XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

В последние годы композиционные материалы на основе армированных термопластичных полимеров находят все более широкое применение. Процессы получения высокопрочных изделий из однонаправленно армированных термопластов достаточно хорошо изучены. Основным недостатком однонаправленно армированных композиционных материалов и изделий из них является низкая прочность перпендикулярно армирующим волокнам, что существенно ограничивает область применения таких материалов. Применение в качестве армирующего наполнителя тканых материалов (стеклотканей, стеклянных сеток, стекломатов) позволит избежать этого недостатка и расширить область эффективного использования изделий из армированных термопластов.

Целью настоящей работы является разработка инновационного способа пропитки стекловолокнистой ткани пропитывающим составом с регулирование свойств полученного материала.

В работе изучались свойства стекловолокнистой ткани ТСФТ – 4П. Для решения поставленной задачи необходимо было изучить свойства исходных материалов, рассмотреть влияние пропитывающего состава на свойства стекловолокнистой ткани и сделать анализ физико – механических свойств готового изделия.

Характеристика готовой продукции

Готовой продукцией является пропитанная ткань из стекловолокна ТСФТ – 4П – СГФ , используемая для фильтрации отходящих газов при производстве технического углерода.

Данная стекловолокнистая ткань должна соответствовать техническим характеристикам, указанных в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства ткани ТСФТ – 4П – СГФ.

Ширина одного полотна, см	Масса на единицу площади, г/м2	Количество нитей на см2		Разрывная нагрузка, Н (кгс)			Массовая доля в-в, удаляемых при прокал, %		Воздухопроницаемость, дм3/м2 сек при давлении 10мм вод.ст.
		По основ	По утку	По основе	По утку
44,5 0,5	424 26	161	131	Не менее 1754 (180)	Не менее 637 (65)	Не менее 1,0		Не менее 230

Обоснование выбора сырья

Стеклопластики являются одними из наиболее применяемых композиционных материалов, что обусловлено их высокими свойствами и относительно невысокой стоимостью. Широкую распространенность стеклянных волокон предопределяет их спектр достоинств:

относительно невысокая плотность волокон 2,4-2,6103 кг/м³;

высокий уровень прочности в условиях действия растягивающих напряжений, удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) стекловолокна выше, чем стальной проволоки;

хорошие электроизоляционные свойства;

волокна не горят и не поддерживают горение;

возможность эксплуатации при повышенных температурах;

низкий коэффициент линейного температурного расширения и высокий коэффициент теплопроводности;

химическая стойкость, устойчивость к действию грибков, бактерий и насекомых;

повышенная влагостойкостью, сохранение высоких прочностных свойств в средах с повышенной влажностью.

Сравнительная характеристика волокон приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительная характеристика волокон

Стеклопластики являются одними из наиболее применяемых композиционных материалов, что обусловлено их высокими свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Выбор сырья основывался на патентные разработки.

Характеристика выбранного сырья

Стекловолокнистые наполнители подбираются с учетом эксплуатационных условий:

- для стеклопластиков конструкционного назначения применяются стекловолокнистые наполнители из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла;

- для материалов и изделий, работающих в условиях высоких механических нагрузок, применяют армирующие волокнистые наполнители (АВН) из высокопрочных и высокомодульных стеклонитей на основе магнезиально-алюмосиликатного стекла, имеющие прочность на 25-50%, а модуль упругости на 25-30% выше, чем обычные стеклонити;

- устойчивые в кислых средах стеклопластики (химическое оборудование, аккумуляторные баки и др.) изготовляют из хемостойкого боросиликатного стекла, для этой цели используют также базальтовые АВН;

- крупногабаритные изделия, не несущие очень высокие механические нагрузки (корпуса судов, строительные панели и др.), изготовляют из тканей на основе дешевого щелочного алюмоборосиликатного стекла;

- термостойкие изделия, работающие при температуре 300°С и выше, изготовляют из кремнеземных и кварцевых нитей;

- для композитов электротехнического назначения используют АВН из боросиликатного стекла, имеющие диэлектрическую проницаемость на 30-40% ниже, чем у других видов стекол.

