Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




22.02.2018


22.02.2018


22.02.2018


22.02.2018


21.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018


20.02.2018





Яндекс.Метрика
         » » Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

31.03.2016

Технология изготовления каркасных композитов заключается на первом этапе в формировании каркаса по форме будущего изделия путем склеивания друг с другом, зерен крупного заполнителя и на втором этапе — в пропитке пустот каркаса матричными композициями. Важнейшими характеристиками технологии изготовления каркасных композитов являются: оптимальное соотношение связующего и заполнителей; режимы уплотнения к отверждения каркаса; реологические параметры матричных композиций; режимы пропитки каркаса и отверждения изделий.
В каркасе для каждой пары связующее — заполнитель должно соблюдаться их оптимальное соотношение. При содержании связующего более оптимального количества излишки будут стекать с заполнителей в низ формы, а при недостаточном его количестве характерно некачественное обволакивание им зерен крупного заполнителя и непрочное соединение в межзеренных контактах. С целью определения оптимального состава полимерных каркасов были проведены исследования на эпоксидных, полиэфирных и карбамидных связующих, гранитных и керамзитовых заполнителях. Вначале заполнители крупностью 5—10 мм из гранитного щебня и керамзита размешивались с заведомо большим количеством полимерного связующего, затем масса подвергалась вибрированию на сите в течение 10 с, после чего оставшаяся смесь взвешивалась. При выполнении исследований в качестве полимерных композиций рассматривались следующие составы (в мас. ч.): эпоксидная смола ЭД-20 — 100, полиэтиленполиамин — 10; полиэфирная смола ПН-1 — 100, гилериэ — 5, нафтенат кобальта — 10; карбамидная смола КФЖ — 100, пиритные огарки — 80, Полученные результаты расходов составляющих компонентов для каркасов приводятся в табл. 3.1.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Как видно из таблицы, расход связующего в каркасе определяется его реологическими характеристиками, а также поверхностной пористостью заполнителей. При снижении вязкости связующего его расход уменьшается; это объясняется тем, что заполнители покрываются более тонкой пленкой (рис. 3.1). Толщина клеевого слоя на зернах заполнителя является важным структурным параметром, с помощью которого можно регулировать интенсивность напряжений в структурных элементах каркасного композита, возникающих от усадки матрицы и внешней нагрузки.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Для практического применения были получены экспериментальные данные, характеризующие толщину полимерной пленки на зернах заполнителя с размерами и удельной поверхностью соответственно 2,5—5, 5—10 мм и 1,8, 0,74 м2/кг (табл. 3.2).
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Данные таблицы 3.1 также показывают, что при увеличении поверхностной пористости заполнителей расход связующего в каркасах увеличивается. Пористые заполнители за счет капиллярных сил впитывают связующее, поэтому или его становится недостаточно для склеивания заполнителей, или на зернах образуется слишком тонкая оболочка. Это ведет к снижению прочности и долговечности каркасов, так как тонкий клеевой слой разрушается при малых механических нагрузках и становится проницаемым для агрессивных жидкостей. В этой связи операция по предотвращению впитывания клеевой композиции пористыми заполнителями является важной. С целью повышения их прочности можно предусмотреть пропитку пористых заполнителей связующими, причем процессы упрочнения заполнителей и приготовления каркасов могут протекать одновременно или раздельно. При получении каркасов на пористых заполнителях необходимо учитывать соотношение (2.28).
Уплотнять каркасную смесь на полимерных связующих можно вибрированием или прессованием. Исследования на вибростоле с частотой и амплитудой вибрирования соответственно 550 кол/мин и 0,4 мм показали, что эффективная продолжительность воздействия составляет 8—10 с. Если этот процесс протекал в течение большего времени, то связующее стекало с поверхности заполнителей в низ формы и прочность каркаса снижалась. При оптимальной продолжительности вибрирования этот показатель повышался на 30—40 %. Такие же результаты достигнуты при уплотнении каркаса нагрузкой, величина которой принималась на 20—30 % меньше, чем прочность заполнителей. Для полимерного каркаса на гранитном заполнителе наибольшая прочность каркаса получена при уплотнении нагрузкой 50 МПа.
Отверждение полимерного каркаса может осуществляться в нормальных температурно-влажностных условиях или с применением обогрева. Кинетика нарастания прочности каркасов на эпоксидном связующем и гранитных заполнителях приведена на рис. 3.2. Максимальная прочность достигается через 14 сут твердения. При добавлении растворителя набор прочности происходит медленнее.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Для ускорения отверждения полимерных композитов чаще всего применяется термическая обработка. Оптимальный режим термообработки каркасов на полиэфирном, эпоксидном и карбамидном связующих устанавливался с помощью математических методов планирования эксперимента. Изолинии предела прочности при сжатии эпоксидного и полиэфирного каркасов на гранитном заполнителе и предела прочности при изгибе и сжатии карбамидного каркаса на кирпичном бое в зависимости от температуры и длительности прогрева, полученные по плану Коно, состоящему из 9 опытов, приведены на рис. 3.3 и 3.4. Наибольшая прочность каркаса на полиэфирном связующем (ПН-1 — 100 мас. ч., гипериз — 4, нафтенат кобальта — 8 мае. ч.) достигается при температуре 40 °C с длительностью прогрева 6 ч, каркаса на эпоксидном связующем (ЭД-20 — 100 мас. ч., полиэтиленпалиамин — 10 мас. ч.) — при температуре 90 °C с длительностью 4 ч и каркаса на карбамидном связующем (КФЖ — 100 мас. ч., пиритные огарки — 80 мас. ч.) — при температуре 100 °С с длительностью 12 ч.
К пропиточным матрицам каркасных композитов должны предъявляться требования по оптимизации соотношения размеров их наполнителей с размерами заполнителей каркаса, а также по вязкости.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Зная размеры заполнителей каркаса и толщину пленки связующего на поверхности зерен, допустимую величину крупности наполнителей для пропиточной матрицы подбирают по графику. Предельно допустимая вязкость полимерных матриц для пропитки каркасов определена экспериментально, Отвержденные образцы из каркасной смеси на гранитном заполнителе фракции 5—10 мм и эпоксидной склейке пропитывались полиэфирными связующими различной вязкости, которую регулировали количеством наполнителя. В качестве последнего применяли тонкоизмельченный кварцевый порошок — маршалит. Вязкость полимерных композиций определяли согласно методике, разработанной НИИЖБ. О качестве пропитки судили по структуре отвержденного композита. Предельную вязкость определяли для двух случаев. Разница состояла в том, что в одном варианте пропитка осуществлялась с вибрированием, а в другом — без него. Изломы обоих образцов показали, что превышение вязкости связующего по вискозиметру ВП-3 соответственно меньше 15 и 20 см ведет к появлению пор в структуре полимербетона.
В настоящее время реологические свойства полимерных композиций широко освещены в литературе, однако изменение вязкости композиций в зависимости от степени, наполнения, удельной поверхности, формы и природы наполнителя исследованы недостаточно полно. Для проведения данных экспериментальных исследований нами использовались предварительно высушенные при 200 °C различные минеральные и искусственные наполнители. На рис. 3.5 приведен график зависимости вязкости композиций от дисперсности наполнителя. По нему можно определить критическую степень наполнения композиций при разной дисперсности. При одинаковых ее показателях вязкость композиций наибольшая при волокнистой и наименьшая — при шарообразной форме наполнителя (рис. 3.6). Для каркасных композитов важными являются методы снижения вязкости наполненных матриц, что позволяет повысить степень наполнения пропиточных композиций и тем самым снизить расход дорогостоящих полимерных связующих. Для снижения вязкости пропиточных матриц могут быть применены известные способы модифицирования поверхности наполнителя, а также различные пластифицирующие добавки.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих

Продолжительность технологического процесса изготовления изделий из каркасных композитов и повышение их прочности во многом определяются скоростью и качеством заполнения пустот каркаса связующим. Наши исследования показали, что это возможно за счет применения методов интенсификации: вибрирования, создания термоградиента и обработки поверхности каркаса поверхностно-активными веществами. Образцы из каркасного композита, провибрированные во время пропитки в течение 10 с на вибростол с, показали повышение прочности при сжатии на 15 % по сравнению с невибрированными. Такое же повышение прочности достигнуто при термоградиентном способе пропитки, который заключался в пропитке нагретого до температуры 90 °C каркаса матрицей, имевшей температуру 20 °С. Наибольший эффект достигается при комбинации вышеприведенных способов. В этом случае прочность повышается на 20 %. К резкому повышению скорости пропитки каркаса матрицей привело применение кремний-органической эмульсии, бутанола и бензина. Скорость движения полимерной матрицы через каркасы, поверхность которых обрабатывали этими веществами путем кратковременного погружения, увеличивалась более чем в 2 раза.
Твердение полимерных композитов осуществляется при нормальных температурно-влажностных условиях. Ускорение отверждения достигается при повышенной температуре. У каркасных композитов прочность в начальное время твердения выше, чем у материалов, получаемых обычным смешиванием компонентов. Это объясняется тем, что каркасные композиты имеют начальную прочность, равную прочности каркаса. Испытанием образцов на полиэфирных связующих и керамзитовом заполнителе установлено, что эксплуатационная прочность (70 % от максимальной) у каркасного полимербетона при отверждении в нормальных условиях достигается за 2,5 сут, у полимербетона же, получаемого простым смешиванием компонентов, — за 4 сут (рис. 3.7). При термообработке каркасных композитов на полимерных связующих следует руководствоваться результатами исследований, приведенными в работах В.И. Соломатова, Ю.А. Соколовой, И.М. Елшина и других исследователей.
Технология изготовления каркасных композитов с использованием полимерных связующих