Промышленные композиты

ю. в. холодников






            ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ


Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 66.022
ББК 35.719 Х73



Рецензенты:
доктор технических наук, зам. директора по науке
НИЦ «Курчатовский институт» ИРЕА Макаренков Дмитрий Анатольевич; доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» Боярских Геннадий Алексеевич;
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна» Лысенко Александр Александрович


     Холодников, Ю. В.
Х73       Промышленные композиты : монография / Ю. В. Холодников. -
     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 340 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1448-7

           Дано и обосновано понятие «промышленные композиты» как самостоятельное направление развития отрасли производства изделий из композиционных материалов с полимерной матрицей. Рассмотрены материалы для производства промышленных композитов, способы производства, области применения и особенности эксплуатации. Приведены результаты исследований и экспериментов по обозначенной теме. Большое внимание уделено вопросам контроля качества изделий, как на стадии производства, так и при эксплуатации в условиях воздействия агрессивной рабочей среды. Раскрыты разработанные на уровне изобретений способы производства, дано описание изделий производственно-технического назначения из специальных видов композитов, являющихся новыми видами промышленных изделий, соответствующих, а по ряду позиций, превосходящих мировой уровень качества продукции данного вида.
           Для широкого круга специалистов производственного сектора экономики, заинтересованных в развитии производства изделий производственно-технического назначения из композиционных материалов для нужд различных отраслей промышленности.

УДК 66.022
ББК 35.719




Печатается в авторской редакции




ISBN 978-5-9729-1448-7

© Холодников Ю. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


Введение...............................................................6
1. Патентная активность и инновационное развитие.......................9
    1.1. Оценка состояния российской отрасли композитостроения....13
2. Классификация композитов...........................................20
3. Виды и области применения промышленных композитов..................26
4. Композиционные материалы (КМ)......................................36
    4.1. Связующее....................................................36
    4.2. Армирующие материалы.........................................38
    4.3. Наполнители..................................................40
    4.4. Премиксы и препреги..........................................42
    4.5. УФ-отверждаемые КМ...........................................44
    4.6. «Умные» (интеллектуальные) КМ................................48
    4.7. Критерии выбора материалов...................................49
5. Технологии и способы изготовления изделий из КМ....................51
    5.1. Основные технологии производства промышленных изделий из КМ.51
      5.1.1. Контактные способы.......................................53
      5.1.2. Инжекция/инфузия связующего в закрытые формы.............60
      5.1.3. Формование деталей из препрегов и премиксов..............68
      5.1.4. Прессование..............................................75
      5.1.5. Способы изготовления изделий протяжкой...................79
      5.1.6. Намотка..................................................84
      5.1.7. Магнито-импульсное формование............................88
      5.1.8. Интегральные конструкции.................................88
      5.1.9. Способы объемного формования.............................90
      5.1.10. Изготовление изделий из полимербетона/искусственного камня ....93
      5.1.11. Детали, изготавливаемые методами механической обработки.98
      5.1.12. Изготовление сборных конструкций из композитов......104
      5.1.13. Футеровка..............................................109
      5.1.14. Литье..................................................114
      5.1.15. Ремонтные технологии...................................119
      5.1.16. Прототипирование и аддитивные технологии...............126
6. Защита технологического оборудования и строительных конструкций специальными композитами.............................................132
    6.1. Назначение и область применения футеровочных покрытий....132
      6.1.1. Общие положения и рекомендации..........................135
      6.1.2. Требования к стальным конструкциям......................137
      6.1.3. Требования к бетонным сооружениям.......................142
      6.1.4.       Требования безопасности при подготовке поверхностей для нанесения защитного покрытия.....................................143
      6.1.5. Подготовка и испытание образцов.........................144
      6.1.6.       Нанесение футеровочного покрытия методом ручного ламинирования........................................................146

