Исследовательская работа по химии на тему
«Применение полимерных композиционных материалов на железнодорожном транспорте»
Вложение | Размер |
---|---|
issledovatelskaya_rabota.docx | 430.01 КБ |
Министерство образования, науки и молодежной политики
Забайкальского края
Государственное профессиональное образовательное учреждение
«Забайкальский транспортный техникум»
Исследовательская работа на тему
«Применение полимерных композиционных материалов на железнодорожном транспорте»
Выполнила: Кондрашова Вероника
Руководитель: преподаватель химии
Ретенгер А.А.
г.Чита
Содержание
Введение
Глава 1. Краткий исторический очерк
Глава 2. Определение композиционных полимерных материалов
Глава 3. Краткая характеристика полимерных композитов
Глава 4. Области применения полимеров в железнодорожном машиностроении, строительстве железных дорог и транспортной инфраструктуре
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Все мы связаны с химической наукой,
прогресс в познании окружающего мира,
новые методы его перестройки и усовершенствования.
И не может быть в наши дни специалиста,
который мог обойтись в наши дни без знания химии»
Н.Н.Семёнов
В «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.» к основным направлениям инновационной деятельности применительно к подвижному составу отнесены: увеличение скоростей движения и нагрузки на ось, снижение массы тары грузового вагона, модернизация вагонов и улучшение их технико-экономических характеристик. При этом в условиях старения парка подвижного состава и необходимости продления его эксплуатационного ресурса основным резервом обеспечения высоких требований Стратегии развития РЖД является внедрение инновационных решений, в частности, применение современных полимерных материалов.
Применение полимерных композиционных материалов при производстве подвижного железнодорожного состава как пассажирского, так и грузового, обеспечивает его облегчение, удешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию. Одновременно с этим особенно важны весовые показатели для высокоскоростного движения на существующих линиях. Снижение массы является определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов, что очень важно для наклона кузова при движении на крутых поворотах с высокой скоростью. Во многих случаях применение полимерных материалов способствует решению таких актуальных проблем эксплуатационной работы железнодорожного транспорта, как повышение безопасности и скорости движения поездов, улучшение перевозочного процесса, увеличение производительности транспортных средств, повышение надежности и железнодорожного оборудования.
В связи с этим современному специалисту-железнодорожнику необходимо иметь актуальные знания о полимерах и материалах на их основе, применяемых при строительстве подвижного состава, конструкций и сооружений железной дороги.
Цель работы - познакомиться с композиционными полимерными материалами, изучить опыт применения полимерных композиционных материалов на железной дороге.
Задачи:
1) Изучить историю создания полимерных композиционных материалов
2) Дать краткую характеристика полимерных композитов, применяемых на железной дороге.
3)Изучить области применения полимеров в железнодорожном машиностроении, строительстве железных дорог и транспортной инфраструктуре.
4) Сделать вывод о преимуществах использования полимерных материалов по сравнению с традиционными материалами, используемыми на железной дороге.
Объект исследования: полимерные композиционные материалы, применяемые на железнодорожном транспорте
Гипотеза: композиционные полимерные материалы находят широкое применение на железной дороге и являются движущей силой технического и экономического развития отрасли.
ГЛАВА I. Краткий исторический очерк
История создания полимерных композиционных материалов уходит к началу развития самой цивилизации. История использования человеком композиционных материалов насчитывает много веков, а представление о композиционных материалах заимствовано человеком у природы.
Даже самые первые, высушенные на солнце кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э., были сложными материалами. Древние люди часто добавляли измельченные камни или материалы органического происхождения в глину, чтобы уменьшить ее усадку и растрескивание при обжиге. А регулируя пористость керамических изделий, длительное время сохраняли жидкость в них холодной вследствие испарения. Первые армированные материалы на полимерной основе использовались в Вавилоне в период от 4000 до 2000 лет до н. э. Это были строительные материалы на основе армированной битумной смолы. В Египте и Месопотамии в третьем тысячелетии до н. э. строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (рис. 1). По конструкции они аналогичны судам, используемым даже в настоящее время жителями дельты Нила, и их с некоторым допущением можно считать предшественниками современных судов из стеклопластика.
