ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Кузьмин Антон Михайлович

• Кузьмин Антон Михайлович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмин Антон Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕ- 11 ДОВАНИЯ

1.1 Структура, основные особенности образования и утилизации 11 отходов современного сельскохозяйственного производства

1.2 Термопластичные древесно-полимерные композиционные ма- 14 териалы инженерно-технического назначения (ДПК)

1.2.1 Области использования, состав, достоинства и недостатки ДПК

1.2.2 Эксплуатационные и технологические свойства ДПК

1.2.3 Полимерные связующие ДПК и требования к ним

1.2.4 Назначение, методы получения и требования к мелкодисперс- 22 ным древесно-растительным наполнителям

1.2.5 Назначение модифицирующих добавок ДПК и требования к 25 ним

1.3 Технологические процессы и оборудование для производства 29 ДПК и переработки их в изделия

1.3.1 Общие положения

1.3.2 Применяемое оборудование

1.4 Методы изучения эксплуатационных и технологических харак- 38 теристик ДПК

1.4.1 Приборы и методы изучения физико-механических свойств 39 ДПК

1.4.2 Приборы и методы изучения реологических свойств ДПК

1.5 Принципы проектного расчета оборудования и оснастки для 46 производства и переработки композиционных материалов

1.6 Цели и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМ- 54 ПРЕССИОННОГО ФОРМОВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ ГРАНУ-ЛЯТА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

2.1 Разработка математической модели нестационарного процесса 54 компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композитов

2.1.1 Описание основных стадий процесса

2.1.2 Обоснование и расчет теплофизических характеристик компо- 57 зитов

2.1.3 Основные допущения, граничные условия и уравнения модели

2.2 Численный анализ процесса компрессионного формования пла- 78 стин из гранулята термопластичных композиционных материалов с растительными наполнителями

2.2.1 Анализ процесса формования пластины зернового конвейера из 78 гранулята состава

2.2.2 Анализ процесса компрессионного формования плитки для на- 85 стила из гранулята состава

Выводы по главе

3 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ 92 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика изучения физико-механических характеристик расти- 92 тельных материалов и энергоемкости их измельчения

3.2 Методика изучения измельчения растительных материалов на 94 ножевой мельнице РМ 120 и шаровой мельнице «Пульверизет-те-7» «Premium Line»

3.3 Методика компаундирования компонентов композиционных 96 материалов на лабораторном смесителе периодического действия PolyLab Rheomix 600 OS

3.4 Методика тарировки объемных дозаторов лабораторного 99 двухшнекового экструдера-компаундера сонаправленного вращения PolyLab Rheomex PTW16

3.5 Методика компаундирования компонентов композиционных 101 материалов на лабораторном двухшнековом экструдере-компаундере PolyLab Rheomex PTW

3.6 Методика компрессионного формования пластин для физико- 105 механических и реологических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-#50C

3.7 Методики исследования технологических и эксплуатационных 106 характеристик композитов

3.7.1 Методика исследования физико-механических характеристик

3.7.2 Методика испытаний на влагопоглощение

3.7.3 Методика исследования реологических характеристик распла- 110 вов в режиме вынужденных колебаний

3.7.4 Методика исследования трибологических характеристик ком- 112 позитов

3.7.5 Методика исследования компрессионных характеристик компо- 114 зитов

3.8 Методика расчета нестационарного процесса компрессионного 118 формования пластин из гранулята термопластичных композитов Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕ- 123 СКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты изучения физико-механических характеристик рас- 123 тительных материалов и энергоемкости их измельчения

4.2 Результаты изучения процессов измельчения растительных ма- 125 териалов в одностадийном и двухстадийном режимах.

4.3 Исследование влияния дисперсности и содержания растительного наполнителя на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД

4.4 Исследование влияния вида, дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики композитов на основе ПЭНД

4.5 Разработка составов, исследование эксплуатационных и технологических характеристик многокомпонентных композитов

4.5.1 Разработка составов многокомпонентных композитов конструкционного назначения

4.5.2 Исследование технологических характеристик многокомпонентных композитов

4.5.3 Результаты сравнительной оценки трибологических характеристик композитов и капролона

4.6 Исследование непрерывного техпроцесса производства грану-лята из созданных композиционных материалов на двухшнеко-вом экструдере-компаундере Rheomex PTW 16 PolyLab

4.7 Исследование технологических процессов экструзии модельных тонкостенных изделий из термопластичных композитов составов 1 и

4.8 Проверка адекватности математической модели нестационарного процесса компрессионного формования пластин

Выводы по главе

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ РАЗРАБОТАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ПРОИЗВОДСТВА В АПК

5.1 Рекомендации по применению разработанных термопластичных композитов в объектах сельскохозяйственного машиностроения

5.2 Рекомендации по применению разработанных термопластичных композитов в объектах сельскохозяйственного строительства

5.3 Расчет экономической эффективности предлагаемых мероприятий

5.3.1 Расчет экономической эффективности применительно к объектам сельскохозяйственного машиностроения

5.3.2 Оценка экономической эффективности применительно к объектам сельскохозяйственного строительства

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЯ

61

63

69

71

73

77

78

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Производство основного сельскохозяйственного продукта в АПК связано с образованием большого количества отходов. Выход продукта иногда составляет 15-30% от массы исходного сырья. В растениеводческих отраслях АПК России ежегодно образуется до 150 млн. тонн соломы, которая в основном сжигается на полях или запахивается в землю.

Годовой объем образующихся в РФ полимерных отходов по данным 2012 года составляет значительную величину - около 900 тыс. тонн при уровне их утилизации не выше 13%. Свалками ежегодно загрязняется до 10 тыс. га земель, в том числе плодородные земли, изымаемые из сельскохозяйственного оборота. При этом решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений. Так, например, стоимость уничтожения отходов пластмасс примерно в 3 раза превышает расходы на уничтожение бытовых отходов.

Экономически целесообразным решением является переработка полимерных и растительных отходов с получением экологически чистых термопластичных композиционных материалов. Важнейшими продуктами конечной переработки могут быть детали сельхозмашин, строительные материалы, элементы домашней и офисной мебели и др., что позволяет получить значительный экологический и экономический эффект.

В РФ решение проблемы внедрения биоразлагаемых композиционных материалов предусмотрено планом «Развитие биотехнологий и генной инженерии» (распоряжение Правительства РФ от 18.07.2013 г. №1247-р).

Степень разработанности темы. Анализ и систематизация работ таких исследователей, как А.В. Абушенко, В.К. Астанин, В.В. Богданов, И.А. Валеев, В.Н. Водяков, С.И. Вольфсон, И.В. Воскобойников, В.В. Глухих, И.Г. Голубев, Т.В. Ефимов, А.А. Клесов, М.Л. Кербер, И.Н. Мусин, И.В. Скопинцев, В.А. Ушков, Н.И. Шубин и других, посвященных созданию, использованию, изучению свойств и технологиям переработки полимерных

композитов, позволили определить научную проблему и направления дальнейших исследований.

Несмотря на большое количество исследований в области композитов с полимерным связующим, в том числе термопластичных древесно-полимерных композитов, возможности совершенствования их состава и технологий производства далеко не исчерпаны. В частности, недостаточно изученными остаются проблемы использования мелкодисперсной соломы в качестве наполнителя термопластов, различных видов минеральных добавок, технологии переработки таких композитов в изделия методом компрессионного формования, а также их эксплуатационные и технологические характеристики.

Работа выполнена в рамках проекта «Разработка процесса получения термопластичных композиционных материалов на основе древесно-растительных отходов» (госконтракт с правительством РМ №16-ГК/2013), отвечающего приоритетным направлениям работ университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»).

Цель исследований - разработка составов, технологических процессов производства и переработки и изучение свойств термопластичных композиционных материалов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК.

Объект исследования - термопластичные композиционные материалы инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК.

Предмет исследования - физико-механические, реологические свойства термопластичных композиционных материалов на основе растительных отходов АПК и закономерности процесса переработки их в изделия методом компрессионного формования.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов в пресс-формах

закрытого типа;

- результаты теоретического обоснования температурных функций теп-лофизических характеристик композиционных материалов и гранулятов;

- результаты теоретического анализа процесса компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композиционных материалов с древесно-растительными наполнителями;

- методика и результаты исследования механических характеристик и энергоемкости измельчения соломы злаковых культур;

- результаты изучения влияния дисперсности и содержания соломы на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов на основе ПЭНД 273-83;

- результаты изучения влияния дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов, наполненных мелкодисперсной соломой.