В качестве стекловолокнистого наполнителя была выбрана стеклоткань фильтровальная марки  ТСФТ-4П, которая изготавливается из крученых и текстурированных стеклянных нитей путем саржевого переплетения по ТУ 5952-002-17547599-98. Ткань марки ТСФТ-4П вырабатывается переплетением саржа 3/1 из комплексных стеклянных кручёных нитей марок ЕС6-34×4 Z110 в основе и текстурированных ЕС6-34×4 Z 110 в утке или из нитей марок ЕС 13-136 S28 в основе и текстурированных нитей марки ЕС 13-136 S28 в утке.

Расшифровка наименований:

ТСФ – ткань стеклянная фильтровальная;

Т – текстурированные нити в утке;

4 – структура ткани;

П – изготовление на пневматическом станке;

Характеристика стеклоткани ТСФТ – 4П приведена в таблице 3.

Таблица 3 – Свойства стеклоткани ТСФТ – 4П

Ширина одного полотна, см	Масса на единицу площади, г/м2	Количество нитей на см2		Разрывная нагрузка, Н (кгс)			Массовая доля в-в, удаляемых при прокал, %		Воздухопроницаемость, дм3/м2 сек при давлении 10мм вод.ст.
		По основ	По утку	По основе	По утку
44,5 0,5	424 26	161	131	Не менее 1960 (200)	Не менее 784 (80)	1,2		Не менее 230

Спирт поливиниловый марки 18/11 выпускаемый по ТУ 2215-088-00203766-2007. Основные технические характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Свойства поливинилового спирта марки 18/11.

Основные показатели	ГОСТ 10779-78
Динамическая вязкость, Па·с103	16 – 19
Массовая для летучих веществ, %, не более	4,0
Массовая доля ацетатных групп, %	10 – 11,4
Концентрация водородных ионов (pH)	6 – 7
Растворимость в воде, %, не менее	99,8
Массовая доля ацетата натрия, %, не более	2,0
Гарантицный срок хранения	1 год

ПФМС-4С (ТУ 6.02.917-79) — полиметилфенилсилоксановая жидкость. Жидкость ПФМС-4 химически инертна, по степени воздействия на организм человека относится к веществам малоопасным - 4 класс опасности. Жидкость не оказывает раздражающего действия на кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Жидкость не проникает в организм через кожу и кумулятивным действием не обладает.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воде водоемов санитарно-бытового водопользования - 2 мг/дм .

Жидкость ПФМС-4 горюча, взрывобезопасна. Температурные пределы распространения пламени: нижний - 182°С, верхний - 231 °С. Температура самовоспламенения 430 °С.

Основные технические характеристики приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Свойства кремнийорганической жидкости марки ПФМС–4

Наименование показателя	Норма
Внешний вид	Вязкая мазеобразная черная масса
Реакция среды (рН водной вытяжки)	6-8
Синерезис при температуре 100 °С в течение 6 часов, %, не более	4
Испаряемость при температуре 300 °С в течение 1 часа, %, не более	16

Препарат коллоидно-графитовый ВКГС-0 ТУ 113-48-52. Препарат представляет собой водную суспензию высокодисперсного графита, стабилизированную поверхностно-активными веществами.Основные технические характеристики приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Свойства коллоидно – графитового препарата марки ВКГС –0

Наименования показателя	Нормы
Массовая доля сухого остатка, %, не менее	24
Массовая доля графита, %, не менее	20
Массовая доля золы в сухом остатке, %, не более	6,5
Падение концентрации графита в суспензии после отстаивания в течение 8 часов (дисперсность и агрегативная устойчивость), %, не более	7

Суспензия фторопластовая марки 4ДТУ 6-05-1246-81.

Суспензия Ф-4Д — взвесь тонкодисперсного фторопласта-4Д в воде.

По степени воздействия на организм чело­века суспензия Ф-4Д относится к нетоксич­ным веществам.

