додати матеріал

приховати рекламу

Перспективні композити XXI століття на основі органічних і неорганічних полімерів і нові металеві

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

ПЕРСПЕКТИВНІ КОМПОЗИТИ XXI СТОЛІТТЯ НА ОСНОВІ ОРГАНІЧНИХ І НЕОРГАНІЧНИХ ПОЛІМЕРІВ І НОВІ МЕТАЛЕВІ СПЛАВИ, ПРІОРИТЕТНІ ТЕХНОЛОГІЇ, СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ

БАЗАЛЬТОПЛАСТІКІ - ПОЛІМЕРНІ КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ XXI СТОЛІТТЯ
С. Є. Артеменко, Ю. А. Кадикова, О. Г. Васильєва
Енгельський технологічний інститут СГТУ
У загальносвітовій структурі виробництва попит на конструкційні матеріали щорічно зростає на 5-6%, в той час як темп приросту світового валового продукту становить ~ 2% на рік. Особливе місце в цьому класі матеріалів представляють базальтопластікі (БП), що поєднують високу міцність, термо-і хемостойкость, екологічну чистоту, пожаробезопасность і довговічність. Як армуючої основи в БП служать базальтові нитки (БН), сполучною - органічні полімери.
За своїм хімічним складом БН - це багатокомпонентна система, яка містить SiO 2 - 48-52% і більше 36% реакційноздатних окислів металів. БН мають специфічну гетероструктурою: пористістю з розміром пір d = 7,8 Е, які при нагріванні ниток розширюються, шорсткою (кластерної) поверхнею, високою сорбційною активністю, кристалічності.
Якщо для скляної нитки застосовують багатокомпонентну шихту, що різко ускладнює і здорожує виробництво, то формування БН здійснюється з розплаву базальту (однокомпонентної шихти) при Т = 1450-1500 0 С. Хімічний склад БН і скляних ниток розрізняється (табл.1). Залежно від різновиду гірських порід базальту та режиму формування на поверхні ниток утворюється мікрошероховатость, викликана наявністю мікроскопічних кластерів (розміром сотні Е). Шорсткість збільшує питому поверхню ниток і впливає на сорбційні властивості і хімічну стійкість поверхні.
Кристаличність БН характеризується реліктової кристалличность (пов'язана з многокомпонентностью вихідних базальтів) та набутої в процесі формування ниток.
Таблиця 1

Хімічний склад базальтових і скляних ниток

Волокно

Зміст окислів,%
SiO 2
Al 2 O 3
FeO + Fe 2 O 3
MgO
B 2 O 3
MnO
CaO
TiO 2
Р 2 О 5
Na 2 O
K 2 O
Базаль-товое
49-54
16,16
12,14
7,34
-
0,2
10,34
1,22
0,25
0,23
2,44
Скляне
50-53,4
14,3
0,4
4,0
8,5
-
16,5
0,5
-

4,0
Але ринок базальтових ниток поки мало вивчений і не набув ще належного масштабу. Для нашої країни майбутнє, природно, за базальтовими волокнами, тому що покладу базальту великі і технології їх переробки в різний асортимент волокон освоєні в різних регіонах: Московському, Красноярському, Брянськом, Волгоградському та інших.
Нами розроблена нова інтеркаляційні технологія (ІТ) базальтопластіков, яка базується на просочуванні БН не готовою термореактивною смолою, як передбачає традиційна технологія, а вихідними мономерами. Використовували вітчизняні, що випускаються у великому масштабі, мономери - фенол та формальдегід у співвідношенні 1:1,4 та NaOH як каталізатор.
Схема включає 4 стадії: просочення БН сумішшю мономерів, синтез фенолформальдегидном олігомеру при 90 0 С протягом 90 хв, сушка прес-матеріалу для видалення летких та формування прямим пресуванням виробів різного функціонального призначення.
Завдяки високій активності до фізико-хімічної взаємодії з полімерним сполучною формується структура, що надає БП значно більш високі характеристики в порівнянні з традиційними склопластиками (табл.2).
Так, міцність і модуль пружності при згині БП збільшуються в 3 рази, а водопоглинання знижується майже вдвічі, у порівнянні з склопластиками, сформованих за традиційною технологією.
На повноту взаємодії мають вплив хімічний склад і кількість заоливлювача, що наноситься на поверхню нитки при її формуванні. Заоливлювача олеофільний (активний), на відміну від олеофобного (інертного), прискорює змочування і не перешкоджає інтеркаляції суміші мономерів у структуру нитки і їх взаємодії з поверхнею пір і самої ниткою. Інертний заоливлювача, навпаки, різко погіршує ці процеси і в результаті фізико-механічні властивості базальтопластіков значно поступаються БП на базі ниток з активним заоливлювача. Для базальтових ниток, що містять інертний заоливлювача, в схему включається стадія відпалу заоливлювача при 250 0 С протягом 1 години. З таблиці. 3 видно, що модифіковані відпалом базальтові нитки забезпечують підвищення фізико-хімічної взаємодії в системі нитка - полімерне сполучне, в результаті зростають σ i на 23-50% і σ сд на 30-70%, твердість на 60%, водопоглинання знижується на 22% .

