facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКОН В ПРОЦЕССЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ СВЯЗУЮЩЕГО В ПОРАХ НЕТКАНОЙ ОСНОВЫ

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКОН В ПРОЦЕССЕ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ СВЯЗУЮЩЕГО В ПОРАХ НЕТКАНОЙ ОСНОВЫ
Michail Treschalin, профессор, доктор технических наук, профессор

Московский институт государственного и корпоративного управления, Россия

Юрий Трещалин, инженер

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Открытое Европейско-Азиатское первенство по научной аналитике;

УДК 539.3:621.002.3

С целью определения прочностных свойств структурных элементов проведен анализ напряженно-деформированного состояния волокон нетканой основы в процессе полимеризации связующего. В результате установлено, что максимальные деформации различных видов волокон не превышают предельные и нетканые полотна, изготовленные из полиэфирных и полипропиленовых волокон, могут успешно применяться в качестве основы для производства  композиционных материалов.

Ключевые слова:волокно, напряженно-деформированное состояние, температура, прочность, композит.

With the purpose of determination of strength properties of structural elements analysis of stressed-deformed state of fibers of a nonwoven basis in the process of polymerization of the binder. In result it was found that the maximum deformation of different types of fibers do not exceed the limit and nonwoven cloths made from polyester and polypropylene fibers can be successfully used as a basis for the manufacture of composite materials.

Keywords: fiber, stress-strain state, temperature, strength, composite.

 

В результате исследований изменения температуры полимеризации связующего в порах нетканой основы, было установлено, что максимальная температура и соответствующее время полимеризации связующего, имеют ярко выраженную зависимость от толщины рассматриваемых образцов. Для определения данной зависимости были проведены эксперименты по определению температуры для образцов нетканых материалов различной толщины. Аппроксимация экспериментальных данных, проведенная при помощи программных комплексов Mathcad15 и MicrosoftExcel, позволила выявить следующие математические выражения для вычисления максимального перепада температуры при полимеризации t= (tmax– t0) и соответствующего времени достижения этой температуры τmaxв зависимости от толщины нетканой основы δ ≥ 0 (рис. 1 и 2):

Рис. 1. Зависимость максимальной температуры полимеризации от толщины нетканой основы

Рис. 2. Зависимость времени достижения максимальной температуры полимеризации от толщины нетканой основы

 

Абсолютная погрешность аппроксимации τmaxдля различной толщины нетканых полотен составляет 1.3 мин, что допустимо т.к. измерения проводились с интервалом 5 мин.

Для аппроксимации экспериментальных данных (рис. 3) зависимости температуры полимеризации связующего от времени из множества возможных вариантов выбрана функция вида (рис. 4):

где:  t(τ) = ti- t0  - длительность процесса полимеризации связующего;        

k, f– параметры функции;  ≥ 0.

Рис. 3. Изменение температуры связующего при полимеризации в порах нетканой основы

Рис. 4. График функции  

Обоснованием выбора такой функции является адекватность физической картине поставленной задаче, а именно: 

- наличие и непрерывность второй производной  .

Производная рассматриваемой функции:

Приравнивая   получаем координаты точки экстремума на рассматриваемой области τ≥ 0, t≥ 0: 

где: (tmax- t0) – наибольший перепад температуры при полимеризации связующего, достигаемый за время τ*= τmax.

Длительность процесса полимеризации τп определяется из условия . Принимая , имеем следующее уравнение: . Заменяя  имеем: . Корни этого уравнения: . В связи с тем, что значения  всегда положительны, следовательно, длительность процесса полимеризации, с учетом вышеуказанного условия, будет определяться:

Расчет коэффициентов kи fцелесообразно производить с использованием формул (1) и (2). Тогда:  в зависимости от толщины нетканой основы.

Максимальное напряжение, возникающее в волокне в результате полимеризации связующего, определится из интенсивности напряжений при плоско-напряженном состоянии в полярной системе координат с использование формул Ламе [1]:

Таким образом, для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) волокна в композиционном материале необходимы следующие исходные данные:интервал длительности процесса полимеризации 0 ≥ τ≥ ∞;вид волокна (полипропиленовое, полиэфирное, полиамидное);модуль упругости волокна Евол, температурный коэффициент линейного расширения волокна αВ,  коэффициент Пуассона волокна ν; модуль упругости связующего ЕСВ, температурный коэффициент линейного расширения связующего αСВ; внешний радиус волокна b;толщина нетканой основы δ; температура окружающей среды t0.Характеристики различных волокон представлены в табл. 1 [2-4].

