161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
Документ Модифікація конструкційних склопластиків для одержання труб намотуванням(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Карандашов, Олег ГеоргійовичДисертація 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".