Рис.1. Египетские и месопотамские папирусные лодки
В Месопотамии около 2500 лет до н. э. проблема износа и истирания стен из необожженных кирпичей была решена созданием композиционных конструкций. Конус из камня или отожженной глины забивали в мягкую поверхность стены (рис.2) в наиболее ответственном месте. В Египте примерно в это же время стали получать листы, подобные бумаге и представляющие собой композиционный материал на основе целлюлозы, которые изготавливались путем выкладки и сбивания листов тростника с помощью деревянных молотков. Искусство мумифицирования, распространенное в Египте также около 2500 лет до н. э., является первым примером использования метода ленточной намотки. Тело умершего после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона. Этот процесс в принципе аналогичен процессу изготовления намоткой современных корпусов ракетных двигателей, антенных обтекателей, емкостей, труб, сосудов давления несмотря на различие в материалах.
Ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки, пропитанные водостойкими битумами (1000 лет до н. э.). Эти лодки, известные под названием гуфас, используются на Ближнем Востоке и сегодня. В Западной Азии и Китае в это же время делали луки из композиционного материала на основе древесины и слоев рога (рис. 3).
Рис.2. Схема распределения в стене Рис.3. Китайские луки из композиционных
конусов из обожжённой глины материалов
Природный лак, при очистке которого получают шеллак, использовался в Индии и Китае в течение нескольких тысячелетий для заполнения рукояток мечей и для изготовления точильных камней смешением его с мелким песком. Последний пример является прообразом современных шлифовальных кругов на полимерной основе. Между 500 г. до н. э. и 500 г. н. э. практически не появилось никаких новых материалов, хотя были достигнуты большие успехи в вопросах конструирования. Человек в это время стремился улучшить технику и экономику использования имеющихся материалов, а не искал пути и возможности их комбинирования – в противоположность современному развитию полимерного материаловедения. В настоящее время промышленность редко доводит производство новых полимеров до масштабов крупнотоннажных полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ) или полиэтилен (ПЭ), но значительно больше производит новых композиций на основе известных полимеров, например, вспененный ПВХ. Таким образом, начало технологии композиционных материалов, и в первую очередь технологии полимерных композиционных материалов, уходит в античные времена. Комбинирование различных материалов остается наиболее важным путем создания новых материалов в настоящее время.
ГЛАВА II. Определение композиционных полимерных материалов
Слово «композиция» (от лат. compositio – составление, связывание) широко применяется в художественной литературе, музыке, скульптуре, графике. Исходя из этого говорят о литературно-музыкальной композиции или о музыкальной композиции, состоящей из различных произведений и отрывков. Если перенести эти рассуждения на понятие «композиционный материал», то в самом общем случае композиционным материалом является материал, состоящий из каких-либо различных частей. Достаточно известно определение, согласно которому: композиты – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующих элементов и скрепляющей их матрицы) и обладающие свойствами, отличными от суммарных свойств компонентов. При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом поглощать друг друга. В широком смысле композиционный материал – это любой материал с гетерогенной структурой, т. е. со структурой, состоящей минимум из двух фаз. Такое определение позволяет отнести к композиционным материалам абсолютное большинство металлических материалов, поскольку они либо намеренно создаются многофазными, либо считаются однофазными, но в них есть неметаллические включения. Материалы природного происхождения (кости человека и животных, древесина) также можно отнести к композиционным. Например, древесина представляет собой композицию из пучков целлюлозных волокон трубчатого строения, скрепленных матрицей из органического вещества – лигнина.
Полимеры - это вещества, которые состоят из множества мономеров (структурные звенья).
Полимерные композиционные материалы представляют собой тонкие синтетические армирующие волокна, связанные между собой полимерной матрицей.
