Исследование прочностных свойств текстолита, армированного тканями с прямым переплетением пучков базальтового ровинга

УДК 678.018

И. Г. Матвеева, М. П. Лебедев, А. Г. Туисов, А. А. Кычкин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ТЕКСТОЛИТА, АРМИРОВАННОГО ТКАНЯМИ С ПРЯМЫМ ПЕРЕПЛЕТЕНИЕМ ПУЧКОВ БАЗАЛЬТОВОГО РОВИНГА

Объективные потребности развития различных отраслей техники обусловили создание новых конструкционных материалов, обладающих более высокими характеристиками, чем традиционные металлические материалы. В первую очередь к таким материалам относятся полимерные композиты, в которых присутствуют армирующий материал и связующая матрица. В строительстве проявляется повышенный интерес к использованию базальтовых волокон как альтернативы традиционным полимерным композиционным материалам на основе стеклянных, органических и углеродных волокон. В связи с этим представляет интерес новая информация, раскрывающая возможности базальтопла-стиков как материалов конструкционного назначения. В настоящей работе исследовано влияние типа наполнителя на физико-механические свойства базальтотекстолита и стеклотекстолита. Приводятся описание композитов на основе базальтового волокна и стекловолокна, получение базальтового непрерывного волокна. Для исследования влияния различных типов наполнителей были изготовлены образцы базальто- и стеклотекстолита, полученные методом инфузии. Проведены испытания на растяжение и изгиб в соответствии с ГОСТом 32656-2014 «Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение». Испытание на изгиб проводилось по методике ГОСТа 25.604-82 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах». Получены результаты в виде графиков зависимостей исследуемых образцов от предела прочности на растяжение и изгиб. Сделаны выводы по результатам прочностных свойств.

МАТВЕЕВА Ирина Григорьевна - аспирант ФГБУН Института физико-технических проблем Севера СО РАН.

E-mail: mirkin1611@gmail.com

MATVEEVA Irina Grigoryevna - Postgraduate, the Institute of Physical and Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: mirkin1611@gmail.com

ЛЕБЕДЕВ Михаил Петрович - д. т. н., чл.-кор. РАН, Председатель Президиума ЯНЦ СО РАН.

E-mail: M.p.lebedev@prez.ysn.ru

LEBEDEVMikhail Petrovich - Doctor of Technical Sciences, Chairman of the Yakut Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: M.p.lebedev@prez.ysn.ru

ТУИСОВ Алексей Геннадьевич - к. т. н., с. н. с. ФГБУН Института физико-технических проблем Севера СО РАН.

E-mail: tagg@rambler.ru

TUISOVAlexey Gennadevich - Candidate of Technical Sciences, Senior Research Scientist, the Institute of Physical and Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: tagg@rambler.ru

КЫЧКИН Айсен Анатольевич - аспирант ФГБУН Института физико-технических проблем Севера СО РАН.

E-mail: icen.kychkin@mail.ru

KYCHKIN Aysen Anatolievich - Postgraduate, the Institute of Physical and Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

E-mail: icen.kychkin@mail.ru

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, наполнитель, базальтовое волокно, стеклянное волокно, предел прочности, изгиб, растяжение, эпоксидное связующее, отвердитель изометилтетрагидрофталиевый ангидрид (Изо-МТГФА), Агидол 53.

I. G. Matveeva, M. P. Lebedev, A. G. Tuisov, A. A. Kychkin

Research of Strength Properties of Textile Laminate Reinforced by Fabrics with Direct Interweaving of Basalt Roving Bunches

Objective needs of development of different branches of technology caused creation of new constructional materials having better characteristics than traditional metallic materials. In the first place such materials are polymeric composites, in which includes reinforcing material and a binder matrix. The utilization of basalt fibers as an alternative to traditional polymeric composite materials based on glass, organic or carbon fibers presents an increased interest in construction. In connection with this there is of interest new information revealing possibilities of basalt plastics as materials of construction purpose. This research examines the influence of filler type on physical and mechanical properties of basaltic and glass-fiber laminates. There is provided a description of composites based on basalt and glass fiber and production of continuous basalt fiber. For research of influence of different types of fillers there were produced basaltic and glass-fiber laminate samples, obtained by an infusion method. Tensile and bending tests were run according to GOST 32656-2014 «Polymer composites. Test methods. Tensile test methods». The bending test was run according to GOST 25. 604-82 «Design calculation and strength testing. Methods of mechanical testing of polymeric composite materials. Test for bending properties at normal, elevated and low temperatures». Test results are shown through breaking strength - bending property and tensile dependency diagrams. Conclusions are made according to the results of strength properties.