Таблица 1.

Характеристики различных волокон и связующего

Материал

Предельная прочность, МПа

Модуль упругости ГПа

Предельная деформация, %

Коэф-фициент Пуассона

Температур-ный коэффициент линейного расширения,

1 / 0С

Диаметр волокна, 2·b, мкм

Полипропиле-новое волокно

360-450

3-4

9-15

0.35-0.4

16.0·10-5

18-20

Полиэфирное волокно

550-690

5-8

6.9-13.8

0.35-0.4

37.0·10-5

20-25

Полиамидное волокно

450-570

2.1-4.0

11.25-27.2

0.35-0.4

8.5·10-5

15-27

Полиакрилонит-рильное волокно

460-560

4.5 – 6.0

7.7-12.4

0.35-0.42

7.38·10-5

20-30

Продолжение таблицы 1.

Полиэфирная смола в отвержденном состоянии

50-250

1.9 – 5.0

1.0-13.2

0.35-0.42

(6.0-9.0)·10-5

-

Эпоксидная смола в отвержденном состоянии

85-274

1.5-4.5

1.9-18.3

0.34-0.40

(4.8-8.0)·10-5

-

 

Учитывая, что полимеры имеют вариацию физико-механических свойств, следовательно, к решению задачи определения их прочности следует подходить с точки зрения вероятностного подхода. В результате будет получено поле  разброса значений с серединной кривой, которая в данном случае является математическим ожиданием.

По разработанной методике определения НДС одиночных волокон были произведены расчеты, представленные на рис. 5 а, б, изменения напряжений  полипропиленового и полиэфирного волокон в зависимости от времени полимеризации связующего на базе полиэфирной смолы, для минимальных, средних и максимальных значений исходных данных, приведенных в табл. 1.

Рис. 5. График зависимости напряжений, возникающих в волокне от времени полимеризации связующего для минимальных, средних и максимальных значениях исходных данных: а – полипропиленовое волокно; б – полиэфирное волокно.

В результате проведенных исследований было установлено, что:

  • - в процессе изготовления композита, его структура не испытывает существенных напряжений, которые составляют 14 - 31 % по отношению к предельным величинам напряжений (см. табл. 1)
  • - напряжения в волокне увеличиваются с увеличением его диаметра

Таким образом, можно утверждать, что структурные элементы практически не теряют своих прочностных свойств в процессе полимеризации связующего. Следовательно, нетканые полотна, изготовленные из полиэфирных и полипропиленовых волокон по возможности меньшего диаметра, могут успешно применяться в качестве основы при изготовлении композиционных материалов.

Помимо изложенного, представляется целесообразным определить максимальную толщину нетканой основы, при которой наибольшие деформации структурных элементов в процессе полимеризации связующего не превышают предельных значений (см. табл. 1). Для решения данного вопроса были выполнены расчеты для полипропиленовых, полиэфирных, полиамидных и полиакрилонитрильных волокон. В качестве примера, на рис. 6 представлен график изменения максимальной деформации для полипропиленовых волокон в зависимости от толщины нетканой основы.

Рис. 6. График зависимости максимальной деформации полипропиленового волокна от толщины нетканой основы для минимальных, средних и максимальных значениях исходных данных.

Анализ результатов расчета показывает, что величина максимальных деформаций волокон не изменяются, начиная с толщины нетканой основы:

  • - 34 мм для полипропиленовых волокон (максимальная деформация – 6.76 %);
  • - 27.4 мм для полиэфирных волокон (максимальная деформация – 2.92 %);
  • - 31.2 мм для полиамидных волокон (максимальная деформация – 1.55 %);
  • - 24.6 мм для полиакрилонитрильных волокон (максимальная деформация – 1.35 %).

Сопоставляя полученные расчетные значения максимальной деформации различных видов волокон с их предельными значениями (табл. 1), очевидно, что нетканая основа из полипропиленовых, полиамидных и полиакрилонитрильных волокон может иметь любую толщину, необходимую для изготовления изделия из композиционного материала без существенной деформации структурных элементов. При этом, критерием оценки является коэффициент запаса прочности, который для композиционных материалов на основе полиэфирных и эпоксидных связующих принимается равным 2.5 – 3 [5]. Однако, толщина  нетканых полотен, изготовленных из полиэфирных волокон, не должна превышать 4 мм для производства композита, что обеспечит трехкратный запас прочности волокнистой основы.