Для того чтобы выделить композиционные материалы искусственного происхождения, подчеркнуть их характерные особенности наиболее полным считается определение, согласно которому: к композитам относятся материалы, обладающие рядом признаков:
1. состав, форма и распределение компонентов материала «запроектированы заранее»;
2. материал не встречается в природе, а создан человеком;
3. материал состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей;
4. свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые должны присутствовать в материале в достаточно больших количествах (больше некоторого критического содержания);
5. материал обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности;
6. материал неоднороден в микромасштабе и однороден в макромасштабе.
Первыми примерами научного подхода к созданию искусственных композиционных материалов считают появление железобетона и стеклопластиков. Железобетон состоит из стальной арматуры и бетона, отлично воспринимающего сжимающие нагрузки и очень плохо сопротивляющегося растягивающим напряжениям. При сочетании бетона и металла в виде стальных прутков, определенным образом расположенных в изделии и хорошо воспринимающих растягивающие нагрузки, получается железобетон, соединяющий достоинства обоих компонентов. Первый патент на полимерный композиционный материал, содержащий армированную природными волокнами синтетическую смолу, выдан в 1909 г.
Глава III. Краткая характеристика полимерных композитов
В России в последние годы принимается ряд активных мер, направленных на широкое применение полимерных композитов в подвижном составе железнодорожного транспорта, набольшее применение находят такие материалы как, полиэтилен, поливинилхлорид, полиамиды, стеклопластик, пенополиуретаны, фторопласты и т.д.
Полиэтилен (ПЭ) – один из наиболее широко применяемых полимеров. Промышленностью выпускается полиэтилен низкого давления (ПЭНД) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Прочность, теплостойкость и химическая стойкость ПЭНД выше, чем ПЭВД. Газопроницаемость, наоборот, выше у ПЭВД. Деструкция полиэтилена протекает при температуре выше 290 °С, а солнечная радиация ведет к термостарению. При комнатной температуре полиэтилен устойчив к действию разбавленных серной и азотной кислот, концентрированной соляной, фосфорной и плавиковой кислот, обладает низким водопоглощением.
ПЭ перерабатывается литьем под давлением, экструзией, прессованием, хорошо сваривается и механически обрабатывается.
Поливинилхлорид (ПВХ) – аморфный полимер с хорошими электроизоляционными свойствами, стойкий к химическим реагентам, не поддерживающий горение. Атмосферостоек, при температуре выше 150-170 °С разлагается с выделением хлороводорода, тепла и образованием двойных связей. Обладает низкими морозостойкостью (до минус 10 °С) и теплостойкостью.
Полиамиды (ПА) в нашей стране хорошо известны по маркам «капролон», «найлон-7», «найлон-11» и др. Получают ионной полимеризацией капролактама (–NH–CO–(CH2)5–). Для полимеров характерны высокая усталостная прочность, износостойкость, ударная вязкость, низкая гигроскопичность, стабильность свойств при повышенных температурах, резко выраженная температура плавления. Полиамиды устойчивы к действию органических растворителей.
Стеклопластик — пластические материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества. Стеклопластик — материал с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющий широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью, прочностью как у стали, биологической стойкостью и атмосферостойкостью. Подвержен влагонасыщению и водонасыщению, истираемости. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу, что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Стеклопластик окрашивается, декорируется, покрывается плёнками ПВХ и натурального шпона, прекрасно поддаётся всем видам механической обработки (сверлится, пилится и т. п. — однако при этом образуется крайне канцерогенная пыль, легко въедающаяся в кожу, что требует тщательной защиты задействованного персонала). Стеклопластик имеет удовлетворительную атмосферостойкость при условии наличия защитного покрытия, однако плохо переносит абразивный износ (летящий с дороги песок), достаточно хрупок и с годами может деформироваться.
Фенопласты – пластмассы, получаемые при отверждении при повышенных температурах фенолформальдегидных смол в комбинации с наполнителями.