Keywords: polymeric composite material, compound product, basalt fiber, glass fiber, breaking strength, bending, tension, epoxy binder, IMTHPA, Agidol 53 hardening agent.

Введение

Непрерывное базальтовое волокно, наряду с другими видами волокон, относится к армирующим материалам, широко используемым в современных технологиях при изготовлении композитов - искусственно созданных многокомпонентных материалов, состоящих из пластичной полимерной основы (матрицы) и армирующего наполнителя.

Многие композиты на основе волокон значительно превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим и физико-химическим свойствам. Они обладают коррозионной стойкостью, химической инертностью, низким коэффициентом теплопроводности, высокими удельными механическими характеристиками, малым удельным весом. Изделия и конструкции на основе композиционных материалов долговечны, использование композитов позволяет уменьшить массу конструкции и сократить расходы на установку и монтаж [1]. Непрерывное базальтовое волокно является очень перспективным материалом, обладает уникальным набором свойств, по своим физико- химическим и механическим свойствам превосходит широко применяемые стекловолокна из Е-стекла и близко к высокомодульным S-стеклам, при этом значительно дешевле последних [2].

В настоящее время для производства композитных материалов на основе волокон используется стекловолокно. Промышленное производство стекловолокна освоено еще в 40-е гг. прошлого столетия, технология хорошо отработана, объем мирового производства стекловолокна превышает 3,5 млн т/год.

Изделия из стекловолокна применяются в различных отраслях промышленности для тепло- и электроизоляции, для фильтрации промышленных газов, расплавов легкоплавких металлов. Стеклопластик на основе стекловолокна используется во всех отраслях машиностроения для изготовления различных деталей, для изготовления труб и различных

емкостей для хранения агрессивных жидкостей и газов и т. п. Армирующие сетки и стержни из стекловолокон применяются при строительстве дорог, зданий и сооружений и т. д.

Объем мирового производства непрерывного базальтового волокна на несколько порядков ниже, чем объем выпуска стекловолокна и составляет около 10 тыс. т/год.

Это обусловлено особенностями технологии производства непрерывного базальтового волокна (БНВ).

Непрерывное базальтовое волокно получают в процессе плавления исходного минерального сырья в плавильных печах при температуре около 1500 °С с последующим протягиванием расплава через фильерный питатель, в результате чего формируется прядь непрерывных базальтовых нитей. Сырьем для получения базальтового расплава служат естественные горные породы (базальты, андезиты) [2]. На основе непрерывных базальтовых нитей получают базальтовые ровинги, которые являются полуфабрикатом (основой) для различных видов материалов и изделий - базальтового рубленого волокна (фибры), крученых нитей, тканых и нетканых материалов (лент, тканей, сеток, холстов, иглопробивных матов), композиционных изделий и пр.

Целью данной работы является исследование влияния типа наполнителя на физико-механические свойства базальто- и стеклотекстолита.

Результаты исследования и их обсуждение

В данной работе были использованы:

- эпоксидная смола ЭД-22, ГОСТ 10587-84;

- отвердитель Изо-МТГФА, ТУ 2418-399-05842324-2004 производства ОАО «Стерлитамакский нефтехимический завод»;

- ускоритель реакции полимеризации Агидол 53, ТУ 2495-449-05742686-2003 производства ОАО «Стерлитамакский нефтехимический завод».

Для исследования влияния различных типов наполнителей были изготовлены по 6 образцов базальто- и стеклотекстолита, полученные методом инфузии путем последовательной укладки армирующего материала на форму, c пропиткой трёхкомпонентным эпоксидным связующим, состоящим из ЭД-22, Изо-МТГФА, Агидола 53, и отверждением при температуре 160±2 °С в течение 4 часов.