3

      6.1.7. Футеровка листовым химстойким композитом............150
      6.1.8. Футеровка штучными композитами......................153
      6.1.9. Футеровка специальным полимербетоном................155
      6.1.10. Трубы, футерованные полимербетоном.................160
    6.2. Состав исполнительной документации......................164
7. Контроль качества изделий производственно-технического назначения, изготовленных из КМ..............................................165
    7.1. Методы контроля.........................................165
      7.1.1. Классификация методов контроля......................165
      7.1.2. Визуальный и измерительный контроль.................168
      7.1.3. Разрушающий инструментальный контроль...............169
      7.1.4. Неразрушающий инструментальный контроль.............172
      7.1.5. Статистический контроль.............................174
    7.2. Технологический контроль производства...................176
      7.2.1. Контроль на стадии НИОКР............................176
      7.2.2. Контроль на стадии производства.....................180
        7.2.2.1. Входной контроль материалов.....................180
        7.2.2.2. Контроль условий работ..........................182
        7.2.2.3. Контроль работы машин и механизмов..............184
        7.2.2.4. Пооперационный контроль качества................184
        7.2.2.5. Приемочный контроль.............................185
        7.2.2.6. Контроль качества полимербетона.................188
    7.3. Контроль при монтаже и сборке изделия...................189
    7.4. Правила ввода в эксплуатацию............................191
    7.5. Контроль эксплуатационных параметров....................191
    7.6. Контроль текущего состояния изделия.....................192
    7.7. Контроль соблюдения режимов обслуживания и ремонта.......193
8. Правила эксплуатации, обслуживания и ремонта изделий из КМ.....194
    8.1. Обслуживание защитных футеровочных покрытий.............194
    8.2. Дефекты ламинирования и способы их устранения...........197
    8.3. Дефекты в изделиях из искусственного камня/полимербетона.202
    8.4. Состав исполнительной документации......................207
9. Техника безопасности при производстве изделий из КМ...........208
    9.1. Общие правила безопасности..............................208
    9.2. Оптимизация режимов проветривания рабочих зон...........210
    9.3. Пожарная безопасность...................................212
    9.4. Охрана окружающей среды.................................213
    9.5. Аварийные ситуации......................................213

НИОКРовский задел ООО СКБ «Мысль»
10. Плитка специального назначения из полимерных композитов......215
    10.1. Виды плиток............................................216
    10.2. Способ укладки плитки..................................219
    10.3. Преимущества полимерной композитной плитки.............222

4

11. Исследования свойств композитов на стойкость в разных средах...224
    11.1. Стойкость в кислотной среде............................224
    11.2. Химстойкость в щелочной среде..........................241
    11.3. Абразивостойкость композитов...........................248
    11.4. Ударная прочность дисперсно-наполненных композитов.....253
    11.5.     Влияние кварцевого наполнителя на свойства дисперсно-наполненных композитов.................................258
    11.6. Исследование вязкости наполненной полимерной смолы.....264
12. Физическое моделирование интегрального способа изготовления изделий из полимерного композита.........................................270
13. Оборудование горнодобывающей промышленности из промышленных композитов.......................................................277
    13.1.     Общие принципы определения характерных размеров изделий из композитов....................................................286
13.2.     Определение напряжений и деформаций в простейших расчетных схемах    290
    13.3.   Методы расчета компонентов горно-шахтного оборудования.296
      13.3.1. Корпусные изделия в виде оболочек..................296
      13.3.2. Рабочие колеса осевых вентиляторов.................305
      13.3.3. Резервуары для сжатого воздуха.....................309
      13.3.4. Трубопроводы.......................................311
      13.3.5. Баки и бункеры.....................................314
      13.3.6. Соединения деталей из композитов...................319
    13.4.     Математическое моделирование напряженного состояния рабочей лопатки осевого вентилятора................................324

    Список литературы..............................................331

    ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Варианты защитных футеровочных покрытий поверхностей железобетонных емкостных сооружений, эксплуатируемых в жидких агрессивных средах......................................334
    ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Варианты защитных футеровочных покрытий стальных резервуаров для кислот, щелочей и жидких минеральных удобрений........................................................337


5

ВВЕДЕНИЕ


    Уникальные эксплуатационные свойства изделий из композиционных материалов, основанные на новаторстве и зависимости от интеллектуальных ценностей, как ключевого источника экономической выгоды и сравнительного преимущества перед аналогами из традиционных материалов, все в большей степени определяется умением изобретать и массово осваивать результаты интеллектуальных изысканий в различных отраслях производственно-хозяйственной деятельности. Без учета возможностей инновационного развития композитной отрасли невозможно строить планы «догнать и перегнать» мировых лидеров данного направления деятельности, и тем самым занять достойное место на рынке современных технологий и конкурентоспособных видов изделий. Способность создавать и применять инновационные технологии и новые виды изделий является сегодня непременным условием не только экономической независимости и подобающего уровня технического развития, но и эффективного участия страны в глобальной экономике и достойного уровня жизни ее населения.
    Мировое производство изделий из композитов с полимерной матрицей сосредоточено в основном на нескольких направлениях, важнейшими из которых являются:
    -       транспортное машиностроение, включая ж/д и автомобильную промышленность;
    -       судостроение, включая лодки, катера, яхты и т. п.;
    -       энергетика, и в первую очередь - ветроэнергетика, электротехнические изделия;
    -       авиация и космос;
    -       вооружение и оборона;
    -       строительство и связанная с ним инфраструктура;
    -       бытовая тема потребительского сектора экономики;
    -       трубы и емкостное оборудование, изготавливаемые методами намотки.
    Все вышеперечисленное, несомненно, представляет интерес в плане разработки и внедрения новых материалов и сопутствующих технологий производства изделий, а также с потребительской точки зрения, поскольку направлено на получение готового товарного продукта. Вместе с тем, обозначенные направления внедрения изделий из композитов не исчерпываются данным списком. В частности, в нем отсутствует большая группа изделий, которую можно обозначить как - «промышленные композиты». Под промышленными композитами мы подразумеваем изделия из композиционных материалов, которые, прежде всего, востребованы во всех отраслях промышленного сектора экономики, включая добывающие, перерабатывающие, регенерирующие, транспортирующие, машиностроительные и прочие технические отрасли производства, а также, сельское хозяйство, ЖКХ и другие отрасли реального сектора экономики. Практически все технологическое оборудование промышленных предприятий и многие виды машиностроительной продукции можно, а во многих случаях необходимо, изготавливать из композитов.


6

    Чем вызвана необходимость выделения промышленных композитов в самостоятельную группу изделий? Прежде всего, тем, что по назначению, составу композита, условиям эксплуатации и предъявляемым к изделию требованиям, эта группа композитов существенно отличается от других видов изделий из композиционных материалов, перечисленных в начале раздела (т. н. «конструкционные композиты»), а именно:
    -       изделия промышленно-технического назначения, в основном, работают в условиях воздействия агрессивной рабочей среды, длительных знакопеременных механических нагрузок и других опасных производственных факторов, что определяет состав и структуру композита, отличные от параметров конструкционных композитов, применяемых в других отраслях жизнедеятельности;
    -       к промышленным композитам предъявляются требования длительной повышенной надежности работы, поскольку это связано с безопасной эксплуатацией технологического оборудования и ответственных строительных конструкций, обеспечивающих защиту здоровья обслуживающего персонала, а также недопущения аварий и техногенных катастроф, экологические последствия которых могут быть сопоставимы с природными катаклизмами;
    -       для промышленных композитов разрабатываются специальные виды композиционных материалов и способы их переработки в готовое изделие, имеющие существенные отличия от композиционных материалов, применяемых для изготовления конструкционных композитов;
    -       для изделий из промышленных композитов, входящих в состав технологического оборудования промышленных предприятий, должны быть разработаны мероприятия технического обслуживания и ремонта, подготовлены кадры обслуживающего и ремонтного персонала, разработана и утверждена в установленном порядке нормативно-техническая документация и выполнен целый ряд организационно-технических мероприятий, направленных на адаптацию рассматриваемой группы изделий в структуре общего технологического процесса и групп разнородных по конструкции и исполнению видов оборудования конкретного предприятия;
    -       часто изделия производственно-технического назначения (промышленные композиты) не являются самостоятельным осязаемым товарным продуктом, а являются частью изделия (например - футеровка) или звеном технологического процесса (например - ремонтные технологии), поэтому возникают трудности с экономической оценкой эффективности их применения, что в условиях рыночных отношений не всегда играет на пользу внедрения данной группы композиционных изделий, оставляя их на втором плане научнотехнического развития производства;
    -       в конструкционных композитах большее значение придается свойствам и качеству армирующих материалов и наполнителей, определяющих физикомеханические свойства композита (стеклопластик, базальтопластик, углепластик, органопластик, нанокомпозит и пр.), а в промышленных композитах определяющим фактором (помимо прочностных параметров) является тип и характеристика связующего (матрицы), которая определяет такие важные экс

7

плуатационные показатели, как химостойкость, теплостойкость, радиационную стойкость и пр.
    Перспективы внедрения и преимущества изделий из промышленных композитов перед аналогичными изделиями, выполненными из традиционных материалов, вызваны следующими факторами:
    -       способы изготовления изделий из композитов в 8-10 раз менее энергозатратные, чем производство из металлов или их сплавов, что в условиях непрерывного удорожания стоимости энергоносителей имеет важное конкурентное преимущество;
    -       структура и состав композита выбирается под конкретные требования заказчика, обеспечивая оптимизацию режимов работы в заданной рабочей среде, а также лучшие условия обслуживания и ремонта;
    -       изделия из композитов обладают хорошей стойкостью к большинству промышленных сред и повышенной надежностью эксплуатации ввиду отсутствия сварных швов и ремонтопригодностью на любой стадии повреждения. В последние годы разрабатываются «интеллектуальные» композиты с функциями самоконтроля и индикации, позволяющие в автоматическом режиме следить за техническим состоянием изделий из промышленных композитов;
    -       важным конкурентным преимуществом композитов является то обстоятельство, что при практически равных удельных физико-механических характеристиках с конструкционными марками стали, они (композиты) имеют массу в 4 раза меньшую, чем у стали, что приводит к снижению материалоемкости технологического оборудования, уменьшению затрат на перевозки, монтаж и обслуживание;
    -       широкий диапазон различных технологий и способов изготовления изделий промышленно-технического назначения из композиционных материалов позволяет организовать их производство «на месте», что является важным, например, при проведении ремонтных работ, модернизации производства или организации нового вида производства не стандартизированных изделий;
    -       важным преимуществом изделий из полимерных композиционных материалов для промышленного сектора экономики является возможность без огневого ремонта поврежденных участков технологического оборудования, при практически любой степени их повреждения, что снижает трудозатраты на ремонтные работы и сокращает сроки вынужденных простоев, повышает безопасность ремонтных работ;
    -       изготовление изделий из композитов для промышленного сектора экономики является отличной базой для развития малого/среднего производственного бизнеса с возможностью реализации инновационных и импортозамещающих идей в сжатые сроки, широкого ассортимента и гибкого технологического процесса с минимальными организационными и финансовыми издержками на начальном этапе деятельности.