Всем фенопластам характерны следующие особенности: отличаются малым весом, данный материал не вступает в реакции с агрессивными жидкостями, имеет высокие антикоррозийные характеристики, высокую прочность. Этот материал отличается пластичностью, что не мешает производить высокопрочные готовые детали, не способен пропускать через себя электрический ток, его часто используют в качестве теплоизоляционного материала, так как он отличается низкой теплопроводностью.
Пенополиуретаны — группа газонаполненных пластмасс на основе полиуретанов, на 85-90 % состоящих из инертной газовой фазы. В зависимости от вида исходного полиуретана могут быть жёсткими или эластичными («поролон»). Используются весьма широко: жёсткие — в качестве тепло- и звукоизоляции и лёгких формообразующих элементов, эластичные — в качестве мягких покрытий и набивки в быту и промышленности, например, искусственные губки для мытья и пылевые фильтры, материал для покрасочных валиков и вставок в швейных изделиях, амортизирующая упаковка. Устойчивы к действию всех распространённых органических растворителей, застывшая смесь удаляется только механическим путём. В практических применениях требуют защиты от солнечного света и других УФ-источников.
Волокнит - пресс-материал, состоящий из волокнистого наполнителя, пропитанного связующим – термореактивной смолой; применяется для изготовления изделий методом горячего прессования. Различают собственно волокнит (наполнителем служат волокна хлопка, сизаля, джута, кенафа и др.), органоволокнит (синтетические волокна), углеволокнит (углеродное волокно), стекловолокнит (стекловолокно), асбоволокнит (асбестовое волокно). В качестве связующего используют феноло-формальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические и др. смолы. Волокнит также содержат смазку (олеиновая кислота, стеараты), ускорители отверждения (оксид магния, уротропин), вещества, повышающие текучесть и износостойкость (графит) и др. При получении волокнита компоненты смешивают, затем сушат и при необходимости таблетируют. В. на основе стеклянных и асбестовых волокон, пропитанных кремнийорганической смолой, обеспечивает длительную эксплуатацию изделий при темп-ре 400–450 °С. Особенность изделий из волокнита – высокая ударная прочность, они стойки к действию воды, минер. масла, бензина, слабых кислот и растворителей; разрушаются растворами щелочей, сильных кислот, хлора. Широко применяются в производстве изделий, способных выдерживать повышенные ударные нагрузки (корпуса и крышки аппаратов, шестерни, втулки, строит. панели и др.).
Фторопласты представляют собой фторсодержащие полимеры, относящиеся к группе конструкционных пластиков. К наиболее известным разновидностям этих полимеров относится фторопласт -4, или тефлон. Он представляет собой вещество, которое по внешнему виду напоминает полиэтилен, или парафин, и характеризуется мягкостью и текучестью. Этот материал отличается термостойкостью- его гибкость и эластичность сохраняются при температуре от – 70 до 270 °С, а также адгезией, минимальным поверхностным натяжением, устойчивостью к воздействию ультрафиолетовых лучей, влаги, жиров и органических растворителей. Он является физиологически и биологически безопасным. Химические свойства фторопласта – стойкость, даже более высокая, чем у благородных металлов, невосприимчивость к воздействию агрессивных кислот и щелочей. Разрушить данный полимер можно только трифторидом хлора или расплавами щелочных металлов. Материал хорошо обрабатывается фрезерованием, точением, шлифованием и сверлением.
Глава IV. Области применение полимеров в железнодорожном машиностроении, строительстве железных дорог и транспортной инфраструктуре
На пассажирском железнодорожном транспорте из стеклопластиков производятся перегородки и боковые стены, облицовка вагонов, сиденья, столики, полки багажные, санузел, оконные наличники, поручни, короба для электропроводов, кожух контактного рельса, шкафы для аппаратуры.
Для электропоездов высокоскоростного движения определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов является снижение его массы, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Снизить массу кузова возможно благодаря использованию многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов в элементах внутреннего оснащения вагонов. Жесткая панель из ПКМ в два раза легче, чем изготовленная из используемых ранее материалов. Благодаря применению ПКМ общую массу кузова вагона поезда удалось снизить на 8 тонн.