Таблиця 2
Порівняльні характеристики полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), сформованих по ІТ і традиційного способу на основі скляних і базальтових ниток

Вид наповнювача

Твердість за Бринеллю, МПа

Руйнівна напруга при зсуві, МПа

Руйнівна напруга при згині, МПа

Модуль пружності при згині, ГПа

Щільність, кг / м 3

Водопоглинання при 2-годинному кип'ятінні,%

БН
420/376
26/22
635/520
45/37
2030
1710
0,21 / 0,33
Склонитка
400/355
28/24
400/206
28/15
1900
1650
0,28 / 0,38
Примітка: У чисельнику значення з інформаційних технологій, в знаменнику - при традиційній просочення ниток олігомерами
Представляється перспективною модифікація суміші мономерів малої активною добавкою олігооксіпропіленгліколя - ООПГ (у кількості 2%) -
CH 3 CH 3 CH 3
ú ú ú
НОН 2 З -
- СН 2-ООПГ-Si
СН 2 -
ВІН
OH ¾ CH ¾ CH 2 (O ¾ CH ¾ CH 2) n ¾ CH ¾ CH 2 ¾ OH, забезпечує підвищення взаємодії фенолформальдегидном олігомеру з базальтової ниткою шляхом утворення мостічних хімічних зв'язків за схемою:

Таблиця 3
Порівняльні фізико-хімічні характеристики БП, на основі вихідних та термооброблених БН різних виробників
Вид
наповнювача
(Довжина 120 мм )
Твердість за Бринеллю, МПа
Руйнівна напруга при згині, МПа
Модуль пружності при згині, ГПа
Руйнівна напруга при зсуві, МПа
Питома ударна в'язкість, а уд., КДж / м 2
Щільність,
ρ, кг / м 3
Водопоглинання при
2-годинному
кип'ятінні,
W,%
БН б з активним заоливлювача
420
635
45
26
200
2030
0,21
БН-1 з інертним заоливлювача
203
422
32
12
190
1935
0,33
БН-1 *
338
518
39
16
210
2000
0,26
БН-2 з інертним заоливлювача
196
192
16
7
154
1511
0,44
БН-2 *
301
289
22
12
178
1607
0,35
Примітка: * - базальтова нитка, термооброблена протягом 1 години при 250 0 С

При цьому зростає плинність олігомеру по поверхні контакту, знижуються напруга у сформованій тривимірної сітки і відмінності в усадки матриця - армована нитка.
Результатом є підвищення механічних характеристик і водостійкості БП: σ i збільшується на 20%, ударна в'язкість - на 25%, водопоглинання при 2-годинному кип'ятінні зменшується на 35%.
Про формування більш термостійкої зшитою структури модифікованих БП свідчать дані термогравіметричного аналізу (табл.4).
Таблиця 4

Термостійкість базальтопластіков, модифікованих ООПГ

БП
Втрати маси,%
при температурі 0 С
Енергія
активації, кДж / моль
100
200
400
600
800
Не модифікований
0,2
1,5
7,5
16,0
21
547,0
Модифікований
0,1
1,0
5,0
15,0
19
591,0
Для спеццелей економічно ефективно армувати БП гібридної волокнистої системою, що складається з вуглецевих і базальтових ниток. За механічним характеристикам такий матеріал наближається до вуглепластика (табл.5) і в кілька разів знижується його вартість.

Таблиця 5

Порівняльні характеристики гібридних ПКМ на основі УН і БН
Склад
наповнювача
Твердість за Бринеллю, МПа
Руйнівна напруга при згині, МПа
Водопоглинання при двогодинному кип'ятінні,%
УН
840
632
0,39
УН + 10% БН
800
610
0,33
УН + 20% БН
750
590
0,30
УН + 30% БН
720
570
0,27
УН + 40% БН
700
550
0,23
БН
680
420
0,20
Таким чином, розроблена інтеркаляційні технологія забезпечує:
- Формування БП з підвищеними механічними і фізико-хімічними характеристиками;
- Ефективність модифікації БП методами: відпалу заоливлювача з поверхні базальтової нитки, введенням в суміш мономерів малої кількості активної добавки та гібридизацією армуючих волокон у різних співвідношеннях.

