Разработка критериев для прогнозирования геометрических и массовых характеристик композиционных материалов на нетканой основе

УДК 675.026

Ю. М. Трещалин, Э. А. Хамматова

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА НЕТКАНОЙ ОСНОВЕ

Ключевые слова: пористость, нетканое полотно, плотность, толщина, композиционный материал, критерий.

В статье производится анализ взаимосвязи исходных характеристик нетканых полотен, в частности, пористости и плотности с геометрическими и массовыми показателями композитов, созданных на их основе. В результате исследований разработаны критерии сжатия и плотности, позволяющие прогнозировать указанные характеристики композиционных материалов на нетканой основе.

Keywords: porosity, non-woven fabric, density, thickness, composition material, criterion.

The article provides analysis of the relationship between baseline characteristics of nonwoven fabrics, in particular, porosity and density with geometric and mass indicators of composites based on them. As a result of research developed criteria for compression and density, allowing to predict the characteristics of composite materials non-woven fabric.

Использование композиционных материалов в качестве элементов конструкций или отдельных составляющих каких-либо комплексных сооружений, требует знание не только их физико-механических характеристик, но и геометрических размеров. В связи с применением для создания композитов высокопористых нетканых полотен, которые в процессе пропитки изменяют свой объем, целесообразно провести исследование зависимости толщины получаемого изделия от пористости нетканой основы, что в конечном итоге позволит наилучшим образом подбирать полотна для каждого конкретного изделия и прогнозировать его габариты после полимеризации связующего.

В качестве иллюстрации вышеизложенного, на рисунке 1 показаны образцы нетканого полотна марки «Холлофайберхард», поверхностной плотностью 1200 г/м2 и различные изделия из композиционных материалов на его основе.

Как видно, толщина нетканой основы после пропитки связующим различна, в зависимости от способа пропитки и, как следствие, целевого назначения изделия.

Учитывая технологические особенности и многообразие видов волокон, используемых при изготовлении нетканых полотен, необходимо исследовать широкий ассортимент продукции, имеющей различную структуру: термоскрепленные, из полых полиэфирных волокон марки «Холлофайбер» (ООО «ТЕРМОПОЛ»),

иглопробивные термоскрепленные из непрерывных полипропиленовых нитей, изготовленных фильерным способом спанбонд (марка «Геотекс» ООО «Сибур-Геотекстиль», марка «Канвалан» ОАО «Ортон»), иглопробивные из штапельных полиэфирных и полипропиленовых волокон (марка «Геоком» ОАО «Комитекс»). Характеристики образцов нетканых полотен приведены ниже (табл. 1).

Для пропитки нетканых полотен использовалось связующее, приготовленное на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855, обладающее высокой

адгизонной способностью не только с полипропиленовыми, полиамидными и

полиэфирными волокнами и мононитям, а также с углеродными волокнами [1, 2].

а

б

Рис. 1 - Толщина образцов нетканого полотна марки «Холлофайберхард» и изделий из композитов на его основе: а - исходное нетканое полотно, толщина 60,74 мм; б - тепло-звукоизоляционная панель (самопроизвольная пропитка), толщина основы 49,80 мм; в -пластина композиционного материала (вакуумная пропитка), толщина 6,52 мм; г -нетканая составляющая многослойного композита (середина, вакуумная пропитка), толщина 6,11 мм

Изготовление образцов композиционных материалов в виде пластин осуществлялось методом вакуумной пропитки [3, 4] по следующей методике.

Первоначально, горизонтальное основание (цулага), во избежание прилипания образцов, обрабатывалось жидким воском, марки LiquidWaxW-50 После его высыхания на основание укладывались образцы нетканой основы, поименованные в табл. 1. Затем, при помощи полиэтиленовых трубок, соединялись вакуум-насос с вакуумной ловушкой и производилась укладка

в

г

спиральных трубок и установка переходников, посредством которых к образцам поступает связующее из резервуара. Подготовка завершается укладкой на образцы основы последовательно: разделительной ткани, дренажной сетки и вакуумной плёнки с последующей проклейкой герметизирующей лентой периметра зоны пропитки.

Таблица 1 - Характеристики исследуемых образцов нетканых полотен

Наименование образца Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Поверхностная плотность, г/м2 5 к а ь т с о н Н ел о S О Й ая н м е 6 О Пористость, ^

Холлофайбер хард, ПЭ - 100% 19,21 483,774 25,183 0,959

Холлофайбер софт, ПЭ - 100% 8,41 387,546 46,082 0,926

Холлофайбер софт, ПЭ - 100% 13,25 381,637 28,803 0,954

Холлофайбер хард, ПЭ -100% 60,74 1269,815 20,906 0,966

«Канвалан», ПП - 100 % 2,30 437,4 190,2 0,791

«Геотекс», ПП - 100 % 3,17 550,4 173,6 0,809

«Геотекс», ПП - 100 % 5,32 441,4 82,9 0,909

«Геоком», ПЭ - 100 % 1,82 345,9 190,1 0,862

«Геоком», ПЭ - 100 % 2,32 481, 5 207,5 0,849

«Геотекс», ПП - 100 % 4,09 631,9 154,5 0,830

«Геотекс», ПП - 100 % 3,33 372,9 112,0 0,877

Далее, при закрытом, при помощи винтового зажима, резервуаре, включался вакуум-насос и, по достижению вакуума в месте расположения образцов, открывалась подача связующего. Визуально определялся момент окончания пропитки и с появлением частиц связующего в вакуумной ловушке, перекрывался резервуар и выключался вакуум-насос.