Суспензию Ф-4Д используют для антикор­розийных, антифрикционных, антиадгезион­ных, электроизоляционных, химстойких покры­тий, для получения армированных и свободных плёнок стеклоткани. Является основной состав­ной частью антипригарных покрытий посуды (так называемая тефлоновая посуда). Основные технические характеристики приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Свойства суспензии фторопластовой марки Ф4Д

Наименование показателя	Норма
1. Внешний вид	Жидкость от белого до светло-желтого цвета
2. Массовая доля нелетучих веществ, %, не менее	50
3. Массовая доля стабилизатора (к сухому веществу),%, в пределах ДВ или неонол АФ	5-12
4. Прочность при разрыве свободных плёнок, МПа (кгс/см2), не менее	30(305)
5. Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	300
6. Температура эксплуатации плёнок и покрытий, °С, в пределах	-250 +260

Физико-химические основы технологического процесса

- Отжиг ткани на каландрах при температуре 200 ;

- Пропитка ткани пропитывающим составом;

- Сушка ткани при температуре 170 ;

На первом этапе было необходимо оценить термические характеристики ткани. Для этого был использован метод термогравиметрического анализа. Образцы ткани нагревались со скоростью 10 /мин до 500 . Полученная термограмма представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Оценка относительной потери массы стекловолокнистого полотна при термогравиметрическом анализе. Скорость нагрева - 10 /мин

Видно, что материал теряет часть своей массы при температуре от 100 до 200 , что, очевидно, связано с удалением замасливателя. Дальнейшие потери массы (начиная с температуры 400 ) происходят за счет термодеструкции материала полотна. Все дальнейшие работы проводились на стеклотканных материалах, предварительно отожжённых при температуре 200 в течении 3-4 минут. [14]

Описание технологической схемы

Технологический процесс получения стеклопластика можно разделить на несколько стадий:

- прием, транспортировка и хранение сырья;

- подготовка ткани;

- отжиг ткани;

- пропитка ткани;

- сушка;

- браковка ткани;

- транспортировка в цех для пошива рукавов.

Технологический процесс изготовления изделий начинается с привоза сырья электрокаром на склад сырья.

Ткань намотанную на гильзы подают в пропиточную – cушильную машину, где осуществляется процесс отжига с последующей пропиткой ткани путем ее прохождения через пропиточные ванны. После пропитки ткань отжимается на отжимных валах. При этом происходит распределение пропитывающего раствора между волокнами ткани, более полная пропитка и возможность экономии связующего состава засчет стекании его обратно в пропиточные ванны. Далее ткань отправляется на cушку в шахту. В процессе сушки сырой ткани происходит удаление летучих веществ (влага, растворитель). Данная операция производится при температуре 170°С. Высушивание ткани осуществляется горячим воздухом, нагнетаемым из шахты при помощи тенов. Время высушивания ткани регулируется технологическими параметрами в зависимости от толщины и структуры ткани, а также от температуры окружающей среды и скорости пропитки. После того, как ткань полностью высохла, ее отправляют стадию браковки.

Фильтровальная ткань марки ТСФТ-4П-СГФ с участка пропитки поступает в мерильно-браковочное отделение, где рулон ткани разбраковывается. Образцы фильтровальной пропитанной стеклоткани подвергают испытаниям на соответствие технических характеристик.

Каждый рулон ткани после разбраковки и резки упаковывается в полиэтиленовую пленку и перевязывается шпагатом.

К каждому рулону прикрепляют ярлык с указанием:

- марки пропитанной ткани;

- номера партии;

- номера рулона;

- количества метров в рулоне;

- даты изготовления.

Далее стеклоткань поступает на участок пошива фильтровальных рукавов.

Нормы технологического режима и контроль производства

Контроль производства и нормы технологического режима представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Нормы технологического режима