СИНТЕЗ нового полімерного АНТИОКСИДАНТИ РІЗНОГО ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
М. Г. Бабаханова
Науково-технологічний комплекс «Фан ва тараккіет» (Узбекистан)
Бурхливий розвиток різних галузей народного господарства викликає необхідність у розширенні асортименту матеріалів, що поставляються полімерної промисловістю. Одночасно зростають і вимоги, які пред'являються до високомолекулярних сполук. Вони повинні володіти такими специфічними властивостями, як термічна, радіаційна стійкість, міцність, еластичність, твердість, здатність до подальших хімічним перетворенням.
У цьому плані одним з основних напрямів сучасних досліджень є синтез олігомерних і полімерних стабілізаторів, антиоксидантів для отримання термостійких композиційних матеріалів.
Виходячи з вищевикладеного, нами синтезований легко доступний мономер-стабілізатор [1], який у своєму складі містить серосодержащие похідного тіазолу. Завдяки наявності реакційноздатного атома галоида в хлорангідриду акрилових і метакрилових кислот можливий синтез ряду нових мономерів, що містять різноманітні функціональні групи, які сприяють надалі отримання полімерів і композитів на їх основі із заздалегідь заданими властивостями, зокрема, мають «стабілізуючі» групи.
Аналізуючи існуючі літературні дані, встановили, що безпосередньо взаємодією хлорангідриду метакрилових кислот з натрієвою сіллю 2-меркаптобензтіазола в гетерогенному середовищі був синтезований мономерний стабілізатор 2-тіобензтіазолметакрілат.
Для визначення оптимальних умов полімеризації 2-тіобензтіазол-метакрилату було вивчено вплив різних чинників на процес полімеризації в присутності кисню повітря, в середовищі азоту, а також у вакуумі. З результатів дослідження (табл.1), видно, що при одній і тій же концентрації ініціатора швидкість полімеризації в присутності атмосферного кисню знижується.
Це вказує на те, що в процесі полімеризації полімерні ланцюги, вступаючи в реакцію з вільними радикалами, утворюють перекисні групи, які стійкі в умовах досліджуваних температур і тим самим гальмують процес полімеризації, внаслідок чого зменшуються швидкість полімеризації і молекулярна маса утворюється полімеру.
Таблиця 1
Залежність ступеня перетворення политиобензтиазолметакрилата від тривалості реакції при різних умовах (Т = 343К)
Умови реакції
Час, з × 10 лютого
Вихід,%
Кисень
18
36
54
5
10
15
Азот
18
36
54
10
20
30
Вакуум
18
36
54
30
50
65
З метою з'ясування впливу температури на кінетику гомополімеризації 2-тіобензтіазолметакрілата, нами був вивчений процес полімеризації при різних температурах і постійної концентрації мономера та ініціатора. Дослідження показало (табл.2), що полімеризація 2-тіобензтіазолметакрілата протікає в присутності радикальних ініціаторів при температурі 343-358 К і вище.

Таблиця 2
Залежність швидкості полімеризації і виходу полімеру в бензольному розчині від температури (концентрація 2-тіобензтіазолметакрілата - 1,702 моль / л, ДАК - 0,0243 моль / л)
Темпера -
туру, К
Час, з
Вихід,%
lg 100
100-х
До п. 10 березня
хв -1
Середня швидкість полімеризації,
моль/л.с.10 4
338
348
358
300
600
900
1200
1500
300
600
900
1200
1500
300
600
900
1200
1500
1,0
1,3
2,2
3,1
4,0
1,6
3,2
4,8
6,6
8,4
3,0
5,6
8,0
10,2
12,5
0,0043
0,0056
0,0096
0,0136
0,0177
0,0032
0,0032
0,0032
0,0034
0,0035
0,0132
0,0250
0,0362
0,0467
0,0579
1,59
3,32
5,66
1,15
2,45
4,18
Таким чином, встановлено, що на процес полімеризації суттєво впливає температура середовища. На підставі результатів по вивченню впливу температур на процес полімеризації була обчислена уявна енергія активації процесу полімеризації тіобензтіазолметакрілата, складова 67, 87 кДж / моль, що характерно для акрилових і метакрилових мономерів.

Література
1. А.с. СРСР № 525679 2-меркапто-бензтіазолметакрілати як термостабілізатора полімерів та спосіб їх отримання / О. М. Яріев, А. Т. Джалілов, М. А. Аскаров и др., 1976.

