В промышленно развитых странах производство композиционных материалов (КМ) неуклонно растет, поскольку эти материалы позволяют добиться существенного улучшения качества и снижения веса изделий и конструкций, в том числе и работающих в экстремальных условиях, при одновременном увеличении их надежности и ресурса.
По сути КМ представляют собой термодинамические неравновесные системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по химическому составу, физико-механические свойствам и разделенных в материале четко выраженной границей. Каждый из компонентов вводится в состав, чтобы придать ему требуемые свойства, которыми не обладает каждый из компонентов в отдельности. Комбинируя объемное соотношение компонентов, можно получать материалы с требуемыми характеристиками [1].
Основным фактором, определяющим выбор метода получения КМ является технологическая совместимость компонентов, т.к. возможно разупрочнение волокон в результате химического взаимодействия с матрицей в процессе изготовления, а также их механическое повреждение.
Создание полимерного композита на основе термореактивной смолы ФАМ, который может использоваться в элементах конструкций, работающих в условиях агрессивных сред динамических нагрузок и знакопеременных температур и которые обладают повышенными эксплуатационными свойствами, например, шпал для лесовозных железных дорог, стало своевременным [2, 3].
Известна полимерная композиция, включающая, мас. ч.: фурфуролацетоновый мономер – 70-100; бензолсульфокислота – 15-20; порошкообразный полиэтилен – 40-100; порошкообразный графит – 150-250; сланцевое масло или сламор – 30-50 (1).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является композиция, включающая, мас. % : фурфуролацетоновая смола ФАМ – 15-2; бензолсульфокислота – 3-5; андезитовая мука – 47-57; стеклосечка или распущенный стекложгут – 0,3-0,5; сажа техническая – 2,5-5,7; древесная щепа – 26-20 (2). Данный композиционный состав обладает целым рядом положительных свойств. Однако в его составе используется также значительное количество дорогой и дефицитной смолы ФАМ, кроме того, недостаточно высоки его морозо- и водостойкость [4, 5].
При этом ставилась техническая задача, направленная на удешевление композиционного материала за счет использования в композиции стирол-содержащих полимеров, полученных из отходов производства синтетического каучука, и повышение морозо- и водостойкости. Это достигалось тем, что состав для композиционного материала, включающий фурфуролацетоновую молу ФАМ, бензолсульфокислоту, андезитовую муку, сажу техническую, древесную щепу и стеклосечку или распущенный стекложгут, дополнительно содержит низкомолекулярный стирол-содержащий сополимер на основе кубовых остатков ректификации возвратного растворителя производства бутадиенового каучука с содержанием стирола 50-80 мас. % и многоатомный спирт при соотношении компонентов, приведенных в табл. 1 [1, 4].
В композиции используют низкомолекулярный стирол-содержащий сополимер на основе кубовых остатков ректификации возвратного растворителя (толуола) производства бутадиенового каучука, который выпускают в промышленных масштабах и используют в производстве лакокрасочных материалов. Состав сополимера: содержание стирола в сополимере 50-80 %, бромное число – 52-88, гВг/100 г, плотность – 1061-1071, кг/м3, температура каплепадения – 50-80 °С, молекулярная масса – 3500-6500, Мп.
Частичная замена ФАМ на данный низкомолекулярный сополимер позволяет композиции сохранить прочностные показатели с одновременным повышением морозо- и водостойкости.
Таблица 1
Составы композиционного материала
Компоненты |
Содержание компонентов, % мас. |
|||
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
|
ФАМ (6-05-1618-73) Бензолсульфокислота (ТУ 6-14-25-79) Низкомолекулярный стирол-содержащий сополимер Многоатомный спирт: глицерин этиленгликоль Андезитовая мука (ТУ 6-12-101-81) Сажа (ГОСТ 7885-86) П-514 или др. Щепа из древесины различных пород Стеклосечка из жгута ЖСН-1-ПВТУ 34-60 или распущенный стекложгут и т.п. |
14,0 3,0 1,0 0,3 – 56,7 8,7 16,0 0,3 |
17,0 4,0 3,0 0,8 – 53,0 3,8 18,0 0,4 |
20,0 5,0 5,0 1,5 – 46,0 2,0 20,0 0,5 |
17,0 4,0 3,0 – 0,6 3,2 3,8 18,0 0,4 |
Итого |
100 |
100 |
100 |
100 |
Использование сополимера на основе отходов производства синтетического каучука позволяет решить вопрос экологического характера, направленный на переработку и использование отходов и побочных продуктов нефтехимических производств.
В составе для композиционного материала используют щепу различных пород древесины или отходов лесосечных работ, освобожденную от коры и подвергнутую сушке. Рекомендуемые сочетания длин отдельных элементов щепы, %: 20-25 см – 2; 15-20 см – 8; 10-15 см – 54; 5-10 см – 35; менее 5 см – 1.
Матрица, представляющая собой отвержденную полимерную композицию на основе ФАМ, низкомолекулярного стирол-содержащего сополимера на основе отходов производства синтетического каучука, эффективно защищает древесную щепу от действия воды, влаги, загнивания, обеспечивает хорошую монолитность композиционного материала и герметичность [4].
Свойства данного композиционного материала приведены в табл. 2.
Таблица 2
Механические свойства композиционного материала
Показатели |
Составы композиционного материала |
|||
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
|
Результаты испытаний КМ по составам |
||||
Предел прочности, МПа при: сжатии, смятии поперек волокон изгибе скалывании Модуль упругости, 104 МПа при: сжатии при изгибе Предел выносливости, МПа Коэффициент стойкости в воде Морозостойкость, цикл. |
76,0 36,0 25,0 8,7 1,30 1,38 37,0 0,64 370 |
80,0 30,0 30,0 9,0 1,30 1,44 39,0 0,72 420 |
78,0 38,0 29,0 8,9 1,40 1,39 39,0 0,70 440 |
78,0 38,0 29,0 8,8 1,40 1,45 36,0 0,68 425 |
С учетом стадии жизненного цикла рынка, динамикой роста потребления и производства в других странах, потенциал российского рынка композитов огромен. Мировой рынок композиционных материалов сейчас находится в стадии роста и ежегодное увеличение составляет около двадцати процентов.
Актуальность предлагаемого композиционного материала определяется необходимостью замены деревянных и железо-бетонных шпал на шпалы из древесного стекловолокнистого композиционного материала, обладающих преимуществами при использовании их на железных дорогах различного, особенного специального назначения [6].