Практическую значимость представляют:

- составы и результаты исследования физико-механических, реологических, теплофизических и триботехнических характеристик экологически чистых композитов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК;

- программа «SIMULATION MOLDING PLATES» численного расчета нестационарных процессов компрессионного формования пластин из гранулята термопластичных композиционных материалов;

- закономерности технологических процессов смешения и компаундирования компонентов термопластичных композиционных материалов на лабораторных смесителях периодического и непрерывного действия;

- рекомендации по применению в АПК разработанных термопластичных композитов, технологий их производства и переработки в изделия.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием положений механики сплошной среды, теплофизики, реологии полимеров и разработанной программы расчета «SIMULATION MOLDING

PLATES». Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием высокотехнологичного научно-исследовательского оборудования лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева». Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики, программы «Excel 2010» и программных продуктов европейских фирм - поставщиков оборудования.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель и результаты исследования нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов в пресс-формах закрытого типа;

- методика и результаты исследования механических характеристик и энергоемкости измельчения соломы злаковых культур;

- методика и результаты изучения влияния дисперсности и содержания минеральных модификаторов на физико-механические и реологические характеристики термопластичных композитов, наполненных мелкодисперсной ячменной соломой;

- составы и результаты исследования физико-механических, реологических, теплофизических и триботехнических характеристик экологически чистых композитов инженерно-технического назначения на основе растительных отходов АПК;

- технологические процессы смешения и компаундирования компонентов термопластичных композиционных материалов в лабораторных смесителях периодического и непрерывного действия.

Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 10 %), использованием в исследованиях высокотехнологичного оборудования и современных программных комплексов. Результаты исследований

прошли широкую апробацию в печати и научно-практических конференциях, внедрены или приняты к внедрению в производство.

Реализация работы. Погружные скребки элеваторного конвейера, изготовленные из разработанных термопластичных композитов по технологии компрессионного формования, приняты к внедрению на птицефабрике ООО «Авангард» (РМ, с. Инсар-Акшино).

Методики изучения энергоемкости измельчения соломы злаковых культур, периодических и непрерывных процессов производства термопластичных композиционных материалов, реологических и физико-механических свойств полимерных материалов внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» в рамках бакалаврских и магистерских программ по направлениям подготовки «Биотехнология» и «Агроинженерия».

Техническая документация на изготовление пресс-форм закрытого типа для формования плит принята к внедрению в МИП ООО «Эффект-гарантия».

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии на всех этапах исследовательского процесса и подготовки диссертации: разработке и реализации плана теоретических и экспериментальных исследований, отработке рецептуры термопластичных композиционных материалов, разработке экспериментальных установок, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке и написании научных статей, оформлении заявок на патенты и внедрении результатов.

Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2012 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь - развитию региона» (г. Саранск, 2012 г.), Международной научно-практической конференции «Разработка эффективных авиационных, промышленных, электротехнических и строительных материалов и исследование их долговечно-

сти в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов» (г. Саранск, 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии получения сельскохозяйственной продукции» (г. Саранск, 2014-2015 гг.), научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г.Саранск, 2013-2015 гг.), расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2015 г.).

Диссертант является победителем программы Фонда содействия развитию малых форм предпринимательства «У.М.Н.И.К» (2012-2014 гг.); в 2013 г., удостоен диплома и серебряной медали XI выставки-ярмарки «Российским инновациям - российский капитал» (г. Нижний Новгород) за проект «Технология производства термопластичных композиционных материалов на основе древесно-растительных отходов».

По теме диссертации автором опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 195 печатных страницах, включает 99 рисунков и 24 таблицы, список использованных источников содержит 166 наименований.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Структура, основные особенности образования и утилизации отходов современного сельскохозяйственного производства

Производство основного сельскохозяйственного продукта в АПК связано с образованием большого количества отходов. Выход основного продукта иногда составляет 15-30% от массы исходного сырья. Остальная часть, содержащая значительное количество ценных веществ, в данном производственном процессе не используется, переходит в так называемые отходы производства, которые потенциально являются вторичным сырьем для производства дополнительной продукции.

По данным Минсельхоза России в АПК ежегодно генерируется более 770 млн. т отходов. Из них около 90 млн. м - это твердые отходы, в основном пищевая упаковка (бумага, картон, полимерные материалы и др.). Отходы лесотехнической отрасли и деревообрабатывающей промышленности составляют около 700 млн. т [1].

В растениеводческих отраслях АПК России ежегодно образуется: до 150 млн. тонн соломы; 3 млн. тонн лузги риса, проса, гречихи, подсолнечника; 1 млн. тонн стержней початков кукурузы; 100 тыс. тонн костры льна; 350 тыс. тонн отходов сорго (стебельная масса) [2].

На рис. 1.1 представлена диаграмма структуры образования отходов растениеводства [1, 2]. Из диаграммы следует, что подавляющую часть растительных отходов АПК составляет солома, которая в РФ основном запахивается в

Рисунок 1.1 - Диаграмма структуры образования отходов растениеводства

землю или сжигается на полях или.

В то же время в мире накоплен достаточно большой опыт по использованию растительных отходов сельскохозяйственного производства в энергетических целях. Признанным лидером этого сектора биоэнергетики является Дания, где ежегодно образуется около 6 млн. т соломы, которые полностью утилизируются указанным образом [3].

Производство полимеров - наиболее динамично развивающаяся отрасль мировой экономики.

Для экономики России характерен сравнительно небольшой уровень производства и потребления полимерной продукции по сравнению со странами Евросоюза и США. Так уровень применения пластмасс (в пересчете на единицу ВВП) у нас в 5 раз меньше чем в США, а в качестве упаковочного материала - в 7-10 раз (в пересчете на человека) [4].

Вместе с тем годовой объем образующихся в РФ полимерных отходов по данным 2012 года составляет значительную величину - около 900 тыс. тонн. И этот фактор естественным образом создает немалое количество экологических проблем, так как средний уровень утилизации отходов полимеров не превышает 13%. По данным научно-исследовательского центра по проблемам управления ресурсосбережением структура полимерных отходов РФ по данным 2012 г. соответствует рис. 1.2 [4].

Так, например, по исследованиям В.К. Астанина [5] по Воронежской области при списании тракторов и другой сельскохозяйственной техники ежегодно образуется 2,5 тыс. т полимерных отходов, тепличные хозяйства области ежегодно образуют до 33 т отработанной полимерной плёнки. Масса отработанных упаковочных средств составляет до 41 т

Рисунок 1.2 - Структура отходов полимерной промышленности

в год. Более 30% районов Воронежской области формируют до 100 т вторичного полимерного сырья в год, около 34% - 100.. .200 т, 22% районов - 200... 300 т в год. Несколько районов (около 3%) образует 300.400 т [5, 6].

Непрерывный рост производства и потребления полимеров порождает серьезную проблему использования или ликвидации производственных отходов, упаковочных материалов и вышедших из строя полимерных изделий. Проблема их утилизации носит, прежде всего, экологический характер, поскольку содержимое свалок, разлагаясь в течение 70-80 лет [7, 8, 9-12], выделяет сверхтоксичные соединения, отравляя окружающую среду.

В России ежегодно свалками загрязняется до 10 тыс. га земель [13, 14], в том числе плодородные земли, изымаемые из сельскохозяйственного оборота. Кроме того, нерационально используются ценные вторичные ресурсы. При этом решение вопросов, связанных с охраной окружающей среды, требует значительных капитальных вложений. Так, стоимость уничтожения отходов пластмасс примерно в 3 раза превышает расходы на уничтожение бытовых отходов. В странах с передовыми природоохранными программами этой проблеме уделяется огромное внимание [15-18]. В российской Федерации решение проблемы внедрения биоразлагаемых полимерных материалов предусмотрено планом «Развитие биотехнологий и генной инженерии» [19].

Экономически целесообразным решением для страны является организация сбора и переработки пластмассовых отходов в новые изделия для промышленности, строительства, сельского хозяйства и домашнего обихода[20-22]. Однако в АПК Российской Федерации до сих пор не решены вопросы сбора и первичной переработки ценных вторичных материалов. Эти функции могли бы принять на себя предприятия технического сервиса АПК [5, 23,24].

Следует отметить также, что проблема переработки отходов полимерных материалов имеет актуальное значение не только с позиции охраны окружающей среды, но и в связи с тем, что в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся ценным сырьевым ресурсом. За рубежом широкое развитие получили технологии переработки отходов поли-

меров, в том числе растительных отходов сельскохозяйственного производства, в полезные изделия. Важнейшими продуктами такой переработки являются строительные материалы, автокомплектующие, элементы домашней и офисной мебели. Использование в качестве сырья мелкодисперсных отходов деревообработки и вторичных термопластичных полимеров позволяет получить колоссальный экологический и экономический эффект при производстве термопластичных древесно-полимерных композитов [25-33]. Для вторичной переработки термопластов предлагается схема, включающая в себя следующие стадии [34-37]: сбор и транспортировка полимерных отходов ^ ручная сортировка и начальное отделение загрязнений ^ металлодетекция и сепарация ^ измельчение ^ металлосепарация ^ мойка в ваннах и центрифугах ^ флотационнная сортировка ^ сушка в контактных или конвективных сушилках ^ воздушная очистка в циклоне ^ получение гранулята с фильтрацией расплава на экструдерах ^ производство готовых изделий.

Грануляция является заключительной стадией подготовки вторичного сырья. В процессе гранулирования происходит уплотнение материала, облегчается его дальнейшая переработка, усредняются характеристики вторичного сырья, в результате чего получают полуфабрикат (рис. 1.3), который можно перерабатывать на стандартном оборудовании методами экструзии, литья под давлением или компрессионного формования [38].