УДК 541.6
Нові термочутливі сополімери 2-гідроксіетілакрілата і бутилакрилатом і інтерполімерних реакції з їх участю
А. Б. Бейсегул, П. І. Уркімбаева, Г. А. Мун, С. М. Нігма, З. С. Нуркеева
Казахський національний університет ім. аль-Фарабі (Казахстан)
У даній роботі для синтезу нових термочутливих полімерів використаний підхід, заснований на кополімеризації мономерів з істотним розходженням у гідрофільно-гідрофобному балансі хімічної структури, що дозволяє регулювати співвідношення гідрофільних і гідрофобних ланок у макроланцюга і відповідно, температуру фазових переходів в системі полімер-вода в широких межах . У якості вихідних сомономером використаний гідрофільний 2-гідроксіетил-акрилат (ГЕА) і гідрофобний бутилакрилатом (БА).
Для оцінки відносної активності ГЕА і БА в радикальної кополімеризації методом дилатометрії була досліджена кінетика процесу. При цьому встановлено, що швидкість кополімеризації практично не залежить від складу вихідної мономерної суміші (ІМС). Для кополімерів (СПЛ), виділених на початкових стадіях конверсії, методом ЯМР (Н 1)-спектроскопії (ЯМР-спектрометр "Bruker Avance 250 DPX», Великобританія) визначено склад по співвідношенню інтегральних інтенсивностей сигналів ЯМР-спектру в області 4,70 - 4,83 м . Д. і 3,53 - 3,55 м . Д., що належать гідроксильних і СН 2-груп в a-положенні до гідроксилу ланок ГЕА, відповідно, а також піків в області 0,84 - 0,9 м . Д і відносяться до метильних груп ланок БА. Як видно з таблиці, зміст сомономером у складі СПЛ практично не відрізняється від їх концентрації у вихідній мономерної суміші. Обробка цих даних за рівняннями Майо-Льюїса і Файнмана-Росса, показала, що для обох сомономером константи кополімеризації близькі до одиниці і рівні для r 1 = 0,95 (ГЕА) і г 2 = 0,94 (БА). Отже, ГЕА і БА виявляють практично однакову реакційну здатність і для них характерна «азеотропная» сополимеризация.
Склад, молекулярно-масові характеристики і характеристична в'язкість для сополімерів ГЕА-БА
Склад ІМС
Склад
сополімерів
h уд / С,
дл / г
М n
M w / M n
ГЕА, мовляв.%
БА, мовляв.%
ГЕА, мовляв.%
БА, мовляв.%
30,0
70,0
29,1
70,9
0,45
40,0
60,0
40,4
59,6
0,46
50,0
50,0
50,6
49,4
0,45
60,0
40,0
60,9
39,1
0,44
70,0
30,0
71,0
29,0
0,43
119 900
1,59
80,0
20,0
81,2
18,8
0,42
130 260
1,58
90,0
10,0
91,2
8,8
0,41
102 970
1,58
95,0
5,0
95,2
4,8
0,42
113 370
1,96
У роботі для отриманих СПЛ ГЕА-БА вивчені молекулярно-масові характеристики за допомогою гель-проникаючої хроматографа, обладнаного детектором Aligent 1100 series RI (див. таблицю). Аналіз отриманих результатів показує, що сополімери мають досить високою молекулярною масою (порядку 10 4), значення якої залежить від складу ІМС і відповідно, від складу СПЛ. Крім того, більшість СПЛ ГЕА-БА характеризуються низьким значенням коефіцієнта полідисперсності, що свідчить про досить вузькому молекулярно-масовому розподіл отриманих кополімерів. Характеристична в'язкість спиртових розчинів кополімерів незначно збільшується зі збільшенням вмісту БА в ІМС, що, можливо, пов'язано з поліпшенням термодинамічної якості розчинника з підвищенням вмісту БА у складі сополимера.
На основі вивчення впливу температури на оптичну щільність водних розчинів кополімерів різних концентрацій методом Мутномір (УФ-спектрофотометр «UV-2401-РС Shimadzu» Японія при l = 400 нм) побудовані фазові діаграми розчинення (рис.1), з яких випливає, що водні розчини СПЛ ГЕА-БА характеризуються наявністю нижньої критичної температури розчинення (НКТР).
Наявність НКТР для сополімерів ГЕА-БА обумовлено певним поєднанням гідрофільних і гідрофобних ланок у структурі сополимера. Значення НКТР залежить від складу СПЛ, при цьому СПЛ з великим вмістом гідрофобного компоненту (БА) випадає в осад при більш низьких температурах. Таким чином, нові лінійні сополімери ГЕА-БА виявляють властивості, характерні для термочутливих полімерів.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
З спл, г / дл
t, ° С

Рис.1. Фазові діаграми розчинності водних розчинів кополімерів ГЕА-БА: [ГЕА]: [БА] = 95,2:4,8 (1), 93,3:6,7 (2), 91,2:8,8 мовляв.%
У роботі вивчені інтерполімерних взаємодії СПЛ ГЕА-БА з полікарбонові кислоти - поліакрилової (ПАК) і поліметакріловой (ПМАК). На рис. 2 показано, що змішання водних розчинів СПЛ ГЕА-БА з розчинами полікарбонових кислот (ПКК) супроводжується екстремальним зниженням наведеної в'язкості і підвищенням каламутності системи, що свідчить про утворення інтерполімерних комплексів (ІПК), стабілізованих кооперативної системою водневих зв'язків. Положення екстремумів вказує на формування полікомплекси стехіометричного (для системи СПЛ-ПАК) та нестехіометричного (для системи СПЛ-ПМАК) складів.
В ІЧ-спектрі (ІК-спектрометр з Фур'є-перетворенням «Satellite FTIR Mattson», США) полікомплекси виразно проявляються характеристичні смуги, що належать обом полімерним компонентів.
В якості критерію комплексоутворюючої здібності отриманих кополімерів до полікарбонові кислоти використовувалася критична величина комплексоутворення (рН Крит), рН розчинів регулювалася за допомогою цифрового іономір ² Jenway-3345 ² (Великобританія). Показано, що підвищення вмісту гідрофобних ланок БА у складі СПЛ сприяє зрушенню величини рН Крит в область більш високих значень рН. Це свідчить про зростання комплексоутворюючої здібності СПЛ по відношенню до ПАК за рахунок посилення вкладу гідрофобних взаємодій в додаткову стабілізацію полікомплекси, однак, для системи СПЛ-ПМАК такого впливу ланок БА на стійкість утворюється ІПК не спостерігається. При збільшенні концентрації вихідних полімерних компонентів, молекулярної маси ПАК, іонної сили розчину також спостерігається зсув критичних величин рН в область більших значень. Показано, що присутність у розчині поверхнево-активних речовин (ПАР) катіонного та аніонного типів сприяють зниженню комплексоутворюючої здатності системи.
Таким чином, методом радикальної кополімеризації отримані нові термочутливі водорозчинні сополімери на основі 2-гідроксіетілакрілата і бутилакрилатом. Визначено склади кополімерів та їх молекулярно-масові характеристики. Встановлено, що для водних розчинів лінійних кополімерів характерна наявність нижньої критичної температури розчинення, значення якої вдається регулювати варіюванням гідрофільно-гідрофобного балансу макроланцюга кополімерів. Методами віскозиметрії, Мутномір та ІЧ-спектро-скопії досліджено взаємодію нових кополімерів 2-гід-роксіетілакрілата і бутилакрилатом з полікарбонові кислоти.