По окончании процесса полимеризации (~ 2 - 2,5 часа) образцы извлекались, и производилась их финишная механическая обработка. Фотографии установки представлены на рисунке 2.

Для определения линейных размеров полученных композитов использовались прибор для

определения толщины FC - 01 (Венгрия) и штангенциркуль электронный MATRIX

(погрешность измерений ± 0,02 мм). Взвешивание образцов производилось на электронных весах ACCULAB ALC-210d4 с ценой деления 0,1мг. Результаты измерений, а также расчет плотностей исследуемых образцов, приведены в таблице. 2.

б - процесс пропитки образцов связующим

в - пропитанные образцы

Рис. 2 - Изображение установки для вакуумной пропитки образцов

Оценку соотношения характеристик нетканых полотен и полученных композитов от пористости основы целесообразно провести по наиболее информативным показателям, которыми, в соответствии с постановкой задачи, являются толщина и объемная плотность образцов. Таким образом, предлагается ввести:

- критерий сжатия К5, представляющий собой отношение толщин нетканой основы 5^ и композиционного материала 5км, на который оказывает влияние только способ пропитки не зависимо от вида используемого связующего;

Таблица 2 - Характеристики образцов композиционных материалов

Наименование образца Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Поверхност ная плотность, г/м2 Объем ная плот ность Ркм ,кг/м3

Холлофай-берхард 2,79 2952,1318 1058,112

Холлофайбер софт 2,17 2354,5267 1085,035

Холлофайбер софт 2,234 2287,3676 1023,889

Холлофайбер хард 6,52 7925,1754 1215,518

«Канвалан», ПП - 100 % 1,78 1841,3491 1034,466

«Геотекс», ПП - 100 % 2,5733 2660,2331 1033,783

«Геотекс», ПП - 100 % 3,7167 3349,7145 901,2604

«Геоком», ПЭ - 100 % 1,72 1812,1824 1053,594

«Геоком», ПЭ - 100 % 1,7133 1964,2216 1146,455

«Геотекс», ПП - 100 % 3,3 3401,3005 586,728

«Геотекс», ПП - 100 % 2,1067 2141,1765 1016,365

Кр = ,

Рнм/Рв1

Рв

= 910 -

полипропиленовой мононити, кг/м ;

Рв

= 622,08 -

полиэфирной мононити «Холлофайбер», кг/м3;

нетканого

Рв

= 1380 -

- критерий плотности Кр, включающий значения плотностей волокнистого состава рв и связующего рс, а также нетканого полотна рнм и полученного на его основе композиционного материала ркм. Величина этого критерия зависит от способа пропитки, плотностей волокнистого состава, нетканого полотна и связующего (в отверженном состоянии) и определяется по формуле:

Ркм/Рс

Расчет и анализ предложенных критериев применительно к рассматриваемым образцам производится при следующих численных значениях плотностей волокнистого состава и связующего:

плотность одиночной

плотность одиночной

полотна

плотность одиночной

полиэфирной мононити, кг/м3;

- рс = 1178,1 - плотность полимеризованного связующего на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855 [5, 6], кг/м3;

Результаты расчета критериев К8, и Кр приведены в табл. 3 и на графиках (рис. 3).

Таблица 3 - Результаты расчета критериев сжатия К8 и плотности Крдля образцов исследуемых материалов

Наименование образца Порис тость, % Критерий сжатия К - К5 - °км Критерий плотности КР Ркм/Рс рнм/ рт

«Канвалан», ПП - 100 % 0,791 1,292135 4,201118

«Геотекс», ПП - 100 % 0,809 1,231881 4,599798

«Геотекс», ПП - 100 % 0,83 1,239394 5,933375

«Геоком», ПЭ - 100 % 0,849 1,354112 6,471961

«Геоком», ПЭ - 100 % 0,862 1,45814 6,492146

«Геотекс», ПП - 100 % 0,877 1,580671 7,009564

«Геотекс», ПП - 100 % 0,909 1,831377 8,397596

Холлофайбер софт 0,92592 3,87558 12,43302

Холлофайбер софт 0,9537 5,93107 18,77064

Холлофайбер хард 0,95952 6,88531 22,18647

Холлофайбер хард 0,96639 9,31595 30,70113

Зависимость критерия сжатия К^отпористости нетканой основы I

£

и

10 9

г

7 6 5 4 3 2 1 о

♦

♦

4

0,2. 0,4 0,6

Пористость £ а - критерия сжатия К

Пористость

б - критерия плотности

Рис. 3 - Зависимости критерия сжатия и критерия плотности от пористости нетканой основы

Данные таблицы 3 и расположение точек на рис. 3 позволяют судить о наличии явно выраженной зависимости критериев К и Кр от пористости нетканого полотна, что дает возможность осуществить математическую обработку численных значений для получения уравнений Кд(£) и Кр(£) при помощи программного комплекса Mathcad 15.0.

