Особенности структурной приспосабливаемости композиционных полимерных покрытий при взаимодействии их с хлопком и технология их получения

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Современная техника, машины и механизмы, в том числе, технологическое оборудование, применяемое в хлопковой промышленности, должны обладать требуемой работоспособностью и эксплуатационной надёжностью. По этой причине, при обеспечении эксплуатационной надёжности машин по переработке хлопка, целевое применение высокоэффективных новых композиционных полимерных материалов наряду с совершенствованием конструкций оборудования, относится к числу актуальных научно-технических проблем, ожидающих своего решения. Известно, что рабочие поверхности традиционно применяемых металлических материалов имеют технологические шероховатости и субмикронеровности с острыми вершинами, которые интенсивно повреждают хлопковое волокно в процессе его переработки, и, вместе с тем, приводят к снижению производительности и повышению энергопотребления из-за относительно высокой силы трения на их поверхностях за счёт высокой гидрофильности. Поэтому, целенаправленное применение эффективных композиционных полимерных материалов и покрытий на их основе на рабочих поверхностях технологических машин и механизмов для обеспечения надёжности, повышения производительности и снижения энергоёмкости технологических машин, и сохранения природного качества хлопкового волокна за счёт снижения механической повреждаемости, является актуальным. Решение отмеченной проблемы непосредственно связано с разработкой новой энерго- и ресурсосберегающей технологии формирования покрытий на основе эффективных полимерных материалов на рабочих поверхностях крупногабаритных технологических машин. Фундаментальные исследования процесса структурной приспосабливаемое™, являющегося одной из особенностей фрикционного взаимодействия в машиностроительном материаловедении, которому в настоящее время не уделено достаточного внимания, определяют дальнейшие перспективы развития материаловедения в трибосистеме «хлопок -полимерный композит». Высокая эластичность микро- и субмикронеровностей композиционных полимерных материалов и покрытий из них обеспечивает относительно меньшую силу трения с хлопком, позволяя в достаточной степени уменьшить его механическую повреждаемость. При этом, проведение комплексных исследований с учётом природы, состава, структуры и размеров частиц наполнителей для оценки количественного и качественного влияния технологических факторов на образование нанокомплексных соединений на межфазном слое применением активационно-гелиотехнологического метода, является востребованной. Постановление Кабинета Министров РУз «О программе модернизации и реконструкции предприятий хлопкоочистительной промышленности на 2007-2011 годы» за №70 от 3 апреля 2007 года подтверждает актуальность и востребованность темы диссертации, посвящённой разработке новых составов и энерго- и ресурсосберегающей технологии получения высокоэффективных композиционных полимерных покрытий для рабочих органов технологического оборудования переработки хлопка. Целью исследования является создание эффективных композициион-ных полимерных покрытий, с учётом структурной приспосабливаемости при взаимодействии с хлопком и технологии их получения. Научная новизна диссертационной работы состоит в: предложении усовершенствованного механизма структурной приспосабливаемости геометрических и термодинамических параметров при взаимодействии различных по природе полимерных материалов; раскрытии качественного и количественного влияния облагораживания на структурную приспосабливаемость; установлении незамеченного ранее эффекта структурной приспосабливаемости композиционных материалов с хлопком, заключающегося в неизбежности образования электропроводящих цепочек, способствующих уменьшению плотности трибоэлектрического заряда, и, следовательно, величин коэффициента трения и относительной механической повреждаемости хлопка благодаря ламинарной структуре наполнителя; выявлении эффективного структурообразующего модификатора госсиполовой смолы при получении гетерокомпозитных покрытий активационно-гелиотехнологическим методом; предложении нового метода структурообразования с учётом градиентного распределения частиц наполнителя по толщине покрытия; впервые предложенном механизме образования нанокомплексных соединений механохимическим методом модификации при получении гетерокомпозитных покрытий активационно-гелиотехнологическим методом. Заключение В работе на основе анализа имеющихся данных, проведением теоретических и экспериментальных исследований, впервые научно обоснованы возможности управления составляющих сил фрикционного взаимодействия полимерных материалов с хлопком-сырцом и предложено целенаправленное регулирование механической повреждаемости хлопкового волокна путём оптимизации структуры и свойства конструкционных материалов для машин и механизмов технологических оборудований. Полученные результаты исследования не только расширяют теоретические знания в области создания высокоэффективных композиционных машиностроительных материалов, работающих в условиях фрикционного взаимодействия с хлопком, но и определяют перспективы развития композиционного материаловедения при создании новых машиностроительных материалов с рациональным использованием местных материальных и энергетических ресурсов. Непосредственная солнечная радиация в естественных условиях 710-750 Вт/м2 в течение 10-20 ч. обеспечивает необходимую степень (95-98%, соответственно) отверждения гетерокомпозитных эпоксидных покрытий, обладающих необходимой работоспособностью в условиях фрикционного взаимодействия с хлопком. В качестве основных выводов можно отметить следующие: 1. Показано, что установившиеся значения структурных параметров фрикционного взаимодействия, в частности, шероховатость поверхности покрытий, независимо от её исходного значения, становятся соизмеримыми с поперечным размером (диаметром) хлопкового волокна не только по высотным, но и по шаговым параметрам неровностей, наибольшее увеличение которых наблюдается у покрытий на основе термопластичных связующих в результате их низких термомеханических свойств. Наилучшие параметры структурной приспосабливаемости с наименьшей механической повреждаемостью хлопка наблюдаются при введении наполнителей ламинарной структуры, обусловленной расщепляемостью их частиц, образующих субмикронеровности покрытий. 