УДК 678.5
ОТРИМАННЯ НА ОСНОВІ ОКСИДІВ МЕТАЛІВ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ При поляризації ЗМІННИХ АСИМЕТРИЧНИХ СТРУМОМ
Ж. І. Беспалова, Л. Г. Мірошниченко,
І. А. П'ятірка, Ю. А. Ловпаче, Ю. Д. Кудрявцев
Південно-Російський державний технічний університет
(Новочеркаський політехнічний інститут)
Представляється перспективним одержання на базі анодного оксиду алюмінію (АОА) композиційних покриттів (Пк) [1] шляхом наповнення оксиду політетрафторетіленом (ПТФЕ), що здійснюється або просоченням [2,3] сформованого оксиду, або суміщенням просочення з анодним окисленням металу постійним струмом [4] . Такі Пк володіють високими антикорозійними і діелектричними властивостями, можуть служити гарним подслоем для подальшого нанесення фторполімерного Пк. Застосування змінного струму асиметричного для цих цілей більш ефективно, тому що дозволяє регулювати пористість і товщину АОА і впливає на розподіл по глибині пір речовин, що осідають на електродах [5].
Формування АОА з одночасним заповненням його ПТФЕ проводили з фонового електроліту, що містить сірчану, щавлеву і сульфосаліцилову кислоти змінним асиметричним струмом промислової частоти [6].
Осередком служив скляний стакан, в який поміщали робочий електрод з технічного алюмінію А99, 5, свинцевий протівоелектрод, термометр і магнітну мішалку. Поверхневий опір зразків визначали в 0,1 М розчині сульфату натрію за допомогою моста змінного струму Р-568 при частоті 520 Гц і напрузі на зразку не більше 10 мВ. Вміст фтору в АОА визначали на плівках, отриманих в умовах, близьких до оптимальних, методом рентгенівської флуоресценції [7] на спектрометрі фірми Rigaki серії 3270. В якості зразка порівняння використовували диск з фторопласту. Змінюваними параметрами були середній анодний струм, концентрація щавлевої кислоти і ПТФЕ. Кількість сульфосаліцилової кислоти (9,3 г / л), сірчаної (15 г / л) і середній катодний струм (9,5 мА) підтримували постійними (табл.1).
Таблиця 1
Опору плівок і вміст у них фтору при різних умовах отримання

оп.
Анодний середній струм, мА
Концентрація щавлевої кислоти, г / л
Концентрація ПТФЕ, г / л
Опір (Ом) АОА, сформованого в розчині
Вміст фтору,
мас. %
фону
фону з добавкою з ПТФЕ
1
0,3
40
25
2147
6021
5,1
2
0,3
80
5
2677
5014
1,8
3
0,9
80
25
3366
6551
5,7
4
0,3
40
5
2147
3408
2,8
5
0,9
40
25
1778
13971
7,5
6
0,9
60
15
3684
10600
6,6
7
1,5
84
39
2677
4431
5,2
8
2,1
100
55
2894
3371
4,0
9
0,9
40
5
1778
7134
0,87
10
0,3
80
25
640
2364
13,9
11
0,9
80
5
3366
7081
2,2
Статистичний аналіз отриманих результатів показує, що найбільш сильна зв'язок у вимірюваних параметрів можна знайти між опором плівки та вмістом у ній фтору (якщо відкинути дві точки - з максимальним опором і мінімальним вмістом фтору). Коефіцієнт кореляції становить 0,8. Отже, незалежно від умов отримання плівки, її опір в основному визначається вмістом у ній фтору. При вмісті фтору вище 10%, опір плівки падає (досвід 10). Пояснюється це зростанням товщини Пк і його частковим відшаруванням, що можна спостерігати, розглядаючи зразки під мікроскопом.

Література
1. Сайфулін Р.С. Фізико-хімія неорганічних і композиційних матеріалів. / Р. С. Сайфулін, М.: Хімія, 1990. 239 з.
2. Заявка 4124730 Німеччина [DE], МКИ З 25 D 11/18, B 05 D 7 / 17. Спосіб введення полімерів в мікропористі поверхні. 1994. Бюл. № 4. С.3.
3. Пат. 0537867 ЄПВ МКИ З 25 D 11/18, 11/20. Спосіб отримання вироби з композиційного матеріалу на основі алюмінію. 1994. Бюл. № 8. С.8.
4. Пат. 1-212795 Японія МКИ З 25 D 11/04, 11/08, 11/10, 11/18. Спосіб просочення ПТФЕ алюмінієвого плівкового гальванопокриття анодним окисленням. 1990. Бюл. № 7. С.29.
5. Кудрявцев Ю.Д. Розподіл кількості минулого електрики в пористому електроді при поляризації перемінним струмом / Ю. Д. Кудрявцев, Ф. І. Кукоз, Н. Є. Галушкін / / Електрохімія. 1989. Т.25, № 6. С.887-893.
6. Зороховіч А.Є. Пристрої для заряду і розряду акумуляторних батарей. / А. Є. Зороховіч, В. А. Бєльський, Ф. І. Ейгель. М.: Енергія, 1975. 63 с.
7. Пилипенко А.Г. Аналітична хімія. / А. Г. Пилипенко, І. А. П'ятницький. М.: Хімія, 1990. Т.2. 846 с.