1.2 Термопластичные древесно-полимерные композиционные материалы инженерно-технического назначения (ДПК)

1.2.1 Области использования, состав, достоинства и недостатки ДПК

В современном машиностроении все чаще стали использовать компо-

зиционные материалы. Они сочетают в себе свойства различных материалов, что существенно расширяет область их применения.

Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК), представляют собой отдельный класс древесных конструкционных материалов, в которых частицы измельченной древесины соединены между собой при помощи термопластичной полимерной матрицы. Количество древесины (по весу) составляет в ДПК от 40 до 80 процентов [26, 38].

Древесно-полимерные композиционные материалы (ДПК), предназначенные для переработки методом экструзии, литья под давлением или прессования, состоят из трех основных компонентов: частиц измельченной древесины; синтетических или органических термопластичных полимеров или их смеси; комплекса специальных химических добавок (модификаторов), улучшающих технологические и другие свойства композиции и получаемой продукции, часто называемых также аддитивами. Содержание древесины в составе древесно-полимерного композита на основе термопластичных смол может меняться в широких пределах. Указанные композиты имеют все лучшие природные свойства дерева, но лишены таких его недостатков, как подверженность гниению и плесени, горючесть, низкая влагостойкость [38-41].

В России до 97% рынка составляет декинг (половая доска) - наиболее простой для продажи продукт, который можно получить из ДПК. В то же время в мире этот композит используются также для производства автоком-плектующих (отделочных панелей), уличной мебели, строительных материалов. Подавляющее большинство видов ДПК в мире и РФ производятся на основе полиэтилена (83%). Полипропилен и ПВХ используются ограниченно.

Объемы производства российских предприятий ДПК растет на 70Л

100% ежегодно. Объем рынка составляет около 200 тыс. м половой доски или 3500 т. Производство ДПК характеризуется исключительной прибыльностью: при себестоимости сырья в 35-45 руб/кг, оптовая цена изделий составляет 70-100 руб/кг, а розничная - 130-160 руб/кг [42].

В настоящее время ДПК используется, в основном, для производства

декинга и систем ограждения (половые доски, лестницы, стойки и манжеты стоек, обвязка перил и фундамента и др.) и подобных конструкций, присоединяемых снаружи к жилым домам, а также дощатых тротуаров. Относительно небольшое количество промышленных ДПК идет на сайдинг, изгороди, паллеты, кровельную черепицу и оконный профиль. Другие изделия типа свай, железнодорожных шпал, пристаней и звуковых барьеров являются скорее опытными или продаваемыми в очень небольших объемах. Автомобильные и авиационные изделия (внутренние панели, магистральные линии, упаковочные лотки и др.) образуют отдельную категорию композитных изделий, в которой часто используют длинноволокнистую целлюлозу, и попадают в существенно другую ценовую категорию [42].

Достоинства ДПК-материалов обуславливают сферы их применения.

1. Максимальная устойчивость к ударам и повреждениям.

Имея высокий предел прочности, дерево способно длительное время сопротивляться значительным нагрузкам. Настилы из ДПК имеют больший ресурс, связанный с малым влагопоглощением, отсутствием пороков и огнестойкостью. Именно поэтому специалисты рекомендуют использовать их в общественных местах в качестве дорожек аллей, террас, беседок и др.

2. Неподверженность гниению и деформациям.

Впитывающее влагу дерево способствует размножению бактерий, грибков и плесени. Высыхая, древесина теряет свои формы, трескается, искривляется. Полимер в ДПК предупреждает абсорбцию древесным наполнителем воды, а значит, защищает напольное покрытие от намокания, гниения, деформации. Террасная доска рекомендована для использования в зонах повышенной влажности: палубах паромов, пирсах, банях, бассейнах.

3. Способность противостоять перепадам температур.

Способность ДПК без ухудшения физических качеств материала не

реагировать на морозы до -60°С и жару до +70°С обусловлена свойствами древесного наполнителя, поэтому его с легкостью можно использовать на открытых площадках.

4. Устойчивость к УФ лучам.

Это качество стройматериала говорит о том, что изделия не выгорают на солнце и надолго сохраняют свой изначальный вид, т.е. террасная доска не требует ежегодного обслуживания и реконструкции внешних характеристик.

5. Высочайшие декоративные характеристики.

Благодаря экструзионным технологиям создается максимально однородный материал с добавлением безопасных красителей. Изделия из ДПК можно использовать для оформления любого ландшафтного дизайна и создания интерьерных решений в самом широком диапазоне цветов (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Экструзионные изделия (декинг) из ДПК и некоторые примеры их применения в строительстве

1.2.2 Эксплуатационные и технологические свойства ДПК

Эксплуатационные свойства ДПК зависят, прежде всего, от комплекса физико-механических показателей. По ним ДПК занимают промежуточное положение между деревом и пластмассой (табл. 1.1) [ 26, 41].

Минимальная теплопроводность, натуральный запах и внешний вид роднят древесно-полимерный композиты с деревянным покрытиями. Они обладают всеми эстетическими свойствами дерева, экологически безопасны, и при этом, в отличие от дерева, абсолютно не подвержены вредным воздействиям внешней среды (атмосферные условия, насекомые, микроорганизмы), не ломаются, не образуют сколов и трещин, обладают свойствами самозатухания при возгорании и устойчивостью к грибкам и плесени. Кроме того, они не требуют окрашивания или другой дополнительной обработки.

Из вышеизложенного следует, что ДПК являются наиболее долговечными (срок службы - свыше 50 лет [26]), безопасными и универсальными композитами инженерно-технического и строительного назначения.

Технологичность ДПК, т.е. способность гранулята композитов к переработке методами экструзии, литья под давлением или компрессионного формования, определяется реологическими (в общем случае, вязкоупругими) характеристиками их расплавов. Эти характеристики зависят, в свою очередь, от температуры, содержания и дисперсности растительного наполнителя, а также вида полимерного связующего [26].

Таблица 1.1 - Физико-механические характеристики ДПК на основе ПЭНД

Наименование показателей, ед. измерения Значения при массовом содержании древесной муки 40.. .60 %

Плотность, кг/м3 1100... 1300

Предел прочности при растяжении, МПа 5.16

Модуль упругости при растяжении, МПа 2000.5000

Сопротивление изгибу, МПа 10.26

Модуль упругости при изгибе, МПа 1500.5000

Относительное удлинение при растяжении, % 0,5.1,0

Ударная вязкость, кДж/м2 3.4

Водопоглощение по ГОСТ 4650 - 80 (метод А) 0,7.3

Изделия из ДПК полностью пригодны к вторичной переработке, обрабатываются теми же инструментами, что и древесина, легко пилятся, строгаются, сверлятся, шлифуются, хорошо удерживают гвозди, шурупы. В зависимости от рецептуры поддаются склеиванию, некоторые из них можно сваривать, подобно термопластам. Освоена практика придания профильным экструзионным изделиям сложных пространственных форм после нагрева.

1.2.3 Полимерные связующие ДПК и требования к ним

Связующими в термопластичных древесно-полимерных композитах (ДПК) могут быть самые разнообразные полимеры синтетического происхо-

ждения, как первичные, так и вторичные (отходы). В тоже время, очевидно, применимы только такие термопласты, которые могут перерабатываться при температурах ниже 200 °С, что обусловлено невысокой термостойкостью древесины, что в определенной мере сужает выбор связующих.

В производстве ДПК они могут использоваться как в первичном виде (гранулят), так и вторичных формах (очищенных и раздробленных промышленных и бытовых отходов, отслуживших срок пластмассовых изделий) [43].

По словам А.А. Клесова [26] производители древесно-полимерных композитов в Северной Америке в 2005 г. использовали около 600 млн фунтов термопластов, из которых полиэтилен (ПЭ) составляет около 90% объема, а полипропилен (1111) и поливинилхлорид (ПВХ) - оставшиеся 10%. Из них регенерированные (вторичные) полимеры составляют около 35-40% общего потребления полимеров, первичные полимеры - 60-65%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмин Антон Михайлович, 2015 год

- -

г 25 20 15 10 5 0

1200 1Г п, кН 1100 1000 900 800 700 600

20

40

60

80

100

Р 2тах, МПар 24 20 16 12 8 4 0

120 Т1р,оС

имеет место существенная зависимость указанных параметров процесса формования пластины от начальной температуры гранулята.

Использование гранулята с более высокой начальной температурой позволяет существенно

снизить длительность Рисунок 2.23--Зависимость максимального давления

расплава (р2тах) и усилия прессования от начальной процесса формования и температуры гранулята

требуемое усилие пресса.

В данном случае шестикратное повышение начальной температуры гранулята позволяет снизить длительность процесса формования на 40%, а требуемое усилие пресса более чем на 80%.

При практической реализации данного метода формования повышение начальной температуры требуемой навески гранулята можно осуществлять в воздушном термостате. Безопасными (с точки зрения исключения ухудшения физико-механических характеристик полимерного композита на основе ПЭНД 273-83 при относительно кратковременной выдержке в термостате) являются

температуры до 70-80 С [44, с. 134].