 

Литература:

  1. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т.1./– М., : Наука,  1975. - 832 с.
  2. Петухов Б.В. Полиэфирные волокна. Электронный ресурс. – Режим доступа:newlibrary.ru…petuhov_b…poliyefirnye_volokna.html
  3. Перепелкин К. Е. Структура  и  свойства  волокон. - М.: Химия, 1985. - 208 с.
  4. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. - М.: Изд. РосЗИТЛП. т. 1, 2000 - 436 с.; т. 2, 2001 - 540 с.; т. 3, 2001 - 298 с.
  5. Электронный ресурс. – Режим доступа: Промышленное охлаждение - freezart.ru. Схемы и периодика. freezart.rufreez/039/61/, Коэффициенты запаса прочности ironlab.runashi…koefficienty-zapasa-prochnosti/.
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 7.8 (9 голосов)
Комментарии: 12

Морозова(Сусская) Мария Николаевна

Интересный доклад, заслуживающий внимания специалистов данной отрасли. Доклад актуален и имеет практическую значимость. С уважением, М.Н Морозова

Кирьянов Владимир Владимирович

Уважаемый профессор, д.т.н. Трещалин Михаил. Вами проделана значительная работа. Локанично и грамотно изложен материал. Наличие формул обоснованно и представлено весьма доходчиво. С уважением, студент Кирьянов В. В.

Лежнюк Петр Демьянович

Добрый день! Очень интересная экспериментальная работа, выполненная на высшем уровне. Хотелось бы увидеть в докладе актуальность и эффективность выбора вида аппроксимированных функций, либо они являются только пока промежуточными и требуют дальнейшего их исследования. Если так, то возможно, было бы целесообразно использовать пакет MatLab, а не интеграцию Mathcad15 и MicrosoftExcel. Желаю автору успехов в дальнейшем исследовании, проф. П.Д. Лежнюк.

Хоботова Элина

Работа очень интересная с позиции расширения применения композиционных материалов. Авторами представлены интересные научные результаты, их интерпретация и сделаны рекомендации по практическому применению. Работа заслуживает высокой оценки. Желаю дальнейших успехов в научных изысканиях. С уважением, проф. Хоботова Э.Б.

Травников Евгений Николаевич

Уважаемые коллеги!.Работа хорошая, выполнена на высоком экспериментальном уровне, что я очень уважаю. Желаю дальнейших творческих успехов. Гранд-конструк- тор и преподаватель, к.т.н., доцент Травников.

Лысенко Виктор

Уважаемые коллеги. Работа интересная и выполнена на высоком экспериментальном уровне. Желаю дальнейших успехов. Лысенко В.С.

Mammadov Javanshir

Решение инженерной задачи на основе программных инструментарий MathCAD и MicrosoftExcel говорит о приверженности автора к современным требованиям новой информационной технологии. Полученные данные в ходе многократных экспериментальных исследований с помощью MathCAD представляются достоверными результатами. С уважением проф. Мамедов Дж.Ф.

рахимбеков сармантай мадиевич

Довольно четко поставлена задача параметрического анализа состояния материала, отсюда проведенные практические выкладки составляют основу, вполне пригодную для использования в производстве высокопрочных волокон . Тщательно представлена экспериментальная часть работы, при этом информационное обеспечение, учитывая все возрастающие возможности средств поддержки принятия технических решений, можно было бы усилить. Желаю дальнейших успехов. С уважением проф. С.М. Рахимбеков- эксперт. . ответить

Кайда Светлана Владимировна

Хороший анализ. Спасибо Вам. Хорошо бы разработать алгоритм и компьютерную программу, которая позволит проводить параметрический анализ начального напряженно-деформированного состояния. Желаю дальнейших успехов.

Симонян Геворг Саркисович

Уважаемые коллеги! Хорошаяая экспериментальная работа. Она, безусловно, имеет практическое значение Интересно, какая марка связующего? С уважением, к.х.н., доцент Г.С.Симонян.

Вашакидзе Гурам Амиранович

Интересный доклад, желаю дальнейшего продвижения в этой области! С уважением, Г. А. Вашакидзе.

Горбийчук Михаил Иванович

Статья имеет теоретическое и практическое значение, так как ее результаты можно применить для изготовления высокопрочных волокон. Небольшое замечание. Нет необходимости для проведения изложенных расчетов применять два программных продукта MathCADи MicrosoftExcel. Достаточно было MathCAD. Кроме того не указан метод приближения эмпирической модели к экспериментальным данным. Если судить из наведенных рисунков, то это метод наименьших квадратов. С уважением проф. М. И. Горбийчук.
Комментарии: 12

Морозова(Сусская) Мария Николаевна

Интересный доклад, заслуживающий внимания специалистов данной отрасли. Доклад актуален и имеет практическую значимость. С уважением, М.Н Морозова

Кирьянов Владимир Владимирович

Уважаемый профессор, д.т.н. Трещалин Михаил. Вами проделана значительная работа. Локанично и грамотно изложен материал. Наличие формул обоснованно и представлено весьма доходчиво. С уважением, студент Кирьянов В. В.

Лежнюк Петр Демьянович

Добрый день! Очень интересная экспериментальная работа, выполненная на высшем уровне. Хотелось бы увидеть в докладе актуальность и эффективность выбора вида аппроксимированных функций, либо они являются только пока промежуточными и требуют дальнейшего их исследования. Если так, то возможно, было бы целесообразно использовать пакет MatLab, а не интеграцию Mathcad15 и MicrosoftExcel. Желаю автору успехов в дальнейшем исследовании, проф. П.Д. Лежнюк.

Хоботова Элина

Работа очень интересная с позиции расширения применения композиционных материалов. Авторами представлены интересные научные результаты, их интерпретация и сделаны рекомендации по практическому применению. Работа заслуживает высокой оценки. Желаю дальнейших успехов в научных изысканиях. С уважением, проф. Хоботова Э.Б.

Травников Евгений Николаевич

Уважаемые коллеги!.Работа хорошая, выполнена на высоком экспериментальном уровне, что я очень уважаю. Желаю дальнейших творческих успехов. Гранд-конструк- тор и преподаватель, к.т.н., доцент Травников.

Лысенко Виктор

Уважаемые коллеги. Работа интересная и выполнена на высоком экспериментальном уровне. Желаю дальнейших успехов. Лысенко В.С.

Mammadov Javanshir

Решение инженерной задачи на основе программных инструментарий MathCAD и MicrosoftExcel говорит о приверженности автора к современным требованиям новой информационной технологии. Полученные данные в ходе многократных экспериментальных исследований с помощью MathCAD представляются достоверными результатами. С уважением проф. Мамедов Дж.Ф.

рахимбеков сармантай мадиевич

Довольно четко поставлена задача параметрического анализа состояния материала, отсюда проведенные практические выкладки составляют основу, вполне пригодную для использования в производстве высокопрочных волокон . Тщательно представлена экспериментальная часть работы, при этом информационное обеспечение, учитывая все возрастающие возможности средств поддержки принятия технических решений, можно было бы усилить. Желаю дальнейших успехов. С уважением проф. С.М. Рахимбеков- эксперт. . ответить

Кайда Светлана Владимировна

Хороший анализ. Спасибо Вам. Хорошо бы разработать алгоритм и компьютерную программу, которая позволит проводить параметрический анализ начального напряженно-деформированного состояния. Желаю дальнейших успехов.

Симонян Геворг Саркисович

Уважаемые коллеги! Хорошаяая экспериментальная работа. Она, безусловно, имеет практическое значение Интересно, какая марка связующего? С уважением, к.х.н., доцент Г.С.Симонян.

Вашакидзе Гурам Амиранович

Интересный доклад, желаю дальнейшего продвижения в этой области! С уважением, Г. А. Вашакидзе.

Горбийчук Михаил Иванович

Статья имеет теоретическое и практическое значение, так как ее результаты можно применить для изготовления высокопрочных волокон. Небольшое замечание. Нет необходимости для проведения изложенных расчетов применять два программных продукта MathCADи MicrosoftExcel. Достаточно было MathCAD. Кроме того не указан метод приближения эмпирической модели к экспериментальным данным. Если судить из наведенных рисунков, то это метод наименьших квадратов. С уважением проф. М. И. Горбийчук.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.