УДК 691:681.5
РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ І МЕТОДІВ СИНТЕЗУ композиційних МАТЕРІАЛІВ спеціального призначення
Пензенський державний університет архітектури та будівництва
З початку другої половини XX ст. виникла і отримала подальший розвиток теорія штучних будівельних конгломератів (ІСК) як найважливіший компонент сучасного будівельного матеріалознавства. Вона була розроблена І.А. Рибьевим і його науковою школою. У ній викладені: сутність теоретичної технології; наукові принципи формування оптимальних структур, при яких матеріали стають подібними між собою екстремальними значеннями структурочувствітельних властивостей; загальні і притому об'єктивні (тобто зустрічаються в природі) закономірності зміни властивостей (закон створу, закон конгруенції, закон міцності і деяких інших властивостей) в математичних виразах; основні аспекти довговічності матеріалів; теорія методів (методологія) наукового дослідження та технічного контролю якості і т.п.
Загальна теорія ІБК складається з чотирьох взаємопов'язаних розділів - теорія структуроутворення; структурна теорія міцності, деформованість і конгруенції властивостей ІБК при оптимальних структурах; теорія довговічності ІБК в конструкціях будівель і споруд; теорія методів наукового дослідження та технічного контролю якості ІБК.
Оптимальна структура характеризується: рівномірним розподілом за обсягом заповнювача, фаз, компонентів, пор і інших складових її елементів; відсутністю або мінімальним вмістом дефектів як концентраторів напружень або акумуляторів агресивного середовища; наявністю безперервної просторової сітки, або матриці, з в'язкої речовини; мінімальним значенням відношення маси середовища до маси твердої фази, що назване умовно як фазовий ставлення; найбільшою щільністю упаковки твердих частинок як у мікро-, так і в макроструктурної частинах.
Багаторічний процес нагромадження теоретичних і практичних знань про окремі матеріалах і технологіях досяг такої інтенсивності, що назріла нагальна необхідність якісної трансформації і систематизації цих знань в рамках єдиної узагальнюючої теорії. Такою теорією стала полиструктурное теорія, розроблена В.І. Соломатова і його школою у 60-70-ті роки минулого сторіччя. Її поява зумовлена ​​об'єктивною необхідністю систематизації та узагальнення величезної наукової та практичної інформації про технології конкретних будівельних матеріалів на традиційних і нових зв'язуючих з застосуванням останніх досягнень фізики, хімії та інших фундаментальних наук. Це, перш за все, стосується бетонів на цементних, асфальто-бітумних, полімерних, металевих та інших сполучних, інформація про які розсіяна по численних джерел, різний і суперечливо трактують їх отримання, властивості та застосування в будівництві.
Головна відмінна особливість нової теорії полягає в тому, що принцип поліструктурності представляється не тільки як класифікаційний фактор або методичний прийом для пояснення тих чи інших особливостей структури і властивостей матеріалу, а як ключ до спрямованого зміни і формування необхідних фізико-технічних властивостей цього матеріалу і до призначення його раціональної технології. Відповідно до цієї теорії бетони представляються поліструктурні, тобто складеними з багатьох структур (від атомних і молекулярних до грубих макроструктур), які переходять одна в іншу за принципом «структура в структурі». З інженерної точки зору, найбільш важливо розгляд загальної структури на двох характерних рівнях: мікроструктура і макроструктура. Такий поділ структури досить для практичної технології і добре відбиває об'єктивні закономірності структуроутворення та формування властивостей композитів - бетонів. При цьому мається на увазі, що всередині мікро-і макроструктури укладені структури, відмінні від розглянутих рівнів.
За минулі роки був накопичений величезний досвід проектування та виробництва будівельних матеріалів і композитів спеціального призначення. Крім будівельного матеріалознавства відбувся бурхливий ріст безлічі інших наук: математики, кібернетики, фізики, філософії тощо і з'явилася можливість з'єднання кращих досягнень суміжних наук для потреб будівництва. Це призвело до подальшого розвитку основ будівельного матеріалознавства. Зокрема, авторами робиться спроба застосувати досягнення теорії оптимального управління та системного аналізу при синтезі композиційних матеріалів спеціального призначення.
В даний час існує нагальна потреба створення наукомістких методологій для початкових етапів пошуку рішень важких, нестандартних практичних завдань, що містять важко формалiзуються, і високі вимоги до якості управління, оцінювання та прогнозування. При розробці таких методологій основну роль відіграє системний підхід до дослідження проблем ідентифікації, фундаментальні дослідження математичних і обчислювальних проблем управління, концептуальних аспектів ідентифікації та моделювання, комп'ютерних проблем розвитку інформаційно-обчислювального середовища. Це повною мірою відноситься і до будівельного матеріалознавства.
При вирішенні задач ідентифікації виникає питання: чи існують які-небудь чуттєво-сприймаються наочні характеристики об'єктивної реальності, вимірювання яких дозволили б достовірно стверджувати, що при пошуку вирішення практичної проблеми краще використовувати непараметричні умови, ніж параметричні (або навпаки); чи все залежить від апріорної націленості дослідника на застосування певного математичного апарату і від ступеня його розробленості (від наявності достатніх для відшукання вирішення практичних проблем операціональних можливостей)? Конкретні математичні і прикладні дослідження часто випереджають і підказуються математичною інтуїцією і методологією.
Застосування математичного апарату теорії управління ускладнюється абстрактністю і відсутністю наочності основних математичних понять, настільки сильно відрізняються від природних для людини базисних понять, що виникає необхідність створення можливостей переходу від явищ реального світу у віртуальний світ математичної теорії й назад з віртуального - в об'єктивну реальність (ідентифікації) . У процесі ідентифікації створюються всі необхідні описи реальності. Перехід від об'єктивної реальності до модельним уявленням математичної теорії і назад пов'язаний з внутрішніми механізмами реальної ідентифікації зі здібностями суб'єкта ідентифікації, з можливостями інформаційної підтримки. Ясно одне, будь-яка методологія буде включати процес людського вибору при виробленні поточного виконання процесу ідентифікації.