На рис. 2.24 приведены графики изменения давления и температур расплава в пресс-форме, полученные при моделировании процесса формования указанной пластины скребкового конвейера при начальной темпе-

о

ратуре гранулята 50 С.

Рассчитанные па-

140

120 100 80 60 40 20 0

-.-Т, иС г—р, МПа;

- — '

у/ WV \---

: / / pit). V(z = о:

- / / т(0

: / ( и Л" и

;/ --Л \

: \

:

_ 480 1 —1—г— 710 1 1

25 20 15 10

5 0

0

200

400

600

800

t, с

Рисунок 2.24 - Расчетные значения среднеинтегральной температуры расплава Т ), температур в плоскостях симметрии Т(г = 0) и плунжера Т, (^), а также давления р(^) в

полости пресс-формы по стадиям процесса формования пластины при начальной температуре гранулята 50 °С

раметры: масса пластины тп = 0,378 кг; масса гранулята тг = 0,382 кг; давление предварительного сжатия гранулята p2c = 3,3 МПа; температура пресс-формы Тф = 150 °С; длительность нагрева t2 = 480 с; охлаждения - t3 = 230 с; усилие пресса Fu = 845 кН; высота формующей полости hфП = 10,56 мм; высота полости под гранулят hn0 = 17,7 мм; длина полости lx = 316,8 мм; ширина полости ly = 137,3 мм.

Из кривых следует, что скорость изменения давления на стадии нагрева отстает от скорости изменения температуры, а на стадии охлаждения наоборот опережает. Это объясняется уменьшением объема расплава в полости из-за истечения его избытка в облой на стадии нагрева (рис. 1г). Использова-

о

ние в данном случае предварительно нагретого до температуры 50 С гранулята позволяет примерно на 10.11% сократить требуемую длительность процесса и усилие пресса по отношению к процессу, предусматривающему

о

использование гранулята с температурой 20 С.

2.2.2 Анализ процесса компрессионного формования плитки для настила из гранулята состава 2

Расчеты с использованием программы «SIMULATION MOLDING PLATES» выполнены применительно к плитке, представленной на рис. 2.25

Целью моделирования процесса компрессионного формования являлось определение рациональных технологических параметров процесса формования (давления в полости, усилия пресса, длительности стадий нагрева и охлаждения, массы гранулята) и геометрических размеров формующей полости пресс-формы с учетом термической усадки композита.

Моделирование про-

Рисунок 2.25 - Внешний вид и размеры плитки для настила из окрашиваемого композита состава 2 (конструктивные элементы, предназначенные для крепления плитки к несущему основанию, не показаны)

ведено при следующих значениях параметров математической модели и характеристиках разработанного композита:

- общие параметры: температура фазового перехода Твт = 140 оС; начальная температура гранулята Тг = 50 оС; исходная порозность гранулята е0 = 0,464; число сечений по полутолщине сжатого гранулята % = 26;

- геометрические параметры пресс-формы и плитки: зазор между матрицей и пуансоном ё1 = 2-10-4 м; глубина газоотводных каналов д2 = 2-10-4 м; длина газоотводных каналов Ьк = 0,03 м; высота посадочной части плунжера кдл = 0,05 м; высота сомкнутой пресс-формы Нпф = 0,12 м; периметр матрицы П = 1,2 м; суммарная ширина газоотводных каналов П^ = 0,200 м;

ширина пластины - 0,3 м; высота пластины - 0,3 м; толщина пластины -

-2 2

0,025 м; площадь пластины - 9-10- м ;

- теплофизические характеристики композита и пресс-формы: коэффициенты полинома функций температуропроводности композита -Ао = 1,086-10-7; А1 = 3,970-10-1°; А2 = -5,741-10-12; Аз = 0; гранулята -Ао = 1,39040-7; А1 = 5,940-10-10; А2 = -7,23040-12; Аз = 0; расплава -Ар0 = -3,74640-7; Ар1= 4,38240-9; Ар2 = -9,60240-12; Ар3 = 0; коэффициент тем-

С Л

пературопроводности пресс-формы (сталь 40 Х) - а = 1,222-10- м /с;

- реологические характеристики: коэффициенты полинома фактора приведения температуры расплава аТ - В0 = 324,1; В1 = -6,9911; В2 = 5,672540-2; В3 = -2,047540-4; В4 = 2,7709-10-7; константы Ван-дер Вальса - М

= 0,0144 кг/моль; « = 448• 106 Па; р0= 1172 кг/м3; Т0 = 293,15 К; реологические константы расплава - = 268958 Па • сп; п = 0,2718; Т0р = 150 0С.

- стадии нагрева и охлаждения: температура формования Тф = 150 оС; температура охлаждения Тохл = 20 оС; коэффициент запаса по усилию прессования - 1,2; начальный шаг времени Ц = 0,01 ; параметр изменения временного шага А = 0,025; количество временных интервалов П = 200; температурный допуск сходимости решения 8 = 0,1.

На рис. 2.26 приведены графики изменения давления и температур расплава в пресс-форме, полученные при моделировании процесса формования вышеописанной плитки для настила при начальной температуре грануля-

о

та 50 С.

Из графиков следует, что длительность процесса формования (¿2+3) = 5070 с существенно выше длительности формования пластины скребкового конвейера при одной и той же начальной температуре гранулята, что объясняется, меньшими значениями коэффициентов температуропроводности композита состава 2 и большей толщиной плитки для настила.

Обращает на себя внимание существенно меньшая длительность стадии охлаждения по сравнению со стадией нагрева, что обусловлено приня-

тым пороговым значением температуры в плоскости симметрии для конца стадии охлаждения (Т(2 = 0) = 30 °С) и высокой скоростью снижения температуры (7) в плоскости плунжера, обусловленной существенно более высоким коэффициентом температуропроводности металла пресс-формы (1,222-10-5 м2/с).

На рис. 2.27 приведены аналогичные зависимости для процесса формования при максимально возможной температуре гранулята 80 °С.

В данном случае длительность процесса формования (¿2+?3) = 4720 с снижается всего лишь на 7,4 %.

Рассчитанные параметры процесса формования: масса плитки тп = 2,637 кг; масса гра-нулята тг = 2,661 кг; давление предваритель-

160 3 T, oC 140 I 120 100 3 80 60 40 20 0

p, МПаТ 16 : 14 12 Е 10 8 6 4 Ё 2 0

0 1000 2000 3000

а

4000

t, c

160 140 120 100 80 3 60 40 3 20 0

т

0

500

1000 б

1-1-1-1-1-1-1-1-г

1500

p, МПа^г 16 14 12 10 i 8 6

f 4 2 0

t, c

ного сжатия гранулята р исунок 2.26 - Расчетные значения среднеинтегральной _ 1 97 МПа' темпе а температуры расплава Тср (t), температур в плоскостях

симметрии T(z = 0) и плунжера Tw (t), а также давления тура гранулята Тг — 80 p(t) в полости пресс-формы по стадиям нагрева (а) и ох-°С температура пресс- лаждения (б) процесса формования плитки для настила

при начальной температуре гранулята 50 °С

формы Тф = 150 °С; температура охлаждающих плит пресса Тохл — 20 °С; длительность нагрева t2 — 3000 с; охлаждения - t3 — 1720 с; усилие пресса Fn = 1064 кН; высота фор-

140 120 100 80 60 40 20 0

; Т, °С 145 0С Р >, МПа :

; Т (г = ;

: )) :

:/ / Чт Ср(Г) :

: |

: :

: :

22 = 3000 с :

14 12 10 8 6 4 2 0

мующей полости = 26,6 мм; высота полости под гранулят Ип0 = 43,9 мм; длина и ширина полости 1Х = 1у = 319,2 мм.

Представляло интерес исследовать значимость влияния толщины формуемого изделия на длительность стадий процесса формования плит.

На рис. 2.28 представлены соответствующие зависимости длительностей стадий формования (при начальной температуре гранулята

о

80 С) для настила из композита состава 2, полученные при вышеперечисленных значениях па-

500

1000 1500 2000 2500 3000 3, с а

140 120 100 80 60 40

0

I т, 0С р, МПа :

:1\ \ :

; \ \ т ср (2) |

: \ :

: \ 7 Т (2 = 0) |

; утк (2 ) :

\ 30 0С :

; (2) 1111 1111 2 з = 1 1111 720 с | 1 1 1

14 12 10 8 6 4

0

500

1000 б

1500

2000

модели.

раметров математической Рисунок 2.27 - Расчетные значения среднеинтегральной

температуры расплава Тср (?), температур в плоскостях

симметрии Т (г = 0) и плунжера Т, (?), а также давления Анализируя пред- р(?) в полости пресс-формы по стадиям нагрева (а) и ох-

д, лаждения (б) процесса формования плитки для настила

ставленные графики

г т при начальной температуре гранулята 80 "С

можно заключить, что

существует, видимо, пороговое значение толщины пластины, начиная с которой метод компрессионного формования становится нерентабельным по сравнению с методом экструзии, несмотря на существенно меньшую стоимость оборудования и оснастки (пресса и пресс-форм). Для повышения производительности целесообразно использовать термостаты для предварительного нагрева навесок гранулята, многоэтажный пресс для плавления гранулята и

формования расплава и выделенную охладительную систему для реализации III стадии (охлаждения пресс-форм с расплавом).

