Регистрация / Вход
Прислать материал

О некоторых особенностях нано- структурной модификации полимерно-неорганических композиционных материалов для легкой промышленности и строительной индустрии

Общие сведения
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Название доклада
О некоторых особенностях нано- структурной модификации полимерно-неорганических композиционных материалов для легкой промышленности и строительной индустрии
Название программы
Проектная часть государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации в сфере научной деятельности контракт № 11.1798.2014/К
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ивановский государственный политехнический университет
Название проекта
Разработка научно-технических основ технологии наноструктурной модификации полимерно-неорганических композиционных материалов для легкой промышленности и строительной индустрии
Номер контракта
11.1798.2014/К
Докладчик (участник)
Участник
Федосов Сергей Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание научно-технического задела для разработки реализуемых в швейном производстве и строительной индустрии технологий получения конструкционных и функциональных материалов с новыми улучшенными эксплуатационными свойствами на базе использования структурно модифицированных полимерно-неорганических композиционных материалов, плазменного модифицирования поверхности рулонных материалов и полимерцементных композитов, протекания ЗД-полимеризационных процессов формирования межфазного слоя композиционных материалов с участием нанопоровой структуры волокнистого носителя и нанодисперных минеральных добавок.
Задачи
Выявление специфики и общих закономерностей изменения физических и физико-химических свойств полимерно-неорганических систем и эффективных приемов наноинженерии композиционных материалов, обеспечивающих целенаправленное изменение упругодеформационных, адгезионных, свойств материалов швейного производства, рулонных и полимерцементных строительных материалов.
Обоснование условий наноструктурной модификации полимерно-неорганических композиционных материалов для получения практически значимых эффектов:
- плазменного травления поверхности рулонных материалов для текстильной промышленности и строительной индустрии, многократно улучшающей их адгезионные и гидрофильные свойства при сохранении физико-механических характеристик;
- тонкого регулирования упруго-деформационных свойств полимерно-волокнистого композита в отвержденном состоянии;
- оптимизации адгезионных свойств самоклеящегося композиционного пленочного материала;
- экранирования электромагнитного излучения материалом швейного изделия.
Актуальность и новизна исследования
В современном состоянии отечественных отраслей легкой и строительной индустрии имеется ряд сходных системных проблем, требующих скорейшего решения. В их числе: высокая материало- и энергоемкость производства; низкий уровень инновационной и инвестиционной деятельности в отрасли; высокий удельный вес импорта материалов и комплектующих. Преодоление технологической отсталости в указанных сферах производства сегодня немыслимо без применения новых композиционных материалов, способных улучшить показатели качества и надежности, увеличить сроки эксплуатации, снизить материалоемкость изделий. В частности, одной из основных технологических трудностей производства одежды является придание и сохранение объемно-силуэтной формы изделия, для чего используются многокомпонентные пакеты прокладочных материалов с различной степенью жесткости. Их замену должно обеспечить создание новых композиционных материалов с регулируемой формообразующей и формосохраняющей способностью. Вытеснению с внутреннего рынка импортных строительных смесей, повышению качества и снижению материалоемкости строительных конструкций будут способствовать разрабатываемые методы получения полимерцементных материалов, пропитки бетонов полимеризующимися составами, которые позволят производить более прочные и долговечные изделия, добиться экономии металла и цемента. Новым перспективным направлением модификации строительных материалов является применение источников частиц высоких энергий, в т.ч. низкотемпературной плазмы. Модифицирование свойств поверхностей синтетических полимерных материалов должно обеспечить улучшение их гидрофильности, адгезии к металлическим и неметаллическим поверхностям.
Описание исследования

Научно-техническая проблема, которая решалась для реализации результатов научно-исследовательских работ, состоит в разработке научно-обоснованной методологии придания необходимых свойств строительным материалам и швейным изделиям с использованием технологических подходов к обеспечению наноразмерного уровня структурной модификации систем. Это соответствует современному состоянию мировой науки и обеспечивает возможность получения новых научно-технических результатов, востребованных мировой научной общественностью и обладающих признаками патентоспособности, что подтверждают публикации результатов в высоко рейтинговых научных журналах и патентование коммерциализуемых технических решений.

Осуществлено создание научных основ получения и применения новых армированных композиционных прокладочных материалов с регулируемыми упруго-деформационными свойствами, что обеспечит решение актуальных проблем достижения необходимой формоустойчивости швейных изделий, повышение производительности труда и снижение материалоёмкости их производства. Проведена разработка новых герметизирующих композиционных полимерных материалов для изготовления широкого спектра специальных швейных изделий, методов оценки их качества для повышения функциональных и эксплуатационных характеристик изделий, снижения трудоемкости и энергоемкости их применения. Решена теоретическая задача определения условного модуля продольной упругости, обеспечивающего унификацию методов исследования жесткости текстильных материалов и дублированных пакетов на их основе.

Определены и описаны методы исследования гидрофильных свойств рулонных стеновых материалов, прочности сцепления рулонного материала с оклеиваемой поверхностью, прочностных характеристик. Для поиска оптимальных режимов плазменной активации рулонных стеновых материалов разработана методика проведения трёхфакторного эксперимента с одновременным контролируемым изменением времени обработки, давления и тока разряда. Для разработки методики использовался дробный факторный эксперимент по схеме латинского квадрата.

Проведена разработка принципиально новой технологии высокотемпературной отделки бетонов – совмещение оплавления стекловидного покрытия на поверхности бетона с последующей пропиткой поверхности полимерными составами и растворами мономеров для защиты структуры бетонного камня. Исследовано влияние количества декоративных слоев и пропитки на адгезионные свойства покрытия в полимербетонах. Адаптированы методики для проведения исследования водопоглощения бетона со стекловидным и пропиточным покрытиями. Разработка предназначена для отделки бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Решение задач НИР осуществлялось посредством научного обоснования принципов формирования в модифицируемом объекте трехмерных самоорганизующихся структур межфазного слоя. С помощью методов неравновесной статистической термодинамики, теории стохастических процессов, фрактального материаловедения развиты новые подходы к анализу структурных превращений в поверхностных слоях полимерного материала под действием плазмы тлеющего разряда для реализации нанослойной модификации поверхности рулонных отделочных материалов, а также получения цементных композитов с плазмооплавленной поверхностью, упрочненной полимерными пропитками, создающими трехмерную армирующую наноструктуру. Управление свойствами полимерно-волокнистых и полимерных пленочных композиционных материалов осуществлено путем использования эффективных сочетаний приемов наноконструирования, включающих: ультрадиспергирование полимерных дисперсий для проникновения их в нанопоровую структуру волокнистого компонента; управление процессами полимеризации и образования полиблочных и пространственно ориентированных структур полимерного связующего; введение нанодисперсных структурных модификаторов. В экспериментальных исследованиях применены методы динамического светового рассеяния, электронной сканирующей микроскопии и автоматизированного анализа удельной поверхности и размера пор, ИК-спектроскопии, дериватографии, дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгеноструктурного анализа и др.

Результаты исследования

Осуществлено комплексное решение задачи совершенствования методологии исследования упругих свойств текстильного материала в сложно деформированном состоянии, отражающем реальные условия эксплуатации формообразующих деталей швейного изделия. Разработаны подходы к использованию метода динамического рассеяния света для оценки наноразмерного состояния гидрозоля полимерных дисперсий. Впервые сформирована база данных о распределении размера частиц для перспективного ассортимента армирующих полимерных модификаторов отечественного и зарубежного производства. Осуществлен отбор препаратов, обеспечивающих проникновение наночастиц модифицирующей добавки в мезопоровые пространства между элементами надмолекулярной структуры целлюлозных волокон. Выявлена возможность дополнительного ультрадиспергирования полимерных систем с использованием роторно-импульсных воздействий. Определена группа препаратов и подобраны условия механоактивации, позволяющие уменьшить размер наночастиц до долей нанометра, что создает предпосылки для заполнения системы субмикроскопических пор в микрофибриллярной структуре целлюлозного волокна.

Выполнены экспериментальные исследования направленного поиска способов улучшения характеристик композиционного пленочного герметизирующего материала для предотвращения миграции через ниточные соединения в одежде. Выбраны наноалмазы, полученные методом детонационного синтеза, как один из наиболее перспективных модификаторов. Исследование сильно разбавленных водных растворов бинарных композиций с варьируемым соотношением полимерных дисперсий  и гидрозолей наноалмазов подтвердило наличие в системах межчастичных взаимодействий с различающимся характером их проявления, что может послужить основой для регулируемого изменения упруго-прочностных и адгезионных характеристик формируемых полимерных слоев разрабатываемой продукции.

Разработано общее направление улучшения технологических и эксплуатационных свойств рулонных стеновых материалов за счёт увеличения их гидрофильных характеристик. Метод основан на использовании низкотемпературной плазмы тлеющего разряда для модифицирования свойств материалов. Исследовано влияние параметров тлеющего разряда воздуха на гидрофильные свойства ремонтного флизелина. Установлено, что увеличение продолжительности и интенсивности обработки материала приводит к росту его гидрофильных характеристик. Выявлено улучшение адгезии рулонных стеновых материалов на флизелиновой основе к различным поверхностям при взаимодействии с различными клеевыми составами под действием тлеющего разряда. Проанализировано изменение прочностных характеристик рулонных стеновых материалов под действием тлеющего разряда.

Проведены исследования влияния различных пропиточных материалов на водопоглощение бетона со стекловидным покрытием. Впервые для использования в качестве пропиточного материала бетона со стекловидным покрытием использовались мономеры стирола, акрилонитрила, метилметакрилата. Найдено, что пропитка, распространяясь вглубь бетонного камня стабилизирует поврежденные участки, подтекает под частицы декоративного покрытия и, полимеризуясь, еще больше связывается с бетоном. Выявлена зависимость морфологии стекловидного покрытия бетона от способа теплового нагружения.

Практическая значимость исследования
В результате проведенных исследований разработана техническая инструкция инструментальной оценки упругости текстильных, полимерно-волокнистых материалов, в соответствии с которой для проведения измерений элементарную пробу соединяют в кольцо ниточной строчкой. Конструктивное решение прибора защищено заявкой на полезную модель.
Разработан лабораторный технологический режим получения модельных образцов композиционного герметизирующего пленочного материала.
Разработан лабораторный технологический режим получения модельных образцов композиционного многослойного теплоизоляционного материала с энергоотражающими свойствами. В основу разработки положены фундаментальные научные исследования в области тепломассообменных явлений.
Разработан лабораторный технологический режим получения модельных образцов рулонных стеновых материалов. Дано описание конструкции и принципа работы плазмохимического реактора. Разработана принципиально новая схема лабораторной установки циклического действия, предназначенная для плазменной активации рулонных материалов.
Разработан лабораторный технологический режим получения модельных образцов полимербетона. Разработан состав отделочного композиционного покрытия на бетоне, состоящего из оплавленного стекловидного слоя и пропиточного компонента. Проведен подбор фракционного состава стеклобоя для отделки. Разработан режим пропитки бетонной поверхности жидкими растворами мономеров 5-10% концентрации с дальнейшей полимеризацией в толще бетона В результате исследований поданы 2 заявки на изобретение.
Результаты исследования нашли практическое применение в ОАО «Домостроительный комбинат», где выпущены опытно-промышленные партии мелкозернистого бетона. Разработанная нормативно-техническая и технологическая документация по модернизации производственного процесса приготовления бетонной смеси на основе активированных водных систем с органическими и неорганическими добавками, и методика по подбору составов модифицированного мелкозернистого бетона рекомендованы для практического применения при производстве мелкозернистого бетона, а также используются в учебном процессе для подготовки бакалавров и магистрантов по направлению «Строительство».