Під структурною ідентифікацією в даний час розуміється пошук адекватного сімейства математичних моделей (альтернатив) для параметричної або непараметричної ідентифікації. У визначенні не вказується, що розуміти під словами «пошук», «адекватність». В даний час немає загальновизнаного тлумачення їх змісту і значення і детально розроблених трактувань. На предметно-змістовному наочному рівні пошук усвідомлюється як складна інтелектуальна діяльність, де домінуючу роль відіграють технологічні та теоретичні знання, інтуїція, здоровий глузд і досвід суб'єкта ідентифікації; для формулювання його наукового поняття цілісний наочний образ реальних процесів слід висловити мовою теорії ідентифікації. На концептуальному (пояснювальному) рівні вважається, що в процесі структурної ідентифікації істотну роль відіграють інтуїція і життєвий досвід особи, яка приймає рішення. На рівні конкретного теоретичного дослідження основні інтелектуальні зусилля спрямовуються на структуризацію і абсолютну формалізацію даного процесу. У рамках математичного дисциплінарного образу найбільш важливі теоретичні дослідження по розробці алгоритмів генерації і перебору структур (структура - задане сімейство математичних рівнянь), вибір і оцінка якості «найкращої» структури. У наявності конфлікт між різними образами структурної ідентифікації, що є важливим чинником постановки та вирішення нових теоретичних завдань. Не менш складна ситуація пов'язана зі словом «адекватність».
В даний час змістом математичної теорії структурної ідентифікації є математичне моделювання та дослідження актуальних проблем локальних фрагментів без врахування їх реального контексту (їх облік можливий при наявності відображення всього наочного образу на дисциплінарний рівень при розроблених математичних засадах структурної ідентифікації).
Широко поширене словосполучення «структура математичної моделі об'єкта». Сенс вираження інтуїтивно зрозумілий. Складність викликає обгрунтування вживання слова «структура». У математиці цей термін має точно певний сенс і суттєво відрізняється від традиційно прийнятого в теорії ідентифікації. Тому в даний час вживається вираз «тип моделі об'єкта», що трактується як сімейство рівнянь, до якого належить модель об'єкта (у випадках, коли мова йде не про математичної моделі, наприклад, «структура змістовної моделі об'єкта», внутрішніх заперечень вживання слова «структура »не виникає).
Наведемо основні завдання, безпосередньо пов'язані з проблемою структурної ідентифікації. У їх числі:
- Математичний вибір типу ковариационной матриці виходу багатовимірної системи, порядків дискретних динамічних моделей на основі рангових критеріїв, типу моделі нелінійного динамічного об'єкта;
- Оцінювання достовірності результатів при використанні різних методів практичної ідентифікації;
- Перехід від ідеї до адекватної математичної задачі;
- Локальна та глобальна Ідентифікованість типу моделі в просторі станів;
- Автоматизація процесів структурної та параметричної ідентифікації;
- Математичний вибір типу моделі нелінійної системи з декількох сімейств нелінійних диференціальних рівнянь при різних вхідних процесах і впливи;
- Багатовимірний статистичний контроль технологічного процесу з регресійним залишкам і ін
Концепція структурної ідентифікації допускає наявність людського фактора. Інтуїція, життєвий досвід і здоровий глузд визнаються в якості основних інструментів суб'єкта структурної ідентифікації (домінування творчих здібностей людини над цінністю сучасного теоретичного знання).
Допускаються різні типи структурної ідентифікації (у вузькому сенсі розуміється як особлива людська діяльність, спрямована на побудову адекватної математичної постановки практичного завдання), що включає етапи:
- Розробка змістовної постановки практичної задачі,
- Вибір математичної задачі з заданими параметрами,
- Пошук адекватних значень заданих параметрів математичної задачі,
- Корекція змістовної постановки практичної задачі,
- Попередній вибір і алгоритмізація адекватної постановки,
- Пошук рішення пробної постановки практичного завдання і ін
Як бачимо, ідентифікація розглядається як процес породження знання, необхідного для впровадження в практику методів і алгоритмів математики.
При пошуку рішень задач управління складними системами (наприклад, управління якістю будівельних матеріалів) найбільша відповідальність виникає при процедурі прийняття рішень. Такі об'єкти погано формалiзуються,. До них складно застосувати апарат математичного програмування, побудувати математичні моделі об'єктів і т.д. Сама процедура прийняття рішення не може складною ієрархією завдань. Завдання оперативного управління є лише фрагментами глобального завдання управління якістю і локального завдання; повинні відстежуватися їх критерії. Спроби будувати повністю автоматичні системи управління якістю, в більшості випадків приречені на невдачу, оскільки Людина має безумовний пріоритет перед результатами аналізу (наприклад, багатокритеріальна оцінка будівельних матеріалів колективом експертів). Тому будь-які спроби створення автоматизованих систем оцінки якості з застосуванням алгоритмів параметричної ідентифікації є актуальними. У найближчому майбутньому навряд чи можна буде говорити про вирішення всіх питань теорії ідентифікації. Створення та впровадження прототипів нових систем ідентифікації надзвичайно актуальні. Однак це не виключає актуальності і тиражування еталонних прикладних розробок теорії ідентифікації в різні галузі промисловості (наприклад, створення шкали оцінок якості матеріалів, аналогічної шкалою Купера-Харпера, що використовується для оцінки пілотажних властивостей літальних апаратів).
В основі розробки методів оптимізації структури і властивостей будівельних матеріалів лежить рішення задачі ідентифікації кінетичних процесів у гомогенних і гетерогенних системах. Оскільки при розробці матеріалів, як правило, є експериментально отримані залежності зміни контрольованих параметрів від часу, найбільший інтерес представляють методи ідентифікації динамічних процесів за даними нормального функціонування і з синхронних вимірювань фазових координат в процесі нормальної експлуатації. Найбільш перспективним при розробці методики синтезу матеріалів представляється використовувати дані про кінетичних процесах формування фізико-механічних характеристик матеріалів, що зазвичай мають вигляд кривих, наведених на малюнку.
Зазначені процеси в більшості випадків можна розглядати як рішення диференціальних рівнянь n-порядку при заданих початкових умовах. При цьому, у всякому разі, при початку дослідження, пошук динамічної моделі процесу (диференціального рівняння заданого порядку) можна здійснити у припущенні сталості параметрів моделі.