Анализируя представленные результаты можно заключить, что математическая модель и программа расчета процесса компрессионного формования позволяют:

1) получить адекватное (см. результаты раздела 4.8) решение задачи построения нестационарного температурного поля T =f (t, z) в пластинах из полимерных композитов в случае переноса тепла теплопроводностью при граничных условиях первого рода, наличии фазового перехода и переменных коэффициентах температуропроводности;

2) рассчитать параметры процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционных материалов и базовые геометрические размеры пресс-формы с учетом термической и компрессионной составляющих усадки сформованного изделия

Выводы по главе 2

1. На основе теории Г.Н. Дульнева теплопроводности многокомпонентных композитов с взаимопроникающими компонентами получены аналитические выражения, адекватно описывающие зависимость коэффициентов температуропроводности разработанных композитов, гранулятов и расплавов от температуры.

2. Разработана математическая модель нестационарного процесса компрессионного формования пластин из гранулята композиционного материала в пресс-форме закрытого типа, учитывающая зависимость его теплофизических

t ,с 12000 1СССС 8000 6000 4000 2000 0

' 12+t 3

, 12

> 13

10

20

30

40 h и, мм

Рисунок 2.28 - Зависимость длительности стадий формования от толщины формуемой плитки для настила из композита состава 2 при температуре гранулята 80 °С

0

коэффициентов от температуры, нелинейность реологического поведения расплава, температурное расширение последнего в полости пресс-формы и истечение избытка расплава из нее.

3. Разработаны алгоритм и программа «Simulation molding plates» численного решения нестационарных задач компрессионного формования пластин из гранулята, позволяющая определять адекватные значения:

- давления предварительного сжатия гранулята, обеспечивающего достижение состояния с нулевой порозностью;

- температур по толщине гранулята и расплава композита в течение времени процесса;

- давления в полости пресс-формы в течение времени процесса;

- длительности стадий нагрева гранулята и охлаждения расплава;

- геометрических размеров формующей полости пресс-формы по заданным размерам пластины с учетом температурной и компрессионной составляющей усадки расплава;

- необходимой массы навески гранулята при известной массе пластины;

- требуемого усилия прессования.

4. В рамках указанной модели и программы расчета проведен численный анализ процессов компрессионного формования пластины зернового конвейера и плитки настила из разработанных пятикомпонентных составов композитов инженерно-технического назначения с варьированием следующих базовых параметров: 1) начальной температуры гранулята; 2) давления сжатия гранулята; 3) составов композита; 4) толщины пластин.

В результате установлено, что:

- предварительное (перед нагревом) сжатие гранулята в полости пресс-формы с величиной давления, назначаемой исходя из условия устранения по-розности гранулята, позволяет в случае пластины толщиной 10 мм (состав 1) снизить почти в 2,5 раза длительность стадии нагрева и улучшить качество пластин за счет исключения воздушных включений в ней;

- использование предварительно нагретого до «безопасной» (для прочно-

о

стных характеристик изделия) температуры 80 С гранулята позволяет в случае пластины толщиной 10 мм (состав 1) в 1,25 раза снизить длительность процесса и почти в 1,5 раза требуемое усилие пресса по отношению к процессу, в котором используется гранулят с «комнатной» температурой 20 °С;

- скорость изменения давления на стадии нагрева отстает от скорости изменения среднеинтегральной температуры, а на стадии охлаждения наоборот опережает, что объясняется уменьшением объема расплава в полости из-за истечения его избытка в облой;

- для процесса формования плиток для настила (состав 2) имеет место сильная зависимость его длительности от толщины изделия; так, например, увеличение толщины с 10 мм до 25 мм приводит почти к 6-кратному росту длительности процесса; можно сделать заключение о существовании порогового значения толщины изделий из термопластичных композитов с растительным наполнителем, начиная с которой метод компрессионного формования становится нерентабельным по сравнению с методом экструзии, несмотря на существенно меньшую стоимость оборудования и оснастки (пресса и пресс-форм).

5. Для разрабатываемых пластин зерновых конвейеров (состав 1) и плиток настила (состав 2) рассчитаны значения рациональных параметров процесса компрессионного формования: давление предварительного сжатия гранулята и его температура; температура пресс-формы на стадиях нагрева и охлаждения; длительность данных стадий; требуемое усилие прессования; масса навески гранулята; базовые размеры формующей полости пресс-формы (высота, длина, ширина и высота полости под навеску гранулята).

3 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика изучения физико-механических характеристик растительных материалов и энергоемкости их измельчения

Физико-механические свойства соломы оказывают существенное влияние на процесс измельчения и зависят от вида, сортности, влажности культуры, состояния почвы и района ее произрастания [137]. От них зависят конструктивные параметры рабочих органов и режимы работы машины, энергозатраты процесса измельчения и качество конечного продукта.

Согласно Н.Е. Резнику и других исследователей [138-140] применительно к волокнистым (анизотропным) материалам наиболее энергоэффективным способом измельчения является измельчение, основанное на принципе «срезывание - скалывание».

Целью данных исследований было проведение сравнительной оценки физико-механических характеристик древесины и соломы злаковых культур, а также энергоемкости их измельчения с целью установления возможности использования последних в качестве наполнителя термопластичных композиционных материалов.

Для определения предела прочности и энергоемкости образования единицы новой поверхности при срезе разработано и изготовлено устройство для определения сдвиговой прочности растительных материалов (рис. 3.1), смонтированное в испытательной машине иА1-7000 М с термокамерой.

Устройство содержит внешний 1 и внутренний 2 цилиндры, в которых выполнены соосные радиальные отверстия 3 одинакового диаметра, в которых размещены испытуемые образцы 4 с диаметром сечений, равным диаметру отверстий 3. Для повышения точности ориентации образцов меньшего диаметра относительно цилиндрической поверхности сдвига 5 соосные радиальные отверстия 3 одинакового диаметра выполнены по длине внешнего и внутреннего цилиндров в нескольких сечениях, причем с различными диаметрами. Для обеспечения точной фиксации образцов в радиальном направ-

лении цилиндры снабжены охватываемым 6 и охватывающим 7 вкладышами, смонтированными с возможностью аксиального перемещения относительно цилиндров. Нагружение образцов осуществляется через плиты 8, 9 нагружающего устройства (в данном случае испытательная машина иА1-7000 М).

а

б

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема (а) и внешний вид испытательного устройства (б), смонтированного в испытательной машине иА1-7000 М

Испытания проводились следующим образом: из растительного материала одного вида нарезались образцы 4, у которых измерялись диаметр, толщина стенки (в случае полых образцов) и длина. Диаметр сечений образцов должен был соответствовать диаметру отверстий 3, а длина - суммарной толщине стенок внутреннего 1 и внешнего 2 цилиндров. Вкладыш 7 сдвигался вверх, в соответствующие радиальные отверстия 3 закладывались подготовленные образцы 4 и вкладыш 7 возвращался в исходную позицию. Далее цилиндры 1, 2 с вкладышами 6, 7 и размещенными в радиальных отверстиях 3 образцами 4 устанавливались между неподвижной 8 и подвижной 9 плитами нагружающего устройства. В результате приложения усилия к подвижной плите 9 происходили аксиальное перемещение цилиндра 1 относительно цилиндра 2 и срез образцов 4 по поверхности сдвига 5. Максимальное усилие сдвига ^ах (Н) фиксировалось компьютером разрывной машины. Далее цилиндры 1, 2 с вкладышами 6, 7 и разрушенными образцами 4 извлекались из под плит 8, 9

нагружающего устройства, охватываемый 6 и охватывающий 7 вкладыши сдвигались вверх, из радиальных отверстий 3 выталкивались разрушенные образцы, и цикл испытаний повторялся.

Сдвиговую прочность растительных материалов с внутренней полостью (например, соломы) определяли по формуле:

Г = n=16 4Fmax-, [МПа] (3.1)

[D-(D-28t)2]

i=1

где Di, Si - соответственно внешний диаметр и толщина стенки i-го образца, мм; n - количество одновременно нагружаемых образцов, равное количеству соосных отверстий 3 одинакового диаметра в данном сечении цилиндров.

Удельная работа измельчения (энергоемкость образования единицы новой

поверхности при срезе) рассчитывалась по формуле:

4 E , Еуд =-, [Дж/мм2] (3.2)

D2 - (Dt - 28i)2]

i=1

где Е - работа разрушения (среза) образцов в устройстве (Дж), равная

7

■^max

E = 10-3 JF(z)dz. (3.3)

0

В формуле (3.3): F (z) - экспериментальная зависимость усилия среза (Н) от аксиального перемещения z (мм) внутреннего 1 цилиндра относительно внешнего 2; zmax -значение перемещения внутреннего цилиндра, при котором достигается максимальное значение усилия среза Fmax.

3.2 Методика изучения измельчения растительных материалов на ножевой мельнице РМ 120 и шаровой мельнице «Пульверизетте-7» «Premium Line»

Целью настоящего исследования была разработка лабораторного техпроцесса получения наполнителя из древесно-растительных отходов АПК дисперсностью 50... 400 мкм.