Наименование стадий процесса, места измерения параметров или отбора проб	Контролируемый параметр	Частота и способ контроля	Норма и технический показатель	Метод испытания и средство контроля	Кто контролирует
1.входной контроль сырья: - стеклоткань	Масса на единицу площади, г/м2 Разрывная нагрузка Н (кгс) Массовая доля в-в, удаляемых при прокаливании, % Воздухопроницаемость, дм3 /м2 сек	Выборка из партии	424 26 По основе – не менее 1960 (200) По утку- не менее 786 (80) 1.2 230-280	ГОСТ 6943.16 ГОСТ 6943.10 ГОСТ 6943.8 ГОСТ 12088	ОТК ОТК ОТК ОТК
- ПФМС-4 -ВКГС-0 -Ф-4Д -ПВС11/18	По паспорту	«-«			ОТК
2.Подготовка сырья Приготовление суспензии	Количество составляющих смеси. Время перемешивания, мин	Каждое приготов-ление Каждое приготов-ление	Согласно технологичес-кой карте 30	Весы ВЛП кл.3 ГОСТ 240104 Часы наручные ГОСТ 10733	Аппаратчик, технолог.
- Отжиг	Температура,0С Время, ч	2 раза в смену с записью в журнале каждая партия	200 5	пределы измерений 200 С Часы наручные ГОСТ 10733	Аппаратчик
Протитка	Скорость , м2/с	2 раза в смену с записью в журнале	2-2.5	Электронный датчик скорости	Аппаратчик, технолог.
Температура полимеризации				Термопары	Аппаратчик, технолог.
Зона 1			170-180
Зона 2			180-190
Зона 3			180-190
4. Контроль качества готовой продукции	Цвет	Выбороч-но из партии	Должен соответство-вать контрольно-му образцу	Визуально	Аппаратчик
	Качество поверхности и чистота	«-«	Качество поверхности и чистота должны соответствовать контрольному образцу	визуально	Аппаратчик
	Физико – механические показатели.	«-«	Масса на единицу площади, г/м2 Разрывная нагрузка Н (кгс) Массовая доля в-в, удаляемых при прокаливании, % Воздухопроницаемость, дм3 /м2 сек	ГОСТ 6943.16 ГОСТ 6943.10 ГОСТ 6943.8 ГОСТ 12088	ОТК

Виды брака и способы его устранения

Основные виды брака, возможные причины неполадки и способы устранения представлены в таблице 9.

Таблица 9 - Виды брака и способы устранения неполадки

Неполадка	Возможная причина возникновения неполадки	Действия персонала и способ устранения неполадки
1	2	3
Масляные пятна	Скопление замасливателя в камере отжига	Чаще производить осмотр и очистку каландров
2. Неравномерное окрашивание полотна ткани	Нарушение перемешивания пропитывающего состава (оседание ВКГС-0)	Дополнительно перемешать композицию
	Плохая чистка отжимных валов	Провести чистку отжимных валов повторно
3. неоднородные вкрапления и мелкие маслянистые пятна	Нарушение приготовления пропитывающего состава	Увеличить количество перемешиваний суспензии в эмульсаторе.
		Применять дистиллированную воду, температура которой 35-40
4. Желтизна по фону ткани	Нарушение температурного режима по зонам, неисправность контрольно-измерительных приборов	Ликвидировать нарушение температурного режима посредством установления и достижения нужных параметров

Экологичность и безопасность производства

Таблица 10 - Выбросы в атмосферу

Наименование выброса, отделение, аппарат, диаметр и высота выброса	Количество источников выбросов	Суммарный объем отходящих газов, кг/час	Периодичность	Характеристика выброса
				Температура°С	Состав выброса	ПДК атм.в. вредных веществ, мг/м3	Допустимое количество нормируемых компонентов вредных веществ, Выбрасываемых в атмосферу, т/г
Воздух местного отсоса	1	0,01	Периодич.	18	Углерода оксид Предель-ные углероды Аммиак Фтористые газообраз-ные соединения Формаль-дегид	20 300 20 1 0,5	0,149 0,136 0,006 0,048 0,006

Наименование сбрасываемых сточных вод, отделение, аппарат	Место Сбрасы-вания	Количество стоков, м3/сутки	Периодично-сть сброса	Характеристика сброса
				Содержание контролируемых Вредных веществ в сбросах (по компонен-там), мг/л или кг/ м3	ПДКв и ПДКрыб.хоз. сбрасываемых вредных веществ	Допускаемое количество сбрасываемых вредных веществ, кг/сутки
Вода, используемая для охлаждения	В хозбыто-вую канализацию		Постоянно в течение смены	Вода без загрязнений	-	-

Таблица 11 - Сточные воды

В процессе пропитки стекловолокнистой ткани сточные воды не загрязняются.

В процессе работы со стекломатериалами в воздухе рабочей зоны наблюдается присутствие стекловолокна. ПДК стекловолокна составляет 4мг/м³. Пыль стекловолокна вызывает раздражающее действие на слизистые глаз и дыхательных путей, кожных покровов. Для безопасности необходимо использовать спецодежду, респиратор типа «Лепесток», пользоваться защитными кремами. Необходимо обеспечить рабочее место вытяжной вентиляцией.

