СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВВЕДЕНИИ КОМПОНЕНТОВ В СОСТАВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

SYNERGISTIC EFFECT WITH SIMULTANEOUS INTRODUCTION OF THE COMPONENTS INTO COMPOSITE MATERIAL COMPOSITION доктор технических наук, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Стородубцева Т.Н.

аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии

Томилин А.И.

ФГБОУ В ПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» Storodubtseva T.N., Tomilin A.I.

FSBEI НРБ «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies» Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

DOI: 10 Л2737/3058

Abstract. Article is devoted to the rational use of local raw materials and industry waste, forestry and agriculture wastes the chemical industry. Thus, this article discussed application of composite materials in the local raw materials and waste industry, namely FAM resin containing furfural, which is derived from approaches from forestry and agriculture; lumpy waste wood processing, chemical industry waste - flour and pyrite cinder bottoms butadiene rubber production, as well as waste engine oil. Characteristics of developed composites were obtained using the formulas of the strength of materials science, i.e. within the justice of Robert Hooke law, on which this science is based.

Keywords: composite, Synergetics, chips, pyrite cynders, fiberglass, mechanical characteristics.

Весьма актуальным в настоящее время является использование в композиционных материалах отходов лесного комплекса, промышленности, сельского хозяйства и т. д.

Исследованы зависимости основных механических характеристик полимерной песчаной матрицы ФАМ от содержания в ней структурообразующих компонентов древесностекловолокнистого композиционного материала - модифицирующих наполнителей (графитовая мука, мука из пиритовых огарков), замедлителя реакции кристаллизации (глицерин) бензолсульфокислоты (БСК) и армирующих заполнителей (стеклосетка и кусковые отходы переработки древесины - щепа), которые вводили в ее состав вначале порознь, а затем одновременно. В подавляющем большинстве случаев эти зависимости были представлены графоаналитическими моделями в виде полиномов третьей степени и построенными с их использованием кривыми, что подтверждалось минимальными значениями сумм квадратов отклонений и возможностью количественно и качественно оценить физический смысл процессов при формировании микро- и макроструктуры, включая армирование, композиционного материала (КМ).

Так, свободный член полиномов представляет собой значение характеристики песчаной матрицы, снижение ее величины в начале наполнения - нарушение ее структуры и появление очагов концентрации напряжений, последующее повышение - оптимизация структуры нового композита. Основные зависимости приведены в таблице 1 и на рисунке.

С их помощью возможно нахождение экстремальных значений характеристик, выявление зоны благоприятных свойств композитов.

В результате сделаны следующие выводы:

  • - введение в базовый состав полимерной матрицы ФАМ графитовой и пиритовой муки повышает прочностные и упругие характеристики КМ, а также водостойкость, однако увеличение содержания графитовой муки в смеси приводит как бы к '’смазке” частиц структуры отвержденного композита, их «скольжению» под нагрузкой. Такой же эффект наблюдается и при введении глицерина.
  • - роль армирующего заполнителя - щепы - заключается в повышении из- гибной прочности ДСВКМ и снижении его массы. С этим связана необходимость ее высушивания до влажности 7...8 %, что, кроме этого, обеспечивает пропитку древесины смолой ФАМ, которая, проникая в поры древесины в процессе отливки, отверждается в ней, защищая от гниения. Однако, как показали дальнейшие исследования, такой защиты оказалось недостаточно.
  • - стеклосетка повышает изгибную прочность, предельную растяжимость и трещиностойкость ДСВКМ, однако размещение ее по всей высоте поперечного сечения из-за ее высокой стоимости нецелесообразно, т.к. функциональная роль этого заполнителя заключается, в первую очередь в повышении названных величин в нижних и верхних слоях поперечного сечения, например, шпалы, подвергающейся действию знакопеременных нагрузок.
Графики зависимости характеристик композита от содержания щепы

Рисунок - Графики зависимости характеристик композита от содержания щепы

В результате исследований выявлено наличие синергетических эффектов, обеспечивающих формирование прочной структуры конечных композитов (древесностекловолокнистых и стекловолокнистых композиционных материалов) и неаддитивность полученных характеристик (см. таблицу 2).

А именно, введение модифицирующих и армирующих компонентов в состав полимерной песчаной матрицы, а также их гидрофобизация, повышена прочность при изгибе в два раза, предельная растяжимость в 19 раз и снижены величины модулей упругости материала и его массы в 1,2... 1,7 раза.