В качестве объектов исследования использовали древесные опилки хвойных пород, ячменную солому и лузгу подсолнечника.

Предварительное измельчение растительных материалов до фракции 0,5...5 мм проводили на роторно-ножевой мельнице РМ - 120 фирмы «Вибротехник», г.С.-Петербург (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Внешний вид ножевой мельницы РМ 120 и камеры с ротором, решеткой, режущими ножами и контрножами

В ходе исследования была проведена серия экспериментов с временем нахождения материала в камере мельницы от 1 до 5 минут при отверстиях решеток 2, 3, 4 мм с целью установления влияния указанных факторов на гранулометрический состав полученного наполнителя.

Для выделения фракций размером 100...400 мкм был использован вибрационный ситовый анализатор А-20 с 6 ситами с размером ячеек 100, 140, 200, 250, 315, 400 мм (ООО «Вибротехник», С-Пб) (рис. 3.3)

Фракции с размером частиц менее 100 мкм получали измельчением вышеуказанных фракций на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» (модель «Premium Line» фирмы «Фритч», Германия) при скорости вращения ротора 1000 об/мин. и длительности процесса 5 минут (рис. 3.4). Оценка размеров частиц муки, полученной на мельнице, проводилась на лазерном анализаторе частиц «Ласка-М» методом малоуглового светорассеяния. Ширина распределения частиц составила 50 мкм при среднем размере - 25,7 мкм.

Рисунок 3.3 - Анализатор вибрационный Рисунок 3.4 - Лабораторная планетарная ша-лабораторный А20 ровая мельница «Пульверизетте-7» «Premium

Line»

3.3 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном смесителе периодического действия

PolyLab Rheomix 600 OS

Компаундирование (смешение) компонентов - это сложный физико-химический процесс, протекающий в высоковязкой полимерной матрице под действием деформаций сдвига, сопровождающийся, как правило, интенсивным тепловыделением из-за диссипации механической энергии. Как известно [141-145], компаундирование включает две составляющие - диспергирующее и распределительное (простое) смешение.

Основной целью данного исследования было получение модельных образцов термопластичных композиционных материалов на основе отходов АПК путем компаундирования компонентов на двухроторном лабораторном смесителе и оценка их технологичности по получаемой информации (крутящий момент на роторах и температура композиции), выводимой на компьютер в течение времени смешения.

В качестве полимерной матрицы модельной композиции использовали полиэтилен низкого давления (ПЭНД) марки 273-83 (ГОСТ 16338-85) - производитель ОАО «Казаньоргсинтез». В качестве наполнителя применяли ячменную солому (фракция имела размер 500.800 мкм, влажность 8,5%) и лузгу подсолнечника (400.700 мкм, влажность 7,7%). Наполнитель получа-

ли по методике описанной в разделе 2.2. Соотношение между наполнителем и полимерной матрицей составляло 50:50 массовых частей.

Смешение компонентов производили в лабораторном смесителе HAAKE PolyLab Rheomix 600 OS с роторами Roller (рис. 3.5) при T = 150 °С.

Рисунок 3.5 - Общий вид смесителя HAAKE PolyLab Rheomix 600 OS (а), камеры смешения с роторами (б) и имеющегося набора роторов (в)

Операция смешения проходила в два этапа. I этап - плавление полимера (30 об/мин, 5 мин.); II этап - ввод наполнителя (50 об/мин, 10 мин.); III этап - компаундирование с ростом температуры расплава и крутящего момента (50 об/мин, до достижения постоянных значений последних).

Полученный компаунд выгружался в лоток и охлаждался до комнатной температуры. После этого методом горячего прессования на прессе 01Ъйге (см. рис. 1.14) при температуре 150 °С и усилии пресса 100 кН изготавлива-

лись пластины размером 200*200x1,1 мм, из которых вырубались стандартные образцы (пластины размером 150*15*1,1 мм и диски диаметром 20 мм) для физико-механических и реологических испытаний композитов.

На рис. 3.6 представлены графики изменения крутящего момента на роторах и температуры композиции в течение времени смешения. Величина крутящего момента в стационарном периоде характеризует относительную величину вязкости композиции в течение времени смешения

t, мин 0 а

30 25 20 15 10

0

1м, Нм L lo i

: 1 5

Ё

j J|h

" 1 lili? MLI II i

IIII lili lili

180

170:| 160

о

10

1 мин

150 140

130

T, °c 5

2

/ 3 Л/ \í 4

1

0

И-1-1-г

Н-1-1-г

10

П-1-1-г

МИН

б

в

Рисунок 3.6 - Изменение крутящего момента и температуры Т(1;) композиции в течение времени смешения: гранулят ПЭ 273-83 (а); гранулят ПЭ 273-83 + мука из ячменной соломы (б); гранулят ПЭ 273-83 + мука из лузги подсолненчника (в)_

Согласно графикам процесс компаундирования включает следующие периоды по времени: 0-1 - загрузка полиэтилена в смесительную камеру; 1-2 - плавление и пластикация термопласта со снижением крутящего момента до постоянного значения 2-3, соответствующего относительной вязкости расплава; 3-4 - изменение частоты вращения роторов с 30 до 50 об/мин и ввод наполнителя с протеканием процессов диспергирования наполнителя (графики б, в) и значительным ростом температуры и крутящего момента; 4-5 -протекание процессов простого смешения с распределением наполнителя в массиве термопласта и достижением однородной концентрации (т. 5).

Можно заключить, что, несмотря на высокую концентрацию наполнителей, конечная относительная вязкость компаундов (17...18 Нм) с наполнителями из ячменной соломы (рис. 3.6 б) и лузги (рис. 3.6 в) отличается от относительной вязкости (6 Нм) полимерной матрицы (рис. 3.6 а,) не более чем в три раза, что свидетельствует о хорошем совмещении испытанных наполнителей с матрицей и способности полученных компаундов к переработке в изделия методами экструзии, компрессионного и литьевого формования.

3.4 Методика тарировки объемных дозаторов лабораторного двухшнекового экструдера-компаундера сонаправленного вращения

PolyLab Rheomex PTW16

Как уже было отмечено в разделе 1.3 дозирование компонентов в непрерывных процессах компаундирования композитов осуществляется несколькими способами, из которых более распространенным является непрерывный метод с использованием дозаторов объемного типа.

Как правило, для дозирования гранул используют одношнековые дозаторы. При дозировании древесно-растительной муки возникают проблемы, связанные с непостоянством насыпной плотности, которая зависит от размера и формы частиц, а также влажности самой муки.

Целями экспериментальных исследований в данном случае были настройка и тарировка одно- и двухшнекового объемных дозаторов (рис. 3.7) двухшнекового экструдера-компаундера Rheomex PTW 16 PolyLab для обес-

а

печения точного дозирования компонентов в соответствии с разработанными рецептами композитов.

Настройку дозаторов проводили применительно к грануляту полиэтилена ПЭНД 273-83, древесной и соломенной муке (см. раздел 4.2), и модификаторам различного типа.

Дозирование полимерных гранул производили на объемном одношнековом дозаторе Brabender, Type DRS-28 со шнеком для гранул S13/10 c максимальной производительностью 12 л/ч. Дозирование растительного наполнителя и добавок - на объемном двухш-нековом дозаторе Brabender, MiniTwin Feeder Type MT-1 с двумя комплектами шнеков с максимальной производительностью 0,9 л/ч и 7 л/ч.

Дозаторы включают в себя бункер для материала, вращающиеся лопасти, предотвращающие образование сводов и перемешивающие материал, шнеки и дозирующую трубку.

б

Рисунок 3.7 - Общий вид двухшнекового МТ-1 (а) и одношнекового DSR-28 (б) объемных дозаторов

Их работа осуществляется в автоматическом режиме совместно с программным комплексом ИЛЛКЕ Ро1уБо/1 ОБ.

Согласно методике бункер заполнялся требуемым материалом, запускалась программа HAAKE PolySoft OS, задавалась относительная частота вращения шнеков дозатора (10.100% относительной частоты), включался дозатор, весы и секундомер. После выхода дозатора на постоянное значение производительности (в течение 20.30 с от момента его включения) производилось взвешивание пробы, подаваемой на весы при заданной частоте вращения шнеков в течение 1.5 мин.

Часовая производительность дозаторов определялась по формуле:

П = 3600 m /1. (3.4)

где m^ - вес пробы без тары, г; ti -длительность получения навески, с.

После тарировки всех дозаторов строились графики производительности дозаторов в зависимости от относительной скорости вращения шнеков.

©

Полученные данные обрабатывались с помощью программы Microsoft Excel

3.5 Методика компаундирования компонентов композиционных материалов на лабораторном двухшнековом экструдере сонаправленного вращения PolyLab Rheomex PTW 16

Целью исследования являлась отработка технологии компаундирования компонентов на двухшнековом экструдере сонаправленного вращения (см. прилож. П3) с получением гранулята многокомпонентного компаунда.

Запуск оборудования производился следующим образом.