Учитывая физические особенности процесса вакуумной пропитки, при проведении аппроксимации расчетных величин (табл. 3) приняты следующие граничные условия:

- критерий К5(^) = 1 при ^ = 0, что соответствует монолитному материалу изготовленному из соответствующего полимера;

- критерии К§(^) ^ от и Кр(^) ^ от при

что обусловлено фактическим отсутствием волокнистого состава при пористости, близкой к 100%.

Основываясь на таких ограничениях, логично выбрать в качестве аппроксимирующей, экспоненциальную функцию.

Оценка точности аппроксимации производилась по величинам:

Таблица 4 - Результаты расчетов по определению зависимостей Ка

График зависимости Значение коэффициента корреляции^ Величина относительной погрешности, %

Математическая зависимость

шт шах

Зависимость критерия сжатия К§ = ^^ от пористости нетканой основы £ "км

Звисимость критерия сжатия Кб = 5нм' йкм от пористости нешной основы £ 0,996 - 4,608 3,218

1 ; та К1 г~< 1 * 2 1

1

"о 0.111 0.222 0.333 0.444 0.556 0.667 0.778 0.389 1 Пористость ветшоЗ основы $

/ 1 \"6'5 Кв© = 2,5575847 • 10"6 25.^2,5] + 0,4973366 • + 0,98183

Зависимость критерия плотности К„ = К„ = Ркм/Рс от пористости нетканой основы £ Рим/РИ

Зависимость критерия плотности Кр=(ркм-рс )'(рнм-рв) от пористости нетканой основы £ 0,995 - 5,533 5,361

£ 'Ш3-\ и ! = ук

Е к. '

I Д.ОвхЮ-4.

0 0111 0122 0.333 0.444 0.556 0.667 0.778 0.889 А хЛ т Пористость нетканой основы 5

Кр© = 1,060412 • 10"4 2^з,5) + 9,2621816 •

- относительной погрешности, %: и = (тТ -шА)-100/шТ,

- коэффициента корреляции:

кк2 = 1--,

К 82

S2

S1 =^(тт-тА)2

п

Л2 2п(тт)2 ^--р—

п

где шТ - расчетные данные; шА - результаты вычислений с использованием формул, полученных в результате аппроксимации; п = 1 .... N - номер, соответствующий значениям, полученным в результате измерений; р - общее количество экспериментальных данных (образцов в соответствующей группе).

Математические зависимости, графическая интерпретация результатов, величина

коэффициентов корреляции и оценка погрешности вычисленных значений по отношению к расчетным данным, приведены в таблице 4.

Принимая во внимание, что пористость выражается через технологический критерий ?=(1 — Кт), полученные математические зависимости могут быть представлены в виде критериальных уравнений:

К5(Кт) = 2,5575847 10"* •(е2,,(11_К1)2,5) 6'5

+ 0,4973366  (1 - Кт)3'5 + 0,98183

Кр(Кт) = 1,060412-10'4-(е2,5,11-к1)з,5) 5'5 + 9,2621816  (1 - Кт)3

Заключение

Таким образом, в результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

- установлена взаимосвязь линейных и массовых характеристик нетканого полотна и композита, полученного на его основе, при использовании метода вакуумной пропитки;

- разработаны критерии сжатия К§(£) и плотности Кр©, учитывающие показатели волокнистого состава, нетканой основы и связующего, что дает возможность прогнозировать характеристики композиционного материала;

- получены уравнения для вычисления: К§(^) = 2,5575847 • 10"6 •(¡т^) б'5 + 0,4973366 • +

0.98183.иКр© = 1,060412 • 10"4 •(¡т^) ^ +

9,2621816 • позволяющие с достаточной для технических расчетов точностью осуществлять подбор нетканой основы для получения изделий из композита заданных размеров.

Литература

1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочник.- М.: 1981. -736 с.

2. Васильев В.В. Композиционные материалы. Справочник / В.В. Васильев.- М.: Машиностроение 1990. -510 с.

3. graphite-pro.ru> Технология вакуумной инфузии, inter-composite.com>info.. .i-vakuumnaja-infuzia,

4. http://composite-prof.ru/o_stekloplastike/tehnologiya-proizvodstva-stekloplastika/

5. Трещалин Ю.М. Обоснование применения нетканых полотен для производства композиционных материалов на текстильной основе: дис... канд. техн. наук / Ю.М. Трещалин. - Кострома, 2013. - 166 с.

6. Трещалин Ю.М. Композиционные материалы на основе нетканых полотен: монография / Ю. М. Трещалин. - М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2015.- 220 с.

© Ю. М. Трещалин - материаловед-исследователь, mtreschalin@mail.ru; Э. А. Хамматова - доцент кафедры дизайна КНИТУ, venerabb@mail.ru.

© Y. M. Treshchalin - a materials researcher, mtreschalin@mail.ru; E. A. Khammatova - associate Professor of Design, Kazan National Research Technological University, venerabb@mail.ru.