2. На основе изучения механизма фрикционного взаимодействия материалов выявлено, что водорастворимые полимерные композиции, на основе NaKMU,, ПВС, полиэтиленгликоля, соли NiN-диметиламиноэтил-метакрилата с бромистым этилом, применяемые при облагораживании хлопкового волокна, не только играют роль акцептора, улучшающего прочностные, антистатические и другие свойства хлопковых волокон, но и способствуют эффективному снижению механической повреждаемости хлопка. 3. Впервые установлен незамеченный ранее эффект прирабатываемое™ композиционных покрытий при фрикционном взаимодействии с хлопком, заключающийся в неизбежности образования электропроводящих цепочек, наблюдаемый даже при достаточно низком содержании 2-5 мас.ч. графита, благодаря его ламинарной структуре, как следствие структурноэнергетической самоорганизации трибосистемы. Активизируемые в процессе фрикционного взаимодействия атомы металлов, находящиеся в составе наполнителя волластонита и каолина в виде оксидов, наряду с поляризованными макромолекулами облагораживаемых композиций или атомами молекулы воды, также способствуют образованию устойчивых электропроводящих цепочек по всей контурной поверхности фрикционного взаимодействия. Раскрытие отмеченных явлений убедительно доказывает своеобразность структурной приспосабливаемости материалов при взаимодействии с хлопком. 4. Установлено, что механоактивированные местные минералы -Ангренский каолин и Койташский волластонит - являются эффективными наполнителями, а госсиполовая смола - эффективным структурообразовате-лем при разработке антифрикционных с хлопком-сырцом эпоксидных гетерокомпозитных покрытий, формированных активационно-гелиотехноло-гическим методом. Показано, что равномерное распределение минеральных частиц по объёму гетерокомпозитных эпоксидных покрытий может быть достигнуто при совместном механоактивировании волластонита с предварительно измельчённым полиэтиленом в определённых соотношениях с целевым назначением в зависимости от вязкости связующего. 5. Выявлено, что ионы металлов, образованные при механоактивации, играют хорошую структурообразующую роль совместно с функциональными группами госсиполовой смолы, при механоактивации минерала на дисмембраторной установке, реализующий ударно-раскалывающий-истирающий эффект, способствующий повышению адгезии между наполнителем и связующим не только за счет увеличения удельной поверхности механоактивированного минерала, но и за счёт роста ионизированных очагов, способных образовывать нанокомплексные соединения с функционально активными группами госсиполовой смолы. Анализом ИК-спектроскопии установлено образование нанокомплексных соединений и предложен механизм (структурная формула) структурообразования в гетерокомпозитных полимерных материалах, полученных активационно-гелиотехнологическим методом. 6. Впервые предложен новый активационно-гелиотехнологический метод, обеспечивающий рациональное использование местных материальноэнергетических ресурсов, требуемое структурообразование и антифрикционноизносостойкие свойства композиционным покрытиям для крупногабаритных рабочих поверхностей технологических машин по переработке хлопка. 7. Выбор наполнителей для механоактивации из местного минерального сырья Ангренского каолина и Куйташского волластонита обусловлен тем, что они имеют промышленный выпуск, обладают близким химическим составом и различаются структурой строения, что присуще для широкого круга местных минералов, и могут служить модельными образцами местного природного сырья, имеющими потенциальные возможности для применения в качестве наполнителей композиционных материалов машиностроительного назначения. 8. Установлено, что для улучшения антифрикционных свойств эпоксидных гетерокомпозитных покрытий с использованием местных минералов и снижения механической повреждаемости хлопка эффективно вводить каолин, а для повышения износостойкости - волластонит. Оптимальная реализация ламинарной структуры каолина при получении антифрикционных покрытий с необходимой износостойкостью может быть достигнута при использовании волластонита с фракционным составом 50-100 мкм и коэффициентом анизотропии не менее 2 в количестве 5-10 мас.ч. 9. Показано, что впервые разработанные новые составы композиций, защищённые Патентами РУз № IAP 04645, IAP 04774, значительно превосходят свои традиционные аналоги по комплексам свойств, обеспечивая минимальное значение как f, так и S() при взаимодействии с хлопком. Причём их можно получить наименьшими на сегодняшний день материально-энергетическими и финансовыми затратами, удовлетворяющими нужды потребителей, широкомасштабным внедрением результатов работы. 10. Организация научно-исследовательских работ при выборе эффективных конструкционных композиционных материалов на основе оценки минимального значения предложенного комплексного фактора 1'6 по впервые разработанному Государственному стандарту Узбекистана O’zDSt2822:2014, с использованием № DGU 01171, № DGU 01172, а также методики оценки неопределённости измерения трибопараметров, наряду с обеспечением достоверности результатов исследования, значительно сокращают временные и трудовые затраты от проведения исследований до внедрения их результатов.