 to 27%, increasing the degree of structuring from 92.8 to 97.8%) and as a consequence it results in the improvement of physical and mechanical properties by 340% in the longitudinal and 420% in the transversal directions, increasing the level of tightness by 8.5 times and stabilization of the set of achieved properties of appropriate products. 3. The research done allowed us to resolve a complex problem dealing with the specification of the optimal temperature modes required for the structuring of polymer compounds in the uninterrupted process of cross-fiber longitudinal and transversal winding with a different ratio of the wall thickness to the inner diameter of the products at a maximum possible equipment operation efficiency (6 m/h for the ratio of wall thickness to the inner diameter not more than 0.03; from 4 to 5 m/h in the range of the ratio from 0.03 to 0.05; from 3 to 4 m/h in the range of 0.05-0.06; from 2 to 3 m/h in the range of 0.06-0.08; not more than 2 m/h when the ratio of wall thickness and inner diameter is more than 0.08) providing the production of lamination-free products with high and stable operating performances. The process requirements were defined (the beginning of the intensive structuring process at a point 900 mm from the beginning of the mandrel, the maximum structuring temperature is not more than 160 0C, the product temperature at the end of the mandrel is not more than 110 0C) and their observation enables the production of high-quality products with no lamination and the process efficiency is not degraded. 4. It is shown that one of the main indices of the production of high-quality products is the structuring degree of the polymer compound, maintaining which within at least 96% allows obtaining products with the greatest physical and mechanical properties, and their reduction to 94% and 90% leads to loss of failure stress 10% and 20% respectively. The comparative investigation of the standard method of the determination of the structuring degree by extraction method (using the Soxhlet’s apparatus) was carried out and consideration was given to the new methods of the estimation of the structuring degree based on the infrared spectroscopy and differential scanning colorimetry. The advantages of these methods namely the speed and accuracy of obtaining research results were given, IRS and DSC were suggested for the use as express-methods for the determination of the structuring degree of the polymer compound and it gives us an opportunity to speed up the process of the cross-fiber longitudinal and transversal winding with no-stop of the equipment and increase the level of the control of the structuring degree. 5. The epoxy compound impregnation process of the glass and basalt fillers of a different production technology and with a different linear density and diameter of the elementary fiber was studied and a specific type of the filler was defined and recommended the use of glass filler obtained in a single-stage process with the smallest elemental fiber diameter (13 μm) and linear density (600 g/km) to ensure the maximum value of the destructive stress in case of loss of tightness of fiberglass products at 140 MPa and basalt filler that allows to increase the physical and mechanical properties by 38%, which is accompanied by a decrease in the destructive stress in the event of a loss of tightness to 8.5 MPa. 6. The opportunity for the use of the epoxy fiberglass reinforced plastic products for the transportation of many liquid and gaseous corrosive media including oil, nitrate acid, sulphuric and chloric acids and perchloric acids, cold and hot drinking water, process water, the waste of sugar and alcohol production, the sewage water of the cleansing of the cheese production sections, etc. To increase the number of industry whose production process is related to the use of corrosive media the investigations were carried out to establish if these can be transported by fiberglass reinforced plastic pipelines. Consideration was given to the opportunity of the use of polyester and vinylester compounds that were earlier not used for the technological process of the cross-fiber longitudinal and transversal winding. To realize these opportunities a new curing system (a mixture of tert-butyl benzoate peroxide and methyl isobutyl ketone peroxide in a ratio of 0.8: 1 ppm at 100 m.h. oligomer) was developed. This system satisfies all the technical requirements set to the uninterrupted process of cross-fiber longitudinal and transversal winding. This system was studied and successfully used for the production of fiberglass plastic products based on polyester and vinylester compounds. 7. Based on the obtained research data the improved principal flow charts were developed for the production of the engineering fiberglass reinforced plastic products using the method of cross-fiber longitudinal and transversal winding and these principal flow charts enables the optimization of the temperature and technological modes of the structuring process and their compliance with the operation of the updated process equipment. It gives us an opportunity to produce the products with an appropriate transversal and isotropic structure that meets the loading conditions and also with appropriate studied polymer compounds and fillers suitable for operation conditions. The developed process flow charts provide for the realization of the cross-fiber longitudinal and transversal winding using uninterrupted and periodic approaches. The thesis research data were implemented by many Companies, in particular by the Limited Liability Company “Fiberglass Plastic Tubes”, Limited Liability Company “SPC Plastar”, and these data have also been used for the educational process to give lectures on “Polymer Mixtures and Composites” and “the Basics of the Formation of Polymer Mixtures and Composites”, to conduct the hands-on lessons on the “Polymer Strength”, and these are also used by the students writing their term papers and graduation thesis at the Department for the Technology of Plastic Masses and Biologically Active Polymers of NTU “KhPI”.
Опис
Ключові слова
дисертація, склопластикові вироби, косошаре поздовжньо-поперечне намотування, трансверсально-ізотропна структура, фізико-механічні властивості, ступінь структурування, руйнівна напруга, полімерний компаунд, скляний наповнювач, інфрачервона спектроскопія, fiberglass reinforced plastic products, cross-fiber longitudinal and transversal winding, transversal and isotropic structure, physical and mechanical properties, structuring degree, failure stress, polymer compound, fiberglass filler, infrared spectroscopy
Бібліографічний опис
Карандашов О. Г. Модифікація конструкційних склопластиків для одержання труб намотуванням [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 161 : галузь знань 16 / Олег Георгійович Карандашов ; наук. керівник Авраменко В. Л. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2020. – 205 с. – Бібліогр.: с. 152-173. – укр.