В вагонном хозяйстве широко применяются конструкционные полимерные материалы для изготовления контейнеров и крыш грузовых вагонов (стеклопластики), тормозных колодок (фенопласты с асбестом) и других деталей вагонов.
Неметаллические полимерные материалы применяются также в таких узлах пассажирских вагонов, как облицовка и изоляция.
Теплоизоляционные материалы в пассажирских вагонах снижают теплопередачу от металлической обшивки кузова во внутренние его помещения, сохраняют определенный температурный режим в вагоне. К теплоизоляционным материалам, используемым в вагоностроении, относятся пенополиуретаны. Кроме этого, широкое применение в вагоностроении нашли пенопласты, изготовленные на основе пенополистирола с порошкообразными добавками. Они имеют малую удельную массу, высокие тепло- и звукоизоляционные свойства, стойки к химическому и водяному воздействию. В качестве теплоизоляции также применяют плиты из стеклянного негорючего штапельного волокна, упакованные в полиэтиленовые пакеты.
Для облицовки внутренних помещений кузовов вагонов применяют трудновоспламеняемый бумажно-слоистый пластик «Манминит» (потолки, перегородки, стены). Бумажно-слоистый пластик получают методом прессования бумаги специальных видов, пропитанной синтетическими термореактивными связующими. Наружная поверхность пластика обладает стойкостью к воздействию ударных нагрузок, хорошо очищается от загрязнений. В последние годы получили распространение облицовочные панели из стеклопластика на основе полиэфирных смол пониженной горючести. Такой вариант облицовки был применен при изготовлении скоростных пассажирских вагонов поезда «Невский экспресс». В настоящее время ведутся работы по применению стеклопластиковых панелей на пассажирских вагонах всех типов.
Полимерные материалы используют при изготовлении диванов и спальных полок пассажирских вагонов, на каркасы которых укладывают эластичные пенополиуретановые подушки. Для обивки диванов и спальных полок применяется винилискожа пониженной горючести, представляющая собой тонкий рулонный материал на тканевой основе с нанесением на нее поливинилхлоридного покрытия.
Полы пассажирских вагонов покрывают износостойким поливинилхлоридным линолеумом марок «Метролин», «Транслин».
Пластмассы хорошо сопротивляются повышенной влажности. В связи с этим в вагоностроении из пластмасс изготовляют различные детали и узлы системы водоснабжения некоторых пассажирских вагонов: баки для воды из стеклопластика на основе полиэфирной смолы; трубы, вентили, тройники и другие соединительные детали из полиэтилена. Применение пластмасс позволяет снизить вес вагона, продлить срок службы и уменьшить трудоемкость при изготовлении и ремонте.
Для окраски жилых и служебных помещений все большее применение находят водоэмульсионные краски на основе синтетических латексов и эмульсий (поливинилацетата, сополимер стирола с бутадиеном СКС-65 ГП, алкидных смол, акриловых смол).
Кроме этого, полимерные материалы используют для восстановления изношенных и поврежденных узлов и деталей вагона для повторного их использования, а также для изготовления деталей. В ремонтном производстве наиболее часто применяют полиамид, полиэтилен, волокнит, стекловолокнит, составы на основе эпоксидных смол, фторопласты и др.
Изделия из полимеров используются в верхнем строении железнодорожного пути в качестве амортизаторов. Для снижения динамических нагрузок, возникающих при движении подвижного состава, используются амортизаторы — полимерные прокладки, которыми обкладывают с двух сторон металлическую подкладку между подошвой рельса и шпалой. Полимерные прокладки увеличивают трение между рельсами и металлической подкладкой, обеспечивают равномерную передачу давления от подошвы рельса на всю площадь подкладки и электрическую изоляцию рельсов от полотна. В качестве амортизаторов применяют резиновые прокладки. Для электрической изоляции закладных болтов от узла рельсового скрепления используют втулки из композиционного материала на основе полиамида.