Деякі види кінетичних процесів у будівельних матеріалах
(1 - у гомогенної, 2, 3 - у гетерогенної системах)
Будемо припускати, що контрольований параметр x з плином часу асимптотично наближається до експлуатаційного значенням x = x m. При зазначених припущеннях завдання синтезу матеріалів послідовно зводиться до:
§ вирішення загальної задачі ідентифікації (вибору порядку і виду диференціального рівняння);
§ параметричної ідентифікації в рамках обраної структури (визначення параметрів моделі);
§ вивчення впливу параметрів моделі на вигляд кінетичних процесів у рамках обраної моделі;
§ оптимізації параметрів моделі;
§ встановлення зв'язку параметрів моделі і контрольованих параметрів;
§ оптимізації рецептури і технології виробництва матеріалу відповідно до отриманих оптимальними параметрами моделі.
Запропонована методика синтезу матеріалу грунтується на використанні характерних ознак експериментально отриманих даних про кінетичних процесах в будівельних матеріалах. Це, перш за все, наявність або відсутність точок перегину, аперіодічность, а також відсутність коливальності перехідних процесів.
Параметрична ідентифікація кінетичних процесів зводиться до визначення параметрів узагальненої моделі (наприклад, коренів характеристичного полінома).
При вирішенні окремих завдань цільова функція формується з урахуванням як реакції системи на пробні впливу, так і синхронних вимірювань характеристик системи і керуючих впливів у процесі нормальної експлуатації.
Враховуючи складність моделей систем і труднощі встановлення впливу рецептурно-технологічних параметрів на характеристики матеріалів, визначається методика управління вихідними характеристиками матеріалу (на основі вивчення кінетичних процесів формування фізико-механічних характеристик матеріалу). Визначаються перехресні зв'язки між властивостями матеріалу. На їх основі уточнюються структурні та математичні моделі систем і підсистем з подальшою ідентифікацією параметрів (для окремих систем - з умов отримання екстремумів цільових функцій).
Побудова моделі здійснюється в рамках диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами, порядок яких вибирається, виходячи з числа точок перегину. Коріння характеристичного рівняння передбачаються дійсними і негативними. Рішення задачі Коші шукається у формі рівняння Ейлера. У подальшому встановлюється зв'язок між корінням рівняння і параметрами моделі.
Для синтезу матеріалу надалі розробляється функціонал якості, що враховує зв'язок характеристик матеріалу з корінням характеристичного бінома і коефіцієнтами рівняння. Будуються області рівних оцінок, що дозволяють використовувати регулярні методи синтезу матеріалів.
Методика легко узагальнюється на випадок більш складних кінетичних процесів, що мають більше однієї точки перегину, і пройшла апробацію при синтезі полімерних композиційних матеріалів для захисту від радіації з регульованими параметрами структури і властивостей.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Виклад | 181кб. | скачати

Схожі роботи:
Перспективні композити XXI століття на основі органічних і неорганічних полімерів і нові металеві 2
Синтез та дослідження властивостей неорганічних сполук синтезованих на основі LaBa2Cu3O7 та SmBa2Cu3O7
Сучасні напрямки розвитку композитів на основі полімерів
Синтези органічних сполук на основі оксиду вуглецю
Синтез і властивості полімерів на основі бис-ацетілфеноксіфеніл-о-карборана
Нові політичні інститути Росії кінця XX-початку XXI ст
Економіка Франції 90 х рр. XX століття та початку XXI століття
Нові композиційні матеріали на основі промислових відходів хі
Нові високоміцні і надміцні матеріали з високою пластичністю на основі заліза
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru