Дипломная работа: Полимеры 3

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Получение слоистых пластиков связано с изготовлением на разных этапах технологического процесса слоистых наполнителей – тканей, бумаг, шпона - поверхность которых покрыта связующим – либо олигомерным, либо полимерным.

Получение таких заготовок (препрегов) тесно связано с явлением смачивания – взаимодействием жидкого связующего с поверхностью наполнителя. Хорошее смачивание полимером наполнителя является необходимым, хотя и не достаточным, условием образования прочного адгезионого соединения. Возможность достижения полного (или частичного) смачивания поверхности в значительной степени определяется термодинамикой процессов, происходящих на поверхности при ее контакте со связующим.

I. Термодинамика смачивания.

В зависимости от числа фаз, участвующих в смачивании различают два основных случая:

1) Смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость (иммерсионное смачивание), в котором участвуют только две фазы -жидкость и твердое тело. Иммерсионное смачивание реализуется обычно при смачивании порошков и мелких частиц.

2) Контактное смачивание, в котором наряду с жидкостью, с твердым телом контактирует третья фаза – газ или другая жидкость. Возможны также случаи, когда в смачивании участвуют четыре разных фазы- твердое тело, газ, две жидкости.

Характер смачивания определяется прежде всего физико-химическими взаимодействиями на поверхности раздела фаз, которые участвуют в смачивании. Интенсивность этих взаимодействий при иммерсионном смачивании характеризуется теплотой смачивания.

Контактное смачивание характеризуется чаще всего величиной краевого угла – угла между поверхностями жидкости и твердого тела на границе с окружающей средой.

1.1. Необходимо различать равновесные и неравновесные краевые углы. Равновесный краевой угол q_о зависит только от термодинамических свойств системы, а именно от поверхностных натяжений на границах раздела фаз, участвующих в смачивании. Поэтому для каждой системы при данных внешних условиях равновесный краевой угол имеет одно определенное значение.

Краевые углы, которые измерены при отклонении системы от состояния термодинамического равновесия, называются неравновесными. Иногда неравновесные краевые углы контактными, а термин “краевой угол” используют только для характеристики равновесного состояния при смачивании.

Неравновесные краевые углы могут изменяться при постоянной площади смачивания вследствие постоянного изменения свойств системы или объема капли за счет различных физико-химических процессов – испарение жидкости, взаимного растворения твердого тела и жидкости, адсорбции, химических реакций. В таких случаях изменение неравновесных краевых углов определяется уже не скоростью растекания жидкости, а одним из сопутствующих физико-химических процессов.

В зависимости от значений равновесного краевого угла различают три основных случая.

1. несмачивание (плохое смачивание) – краевой угол тупой: 180^о >q_о >90^о . Пример: вода на парафине или тефлоне.

2. смачивание (ограниченное смачивание) - краевой угол острый: 90^о >q_о >0^о .

Пример: вода на металле, покрытом оксидной пленкой.

3. полное смачивание- равновесный краевой угол не устанавливается, капля растекается в тонкую пленку.

Пример: ртуть на поверхности свинца, очищенной от оксидной пленки.

Величина равновесного краевого угла определяется соотношением сил притяжения жидкости к твердому телу (или к жидкой подложке) и сил взаимного притяжения между частицами (молекулами) самой жидкости.

II . Основы молекулярной теории адгезии.

2.1. Силы молекулярного взаимодействия

Весь комплекс адгезионных явлений есть результат проявления молекулярного взаимодействия. Поэтому, более подробное ознакомление с проблемами адгезии следует начинать с анализа сил молекулярного взаимодействия.

В случае адгезии полимеров чаще всего имеет место взаимодействие электрически нейтральных объектов, при котором возникают разновидности ван-дер-ваальсовых сил. Различают ориентационные (дебаевские), индукционные (кеезомовские) и дисперсионные (лондоновские) силы. Ориентационные и индукционные силы возникают при взаимодействии полярных молекул и могут рассматриваться в рамках классической электростатики. Дисперсионные силы обусловлены взаимодействием мгновенных дипольных моментов, вызванных флуктуациями электронной плотности.

Одним из наиболее широко распространенных видов межмолекулярного взаимодействия является донорно-акцепторное взаимодействие [3]. Представление о межмолекулярном донорно-акцепторном взаимодействии базируется на понятии о молекулярных орбиталях.

При рассмотрении сил, возникающих в системе адгезив- субстрат, необходимо учитывать, что во взаимодействии участвуют не изолированные атомы или молекулы, а конденсированные фазы. Несмотря на малый радиус действия молекулярных сил между двумя частицами, роль этих сил возрастает, когда во взаимодействие вступают конденсированные тела. Теоретические расчеты и прямые эксперименты, подтвердившие наличие значительных межмолекулярных сил, сравнительно медленно убывающих с расстоянием, играют огромную роль в понимании механизма многих поверхностных явлений, в том числе и адгезии. Имеются многочисленные свидетельства того, что молекулярное поле твердой поверхности не ограничивается расстоянием в несколько А^о , а простирается значительно дальше. Поэтому есть все основания говорить о трехмерных аспектах поверхностных явлений [4], о влиянии твердой поверхности на структуру и свойства прилегающих слоев второй фазы и других проявлениях “пристенного эффекта”, вызванного дальнодействием поверхностных молекулярных сил. Эффекты дальнодействия, в случае полярных адгезивов и покрытий проявляются особенно четко благодаря особенностям структуры этих материалов – наличию крупных надмолекулярных образований.

2.2.Формирование контакта в случае вязких адгезивов

При формировании многих адгезионных соединений в контакт с поверхностью субстрата вступает высоковязкая масса. Разумеется, в этих случаях для описания процесса формирования контакта адгезива и субстрата, важнейшее значение приобретают вязкоупругие характеристики адгезива и условия формирования контакта (давление, температура).

Большое внимание уделяется реологическим процессам, происходящим на границе раздела адгезив-субстрат, связанным с заполнением полимером микродефектов поверхности. Предельное упрочнение адгезионного шва достигается при максимальном заполнении микродефектов на поверхности субстрата.

Контакт адгезива с субстратом во многих системах не может быть абсолютным. На границе между адгезивом и субстратом всегда остаются незаполненные адгезивом полости, раковины, и другие дефекты. Высокая вязкость адгезива, особенности топографии поверхности, недостаточно продолжительное время пребывания адгезива в пластическом состоянии или в виде низковязкого расплава – каждая их этих причин может привести к тому, что в готовом адгезионном соединении на границе раздела останутся поры и пустоты. В результате не только уменьшится фактическая площадь контакта, но и возникнут потенциальные очаги разрушения адгезионной связи [5], так как около воздушных полостей на границе раздела происходит концентрация напряжений. Микрореологические процессы, происходящие на границе адгезив- субстрат, рассматриваются в качестве первой стадии процесса установления адгезионной связи. Межмолекулярное или химическое взаимодействие на границе раздела является основным фактором, обеспечивающим связь между фазами. Первая стадия установления адгезионной связи определяется и такими факторами, как вязкость адгезива, чистота поверхности, ее топография, а также давление и температура.

2.3. Понятие адгезионной прочности

Адгезионная прочность является кинетической величиной, зависящей от скорости расслаивания, а не равновесной характеристикой. Хорошо известно, что теоретическая прочность твердых тел не соответствует их реальной механической прочности. Теоретическая прочность определяется молекулярными силами, в то время как реальная прочность зависит от дефектов структуры и других факторов. Процесс деформации твердых тел является неравновесным и связан с диссипацией энергии. Несоответствие между термодинамически вычисленной работой адгезии и определенной экспериментально адгезионной прочностью является результатом того, что при разрушении адгезионного соединения его прочность определяется в неравновесных условиях. Поэтому можно считать, что между понятиями “адгезия” и “адгезионная прочность” соответствие будет существовать только в том случае, когда последняя определяется в термодинамически равновесных условиях разрушения идеальной структуры, то есть, при деформации с бесконечно малой скоростью.

Таким образом, при постоянстве термодинамической работы адгезии (величины, определяемой только природой взаимодействующих поверхностей) работа разрушения адгезионного соединения может изменяться в зависимости от многих факторов. Поэтому термодинамическая работа адгезии является единственной величиной, характеризующей адгезию и имеющей физический смысл независимо от условий испытания или условий формирования адгезионного соединения, приводящих к тем или иным дефектам [6].

III . Основные проблемы механики и прочности адгезионных соединений

3.1.Характер разрушения адгезионных соединений

Любая система адгезив-субстрат характеризуется не только адгезионной прочностью, но и типом нарушения связи между контактами, то есть характером разрушения. Вопрос о характере разрушения имеет и теоретическое, и большое практическое значение: только зная слабое место системы, можно искать пути повышения ее работоспособности. Общепринятой является следующая классификация видов разрушений: адгезионное (адгезив целиком отделяется от субстрата), когезионное (разрыв происходит по массиву адгезива или субстрата), смешанное (наблюдается частичное отделение адгезива от субстрата, частичное разрушение субстрата и частичное разрушение адгезива).

Учитывая влияние субстрата на структуру прилегающего слоя адгезива, можно представить себе адгезив стостоящим по крайней мере из трех частей: тончайшего модифицированного слоя на поверхности субстрата, промежуточного слоя, в котором влияние силового поля поверхности субстрата оказывается значительно ослабленным, и , наконец, основной массы адгезива, где влияние поверхности субстрата не ощущается. Рассматривая пленку клея, заключенную между двумя поверхностями, можно выделить пять слоев: два внешних, модифицированных, примыкающих к субстратам, два промежуточных и один основной в центре.

Разрыв адгезива по основной массе, по модифицированному или промежуточному слоям формально принято рассматривать как когезионный, хотя эти случаи существенно различаются.

В последнее время многие исследователи полагают, что чистого адгезионного разрушения не может быть [7], и, следовательно, тот вид разрушения, который обычно считается адгезионным, не является таковым, а представляет собой разрушение по модифицированному слою адгезива, непосредственно примыкающему к поверхности субстрата. В соответствии с этим адгезионным следует считать такое разрушение, которое происходит в модифицированном слое адгезива вблизи поверхности субстрата [17].

Однако отрицать возможность чистого адгезионного разрушения по границе раздела адгезив-субстрат, не следует. Этот вид разрушения вполне вероятен, и в некоторых адгезионных соединениях он может иметь место наряду со смешанным и когезионным разрушением [7,18,19].

Разумеется, утверждать, что на поверхности субстрата (или наоборот) после разрушения системы адгезив-субстрат отсутствуют следы адгезива вряд ли возможно, поскольку точность современных методов оценки характера разрушения ограничена. Возможно, на поверхности субстрата, особенно в неровностях и углублениях, и остаются мельчайшие, не фиксируемые экспериментально следы адгезива.

Уместно отметить одну из причин чисто адгезионного разрушения систем адгезив-субстрат. Дело в том, что межфазная поверхность в гетерогенной системе наиболее ослаблена из-за концентрации механических напряжений. Поэтому, при отсутствии достаточно прочных молекулярных связей на границе раздела адгезив-субстрат граница не является местом проростания магистральной трещины.

Для пористых субстратов вопрос о характере разрушения формально снимается, поскольку разрушение системы всегда сопровождается разрушением соединяемых материалов, то есть имеет когезионный характер.

Заканчивая рассмотрение вопроса о характере разрушения адгезионных соединений, отметим влияние скорости на характер разрушения. Часто удается наблюдать, что с повышением скорости деформации когезионный характер разрушение сменяется смешанным, а затем адгезионным. Это связано с релаксационными процессами. При медленном разрушении, когда успевают произойти процессы релаксации, адгезив испытывает значительные деформации, что и приводит к когезионному разрушению по адгезиву. При быстром разрушении релаксация не успевает произойти, и адгезив ведет себя как твердое тело с высоким модулем упругости. Слабым местом оказывается граница раздела адгезив-субстрат, так как именно на этой поверхности возникают наиболее неоднородные напряжения.

3.2. Зависимость адгезионной прочности от толщины слоя адгезива.

Характерной особенностью прочности адгезионных соединений является ее зависимость от толщины слоя адгезива [20,21,22,23]. Как правило, с уменьшением толщины слоя адгезива прочность адгезионного соединения возрастает. Эта зависимость может быть объяснена несколькими причинами. Прежде всего следует упомянуть масштабный фактор. Согласно статистической теории прочности твердых тел [24,25,26], значительно меньшая для многих материалов реальная прочность по отношению к теоретической объясняется дефектностью реальных тел.

Поэтому прочность образцов небольших размеров оказывается выше прочности более массивных, в которых вероятность наличия дефектов больше. С этих же позиций можно объяснить зависимость прочности адгезионных соединений от толщины слоя адгезива [20,24,27].

Другой причиной зависимости прочности адгезионного соединения от толщины слоя адгезива могут быть внутренние напряжения [21]. Суммарный эффект действия напряжений, приводящий к ослаблению адгезионной связи, оказывается выше в случае более толстых слоев адгезивов.

Имеются попытки объяснить зависимость адгезионной прочности от толщины слоя адгезива влиянием твердой поверхности [20,28], в результате которого возможность деформации тонкого слоя адгезива меньше, чем толстого.

Зависимость усилия разрушения от толщины слоя адгезива с повышением температуры испытания постепенно изменяется. Это обусловлено затратой работы на деформацию слоя адгезива в сочетании с влиянием масштабного эффекта и действием внутренних напряжений. При низкой температуре проявляются главным образом два последних фактора и значение адгезионной прочности с уменьшением толщины слоя адгезива возрастает. С повышением температуры облегчается релаксация внутренних напряжений и уменьшается влияние масштабного эффекта, но все большая доля усилий затрачивается на деформацию слоя адгезива. Компенсация этих противоположных факторов приводит к тому, что адгезионная прочность перестает зависеть от толщины слоя адгезива, что также неоднократно отмечалось различными авторами.

При температурах от –60 до –24 ⁰ С с уменьшением толщины слоя адгезива наблюдался рост разрушающего усилия, а при температуре 22 0С такой зависимости уже не наблюдается.

1У. Пути повышения адгезионной прочности.

Образование адгезионного соединения состоит из множества одно­временно протекающих процессов, корреляционный анализ которых в данное время невозможен. Поэтому создание новых композиционных материалов в настоя­щее время проводятся на основании получаемых эмпирических зависимо­стей.

В общем случае регулирование адгезионных свойств возможно пу­тем воздействия на вышеописанные факторы, влияющие на адгезионную прочность.

Условно можно выделить следующие направления повышения адгезионной прочности:

Химическая модификация адгезива. Увеличение содержания функциональных групп адгезива, активных по отношению к субстрату, как правило, может приводить к улучшению адгезионного взаимодействия, хотя взаимосвязь функциональных групп и прочности может иметь экстремальный характер. Значительное влияние может оказывать соотношение полярных и неполярных групп в адгезиве и их взаимное расположение [Ошибка! Закладка не определена. ].

Подготовка и модификация субстрата является одним из эффективных способов повышения адгезионной прочности. Так для изменения кислотно-основного баланса полимера с поверхностью наполнителя применяют метод обработки в высокочастотной плазме [[i] ]. Обработку поверхности волокон (Kevlar) с целью увеличения их адгезии к эпоксидной смоле осуществляют прививкой аминогрупп, а повышение водостойкости обеспечивают плазменным методом. Металлические субстраты подвергают травлению в кислоте, с целью удаления окисных пленок, создают искусственный микрорельеф.

Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ). Введение ПАВ способствует понижению поверхностного натяжения адгезива за счет положительной адсорбции на поверхности. Увеличение плотности упаковки молекул ПАВ на поверхности субстрата приводит к увеличению адгезионной прочности за счет того, что неполярная часть молекул ПАВ диффундирует в связующее, а полярная адсорбируется на поверхности субстрата. Кроме того, поверхностно–активные вещества могут влиять на надмолекулярную структуру связующего, уменьшая его дефектность. Более подробное изучение влияние ПАВ приведено в работах [^{Ошибка! Закладка не определена.} ,^{Ошибка! Закладка не определена.} ].

Положительно влияют на увеличение адгезионной прочности сни­жение внутренних напряжений за счет введения пластификаторов, каучу­ков, наполнителей, термопластичных модификаторов и оптимизации температурно-временного режима формирования адгезионного соедине­ния.

Повышение когезионной прочности связующего отражается на долговечности, термостойкости, химической стойкости клеевого соединения.

V . C меси полимеров

Полимерные системы, в состав которых входят два полимера, начали применяться давно для получения материалов, сочетающих свойства обоих смешиваемых полимеров. Так, еще в начале этого столетия хрупкость полистирола пытались уменьшить добавлением каучука. Это привело в конечном итоге к созданию широкой гаммы ударопрочных пластмасс, хрупкость которых удалось резко понизить благодаря наличию микрофазы эластомера. В 30-х и особенно 40-х годах с освоением промышленного синтеза большого числа новых полимеров (в том числе каучуков) расширилось и применение их смесей. Существование среди ученых в 50-х в начале 60-х годов критического отношения, а иногда и просто недоверие, к смесям полимеров (вследствие обнаруженной “всеобщей несовместимости полимеров” позднее изменилось, так как стали очевидны преимущества свойств микронеоднородных систем полимеров. В настоящее время общепринятым является мнение, что различные материалы можно получать, используя любые сочетания полимеров, не опасаясь каких-либо нежелательных последствий при применении смеси “несовместимых” полимеров.

Очевидно, следует относить к смесям полимеров системы, получение смешением двух или более полимеров в условиях, при которых смешиваемые компоненты могут необратимо деформироваться. Эти условия включают смешения полимеров при температурах выше температуры стеклования или температуры плавления (не обязательно выше температуры текучести), смешение растворов с последующим высушиванием или осаждением, смешение полимеров с олигомерами с последующим отверждением, смешение латексов или водных дисперсий с последующим коагуляцией и перемешиванием.

Полимер-полимерные системы в свою очередь являются составной частью композиционных материалов, в в полимерной матрице, которых наряду с другой (или другими) полимерной фазой могут присутствовать частицы минеральных или вообще неполимерных фаз.

4.1. Термодинамический подход к изучению и регулированию взаимодействия полимеров с наполнителями

Введение различных наполнителей в резины и пластмассы является перспективной возможностью экономии основного полимерного компонента и одновременно улучшением некоторых эксплуатационных характеристик материала. Эффективность влияния наполнителей на свойства полимеров во многом определяется адгезионным взаимодействием компонентов друг с другом, величина которого зависит от числа и энергии возникающих связей [2,9, 10, 11].

Об адгезионном взаимодействии часто судят по величине адгезионной прочности (А₀ ), характеризующей силу или работу разрушения адгезионного контакта и зависящей, в свою очередь, от условий формирования материала, формы и размера образцов, условий испытаний [21].

Существует другой подход к изучению взаимодействия различных поверхностей друг с другом – термодинамический.

Термодинамическая оценка величины адгезионного взаимодействия [9], т.е. определение работы или энергии адгезии (W_a ), является наиболее строгой и объективной характеристикой, не зависящей от механизма и условий ее осуществления.

Присутствие пластификатора в полимерной композиции вносит дополнительный энергетический вклад вследствии взаимодействия наполнителя и полимера с пластификатором и обуславливает конкуренцию во взаимодействиях полимер-наполнитель. Полимер-пластификатор и пластификатор-наполнитель. Определяющим фактором при этом являются взаимодействие пластификатора с наполнителем, т.е. величины теплот смачивания [12,19]. Хорошо смачиваемая поверхность аэросила, пластификатор играет роль модификатора, способствующего увеличению сродства поверхности наполнителя к полимеру, что приводит к их хорошему энергетическому взаимодействию друг с другом в более широкой области степеней наполнения, чем в непластифицированных образцах [12]. Плохое взаимодействие наполнителя с пластификатором (малые значения теплот смачивания) либо не изменяет ситуацию, либо взаимодействие полимера с наполнителем ухудшается вплоть до изменения знака _D Н [13]. При близких значениях теплот смачивания наполнителя различными пластификаторами решающую роль играет термодинамическое сродство пластификатора к полимеру [13]. Таким образом, варьируя термодинамическое сродство пластификатора к полимеру и теплоту смачивания им наполнителя, можно в нужных направлениях регулировать энергетическое взаимодействие полимеров с наполнителями.

С возрастанием удельной поверхности наполнителей [12,14] адгезионное взаимодействие, как правило, усиливается, поскольку в присутствии высокомолекулярных наполнителей возрастает объем полимера, иммобилизованного в граничные слои, по сравнению с низкодисперсными наполнителями. Это проявляется в повышении температуры стеклования (Т_с ) образцов. Содержащих наполнители с высокой удельной поверхности .

Таким образом, получение наполненных полимерных материалов с удовлетворительными механическими характеристиками возможно при достижении оптимальных величин адгезионного взаимодействия полимера с наполнителями, конкретных для каждой системы, обеспечивающих лабильность связей, т.е. возможность релаксации перенапряжений на межфазной границе с одновременным сохранением эффективных связей полимера с поверхностью наполнителя при деформации композиций.

II . Экспериментальная часть

2.1. Объекты исследования

2.1.1. Полиамид П-548

Полиамид П-548 представляет собой спирторастворимый сополимер, полученный поликонденсацией соли АГ и e-капролактама или соли АГ, соли СГ и e-капролактама.

Выпускается в виде гранул цилиндрической или пластинчатой формы от белого до светло-желтого цвета. Сополимер растворим в спиртах и спиртоводных растворах. Используется для изготовления полиамидных клеев, лаков, пленок, покрытий, прокладочных материалов в авиационной, пищевой, кабельной, химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Показатели:

1) температура плавления ⁰ С, не менее 150

2) число вязкости мл/г, не менее 136

3) разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см² не менее 300

4) относительное удлинение при разрыве, % не менее 250

5) плотность, г/см³ 1,12

6) модуль упругости при растяжении,кгс/см² 3400

7) твердость, кгс/см² при нагрузке 36,5 кг 380-420

8) изгибающее напряжение, кгс/см² 180-190

2.1.2. Полибутилентерефталат (ПБТ) по ТУ 6-06-21-89

ПБТ представляет собой продукт, полученный по двухстадийному процессу. На первой стадии синтезируют ди (b-оксибутил)терефталат, на второй – осуществляют поликонденсацию. ПБТ обладает высокой прочностью, твердостью и антифрикционными свойствами.

Небольшое водопоглощение обуславливает высокую стабильность свойств и размеров изделий. Детали из этого материала могут работать при температурах от –60 до +120⁰ С.

ПБТ устойчив к действию разбавленных кислот, минеральных солей, органических растворителей и при комнатной температуре к растворам щелочей и аммиака. Применяется для изготовления деталей конструкционного назначения, в радио- и электротехнике, пищевой, автомобильной промышленности и других отраслях.

Показатели:

1) плотность, г/см³ 1,310

2) показатели текучести расплава, г/10 мин при 250⁰ С 3- 6

3) температура плавления, ⁰ С 224-230

4)прочность при разрыве, МПа 46-60

5)модуль упругости при растяжении, МПа 25000-28000

6)ударная вязкость по Шарни на образцах без надреза, кДж/м² не разрушается

7)изгибающее напряжение при разрушении, МПа 75-80

2.1.3. Полиэтилен высокого давления 15803-020

Это твердый продукт, для которого характерны разнозвенность, большая эластичность, меньшая хрупкость, более низкая температура размягчения (108-120⁰ С).

ПЭ при комнатной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей и только при 80⁰ С и выше, он заметно начинает растворяться в четыреххлористом углероде, бензоле, толуоле и т.д.

Формула ПЭ [-CH₂ -CH₂ -]_n

Показатели:

1) плотность, г/см³ 0,92

2) молекулярная масса 18 000-35 000

3) степень кристалличности, % до 70

4) температура расплава, ^о С 180 - 210

5) показатели текучести расплава, г/10 мин 2,0

6) разрушающее напряжение при растяжении, МПа 11,3

7) предел текучести при растяжении, МПа 9,3

8) относительное удлинение при разрыве, % 600

9) теплостойкость по Вика, ^о С 105

10) модуль упругости при растяжении,МПа 98,0

В качестве образцов для испытаний использовались стеклоткань и различного вида бумага, которая различается по сопротивлениям (30, 70, 140, 270 Ом).

Для модификации были использованы поверхностно-активные вещества:

1) алкилбутил-аммоний хлорид при п = 12;

2) оксиалкиловый спирт (смесь окиси этилена и окиси пропилена);

3) четвертичная соль аммопроизводная.

2.2. Экспериментальные методики.

2.2.1. Технология получения смесей.

Для получения смесей смешивали в нужных количествах ПА и ПБТ в лабораторном одношнековом экструдере при Т=235⁰ С.

Образцы для исследований готовили в соответствии со стандартными методиками прессованием при Т=180⁰ С и давлении 50 МПа.

2.2.2. Метод определения краевого угла смачивания.

Параметры капли h и d измеряют с помощью установки, основными узлами которой являются катетометр (типа КМ-6), измерительная ячейка-кювета и осветительное устройство, обеспечивающее контрастное изображение капли и исследуемой поверхности.

Измерения проводят следующим образом. Измерительную ячейку –кювету устанавливают на металлический держатель. На подставку в ячейке помещают исследуемую пластинку ( в данной работе стеклоткань и различного вида бумага), и повернув тумблер трансформатора, включают лампу осветлителя. Лампу следует включать только на время измерения. Далее отворачивают винт на задней стороне каретки катетометра и каретку устанавливают таким образом, чтобы объектив находился примерно на уровне пластинки. Закрепив измерительную каретку винта, с помощью микрометрического винта проводят более точную установку зрительной трубы по вертикали.

С помощью пипетки наносят каплю на поверхность пластинки у самого ее края, обращенного в сторону объектива.

Для получения воспроизводимых результатов необходимо наносить капли примерно одинаковых размеров, так чтобы диаметр ихоснования не превышал 2-3 мм.

Для измерения диаметра капли вращением микрометрического катетометра перемещают перекрестие окуляр-микрометра по вертикали и совмещают перекрестие с изображением пластинки. Измеряют левую и правую часть капли, и вычисляют разность Dn = n₂ – n₁ , которая определяет диаметр основания капли d.

При определении высоты капли перекрестие окуляра первоначально совмещают с серединой основания капли, затем окуляр- микрометр поворачивают вокруг тубуса на 90⁰ С и подводят перекрестие к вершине капли. Высоту h находят по разности показаний (n₂ - n₁ ).

Краевой угол смачивания находят по следующей формуле (1):

d/2

cosq = --------------- (1)

Ö(d/2)² +h²

За результат испытания принимаем среднее арифметическое десяти измерений.

2.2.3. Определение адгезии методом отслаивания

Метод отслаивания заключается в измерении усилия, необходимого для отслаивания гибкой подложки от стеклоткани и бумаг.

Испытания проводились на разрывной машине (см.метод разрыва) при температуре (20±2)⁰ С. Перед определением адгезии измеряли толщину и ширину полоски в трех местах. Полоска закрепляется в зажимах разрывной машины так, чтобы отогнанный край образца был зажат в неподвижном зажиме.

Образец отслаивают при скорости движения подвижного зажима 0,0010-0,0012 м/с (6,5 - 7,0 см/мин) и угле расслаивания 180⁰ .

Адгезию в Н/м (кг/см) вычисляют как среднее арифметическое из восьми-десяти определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 10%.

2.2.4. Методика определения адгезионной прочности

Для определения адгезионной прочности соединений полимеров с волокнами (в данной работе стеклянное волокно диаметром 0,14 мм) измерялась сила F, необходимая для выдергивания волокна из слоя адгезива, т.е. определялась сдвиговая адгезионная прочность.

Адгезионное соединение возникает на поверхности волокна, погруженного в слой адгезива. Геометрия соединения характеризуется длиной l, определяемой толщиной слоя полимера, и площадью S=pdl, где d-диаметр волокна, при этом величину S можно назвать площадью контакта. Адгезионную прочность каждого испытанного образца рассчитывают по формуле t=F/S.

Для строгого выполнения вышеприведенной формулы и соответственно для получения “безусловного” значения t необходимо, чтобы:

· сечение волокна было круглым;

· диаметр погруженного в матрицу участка волокна - постоянным;

· волокно равномерно (без нарушения сплошности) было покрыто полимером;

· видимая и истинная площади соприкосновения волокна и полимера были одинаковые;

· касательные напряжения на границе раздела между связующим и волокном были распределены равномерно.

Образцы готовили следующим образом: чашечки из алюминиевой фольги (предварительно отштампованные с помощью специального пуансона и матрицы) устанавливаются в многогнездные алюминиевые формы. В чашечки через отверстие посередине вставлялось волокно (стекловолокно). Площадь контакта регулируется количеством связующего. Если поверхность соприкосновения волокна и полимера слишком велика, то силы адгезии будут преобладать над силами когезии, и при приложении нагрузки будет происходить обрыв волокна, а не выдергивание его из адгезива.

Оптимальной площадью контакта является интервал от 0.3 до 1мм² , после чего чашечки заполнялись композицией и помещались в термошкаф (с предустановленной температурой 160 или 180⁰ С), где находились заданное время (от 30 минут до 10 часов).

Полученные образцы после извлечения из формы помещаются в многогнездовой адгезиометр с присоединенным к нему самописцем типа ЭПП-09. К образцам прикладывается определенная нагрузка, что приводит к вырыванию волокна из слоя адгезива (адгезионному разрушению образцов). Величина нагрузки фиксируется по регистрирующему прибору.

Толщина слоя полимера у образцов, отлитых в формы, измеряется после разрушения адгезионного соединения при помощи микрометра с двумя конусными вставками МВМ. Так как при смачивании волокна адгезивом всегда образуются мениски, то высота слоя полимера измерялась непосредственно над отверстием, остающимся после выдергивания волокна. Диаметр площади конических вставок составляет 1-2 мм. Использование такой малой площади опоры позволяет избежать ошибок за счет неровности полимерного слоя. Толщина фольги известна заранее и вычитается из измеряемой длины.

2.2.5. Определение прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве

Испытание образцов на прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве проводили по ГОСТ 14236-81 с обработкой результатов испытаний по ГОСТ 14359-60 на разрывной машине “TIRATEST-2150”. Шкалу нагрузок выбираем таким образом, чтобы измеряемая нагрузка находилась в пределах 10….90% от номинального значения шкалы. Расстояние между зажимами – (30 ± 5)мм. Испытания проводятся на образцах шириной (10 ± 0,2)мм, вырезанных из стеклоткани и различных видов бумаг. Бумага различается по сопротивлениям.

Образцы готовили методом прессования при температуре 170-190⁰ С.

Образцы, взятые для испытания, должны иметь гладкую, ровную поверхность, края образцов должны быть без зазубрин и других видимых дефектов.

Скорость раздвижения зажимов испытательной машины (35±5)мм/мин. За результат испытания принимаем среднее арифметическое десяти измерений.

I II. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ

Целью настоящей работы являлось повышение адгезионной прочности в системах “полимер-стеклоткань” и “полимер-бумага”.

Для повышение адгезионной прочности использовались модификаторы и поверхностно-активные вещества (ПАВ).

В качестве связующего для композиционных материалов в настоящее время использовался полиамид марки 548.

На первом этапе работы в качестве модификатора использовался полибутилентерефталат. Необходимым, но недостаточным условием образования прочных адгезионных соединений является хорошее смачивание. Были получены зависимости краевого угла смачивания на бумаге с различным содержанием углеродных волокон (рис.1) и стеклоткани (таблица 1). Как видно из графиков, представленных на рис.1, лучшей смачивающей способностью обладает композиция с 50%-ным содержанием ПБТ. Небольшой максимум значения краевого угла смачивания наблюдается для бумаги с сопротивлением 70 Ом. Из таблицы 1 видно, что лучше смачиваются образцы при 50%-ным содержанием ПБТ, а минимальные значения краевых углов смачивания имеют образцы на основе полиэтилена высокого давления.

Таблица 1

Значения краевых углов смачивания (cosq) исследуемых композиций

Влияние ПАВ на смачивание определяется прежде всего химической природой (составом) контактирующих веществ и самого ПАВ. Также влияние ПАВ на смачивание определяется в значительной мере физико-химическими закономерностям и адсорбции ПАВ из растворов на поверхностях раздела фаз, участвующих в смачивании.

Для оптимального управления смачиванием нужны количественные характеристики, позволяющие оценить влияние ПАВ на краевые углы и сравнить действие различных ПАВ. В работе были использованы три вида поверхностно-активных веществ: алкилбутил- аммоний хлорид, оксиалкиловый спирт, четвертичная соль амино - производная.

При использовании ПАВ, смачивание несколько улучшилось. В данной работе использовались два подхода к измерению краевого угла смачивания. В одном случае исследуемые образцы пропитывались непосредственно 10%-ным раствором ПАВ, в другом – пропитывались гранулы 10%-ным раствором ПАВ. Из таблиц 2 и 3 видно, что значения краевого угла увеличились при обработке образцов и гранул третьим ПАВ-ом, при использовании двух других поверхностно- активных веществ тоже произошло увеличение краевого угла смачивания.

С ПЭВД тоже произошли изменения краевого угла смачивания. Краевой угол смачивания между субстратом и адгезивом больше в том случае, если сами гранулы ПЭВД предварительно были обработаны третьим ПАВ.

Таблица 2

Значения краевых углов смачивания для полиэтилена высокого давления, модифицированного ПАВ-ами

Из ранее проведенных исследований было определено, что смесь с 20%-ным содержанием ПБТ обладает высокими прочностными характеристиками, и таким образом она может являться эталоном сравнения.

Таблица 3

Значения краевых углов смачивания для смеси ПА +20% ПБТ, модифицированного ПАВ-ами

1-ый ПАВ: алкилбутил-аммоний хлорид при n=12;

2-ой ПАВ: оксиалкиловый спирт (смесь оксиэтил и оксипропил);

3-ий ПАВ: четвертичная соль амино-производная.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в случае ПА-548, наибольшее заметное улучшенное смачивание наблюдалось в композиции с 50%-ным содержанием ПБТ, а также в некоторых случаях и с 20%-ым содержанием ПБТ.

В случае ПЭВД исследования показали, что наиболее высокие значения краевых углов смачивания наблюдались, когда сами гранулы были обработаны третьим ПАВ-ом.

Существуют различные методы измерения адгезионной прочности. В зависимости от метода испытания за меру прочности адгезионного соединения могут быть приняты сила, энергия или время. Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (отслаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в значениях адгезионной прочности на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и довольно просты. Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта ( лежащие в основе методов равномерного отрыва и сдвига) не всегда является правильным, так что усилие отрыва или сдвига, отнесенное к площади отрыва, можно рассматривать только как приближенную характеристику адгезионной прочности [2].

В данной работе наиболее удобным методом для изучения взаимодействия в исследуемых системах был метод расслаивания. Однако, все материалы на основе ПА имели высокую адгезионную прочность, при этом расслаивания не происходило, а разрушалась подложка (бумага или стеклоткань).

Поэтому этим методом оценить влияние ПБТ и ПАВ на адгезионную прочность в системах бумага – полимер, стеклоткань – полимер не представлялось возможным. Однако при исследовании ПЭВД метод расслаивания оказался успешным. Как видно из таблицы 4, лучшая прочность наблюдалась на чистом ПЭВД.

Таблица 4

Прочностные характеристики полиэтилена, модифицированного ПАВ-ами

Достаточно часто для повышения адгезионной прочности, ПЭ подвергают окислению. Как нам удалось показать, после обработки KMnO₄ композиты на основе ПЭ имели высокую прочность и не расслаивались. Данные по окисленному ПЭ внесены в таблицу 5.

Таблица 5

Прочностные характеристики окисленного полиэтилена

Из приведенных в таблице 5 данных видно, что на стеклоткани I адгезионная прочность повысилась, а на бумаге с различным сопротивлением образцы не расслаивались. Это говорит о том, что имеет место высокая адгезионная прочность.

Так как не удалось оценить адгезионную прочность методом расслаивания на чистом и модифицированном полиамиде, был использован метод вырыва волокна.

Считается, что при максимальной толщине пленки наблюдается минимальная адгезионная прочность в системе полимер – волокно, из-за возникновения внутренних напряжений. В данной работе такой зависимости обнаружено не было.

Вероятно, что для систем на основе термопластов внутреннее напряжение играет меньшую роль.

Из данных, приведенных в таблице 6, видно, что введение ПБТ приводит к уменьшению прочности вырыва волокна.

Для композиции на основе ПЭВД исследования показали, что прочность на чистом ПЭВД лучше, чем для композиции на основе окисленного ПЭВД.

Таблица 6

Вырыв волокна

Так как нам не удалось прямым методом оценить адгезионную прочность в системах бумага – полимер, стеклоткань-полимер, мы оценивали композиционные материалы по прочности готовой композиции. Полученные результаты представлены в таблице 7 и на рис.2, 3 .

Таблица 7

Прочностные характеристики композиций

Из графиков зависимостей, приведенных на рис.2, можно видеть, что максимальную прочность имеет система на основе ПА + 20% ПБТ. Дальнейшее увеличение содержания ПБТ не приводит к улучшению прочностных характеристик, что вероятно обусловлено понижением когезионной прочности самого полимера.

Система на основе ПЭ имеет прочность сопостовимую с прочностью немодифицированного ПА.

Незначительное влияние на ПЭВД произвели ПАВ. В исследовании ПЭВД использовали два подхода, в одном случае отпрессовали пленку из ПЭВД и затем обработали ее 10%-ным раствором ПАВ, в другом – обрабатывали 10%-ным раствором ПАВ испытываемые образцы (бумага 70 Ом).

Результат показал, что в первом случае, то есть когда пленку обрабатывали ПАВ, то прочностные характеристики повышаются, повышаются эти характеристики и во втором случае, если сравнивать с композицией на основе чистого ПЭВД. Полученные данные сведены в таблицу 8.

Таблица 8

Прочностные характеристики полиэтилена высокого давления, модифицированного ПАВ-ами

Также существенное влияние ПАВ произвели и на композицию на основе ПА +20% ПБТ.

Таблица 9

IV. Описание технологической схемы производства

4.1 Прием сырья

Сырье в мешках или контейнерах транспортируется из вагонов системой электротранспортеров, укладывается партиями на поддоны и межцеховым траспортом перевозится в цеховой склад сырья.

При приемке сырья в любой упаковке обязательно должен вестись учет прибывшего сырья, для чего могут быть использованы специальные весы.

4.2. Хранение сырья.

Материал должен храниться в крытом отапливаемом складском помещении.

4.3.Растаривание сырья.

Сырье растаривается на растарочной установке. Материал ссыпается в технологические емкости.

4.4. Входной контроль сырья.

Сырье, поступающее на предприятие, должно сопровождаться соответствующим документом, в котором должны указываться его основные характеристики и соответствие требованиям ГОСТ или ТУ. После получения сырья необходимо провести входной контроль (определить однородность сырья в партии и показатель текучести расплава). Определение основных технологических и физико-механических показателей сырья при необходимости проводится в заводской лаборатории.

4.5.Подготовка сырья.

Подготовка сырья заключается в смешении материала со вторичным сырьем и красителями в смесителе.

Влажность сырья является одним из важных параметров, влияющих на качество литьевых изделий. В связи с этим, материалы перед переработкой рекомендуется подвергать сушке.

4.6. Режим сушки

4.7. Транспортирование сырья к литьевым машинам

Транспортирование сырья в бункер литьевой машины осуществляется пневмотранспортом. Технологическая емкость с подготовленным сырьем перевозится электропогрузчиком к литьевой машине.

4.8. Формование изделия.

Формование изделия производится на литьевой машине “DEMAG 100”, согласно технологической карте, которая разрабатывается технологической группой цеха. Технологическая карта является кратким регламентом изготовления изделия. Технологический цикл формования изделия в литьевой машине обеспечивается за счет взаимосвязанной работы трех узлов: узла смыкания и запирания форм, узла пластикации и впрыска.

Цикл литья состоит из следующих операций: перемещения подвижной плиты (сначала ускоренное, а затем замедленное); запирания формы; перемещения механизма пластикации к форме, впрыска расплава в форму; выдержки материала под давлением; охлаждения изделия в форме; раскрытия формы и удаления изделия из формы; подачи материала в материальный цилиндр, пластикации и гомогенизации его за счет энергии вращения червяка и тепла подводимого из вне.

4.9. Механическая обработка и контроль качества готовых изделий.

Механическая обработка заключается в удалении литинка и облоя. Облой удаляется специальным ножом. Отрыв литника осуществляется с помощью ножниц или кусачек.

Контроль качества осуществляется одновременно с механической обработкой.

4.10. Упаковка, способ укладки.

Упаковку следует производить упорядоченной укладкой в ящики, между рядами следует прокладывать бумагу.

Изделие коробка – упаковывают в картонные коробки по 160 штук и по транспортеру отправляется на склад готовой продукции.

ОХРАНА ТРУДА

Под охраной труда понимают систему законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Методологическая основа “охраны труда” - научный анализ условий труда, технологического процесса, аппаратурного оформления, применяемых и получаемых продуктов с точки зрения возможности возникновения в процессе эксплуатации производства опасности и вредности.

На основе такого анализа определяют опасные участки производства, выявляют возможные опасные ситуации и разрабатывают меры их предупреждения и ликвидации.

Мероприятия по технике безопасности направлены на решение следующих задач:

1.Предупреждение возникновений пожаров и взрывов;

2.Предупреждение производственного травматизма;

3. Предупреждение профессиональных заболеваний и отравлений.

5. 1. Краткая характеристика выполняемой работы

5.1.1. Опасные и вредные основные факторы на основных стадиях выполнения дипломной работы

Данная дипломная работа посвящена повышению адгезионной прочности в системе “стеклоткань-термопласт-бумага”.

К физически опасным и вредным факторам относят, механический шум, возникающий при работе гранулятора.

Аварийные ситуации могут возникнуть в ряде случаев: несоблюдение правил техники безопасности при работе с оборудованием, имеющим движущиеся части; неисправность электрической части.

5.1.2. Характеристика применяемых веществ

Полиамид ( П-548) выпускают в виде гранул от белого до слабо-желтого цвета диаметром 3-10 см.

Полиамид не токсичен. Их пыль незначительно действует на легкие. Они нерастворимы в обычных органических растворителях, они растворяются в концентрированных кислотах (серной, муравьиной, уксусной), в фенолах.

Они устойчивы к действию минеральных масел и жиров, воды, грибков, бактерий и плесени.

Структура полиамида (ПА) частично кристаллическая.

ПА воспламеняется, продолжает гореть после удаления источника зажигания, образуя пузыристые капли, тянется в нитку, пламя голубое с желтыми краем.

Запах горелого рога. Полиамид безопасен для здоровья.

Также в данной работе используется ПОЛИЭТИЛЕН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ПЭВД) и полибутилентерефтолат.

ПЭ представляет собой твердый продукт. Имеет частично кристаллическую структуру, плотность 0,9 гр/см.³ Степень кристалличности до 70%. Температура расплава 220-280 ⁰ С материал холодостойкий до – 40 ⁰ С, неломкий.

Имеет хорошие диэлектрические свойства, незначительное водопоглощение, не опасен для здоровья, поропускает запахи. ПЭ легко воспламеняется и продолжает гореть с образованием капель после того, как удален источник зажигания; пламя ярко светящееся, седрцевина пламени голубая, с запахом парафина.

Температура воспламенения = 400 ⁰ С.

Температура самовоспламенения = 440 ⁰ С.

При горении тушить на открытой поверхности тонко распыленной водой со смачивателями и пенами.

ПБТФ – структура частично кристаллическая, плотность 1,30 гр/см³ .

Имеет высокую термостойкость, высокую жесткость и твердость, ограниченное водопоглощение, хорошую устойчивость к растрескиванию, отличные антифракционные свойства и износостойкость, материал безопасен для здоровья.

Воспламеняется с трудом, гаснет вне источника огня, светящееся пламя желто-оранжевого цвета, коптящее, запах сладковатый, ароматический.

Температура расплава -250-260 ⁰ С.

5.1. 3. Режимы личной безопасности

Из средств индивидуальной защиты был использован халат.

К работе в лаборатории допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности и первичный инструктаж на рабочем месте. При проведении всех видов работ и инструктажей по технике безопасности отмечается номер инструкции в журнале инструктажа, а также ставятся подписи инструктора и инструктируемого.

Перед выполнением дипломной работы руководитель проводит общий и специальный инструктаж по охране труда и технике безопасности.

5.2. Производственная санитария

5.2.1. Размеры лабораторного помещения

Лаборатория по переработке пластмасс находится в полуподвальном помещении. В лаборатории работают 18 человек. Согласно ПУЭ лаборатория относится к классу В-15. Помещение лаборатории имеет П степень огнестойкости.

Лаборатория имеет площадь 85 м² , высоту 3,5 м и объем 293 м.³

На одного человека приходится 16,5 м (по СН 245-71) объем производственного помещения на одного работающего должен составлять не менее 15 м³ , а площадь не менее 4,5 м³ .

В лаборатории три окна и одна дверь.

5.2.2. Работа с вредными веществами

Вредные вещества поступают со склада в лабораторию в количестве не превышающем суточный нормы. Они хранятся в герметичной, закрытой таре в специально отведенном шкафу. Работа с ними проводится под тягой. В лаборатории СДЯВ отсутствуют.

5.2.3. Источников ионизирующего излучения нет

5. 2.4.Метеорологические условия в помещении лаборатории

- температура воздуха в холодное время года + 15 ⁰ С;

- температура воздуха в теплое время года + 20 ⁰ С;

5.2.5. Вентиляция

Свежий воздух в помещение лаборатории поступает через окна и дверь. Имеется вытяжная вентиляция. Для работы с вредными веществами имеются вытяжные шкафы с кратностью обмена воздуха 4.5-5 ч^-1 , что позволяет работать с веществами всех четырех классов.

Кратность воздухообмена – это объем воздуха, подаваемого в течение 1 часа в производственное помещение и обеспечивающий соблюдение санитарных норм, отнесенных к объему вентилируемого помещения.

К= Q/V_лаб , где

Q – объем воздуха для вентиляции помещения, м³ /ч

V_лаб – объем вентилируемого помещения, м³

К = 1350/293 = 4,61 ч^-1

Скорость подсоса воздуха в рабочем проеме вытяжного шкафа

S = 1350/0,25 х 3600 = 1,5 м/с, F = 0,25 м² .

При данной скорости можно работать с веществами любого класса опасности. Вентиляция и метеоусловия в лаборатории соответствуют СН-245-71.

5.2.6.Освещение лаборатории

Одним из важных элементов благоприятных условий труда является рациональное освещение помещений и рабочих мест.

При правильном освещении увеличивается производительность труда, улучшаются условия труда и безопасности, снижается утомлямость.

5.2.6.1. Расчет естественного освещения

Естественное освещение осуществляется через боковые окна. Площадь требуемых световых проемов находится по формуле:

L_Н *hо*К_З *S_Н *К_ЗД

S_o = ------------------------------,

t_о * h*100

где : S₀ -площадь световых проемов, м² ;

L_н -нормированное значение, L_н = 1.5;

hо -световая характеристика окна, hо = 18;

К_З -коэффициент запаса, К_З = 1,2;

S_Н - площадь пола помещения, м² , S_Н = 85.

К_ЗД - коэффициент, учитывающий затемнение окон от соседних зданий, К_ЗД = 1,1.

t - коэффициент, учитывающий влияние отраженного света при боковом освещении, t = 4,1

t_о -общий коэффициент светопропускания определяемый по формуле:

t_о = t₁ *t₂ *t₃ *t₄ *t₅

t₁ - коэффициент, учитывающий светопропускание материала, t₁ = 0,8

t₂ - коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светопроема, t₂ = 0,65;

t₃ - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях, t₃ = 1,0;

t₄ - коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах, t₄ = 1,0;

t₅ - коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями, t₅ =1,0

t_о = 0,8 х 0,65 х 1,0 х 1,0 х 1,0 = 0,52

S_o = 1,5 х 18 х 1,2 х 85 х 1,1 / 0,52 х 4,1 х 100 = 14,2 м²

S_Ф = 15 м² .

5.2.6.2. Расчеты искусственного освещения

Искусственное освещение в лаборатории обеспечивается лампами дневного света, расположенными на расстоянии 3,2 м от пола.

Количество ламп, необходимых для освещения находится по формуле:

E * K* S_n * Z

N = -----------------------,

F * h * m

где: Е- нормативная освещенность, Е= 150 лК;

К- коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности, К=1,5;

Z - поправочный коэффициент светильника, Z =1,1;

F - световой поток лампы в светильнике, F = 1960лК;

h- коэффициент использования, зависящий от размеров и конфигурации помещения, высоты подвеса светильника, отражения потолка (коэффициент i);

a * b

i = ------------------,

h * (a + b)

а- длина помещения;

в- ширина помещения;

h - высота подвеса светильника под рабочими местами;

9 * 9,45

i = ------------------= 1,3

3,5 * (9 + 9,45)

h = 0,5;

m – число ламп в одном светильнике, m = 2.

Расчет ламп типа ПД –40 светильник рассеянного света типа ПИОД:

150 * 1,5* 85 * 1,1

N = ------------------------- = 11 штук

1960 * 0,5 * 2

Необходимо установить 11 светильников. Фактически в лаборатории установлено 15 штук, что соответствует СН 23-05-95.

5.2.7. Шум

В лаборатории имеются следующие источники шума:

-механический шум, обусловленный колебанием деталей машин и их перемещением; механический шум возникает на стадии переработки и испытания образцов;

-гидродинамический шум, возникающий вследствии турбулентного движения воды по трубопроводу;

-шум от работы вентиляторов.

Так как вентилятор работает с малым статичеким давлением, то этот шум невелик, по сравнению с механическим.

Во избежании перегрузок от шума надо чередовать работу в шумном помещении с отдыхом. Некоторые машины отгорожены специальными звукопоглащающими перегородками.

5.2.8. Снабжение

Система водоснабжения – хозяйственно питьевая, источник водоснабжения –городской водопровод.

5.2.9. Канализация

Сточные воды в лаборатории сливают в канализацию. Канализация снабжена гидрозатвором. Ядовитые вещества перед сливом нейтрализуют.

5.2.10. Отопление

Отопление лаборатории центральное водяное, обеспечивающее минимальную температуру воздуха 18 ⁰ С, что соответствует нормальным климатическим условиям.

В соответствии с СН245-71 в холодный период, когда температура наружного воздуха ниже 10 ⁰ С, оптимальными условиями являются:

Температура воздуха 18¸20 ⁰ С

Относительная влажность 40-60%.

5.3. Техника безопасности

5.3.1. Машин, аппаратов и сосудов, работающих под давлением в работе нет

5. 3.2. Электробезопасность

5.3.2.1.Используется электрический ток с частотой 50 Гц и напряжением 220-380 В.

5.3.2.2. Для питания силового оборудования и осветительных приборов в лаборатории применяется трехфазная электрическая сеть с заземленной нейтрально.

В качестве защиты сети от токов короткого замыкания и перегрузок используют плавкие предохранители.

5.3.2.3. Помещение лаборатории по опасности поражения электрическим током можно отнести к помещению с повышенной опасностью, тик как возможно одновременное прикосновение с одной стороны к имеющим соединение с землей корпусами технологического оборудования и с другой стороны, к металлическим корпусом электрооборудования или токоведущим частям. Все оборудование заземлено на контур сопротивления 40м.

5.3.2.4. Электрооборудование по способу защиты человека от поражения током относится к классу I, то есть это оборудование, имеющее рабочую изоляцию, элемент заземления и провод с заземляющей шиной для присоединения этого оборудования к источнику питания.

5.3.2.5. Электроустановок специального назначения нет

5.4.Пожарная профилактика

5.4.1.В соответствии с паспортом лаборатории помещение лаборатории относится к категории В (пожароопасная).

5.4.2.Согласно ПУЭ по пожароопасности помещения лаборатория относится к классу П-Iiа, а по взрывоопасности к классу В-Iб.

5.4.2.1.Источников воспламенения и инициирования взрыва нет.

5.4.3.Легковоспламеняющиеся жидкости в работе не используются.

5.4.4.Защита от статического электричества.

5.4.4.1.Возникновение электростатических зарядов обусловлено физико-химическими процессами, протекающими при трении материалов с различными диэлектрическими свойствами, дробление полимерных материалов.

5.4.4.2.Средства защиты.

-заземление оборудования, выполненного из электропроводящих материалов;

-снижение интенсивности возникновения зарядов статического электричества.

5.4.5.Средства пожаротушения.

5.4.5.1.В лаборатории имеются следующие противопожарные средства: песок, асбестовое покрывало, углекислый огнетушитель ОУ-2.

5.4.5.2.Пожарная связь осуществляется через телефон.

ЭКОЛОГИЯ

Введение

Сегодня развитие промышленности пластмасс является одним из необходимых компонентов технического прогресса. В последнее время выпуск полимерных материалов непрерывно растет.

Одним из следствий такого роста является появление новых проблем, связанных с отрицательным воздействие промышленности пластмасс на окружающую среду.

В связи с тем, что пластмассы являются потенциальными источниками выделения химических веществ в окружающую среду необходимы профилактические мероприятия, обеспечивающую их безопасное для здоровья производство и применение. В нашей стране мероприятия по технической регламентации применения полимерных материалов носят законодательных характер, которые осуществляются органами санитарной службы в порядке проведения государственного санитарного надзора и регулируются специальными нормативами, инструкциями, санитарными правилами. Наиболее прогрессивными становятся технологические процессы, максимально исключающие образование сточных вод, газовых и твердых отходов.

Очистка газообразных выбросов и сточных вод, загрязняющих окружающую среду, от вредных веществ, утилизация образующихся отходов – важнейшая технологическая задача. Большое количество отходов свидетельствует, прежде всего, несовершенстве производственных процессов. Поэтому основная проблема состоит в разработке и внедрении безотходных и малоотходных технологий переработки пластмасс. Для этого современная промышленность оснащается специальными машинами, многие их которых представляют собой сложные автоматические или полуавтоматические агрегаты.

Таким образом, так как в обозримом будущем невозможно избавить население от контакта с пластмассами не только на производстве, но и в быту, основная задача заключается в том, что их применение должно быть на уровне возможного воздействия , не представляющего опасности для человека.

Целью данной работы является повышение адгезионной прочности в системе “стеклопласт - термопласт- бумага”, которая используется в производстве электронагревательных элементов.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЛОК –СХЕМА

Процесс получения образцов в условиях лабораторного эксперимента состоит из следующих стадий:

1. подготовка образцов;

2. запрессовка между образцами термопласта;

3. испытание образцов

Обобщенная технологическая схема выглядит следующим образом:

Образцы Прессование

Твердые отходы

Испытание (испытанные образцы)

Токсикологическая характеристика сырья и реагентов

Полиамид (ПА) при комнатной температуре не выделяет в окружающую среду токсичных веществ и не оказывает при непосредственном контакте влияния на организм человека.

Структура полиамида является частично кристаллической. Его плотность составляет 1,14 г/см³ .

Термические, оптические, механические свойства материала:

В равновесной влажности (2-3%) материал очень вязкий. В сухом состоянии ломкий. Твердый, жесткий, износоустойчивый, хорошие антифрикционные; хорошо окрашивается, безопасен для здоровья, обладает хорошей клейкостью.

Химические свойства:

Стойкий против: масел, бензина, бензола, щелочей, растворителей, хлоро-углеводородов, сложных эфиров, кетонов.

Нестойкий против: озона, соляной кислот, серной кислоты, перекиси водорода.

Т_{расплава} = 240-250^о С

Вопросы газоочистки

Загрязнение атмосферы происходит за счет выделения летучих веществ, в результате термоокислительной деструкции. Количество летучих веществ не превышает значения ПДК, поэтому газообразные вещества рассеиваются в атмосферу.

Переработка и обезвреживание жидких отходов

Жидких отходов в производстве нет.

Переработка и обезвреживание твердых отходов

За время проведения дипломной работы образуется 0,5 кг твердых отходов, которые в дальнейшем не перерабатываются, следовательно, поступают на захоронение.

Экономическая оценка природоохранных мероприятий

Для нетоксичных отходов расчет ущерба от загрязнения поверхности почвы может быть произведен следующим образом. Оценка величины ущерба от поступления в окружающую среду твердых отходов производства и потребления (без учета вторичного загрязнения) может быть выражена через затраты на удаление, обезвреживание отходов, а также через стоимость, отчуждаемой для этих целей земли и затраты на ее санитарно-гигиеническую рекультивацию.

Y_п = Y * М_. ,

где М- масса твердых отходов, т/год;

Y_п – удельный ущерб от поступления в окружающую среду 1 т твердых отходов,руб/т;

Y_п =у_УД + у_м

где у_УД – затраты на удаление, обезвреживание и захоронение 1 т твердых отходов, руб/т;

у_м – ущерб, наносимый народному хозяйству изъятием территории под складирование, создание отвалов, захоронение 1 т твержых отходов с последующей санитарно-гигиенической рекультивацией, руб/т.

у_УД = з_м + с_С + (Е_Н *К_С )

где: з_м – затраты на удаление (транспортировку, погрузочно-разгрузочные операции) 1 т твердых отходов, руб/т;

с_С - эксплуатационные расходы, связанные с обезвреживанием (уничтожением) отходов в специальных установках, руб/т;

К_С – удельные капитальные затраты на сооружение систем удаления, обезвреживания, складирования или уничтожения отходов;

Е_Н – нормативный коэффициент использования капитальных затрат, который равен 0,15.

у_м = (з_Э +з_Р )*S,

где з_Э - экологическая оценка 1 га земли по нормативам затрат на возмещение потерь сельскохозяйственного производства, руб/га;

з_Р – усредненные затраты на санитарно-гигиеническую рекультивацию 1 га земли;

S – площадь, используемая для складирования 1 т отходов, (принимается по отраслевым данным в среднем от 0,0002 до 0,00002 га/т);

Для Москвы и Московской области на 1990 г з_Э =32,5 тыс.руб./га;

з_Р = 2618 руб./га (в 1989 г);

у_м = (32,5*1000 + 2618)*0,0002 = 7,024 руб/т;

з_м =7,88руб/т ( при расстоянии перевозки 50 км);

с_С =0,147 (для г.Москвы);

Е_Н = 0,15;

К_С = 0,5 руб/т (для 10 м высоты складируемых отходов с учетом полного уплотнения за весь период эксплуатации полигона);

у_УД = 7,88 + 0,14 + 0,15*0,5 = 8,102 руб/т;

Тогда Y_п = 8,102 + 7,024 = 15,126 руб/т.

Y_п 15,126*0,5 = 7,56 руб за время проведения работы.

Заключение

В лабораторных условиях в процессе испытаний образуются твердые отходы, ущерб от которых составляет 7,56 руб за время проведения работы. Из данных проведения эксперимента можно сделать вывод, что образцы не оказывают вредного воздействия на организм человека и окружающую среду.

Технико-экономическое обоснование

Ускорение научно-технического прогресса – это одна из ключевых задач нашего времени. В решении этой задачи немаловажную роль играет развитие химической промышленности, которое включает в себя развитие малотоннажной химической продукции, создание новых мало и безотходных технологий, применением нового, более производительного оборудования – решение этих задач позволит увеличить выпуск продукции, а также снизить ее себестоимость. Их использование позволяет снизить расходные коэффициенты сырья, сократить затраты рабочего времени, улучшить качество и надежность изделий, и, наконец, уменьшить себестоимость продукции.

В наше время прогресс в области получения материалов для электронагревательных элементов, выдвигает ряд новых требований к материалам. Эти материалы должны обладать высокой прочностью, долговечностью и быть технологичными в применении. Создание таких материалов является одним из наиболее перспективных путей решения многих технических задач во многих областях и отраслях промышленности.

Исходя из вышеизложенного, целью данной дипломной работы явилась разработка полимерных материалов, а также исследование их свойств.

В качестве материалов были использованы полиамид, полибутилентерефталат, полиэтилен высокого давления, а также стеклоткань и различного рода бумага, которая различается между собой по содержанию углеводородных волокон.

При использовании этих материалов было отмечены более высокие величины адгезии и прочностные характеристики. Также нужно отметить, что стоимость полиэтилена ниже, чем у других полимерных материалов.

Расчет затрат на научно-исследовательскую работу

1. Расчет материальных затрат

Расчет затрат на основные и вспомогательные материалы, топливо и реактивы, израсходованных при выполнении данной дипломной работы определяются по формуле:

С_М = Sⁿ _{i =1} Р_i Ц_i , где

Р_i – количество израсходованного i-го материального ресурса;

Ц_i – планово-заготовительная цена единицы i-го вида материальных ресурсов (руб./ед).

В таблице 1 представлен расчет затрат на реактивы.

Таблица 1

2.Расчет энергетических затрат

В составе энергетических затрат учитывают затраты на электроэнергию, пар, воду, холод, сжатый воздух и т.д., непосредственно израсходованных на технологические цели при выполнении исследования.

Затраты на электроэнергию составляют:

С_М = Sⁿ _{i =1} Р_i Ц_i = Sⁿ _{i =1} М_i K Т_i Ц_i , где

Р_i – расход электроэнергии на i- виде оборудования (кВт*ч);

М_i – паспортная мощность электрооборудования (кВт);

К – коэффициент использования мощности ( К = 0,8-0,9);

Т_i – время работы электрооборудования (ч);

Ц_i – цена 1 кВт*ч.

В таблице 2 представлен расчет энергетических затрат.

Таблица 2

Вода, пар, сжатый воздух в данной работе не использовались.

3. Затраты на заработную плату и единый социальный налог

Заработная плата состоит из: заработной платы исполнителя – ЗПП_И (студента) и заработной платы руководителя дипломной работы ЗПП_РУК..

ЗПП_И = С_М *n = 200*6 = 1 200 + 20% = 1 200 + 240 = 1 440 руб., где

С_М – месячная стипендия, руб.;

n – количество месяцев выполнения дипломной работы.

ЗПП_РУК = 35*T*n = 35*30*6 = 6 300 + 20% = 6 300 + 1 260 = 7 560 руб., где

35 – общая нагрузка по руководству дипломной работой, ч;

Т – часовая оплата труда руководителя на момент расчетов.

Начисления на заработную плату составляют 35,8% от суммарной заработной платы. Следовательно:

С_СС = (ЗПП_И + ЗПП_РУК )*0,358 = 3 222 руб.

ИТОГО: 1 440 + 7 560 + 3 222 = 12 222 руб.

4. Амортизационные отчисления.

Амортизационные отчисления (С_АМ ) определяют исходя из стоимости используемого оборудования и приборов, годовых норм амортизации и времени их использования (в месяцах):

Ф_i *H_i *T_i

С_АМ = Sⁿ _{i =1} -----------------, где

100*12

Ф_i – стоимость используемых приборов (по данным кафедры, на которой выполняются работы), руб;

H_i – годовая норма амортизационных отчислений;

T_i – время работы приборов и оборудования в течение срока выполнения дипломной работы, мес.

40 000*12,5*6

С_{АМ ПРЕССА} = ---------------------- = 2 500 руб.

100*12

10 000*12,5*3

С_{АМ РАЗР.МАШ} = ---------------------- = 312,5 руб.

100*12

ИТОГО: 2 500 + 312,5 = 2 812,5 руб.

5. Накладные расходы

Накладные расходы (С_Н ), включают в себя затраты на страхование учебно-вспомогательного и административно-управленческого персонала, отопление, освещение, вентиляцию, общежитие, ремонт зданий и т.д.

Накладные расходы принимаются в размере 100% от суммы заработной платы с начислениями.

Таблица 3

ВЫВОДЫ:

Расчет затрат на получение материалов для электронагревательных элементов показал, что эксперименты в данной области можно отнести к категории трудоемких. Помимо этого, данные исследования требуют значительных материальных затрат.

Было установлено, что использование полимерных материалов позволяет значительным образом улучшить прочностные характеристики приготовляемых заготовок.

Таким образом, применение подобных материалов можно считать выгодным, несмотря на высокую стоимость и трудоемкость процесса приготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания, 1976

2. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров

3. Пчелин В.А., Коротина И.И. ЖФК, 1938 г.,том 12

4. Каменский Б.З., Вострокнутов Е.Г. Каучук и резина, 1964 г. ,8

5. Воюцкий С.С. ЖФК 1963, том 27

6. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров,1977

7. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров, 1969

8. Кулизнев В.Н. Смеси полимеров, 1980

9. Энциклопедия полимеров, М.,Советская энциклопедия, 1977

10. Зуев Ю.С. Высокомолекулярные соединения,1979, т.21,6

11. Тагер А.А., Юшкова С.М. Высокомолекулярные соединения,1979

12. Юшкова С.М., Гузеев В.В., ВМС, 1985

13. Юшкова С.М., БессоновЮ.С.., ВМС, 1982,т.24,7

14. Тагер А.А., Юшкова С.М. Физико-химические основы синтеза и переработки полимеров,1984

15. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах, 1980

16. Бикерман Я.О., ВМС, 1968

17. Воюцкий С.С. Каучук и резина, 1961, 11, Механика полимеров,1966,5

18. Басин В.С., Берлин А.А. Механика полимеров,1969,5

19. Дж. Хекстра, К.Фрициус Адгезия, подредакцмей Н. Дебройна, 1954

20. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Адгезия, 1949

21. Смима В.П., Дерягин Б.В. Клей и технология склеивания,1960

22. Хрулев В.М. Механика полимеров,1965

23. Бареннев Г.М., Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов,1964

24. Гуль В.Е. Прочность полимер,1964

25. Гуль В.Е. Структура и прочность полимер, “Химия”1964

26. Чечулин Б.Б., Масштабный фактор и статистическая теория прочности металлов,1963

27. Пластмассы ,1964,4

28. Майлонас К., Дебройн Н. Адгезия,1954

29. Шаповалова А.И. Коллоидные жидкости,1966

30. Оганесов Ю.Г., Кулезнев В.Н., Воюцкий С.С., ВМС,1970

31. Тарасова Н.П., Малков А.В., Гусева Т.В. Выполнение раздела дипломной работы (проекта) “Охрана окружающей среды от промышленных загрязнений”.Учебное пособие.М.: РХТУ им.Д.И. Менделеева, 1997-68 с

32. Методические указания по определению эколог-экономической эффективности технологических процессов и производств в дипломных проектах и работах. М.: МХТИ им.Д.И. Менделеева, 1985-48 с

33. Беспамятнов Г.П., Богушевский К.К., Беспамятнова А.В. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и в воде. Справочное пособие для выбора гигиенической оценки методов обезвреживания промышленных отходов. Л.: Химия,1972 – 306 с.

34. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245-71. М.: Госстрой, 1972-97 с.

35. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. М., 1996

36. Методические указания по разделу “Охрана труда” в дипломных проектах и работах. Под редакцией Макарова Г.В. М.: МХТИ им.Д.И. Менделеева, 1990-29 с

[i] . Адгезивы и адгезионные соединения: Пер с англ. /Под ред. Л.-Х. Ли. – Мир,1988, –226с