Рост перевозок грузов и скорости поездов, повышение нагрузки на оси привели к необходимости создания изолирующего рельсового стыка, оборудованного воспринимающими механические нагрузки стальными накладками, изолированными от рельсов профилированными прокладками из полиэтилена низкого давления (ПЭНД). Втулки и прокладки из этого же полимера применяют и для изоляции крепежных болтов в конструкции стыка. Такие стыки в 1,5 раза дешевле, чем стыки с накладками из древесно-слоистого пластика (последние сохранились только на метрополитене и на малонагруженных участках наземных дорог). Срок службы новых изолирующих стыков в два раза больше, чем у прежних.
Одним из важнейших строений верхнего строения пути, где необходимо использовать композитные материалы, является шпальное хозяйство. В настоящее время на железных дорогах в России применяются несколько типов шпал: деревянные; железобетонные; металлические и полимерные (пластиковые), которые успешно прошли испытания, но пока не нашли широко применения.
В качестве композиционного полимерного материала для изготовления пластиковых шпал используют полиэтилен низкого давления (ПЭНД) - до 50% с применением стабилизаторов, концентраторов и других присадок. В композитный состав шпал входит также стекловолокно, которое увеличивает прочность и долговечность этих железнодорожных изделий.
Состав ПКМ сохраняет все важнейшие физико-химические свойства ПЭНД: химическую стойкость, морозостойкость, высокие диэлектрические и изоляционные свойства, нечувствительность к удару, эластичность. Такие шпалы не деформируются и не боятся влаги, химически устойчивы, не ржавеют, не рассыхаются и не изменяют характеристик в диапазоне температур от +60 до -60°C. Материал шпал одновременно является диэлектриком, устойчивым к агрессивным средам и не подверженным электрокоррозии. Железнодорожные шпалы из переработанного пластика имеют срок службы более 50-ти лет и позволяют значительно сократить финансовые и кадровые затраты на их обслуживание.
Немаловажно и другое свойство ПЭНД - его экологичность. Он безопасен для организма человека при непосредственном контакте с ним, и легко может быть переработан вторично. Композитные железнодорожные шпалы могут производиться из отходов разных видов переработанного пластика, что позволяет защитить окружающую среду от пластиковых отходов.
Главными причинами того, что традиционные материалы на железной дороге следует активно заменять композиционными, являются: высокая коррозионная стойкость, повышенная прочность, малая плотность, отличные изолирующие свойства, хорошее шумопоглощение ПКМ. Кроме того, изделия из композитов более надежны и долговечны при работе, чем их аналоги из различных видов металлов.
Заключение
Полимерные композиционные материалы – это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, физико-механическими характеристиками и разделенных в материале четко выраженной границей.
В настоящее время полимерные материалы на железной дороге являются, без преувеличения, главной движущей силой технического и экономического развития отрасли, а также единственным путем, ведущим к повышению реальной конкурентоспособности. Полимерные материалы обладают повышенной прочностью и одновременно малой плотностью, что делает их незаменимым материалом при производстве современных изделий и конструкций. Помимо этого, они обладают еще рядом положительных свойств, таких как коррозионная стойкость, долговечность и другие. А высокая технологичность в процессе переработки при относительно низких температурах предоставляет широкие возможности для изготовления изделий практически любой сложности при минимальных издержках производства.
Применение полимерных композиционных материалов на железной дороге дает следующие результаты:
— замену дорогостоящих металлических сплавов в конструкциях, несущих пониженную нагрузку;
—уменьшение массы конструкций подвижного состава, что способствует повышению скорости;
—повышение безопасности перевозок путем применения поглотителей энергии удара при столкновениях;
— понижение уровня пожароопасности на подвижном составе;
— уменьшение трудоемкости при ремонте;
—повышение комфортности и эргономического уровня пассажирских вагонов в сочетании с долговечностью и минимизацией затрат на обслуживание;
— изделия из термопластичных полимеров могут быть переработаны вторично, что позволяет защитить окружающую среду.
Литература
Будьте как солнце!
Снеговик
Солдатская шинель
Снежная сказка
Астрономический календарь. Январь, 2019 год