Основные опасности производства, обусловленные особенностями технологического процесса или выполнения отдельных производственных операций.

Опасные моменты при производстве:

- Возможность поражения электрическим током при отсутствии или неисправности заземления, повреждения изоляции электропроводки и электрооборудования.

- Возможность получения механических травм от вращающихся частей механизмов, при работе без ограждений, неисправной блокировке.

- Возможность отравления продуктами связующего при работе без вытяжной вентиляции.

Во избежание несчастных случаев работающий обязан приступать к работе:

- при наличии исправной изоляции токоведущих проводов и заземления;

- при исправности электрооборудования;

- при исправности охлаждающих шлангов;

- при наличии и исправности ограждений вращающихся частей;

- правильно одетой спецодежде и при наличии средств ин­дивидуальной защиты;

- при исправности и бесперебойной работе вытяжной вентиляции.

Работы проводить при строгом соблюдении технологических параметров технологического регламента.

Заключение

В данной работе рассмотрена технология изготовления фильтровальных рукавов из стекловолокнистых материалов. В проекте представлены следующие разделы: технологическая часть, расчеты, безопасность и экологичность. В технологической части проекта описан выбор материала. Приведена характеристика сырья и готовой продукции, физико-химические основы технологического процесса, описание технологической схемы производства, контроль производства, виды брака и способы его устранения.

Расчетная часть содержит материальный баланс производства, описание работы основного оборудования, выбор вспомогательного оборудования. Безопасность и экологичность состоит из анализа условий труда на участке по производству пропитки стеклоткани, основных требований безопасности, предъявляемых к технологическим процессам, помещениям, оборудованию, хранению и транспортированию сырья и готовой продукции, а также из характеристики основных средств защиты.

Список литературы

1) Бондалетова Л.И. Полимерные композиционные материалы (часть 1) учебное пособие [Текст] / Л.И. Бондалетова. – Томск: Изд-во томского политехнического университета, 2013. -118 с.

2) Черняк М.Г. Непрерывное стеклянное волокно. Основы технологии и свойства. М.: Химия. 1965. 320 с.

3) Зак А.Ф. Физико-химические свойства стеклянного волокна. М.: Ростехиздат. 1962. 224 c.

4) Новицкий А.Г. Базальтовое сырьё. Технология выбора для производства волокон различного назначения. // Хімічна промисловість України. 2003. №2 с.47-52

5) Ходаковский М.Д. Производство стеклянных волокон и тканей М.: Химия. 1973. 302 с

6) Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. «HOT», 2008. 820 с.

7) Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении // Научные редакторы А.Г. Братухин, В.С. Боголюбов, О.С. Сироткин. М.: Готика, 2003. 516 с.

8) Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М.: Техносфера, 2004. 408 с. 8. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. «HOT», 2008. 820 с

9) Гутников С. И., Лазоряк Б. И., Селезнёв А.Н. Стеклянные волокна. Учеб. пос. для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы». М.: Изд-во МГУ имени М.В. Ломоносова, 2010. 68.с.

10) Коган Д. И., Попов Ю. О., Хрульков А.В. «Разработка материалов и технологии получения однонаправленных препрегов теплостойких материалов на основе арамидных, стеклянных и других жгутовых наполнителей и растворных, расплавных и клеевых связующих» // Отчет о научно-технической деятельности ФГУП «ВИАМ» за 2006 г. (Сборник реферативных статей). М.: ВИАМ, 2007. С. 229—231

11) Асланова М.С., Колесов Ю.И., Хазанов В.Е., Ходаковский М.Д., Шейко В.Е. Стеклянные волокна. М.: Химия. 1979. 256 с.

12) Батаев А. А., Батаев В. А. Композиционные материалы. М.: «Логос», 2006. 400 с

13) ГОСТ 10779-78  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР СПИРТ ПОЛИВИНИЛОВЫЙ. Технические условия. Дата введения 1980-01-01

14) ГОСТ 15866-70 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР ЖИДКОСТЬ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКАЯ ПФМС-4 Технические условия Дата введения 1971-01-01.

Код для цитирования: Скопировать