Перед первым запуском экструдера открывали цилиндр и моющим средством очищали шнеки от защитного покрытия. Затем включали зоны нагрева и устанавливали температурные контроллеры на требуемую температуру (программа PolySoft OS).

Экструдер прогревался до рабочих температуры в течение 10.15 минут. Далее включали привод экструдера на малой частоте (5.10 об/мин) для проверки свободы вращения шнеков в цилиндре. После этого запускали программу PolySoft OS, а блок привода переводили на частоту вращения 50 об/мин. Через 5.10 мин включали дозаторы и для подачи в загрузочное уст-

ройство двух базовых компонентов (гранул полиэтилена и растительного наполнителя). После появления расплава экструдата в фильере (стренги) скорость вращения шнеков экструдера увеличивали до достижения крутящего момента 60% от максимального значения 130 Н-м. Стренга подавалась по направляющим роликам в охладительную ванну, далее в систему сдува капель и режущее устройство.

Для наполнителей с малой насыпной плотностью, таких как древесная мука и мелкодисперсная солома разработаны системы принудительного питания экструдеров. В этом случае питатель подает муку в зону загрузки экс-трудера под некоторым давлением и обеспечивает, тем самым, достаточную плотность материала.

На первом этапе экспериментальных работ мелкодисперсную солому подавали в шнековый податчик для наполнителя Vertical Stuffer Feeder при помощи объёмного двухшнекового дозатора MiniTwin Feeder (OS) MT-1. Было установлено, что шнек податчика не полностью забирает волокнистый наполнитель и образует своды, что связано с большим углом конусности по-датчика и высоким коэффициентом трения наполнителя. Гранулы полиэтилена дозировались с помощью объемного одношнекового дозатора DRS28.

Было принято решение вводить гранулы полиэтилена и растительных наполнителей (древесной муки и мелкодисперсной ячменной соломы) в загрузочное устройство с помощью указанных дозаторов одновременно, а пя-тикомпонентную композицию получать в две стадии. Данное решение привело к успешному решению поставленной задачи.

На первой стадии получали гранулят маточной смеси полиэтилена низкого давления ПЭНД 273 -83 и растительного наполнителя из мелкодисперсной ячменной соломы. На второй стадии аналогичным образом в маточный компаунд вводились модифицирующие компоненты согласно разработанному рецепту (см. раздел 4.5.1). Режимы компаундирования маточной смеси и композиций (составы 1 и 2) приведены на рис. 3.8 - 3.10.

Основные особенности техпроцессов охлаждения и гранулирования

компаунда приведены в прилож. П3.

Рисунок 3.8 - Параметры компаундирования компонентов маточного смеси (54,3%ПЭНД + 45,7% мелкодисперсной (менее 300 мкм) соломы)

Рисунок 3.9 - Параметры компаундирования гранулята маточной смеси (87 %) и модификаторов (13 %) при получении гранулята композиции (состав 2)

Рисунок 3.10 - Параметры компаундирования гранулята маточной смеси (91 %) и модификаторов (9 %) при получении гранулята композиции (состав 1)

Исходя из графиков тарировок, по линиям трендов были определены относительные скорости вращения шнеков дозаторов. Для растительных наполнителей (древесная мука и мелкодисперсная ячменная солома) из-за малой производительности двухшнекового дозатора MiniTwin Feeder (OS) выбиралась максимальная частота вращения его шнеков.

В табл. 3.1 приведены значения относительных скоростей вращения шнеков дозаторов и экструдера и их производительность.

Таблица 3.1 - Зависимость производительности от относительной частоты вращения

дозаторов и составов композиций

Компоненты Составы, масс.% Относительная частота вращения дозаторов, % Производительность, г/ч

1 2 3 1 2 3 1 2 3

ПЭНД 54,3 4 247

Солома 45,7 100 208

Гранулят 91 87 20,8 100 843 772

Модификаторы 9 13 14,3 13 83,4 115,4

Производительность экструдера, г/ч 379 1133 887,4

3.6 Методика компрессионного формования пластин для физико-механических и реологических испытаний на лабораторном прессе бТ-7014-Н50С

Целью экспериментальных иследований были настройка и отработка режимов производства тонкостостенных и толстостенных пластин из термопластичных композиционных материалов методом компрессионного формования на лабораторном гидравлическом прессе.

На рис. 3.11 в качестве примера представлен внешний вид полученных тонкостенных (толщиной 1,1 мм) и толстостенных (толщиной 6 мм) пластин.

Внешний вид пресса и его характеристики представлены на рис. 1.14. Внешний вид пресс-форм представлен на рис. 3.12.

Технологический процесс компрессионного формования пластин включал следующие стадии:

- взвешивание компаунда или гранулята комопозитов;

- нагрев пресс-формы до температуры 150°С;

- закладка гранулята в полость пресс-формы и смыкание пресса;

- плавление гранулята при усилии 50 кН в течение 6 мин;

- формование пластины при усилии 100 кН в течение 5 мин;

- охлаждение пресс-формы до 50°С проточной водой, подаваемой в каналы нагревательных плит, при усилии пресса 100 кН.

- размыкание пресса и пресс-формы, выемка изделия и удаление облоя.

а

Рисунок 3.12 - Внешний вид смонтированных на прессе двухплитной (а) и трехплит-ной (с закладным знаком) (б, в) пресс-форм для формования тонкостенных (200*20*1,1 мм) и толстостенных (130*50x5...8 мм) пластин

в

3.7 Методики исследования технологических и эксплуатационных

характеристик композитов

3.7.1 Методика исследования физико-механических характеристик

Для испытаний на растяжение (ГОСТ 11262-80) использовались образцы размером 150 х 20 х 1,1 мм, вырубленные штанцем из формованных пластин 200 х 200 х1,1 мм и длинномерной пластины шириной 150 мм, толщиной 1 ,1 мм, полученной методом экструзии расплава композитов через плоскощелевую головку (см. раздел 4.7). Для оценки процессов ориентации наполнителя в последнем случае образцы вырубались (по 5 шт) вдоль и поперек направления экструзии. Они имели гладкую ровную поверхность, без сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Образцы согласно требованиям ГОСТ 12423-66 кондиционировались в течение 24 часов при тем-

пературе 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %.

Испытание образцов на растяжение проводили на разрывной машине Ш/-7000 М (см. рис. 1.16) при температуре 23 ± 2°С и скорости движения зажимов 1 мм/мин. Клиновидные захваты иМВ1Т машины обеспечивали надежное крепление образцов и совпадение продольной оси образца с направлением растяжения (рис. 3.13).

Перед испытанием толщину и ширину образцов измеряли в трех местах (в середине и на расстоянии 5 мм от крайних

меток), находили средние арифметические Рисунок 313 - Внешний вид захватов машины при испытаниях образ-

значения, по которым вычисляли значение цов на растаж^нте площади поперечного сечения А0. Образцы

закрепляли в испытательной машине с равномерной затяжкой захватов для исключения их проскальзывания при испытаниях, не допуская при этом разрушения образцов в местах закрепления.

Расчет значений вели по пяти испытанным образцам. Образцы, которые в процессе испытания разрушались за пределами рабочей части, или у которых в процессе испытания были обнаружены дефекты (пузыри, включения, внутренние трещины и т.п.), в расчет не принимались.

Значения предела прочности (МПа) вычисляли по формуле:

^ = ^пах/ А , (3.5)

где ^шах - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н; А0 - начальное поперечное сечение образца, мм2.

Относительное удлинение (%) при максимальной нагрузке (¿тах) вычисляли по формуле:

*тах = 100 Л/тах/ /0 (3.6)

где А/ тах - изменение расчетной длины образца в момент достижения максимальной на-

грузки, мм; l0 - начальная расчетная длина образца, мм.

Модуль упругости при растяжении (МПа) определяли по формуле:

Ер = (F ~Fl)'lo (3.7)

р Ao • A -Ali)

где F2 - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,3%, Н; F1 - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,1%, Н; l0 - расчетная длина образца, мм; A^ - удлинение, соответствующее нагрузке F2, мм; Alj - удлинение, соответствующее нагрузке Fi, мм.

Статистическую обработку результатов испытаний проводили с использованием программы Microsoft Excel.

Для испытаний на изгиб (ГОСТ 4648-71) использовали образцы (в количестве 5 шт) в форме толстостенных пластин размером 130*50*6 мм, изготовленных из гранулята композитов методом компрессионного формования (см. раздел 3.6). Пластины имели гладкую ровную поверхность, без сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Образцы кондиционировались в течение 24 часов согласно ГОСТ 12423-66 при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %.

Для проверки наличия анизотропии дополнительно были сформованы методом компрессионного формования аналогичные образцы из тонкостенных пластин, полученных методом экструзии через плоскощелевую головку. Заготовки для компрессионного формования (в количестве 60 шт) размером 130*50*1 мм вырезали вдоль и поперек направления экструзии, укладывались по 6 шт в пресс-форму и формовали по описанной технологии. Всего было изготовлено и далее испытано по 5 шт. образцов с ориентацией наполнителя вдоль и поперек большой оси пресс-формы.

Испытание образцов проводили на разрывной машине UAI-7000 М при температуре 23±2°С и относительной влажности (50 ± 5) %. Расстояние между опорами, измеренное с погрешностью ± 0,5 %, составляло 100 мм. Нагру-жение поперечной силой, приложенной к центру образцов (рис. 3.14), проводили плавно, без толчков. Скорость перемещения нагружающего наконечника относительно опор составляла 10 мм/мин.

а

Рисунок 3.14- Узел испытательной машины иА1-7000 М для испытаний на изгиб (а) и внешний вид образца композита состава 1 после испытания на изгиб (б)

б

Предел прочности при изгибе (МПа) вычисляли по формуле:

= ^ (З.8)

где ¥тах - максимальная нагрузка, Н; Ь - расстояние между опорами, мм; Ъ - ширина образца, мм; И - толщина образца, мм.

Модуль упругости при изгибе (МПа) вычисляли по формуле:

_ Ь ■ (¥ - ¥)

Еизг = Л1 1 3 7 Г' (3-9)

4ЪИ ■ (12 -1,)

где ¥1 - нагрузка при величине относительной деформации крайних волокон 0,1%, Н; ¥2 -нагрузка при величине относительной деформации крайних волокон 0,3%, Н; 21 - прогиб образца, соответствующий относительной деформации крайних волокон 0,1%, мм; 22 -прогиб образца, соответствующий относительной деформации крайних волокон 0,3%, мм.

Статистическую обработку результатов испытаний проводили с использованием программы Microsoft Excel.

3.7.2 Методика испытаний на влагопоглощение

Были испытаны на водопоглощение по ГОСТ 4650-80 (метод А) образцы композитов, изготовленные экструзией и прессованием из гранулята.

Образцы для испытаний в форме квадрата со стороной, равной (50 ± 1) мм, и толщиной 1.1,1 мм вырезались из пластин, полученных прессованием и плоскощелевой экструзией. Из полученных экструзией прутков и трубок нарезали образцы длиной 5 см перпендикулярно продольной оси. Для каждого состава и метода изготовления испытано по пять образцов. Перед испытанием образцы высушивали в термостате при температуре (50 ± 2) оС в течение (24 ± 1) ч, а затем охлаждали в эксикаторе при температуре (23 ± 2) °С. После охлаждения образцы вынимали из эксикатора и через 5 мин взвешивали на аналитических весах с точностью ± 0,0005 г.

л

Согласно вышеуказанного стандарта на 1 см поверхности образца берут не менее 8 мл воды. Испытуемые образцы при испытаниях не должны соприкасаться друг с другом, со стенками сосуда и должны быть полностью покрыты водой. Подготовленные образцы быстро погружали в емкость с дистиллированной водой и выдерживали при температуре 23 ± 2 °С в течение 24 ± 1 ч. После этого образцы вынимали из воды, вытирали фильтровальной бумагой и через 1 мин взвешивали.

Массовую долю воды (%), поглощенную каждым образцом, вычисляли по формуле:

Х12 = 100(m2- m1)/m1 (3.10)

где m1 - масса образца перед погружением в воду, мг; m2 - масса образца после извлечения из воды, мг

3.7.3 Методика исследования реологических характеристик расплавов композитов в режиме вынужденных колебаний

Реологические испытания были проведены для расплавов полиэтилена низкого давления марки ПЭНД 273 - 85 и композитов различного состава. Для исключения нарушения сплошности расплава в рабочем зазоре измерительной системы реометра Haake MARS III (рис. 1.19) испытания проведены в

динамическом режиме CR (контроля скоростей деформации) с использованием измерительной системы «плоскость-плоскость» с диаметрами ротора и плоскости 20 мм (рис. 3.15). Согласно соотношениям Кокса-Мерца [100] динамические испытания эквивалентны испытаниям с вращающимся ротором, если угловая скорость осциллирующего ротора соответствует скорости сдвига расплава, достигаемой при вращении ротора.

В настоящих исследованиях амплитуда осцилляций ротора составляла 0,001 рад., диапазон частот V = 0...80 Гц, диапазон температур расплава - T = 150.200 °С, длительность измерений при каждой температуре t = 100 с, количество выводимых значений измеряемых характеристик (точек) п = 100. Рабочие зазоры между

Рисунок 3.15 - Внешний вид измерительной рифлеными плоскостями измери- системы реометра Haake MARS III с рифлеными рабочими плоскостями

тельной системы принимались в

соответствии с толщиной образцов (дисков диаметром 20 мм, толщиной 1,1 мм, вырубленных штанцем из пластин) и составляли 1 мм.

В соответствии с методикой после включения прибора, компьютера и загрузки управляющей программы «RheoWin Job Manager» задавался выбранный режим измерений. Измерительная система реометра в сомкнутом состоянии предварительно прогревалась до заданной температуры, после чего образец укладывался на нижнюю плоскость, измерительная система смыкалась с созданием усилия 1 Н, и после прогрева образца в течение 10 мин реометр запускался в работу с выводом на компьютер измеренных параметров.

При обработке результатов, полученных при различных температурах, для расширения диапазона значимых скоростей сдвига использован принцип температурно-временной суперпозиции Больцмана, реализованный в про-

грамме «RheoWin TTS». Эта программа позволила получить для исследованных расплавов функции динамического модуля упругости G' = f (œ, T), модуля потерь G" = f (œ, T) и комплексной вязкости f = f (œ, T) от угловой скорости ротора œ = 2nv и температуры испытаний. Последняя зависимость, как выше отмечено, эквивалентна аналогичной зависимости эффективной вязкости расплава от скорости сдвига и температуры гэ = f (t, T ). Подбор реологических уравнений и вычисление коэффициентов корреляции производились с использованием программ «RheoWin Data Manager» и «Microsofi Excel».

3.7.4 Методика исследования трибологических характеристик

композитов

Сравнительные триботехнические испытания были проведены применительно к разработанным термопластичным композиционным материалам (состав 1, патент на изобретение № 2569544 от 11.07.2014 г.) и состав 2 (заявка на изобретение №2014151286 от 17.12.2014 г.) и капролону по ТУ 6-05988-87, используемому для изготовления скребков элеваторных конвейеров.

Для проведения испытаний был использован реометр Haake MARS III (измерительная система «плоскость - плоскость»), обеспечивающий возможность создания: вертикальных нагрузок до 50 ± 0,001 Н; температур - (40.400) ± 0,1 °С, частот вращения ротора (10- .1500) об/мин; крутящего момента (10 nNm...0,2 Nm) ± 0,1 nNm.

В качестве контртела был использован ротор, изготовленный из стали 45 с выступами для отвода изнашиваемых частиц материала (рис. 3.16 а). Ротор имел следующие базовые размеры: внешний диаметр выступов - 25 мм, внутренний диаметр - 21 мм, радиусы закруглений выступов - 2 мм; суммарная площадь контакта с испытуемым материалом - 46 мм2.

В данном исследовании частота вращения индентора была принята равной 220 об/мин (соответствует фактической скорости движения цепи конвейера 16 м/мин), вертикальное усилие на образец - 10 Н (соответствует контактному напряжению 0,17 МПа при контактном напряжении на пластинах конвейера

0,1 МПа), температура образца варьировалась в диапазоне 25.75 °С с шагом 25°С, длительность испытания для каждого образца составляла 10 часов.

На рис. 3.16б представлен измерительный блок реометра с контртелом (ротором) и закрепленным на термостатируемом испытательном столике образцом композита диаметром 75 мм и толщиной 0,4 мм.

а б

Рисунок 3.16 - Внешний вид ротора (а) и системы «контртело - образец» реометра Иаакв ЫЛЯ8III

Предварительно была проведена приработка ротора по шлифовальной шкурке на тканевой основе (ГОСТ 5009-82) зернистостью 10. Приработка ротора проводилась при температуре 25 °С в течение 10 мин путем зажима шлифовальной шкурки на столике прибора и нагружения ротора в соответствии с вышеуказанными параметрами испытания композитов. Перед началом каждого испытания производилась приработка образца до выхода крутящего момента на стационарное значение, после чего образец взвешивался на весах СЕ 124-С с точностью ± 0,1 мг, и вновь устанавливался в реометр.

В процессе испытания непрерывно фиксировались крутящий момент

на роторе, частота его вращения, текущая температура образца и вертикальное усилие на ротор. После окончания испытаний определяли величину износа образца как разницу между весом образца до и после проведения испытаний. Перед началом испытания следующего образца вновь проводилась приработка ротора по шлифовальной шкурке.

По данной методике для каждой температуры было испытано по три образца каждого композита. За результат принимали среднее арифметическое значение трех испытаний.

Интенсивность износа определяли по формуле:

4Лш

1 = к= - а22 )р =_8Л_ р

* 1 + ж1(й1+ ^Х 42 - й22р' '

где Am - изменение массы образца за 10 часов испытаний, г; р - плотность материала, г/см3; d1 и d2 - внешний и внутренний диаметры выступов ротора, см; n = 220 - частота вращения ротора, об/мин; t - длительность эксперимента, мин.

Коэффициент трения определяли по формуле:

= Fp = 400M (312)

1 т ~ F„ - (d1 + d2)Fn ' '