1. Лист базальтотекстолита толщиной 5 мм состоит из 15 слоев базальтовой ткани (БТ-11П-кв-12) и из 2 слоев (первый и последний) ТБК-100П-кв-12. Плетение - саржа. Содержание эпоксидного связующего в отвержденном образце составило 20±0,5 % от массы базальтотекстолита.

2. Лист стеклотекстолита 5 мм состоит из стеклоткани Ортекс 560 - 13 слоев. Плетение полотняное. Содержание эпоксидного связующего в отвержденном образце составило 13±0,5 % от массы стеклотекстолита.

Для определения физико-механических свойств базальто- и стеклотекстолита полученные образцы были подвержены сериям испытаний на растяжение и изгиб с применением разрывной машины «Zwick Roel Z600», тип BPC-F0600TN. R09, серийный номер: 1600882008 (ГОСТ 12004-81) на базе ЦКП ИФТПС им. В. П. Ларионова СО РАН.

Растяжение полученных образцов осуществлялось в соответствии с ГОСТом 32656-2014 «Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение» [3]. Полученные результаты испытаний методом растяжения образцов базальто- и стеклотекстолита представлены на рис. 1-2.

Данные рис. 1-2 свидетельствуют о том, что образцы текстолита, полученные на основе базальтового волокна, имеют значения ср=503,05±15 МПа и обладают более высокими значениями предела прочности при растяжении по сравнению с образцами текстолита на основе стекловолокна (ср=488,15±15 МПа). Значения образцов базальтотекстолита больше на 3 % показателей предела прочности при растяжении образцов стеклотекстолита.

Испытание на изгиб проводилось по методике ГОСТа 25.604-82 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с

полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах» [4]. Полученные результаты испытаний методом трехточечного изгиба образцов базальтотекстолита и стеклотекстолита представлены на рис. 3-4.

Рис. 1. Экспериментальные значения предела прочности при растяжении образцов базальтотекстолита

Рис. 2. Экспериментальные значения предела прочности при растяжении образцов стеклотекстолита

Рис. 3. Экспериментальные значения предела прочности при изгибе образцов базальтотекстолита

Рис. 4. Экспериментальные значения предела прочности при изгибе образцов стеклотекстолита

Из полученных экспериментальных данных (рис. 3-4) следует, что с учетом погрешности испытаний образцы базальтотекстолита и стеклотекстолита имеют близкие прочностные значения при испытаниях на трехточечном изгибе. Предел прочности при изгибе базальтотекстолита составил с =20,37±10 Н/мм2, стеклотекстолита с =21,45±15 Н/мм2. Разница в

и ^ ^ и ^

свойствах между полученными показателями для базальтового текстолита и стеклотекстолита составляет 5 %.

Заключение

Исследовано влияние типа наполнителя на физико-механические свойства базальто- и стеклотекстолитов.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что экспериментальные образцы текстолита, полученные методом инфузии на основе базальтовой ткани, обладают более высокими прочностными свойствами, в частности, образцы базальтотекстолита имеют значения предела прочности сР=503,05±15 МПа, образцы стеклотекстолита - сР=488,15±15 МПа.

Результаты исследования полученных образцов базальто- и стеклотекстолитов при изги -бе показывают схожие значения предела прочности, а именно, текстолит на основе базальтовой ткани имеет с =20,37±10 Н/мм2, а текстолит на основе стеклоткани - с =21,45±15 Н/мм2.

ии

Разрушение образцов базальто- и стеклотекстолитов носит ярко выраженный хрупкий характер разрушения, обусловленный волокнистой структурой полученных экспериментальных образцов.

Л и т е р а т у р а

1. Справочник по композиционным материалам / Под. ред. Геллера Б. Э. - М.: Машиностроение.

- 1988. - 351 с.

2. Аблесимов Н. Е., Земцов А. Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. - М.: ИТиГ ДВО РАН, 2010. - 400 с.

3. ГОСТ 32656-2014. Композиты полимерные. Методы испытаний. Испытания на растяжение.

- Введ. - 2015-09-01. - М.: Стандартинформ, 2014. - 40 с.