Таблица 1 - Зависимости основных механических характеристик промежуточных композитов на смоле ФАМ от содержания структурообразующих компонентов }

Формула зависимостей характеристик от содержания структурообразующих компонентов

Количество структурообразующих компонентов, %, соответствующее максимальной характеристике

Значения максимальных характеристик в точке экстремума кривых, МПа

1

2

3

Графитовая мука (Гр)

а чи =11,2-1,01Гр+0,67Гр2-0,083Гр3, МПа

5,0

12,57

1

2

3

Е чи =(1.60+0,01Г р+0,058Гр2-0,0085Гр3)-104, МПа

4,2

1,94-104

°СЖ =83,36-32,39Гр+16,68Гр2-2,00Гр3, МПа

4,3

92,68

Есж =(2,34-0,049Г р+0,026Г р2-0,003Гр3)-104, МПа

4,6

2,37-10“

Мука из пиритных огарков (ПО)

ер =0,028+0,0062Гр+0,064Гр2-0,00875Гр3, %

5,0

0,57

стчи = 18,85+2,35ПО-0,32ПО2+0,01 ПО3, МПа

5,0

23,85

Е чи =( 1,7+0,129ПО-0,0255П02+0,0016П03)-104, МПа

4,2

1,9110“

асж =82,29-30,7П0+12,27П02-1,15П03, МПа

5,0

91,8

Есж =(2,14-0,139ПО+0,1127П02-0,011ПО3)104, МПа

5,9

2,98-10“

еР =0,029+0,22ПО-0,024П02+0,00002П03, %

4,6

0,531

Стеклосетка

(СС)

стчи =11,5-2,28СС+5,74СС2 -0,98СС3, МПа

3,7

31,5

Е чи =( 1,69-0,49СС+0,21СС2- 0.026СС3)-104, МПа

3,6

1,43 10"

°сж =84,16-44,21СС+25,13СС2-4,09СС3, МПа

3,0

67,27

Е сж =(2,14+0,0464СС- 0,0058СС2+0,00014СС3)104, МПа

3,6

2,22-10“

s р =0,025-0,02СС+0,15СС2-

-о,озсс3, %

3,6

0,50

Щепа (Щ

)

стчи = 11,4-1,75Щ+0,29Щ2-0,01Щ3, МПа

14,6

16,68

Ечи =(1,7-0,03Щ+0,00347Щ2-0,00011Щ3)-104, МПа

12,7

1,66-10“

°сж =83,62-3,85Щ+0,505Щ2-0,016Щ3, МПа

16,5

85,76

Е сж =(2,14-0,027Щ+0,0035Щ2-0,00012Щ3> 104, МПа

13,4

2,1210’

еР =0,029-0,0025Щ+0,00205Щ2-0,000085Щ3, %

15,3

0,17

*чи , асж - пределы прочности при чистом изгибе и сжатии; ^чи , Есж - модули упругости при чистом изгибе и сжатии; 8р - предельная растяжимость.

Таблица 2 - Сводная таблица максимальных механических характеристик композитов на стадиях создания древесностекловолокнистого композиционного материала

Композиционные

материалы

Содержание

компонентов

Средние арифметические величиныха]

рактеристик

сж

СТПЧ

_и ^ пч

Есж Еи

спр

ЬР

Р

МПа

%

т/м3

Полимер- раствор на песке (матрица)

ФАМ:БСК:П

1:0,25:6,8

85,0

11,2

2,14-104

1,71-Ю4

0,029

2,00

Полимербетон со щебнем

ФАМ:БСК::П:

ЩБ

1:0,24:3,9:5,4

67,0

10,8

1,90-104

2,30-104

0,028

2,40

Полимерраствор + ст. сетка

% СС от массы матрицы 3,6

67,3

31,0

2,22-104

1,43 -104

0,51

1,90

Полимер- раствор + графитовая мука

% Гр от массы матрицы 5,0

93,0

12,6

2,37-104

1,94-104

0,57

2,0

Полимерраствор + мука из ПО

% ПО от массы матрицы 5,0

91,8

23,0

2,98-104

1,90-104

0,53

2,0

Полимер-аствор

+щепа

% Щ от массы матрицы 15,0

85,0

16,7

2,0-104

1,60-104

0,17

1,40

Песок, добавки и щебень

Состав по [2]

25,4

26,8

1,80-104

1,70-104

0,40

1,60

Предложены составы древесностекловолокнистых композиционных материалов [1] со свойствами, соответствующими или превышающими заданные институтом железнодорожного транспорта характеристики, а именно согласно

патенту №2215705 [2], например, =30...35 МПа (6 МПа и более при смятии), а™ =

21...24 МПа (15...20 МПа), ?рР =0,4...0,6% (незадана), Р = 1,0... 1,4т/м3 (0,9... 1,2т/м3), W=0,7.. .0,9 % (менее 6 %).

Библиографический список

  • 1. Стородубцева, Т.Н. Обеспечение трещиностойкости композиционного материала на основе древесины для железнодорожных шпал при отверждении и всестороннем увлажнении [Текст]: автореф. дис. ...канд. техн. наук / Т.Н. Стородубцева; Воронеж, гос. лесотехн. акад.- Воронеж, 1999 - 20 с.
  • 2. Патент № 2215705 РФ. Состав для композиционного материала [Текст] / Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, Ю.А. Репяков; Воронеж, гос. лесотехн. акад. -№ 2001110516; заявл. 17.04.2001; опубл. 20.11.2003, Бюл. №31.-9 с.

УДК 691.32:678.06

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >