Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0110

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0110
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения"
Название доклада
Разработка технологии получения филосиликатных функциональных материалов нового поколения для высокоскоростного рельсового транспорта, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям
Докладчик
Явна Виктор Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
В рамках проекта решается задача разработки и совершенствования технологий создания новых многофункциональных материалов на основе филлосиликатов, поиск путей повышения эксплуатационных характеристик этих материалов, разработка принципов управления их структурой и свойствами. Целью проекта является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса объектов инженерной инфраструктуры и технических средств в области наземного транспорта, включая рельсовый, посредством использования многофункциональных наноматериалов нового поколения и конструкций на их основе, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
Актуальность и новизна исследования
На сегодняшний день наноструктурные материалы на основе минералов подкласса филлосиликатов находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности, в том числе, при решении актуальных научно-технических задач высокоскоростного рельсового транспорта. Актуальность и востребованность этих материалов оправдана доступностью их почти в любых районах нашей страны и за ее пределами, относительно низкой стоимостью, простотой применения, специфическими свойствами, возможностью их широкой вариации. Однако в большинстве случае возможности их практического использования в естественном виде ограничены. Предпринятое исследование направлено на создание и совершенствование методов активирования и модифицирования этих минералов с целью улучшения комплекса их физико-химических и сорбционных свойств. Впервые проведен систематический сравнительный анализ эффективности модификации минералов подкласса филосиликатов органическими соединениями различной природы (катиоными, неионогенными, цвитер-ионными и др.).
Новизна проведенных исследований заключается в установлении основных закономерности в изменении свойств филосиликатов при их интеркаляции органическими модификаторами различной природы, в том числе, перспективные в экологическом аспекте биодеградируемые бетаины и имадозолины. Разработан способ получения композитных полимерных материалов на основе синтезированных функциональных филосиликатных наноматериалов, с улучшенным комплексом свойств, для закрепления балластной конструкции и создания перспективных упругих элементов конструкций верхнего строения железнодорожного пути высокоскоростного рельсового транспорта.

Описание исследования

В рамках разработке технологии получения филосиликатных функциональных материалов нового поколения для высокоскоростного рельсового транспорта использован комплексный подход, включающий применения теоретических и экспериментальных методов исследования минералов подкласса филлосиликатов и процессов, протекающих на их поверхности и межфазных границах. Теоретические методы исследования, базируясь на стратегии многомасштабного моделирования, позволили изучить эволюцию состояний для систем «слоистый силикат +интеркалируемый агент» и «слоистый силикат + адсорбат» и процессы формирования агрегатов на поверхности и в межслойном пространстве слоистых силикатов. Обобщение результатов теоретических исследований позволило установить критерии выбора перспективных классов химических соединений для модификации минералов подкласса филлосиликатов минералов.

Разработан метод модификации структуры минералов подкласса филлосиликатов, использование которого позволило существенно повысить эффективность процедуру предварительной обработки и очистки образцов, а так же обеспечить высокую степень интеркаляции выбранных минералов, благодаря реализации оптимальные условия протекания модификации.

Для диагностики филлосиликатов и функциональных наноматериалов на их основе разработана методика определения и прогнозирования их физических свойств. Методика является эффективной альтернативы традиционным методам определения характеристик филлосиликатных дисперсных систем и базируется на современные прецизионные спектроскопические методы, использование которых при изучении естественных и модифицированных структур, образованных филлосиликатами, способствует дальнейшему совершенствовании технологий многочисленных промышленных производств, в которых филлосиликаты используются в качестве сырья или компонента технически важных систем и материалов.

Для изготовления опытной партии экспериментальных образцов разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов закрепленного филлосиликатными полимерными материалами балласта для конструкций верхнего строения железнодорожного пути высокоскоростного рельсового транспорта. В рамках проведенных исследовательских испытаний для изготовленных экспериментальных образцов по разработанной программе и методики была оценина их устойчивость к внешним воздействиям, определены их эксплуатационные характеристики и оптимальных условий эксплуатации.

Результаты исследования

Экспериментально исследован процесс модификации филлосиликатов, определены наиболее перспективные химические соединения для ее осуществления и условия ее протекания. Установлены закономерности и факторы, влияющие на получение требуемых характеристик функциональных наноматериалов. С использованием комплекса физико-химических методов, включающих рентгеновскую дифракцию, инфракрасную и рентгенофлуоресцентную спектроскопию, методы БЭТ и оценки гидрофильности (по краевому углу смачивания), всесторонне исследованы адсорбционные взаимодействия при модификации филлосиликатов органическими соединениями различной природы. Исследован механизм взаимодействия различных органических модификаторов с поверхностью минералов подкласса филосиликатов, установлена взаимосвязь между кристаллическим строением и адсорбционными свойствами этих минералов, разработаны методы направленного регулирования их структурно-адсорбционных характеристик. Полученные данные позволили получить информацию об относительных положениях интеркалированных молекул, оценить характер связи между ними, установить наличие интеркалированного органического модификатора в межслоевом пространстве минералов, а также оценить изменение гидрофильной природы поверхности минералов на гидрофобную, обеспечивающей лучшую совместимость с полимерной матрицой разрабатываемых композитных материалов. Показана эффективность модификации филосиликатов цвиттер-ионными соединениями. Экспериментальные данные о взаимосвязи структуры и свойств филосиликатов от химического состава, строения и количества используемого органического модификатора могут быть использованы для выдачи рекомендаций по созданию технологических процессов получения полимерных нанокомпозитных материалов. Полученные лабораторные образцы новых функциональных филосиликатных наноматериалов перспективны при создании полимерных нанокомпозитов с повышенными механическими, барьерными и термическими свойствами.

По результатам проведенных экспериментальных исследований изготовленных лабораторных образцов установлено, что разработанный метод модификации минералов подкласса филосиликатов обеспечивает 2-3 кратное увеличение их гидрофобности (и как следствие совместимости с органическими полимерами) и величины базального расстояния (до ~40 Å в случае монтмориллонита), являющихся важнейшими критериями эффективности процедуры модификации.

Результаты исследовательских испытаний показали, что значение прочности при изгибе экспериментальных образцов (1,46 МПа) на 33% превышает прочность при изгибе образцов, полученных на основе полиуретановой системы без добавления филосиликатных функциональных материалов (1,1 МПа). При этом, значительно повышается стойкость экспериментальных образцов к внешним циклическим воздействиям температуры и влажности (в ~2,5 раза при отрицательных температурах, и в ~1,6 раза при положительных). Измеренное увеличение адгезионной прочности экспериментальных образцов составило 22% (с 83 кН до 108 кН). По результатам испытаний установлено, что изготовленные экспериментальные образцы обеспечивают практически полную неизменность прочностных свойств в рабочем диапазоне температур -60 оС…+50 оС, а также при длительном смачивании.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемая технология получения филосиликатных функциональных материалов, используемых в качестве наполнителей полимеров, представляет большой интерес для глобальных рынков полимерных нанокомпозитов, обладающих улучшенным комплексом эксплуатационных характеристик. Такие нанокомпозиты могут существенно повысить прочность изделий и конструкций, расширить применение для органических полимеров и придать усовершенствованные свойства, такие износостойкость, размерная стабильность, лучшие барьерные свойства, повышение токопроводимости и огнестойкости. Данные особенности филлосиликатных полимерных нанокомпозитов обуславливают перспективность их использования для изготовления отдельных деталей, узлов и конструкций, отвечающих повышенным требованиям высокоскоростного рельсового транспорта, и обеспечивающих возможность их эксплуатации в условиях повышенных механических нагрузок (постоянных и циклических), экстремальных температурах, в агрессивных средах. Сферы практического применения разрабатываемых филлосиликатных наноматериалов и полимерных нанокомпозитов на их основе для решения актуальных научно-технических задач высокоскоростного рельсового транспорта включают изготовление: - полимерных композиций для закрепления балластного слоя и земляного полотна; - упругих элементов в конструкциях железнодорожного пути; - наномодифицированных лакокрасочных материалов и защитных покрытий на полимерной основе; - материалов триботехнического назначения; - геосинтетических материалов. Наряду с высокоскоростным рельсовым транспортом, полимерные композиционные материалы, содержащие разрабатываемые модифицированные филлосиликаты, перспективно использовать для производства высокопрочных и термостойких деталей в аэрокосмической промышленности, лакокрасочных материалов и защитных покрытий с улучшенными барьерными свойствами, усовершенствованных огнеупорных оплеток кабелей и проводов. Внедрение разрабатываемой технологии будет способствовать созданию новой и приведению существующей инфраструктуры железнодорожного транспорта и комплекса технических средств к состоянию, удовлетворяющему перспективным требованиям высокоскоростного движения по безопасности, надежности, энергоэффективности и экологичности.
Постер

14.607.21.0110.ppt