4. ГОСТ 25.604-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при нормальной, повышенной и пониженной температурах. - Введ. - 1984-01-01. - М.: Стандартинформ, 2005. - 7 с.

5. Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. - М.: Энергия, 1973. - 407 с.

6. Васильева А. А., Кычкин А. К., Ананьева Е. С., Лебедев М. П. Исследование свойств базальта Васильевского месторождения Якутии в качестве сырья для получения непрерывных волокон // Химическая технология. - Том 14, № 9, 2013. - С. 516-520.

7. Лебедев М. П., Лепов В. В., Бардаханов С. П., Сысолятин С. В., Кычкин А. К. Новые базальтовые

материалы для холодного климата // Труды VI евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск: Ахсаан, 2013. - Т. 1. - С. 224-229.

8. Киселев Б. А. Стеклопластики. - М.: Госхимиздат, 1961. - 120 с.

9. Бобелев В. А. Состояние и перспективы развития эпоксидных материалов. Специальные смолы // Композитный мир. - 2006, вып. 3. - С. 14-17.

10. Царев В. Ф, Осипова М. В. Модифицирование связующего эластомерной добавкой при получении изделий из полимерных композиционных материалов методом пултрузии // Конструкции из композиционных материалов. - 1996, № 1. - С. 23-25.

11. Salvatore С. Basalt woven fiber reinforced vinylester composites: Flexural and electrical properties / Salvatore Carmisciano, Igor Maria De Rosa, FabrizioSara-sini, AlessioTamburrano, Marco Valente // Materials & Design. - 2011, № 32. - P. 337-342.

12. Xu Jinyu. Study on Dynamic Mechanical Properties of Basalt Fibre Reinforced Concrete / XuJinyu, Fan Feilin, BaiErlei, LiuJunzhong // Chinese Journal of Underground Space and Engineering. - 2010, № 2. - P. 53-57.

13. M., Sun, Z. // Journal of Reinforced Plastics and Composites. - 2008, № 27 (4). - P. 393-407.

14. Subramanian N. Corrosion protection of steel structures. The Master Builder, Vol. 2, No. 1, Jan-Feb 2000, pp. 63-66 and No. 2, April-May 2000, pp. - 14-17.

15. Sudeep A. Mechanical properties and flexural applications of Basalt fibre reinforced polymer (BFRP) bars, M. S. Thesis, University of Akron, Dec. - 2009, 385 pp.

16. Jon Olafur Erlendsson (2012). Continuous Basalt Fiber as Reinforcement, Material in Polyester Resin. MSc thesis. Reykjavik University.

17. P. Motamedi. Investigation of the nanostructure and mechanical properties of polypropylene / polyamide 6 / layered silicate ternary nanocomposites / Motamedi, P., Bagheri, R // Materials and Design. 2010, № 31 (4). - P. 1776-1784.

18. Pabvovski D. CNG cylinder manufacturers test basalt fibre / D. Pabvovski, B. Mislavsky, A. Antonov // Reinforced Plastics. Apr. - 2007, 51 (4). - P. 36-37, 39.

19. Ruan J. A method for repairing, reinforcing or enhancing a pipeline by use of basalt fiber composite material / J. Ruan, X. Wang, G. Liu, M. Lu // Patent cooperarion treaty application, Jul.; 2008.

20. Robson J. E. The bonded repair of fibre composites: effect of composite moisture content / J. E. Robson, F. L Matthews, A. J. Kinloch // Composites Science and Technology. - 1994. - V. 52, № 2. - P. 235-246.

R e f e r e n c e s

1. Spravochnik po kompozitsionnym materialam / Pod. red. Gellera B. E. - M.: Mashinostroenie. - 1988.

- 351 s.

2. Ablesimov N. E., Zemtsov A. N. Relaksatsionnye effekty v neravnovesnykh kondensirovannykh siste-makh. Bazal'ty: ot izverzheniia do volokna. - M.: ITiG DVO RAN, 2010. - 400 s.

3. GOST 32656-2014. Kompozity polimernye. Metody ispytanii. Ispytaniia na rastiazhenie. - Vved.

- 2015-09-01. - M.: Standartinform, 2014. - 40 s.

4. GOST 25.604-82. Raschety i ispytaniia na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytanii kompozitsion-nykh materialov s polimernoi matritsei (kompozitov). Metod ispytaniia na izgib pri normal'noi, povyshennoi i ponizhennoi temperaturakh. - Vved. - 1984-01-01. - M.: Standartinform, 2005. - 7 s.

5. Li Kh., Nevill K. Spravochnoe rukovodstvo po epoksidnym smolam. - M.: Energiia, 1973. - 407 s.

6. Vasil'eva A. A., Kychkin A. K., Anan'eva E. S., Lebedev M. P. Issledovanie svoistv bazal'ta Vasil'evsko-go mestorozhdeniia Iakutii v kachestve syr'ia dlia polucheniia nepreryvnykh volokon // Khimicheskaia tekh-nologiia. - Tom 14, № 9, 2013. - S. 516-520.

7. Lebedev M. P., Lepov V. V., Bardakhanov S. P., Sysoliatin S. V., Kychkin A. K. Novye bazal'tovye materialy dlia kholodnogo klimata // Trudy VI evraziiskogo simpoziuma po problemam prochnosti materialov i mashin dlia regionov kholodnogo klimata. - Iakutsk: Akhsaan, 2013. - T. 1. - S. 224-229.

8. Kiselev B. A. Stekloplastiki. - M.: Goskhimizdat, 1961. - 120 s.

9. Bobelev V. A. Sostoianie i perspektivy razvitiia epoksidnykh materialov. Spetsial'nye smoly // Kom-pozitnyi mir. - 2006, vyp. 3. - S. 14-17.

10. Tsarev V. F, Osipova M. V. Modifitsirovanie sviazuiushchego elastomernoi dobavkoi pri poluchenii

izdelii iz polimernykh kompozitsionnykh materialov metodom pultruzii // Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. - 1996, № 1. - S. 23-25.

11. Salvatore S. Basalt woven fiber reinforced vinylester composites: Flexural and electrical properties / Salvatore Carmisciano, Igor Maria De Rosa, FabrizioSara-sini, AlessioTamburrano, Marco Valente // Materials & Design. - 2011, № 32. - P. 337-342.

12. Xu Jinyu. Study on Dynamic Mechanical Properties of Basalt Fibre Reinforced Concrete / XuJinyu, Fan Feilin, BaiErlei, LiuJunzhong // Chinese Journal of Underground Space and Engineering. - 2010, № 2. - P. 53-57.

13. M., Sun, Z. // Journal of Reinforced Plastics and Composites. - 2008, № 27 (4). - P. 393-407.

14. Subramanian N. Corrosion protection of steel structures. The Master Builder, Vol. 2, No. 1, Jan-Feb 2000, pp. 63-66 and No. 2, April-May 2000, pp. - 14-17.

15. Sudeep A. Mechanical properties and flexural applications of Basalt fibre reinforced polymer (BFRP) bars, M. S. Thesis, University of Akron, Dec. - 2009, 385 pp.

16. Jon Olafur Erlendsson (2012). Continuous Basalt Fiber as Reinforcement, Material in Polyester Resin. MSc thesis. Reykjavik University.

17. P. Motamedi. Investigation of the nanostructure and mechanical properties of polypropylene / polyamide 6 / layered silicate ternary nanocomposites / Motamedi, P., Bagheri, R // Materials and Design. 2010, № 31 (4). - P. 1776-1784.

18. Pabvovski D. CNG cylinder manufacturers test basalt fibre / D. Pabvovski, B. Mislavsky, A. Antonov // Reinforced Plastics. Apr. - 2007, 51 (4). - P. 36-37, 39.

19. Ruan J. A method for repairing, reinforcing or enhancing a pipeline by use of basalt fiber composite material / J. Ruan, X. Wang, G. Liu, M. Lu // Patent cooperarion treaty application, Jul.; 2008.

20. Robson J. E. The bonded repair of fibre composites: effect of composite moisture content / J. E. Robson, F. L Matthews, A. J. Kinloch // Composites Science and Technology. - 1994. - V. 52, № 2. - P. 235-246.