8

1. ПАТЕНТНАЯ АКТИВНОСТЬ И ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ

    Композиты относятся к приоритетному направлению развития научнотехнического потенциала нашей страны, обладают неоспоримым инновационным потенциалом и инвестиционной привлекательностью.
    Новые технологические и технические решения, разрабатываемые при работе в композитной отрасли производства, трансформируются в не материальные активы и осуществляются в виде прав интеллектуальной собственности, которые позволяют (в идеале): защищать интересы участников инновационного процесса, формировать инновационную культуру, расширять инновационную систему за счет интеграции и трансфера технологий между разрозненными организациями, фиксировать систему научно-технических изобретений, привлекать дополнительные инвестиции и позиционировать себя на рынке высоких технологий, стимулировать проявление личностного потенциала в инновационном процессе.
    Основной формой защиты интеллектуальной собственности в научноисследовательской и промышленной отрасли производства является патент. Интенсивность разработки новых патентов в определенной степени отражает интенсивность генерирования в обществе новых знаний, предопределяя параметры развития экономики и уровень научно-технического развития страны, и как итог - конкурентоспособность выпускаемой продукции.
    Распределение патентной активности в ведущих технологических странах мира за период 2009-2019 гг., млн шт. (Источник: Patent Cooperation Treaty Yearly Review), представлен на рисунке 1.1 [1].


Рис. 1.1

9

    ООО СКБ «Мысль» с 2008 года периодически проводит патентные исследования по композитной теме, с целью анализа развития данного направления в нашей стране. Поиск патентов по заданной теме проводится в двух направлениях:
    1)      поиск патентов РФ по российской (национальной) патентной базе данных, отбор патентов по названиям на соответствие теме поиска;
    2)      поиск патентов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ по единой методике в той же патентной базе данных.
    Единая методика и единая база данных применены для наиболее наглядного сравнения патентной активности, а также исключения издержек, связанных со спецификой работы с каждой из национальных баз данных указанных 4 стран.
    В процессе поиска применялись индексы Международной патентной классификации (МПК): B32B; B29C; C23C; B32B 5/00; B32B 5/02; B32B 7/00; D32B 27/00; B27B 7/04; B32B 33/00; B29C 43/00; B29B 43/18; B29C 70/00; D29C 70/56; C23C 30/00. Результаты, выданные базой данных РФ, далее были проанализированы по названиям на предмет их соответствия теме поиска. В частности, были отобраны патенты и заявки на получение патента, относящиеся к материалам, способам и изделиям, а патенты, относящиеся к тематике «бронежилеты», «углекерамика», «композитные мембраны», а также к военной тематике, медицине, биотехнологиям, пищевой промышленности, методам контроля и т. п. - не учитывались.
    Поиск патентов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ проводился в сети патентной информации esp@cenet по адресу ru.espacenet.com, дающей возможность доступа к всемирной базе патентной информации и к патентным фондам различных стран и международных организаций. Данная база дает возможность оценить патентную активность не только по количеству выданных патентов, но и по количеству опубликованных заявок, которые впоследствии не все «превратились» в патенты. Таким образом, в результате поиска удалось оценить патентную активность 4 стран по количеству патентных документов, т. е. по количеству и патентов и заявок на патент.
    Для проведения поиска патентных документов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ были выбраны следующие ключевые слова:
    polymer
    composite
    Ключевые слова применялись для поиска по рефератам и названиям патентных документов.
    Для единства методики поиска для всех 4 стран применялся один и тот же поисковый запрос с использованием вышеуказанных ключевых слов. Индексы МПК не использовались, т. к. сформулированный поисковый запрос, по нашему мнению, и так определил необходимые рамки запрашиваемой информации.
    Количественные результаты поиска патентных документов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ наглядно отражены на рисунке 1.2.

10

Рис. 1.2

    Вряд ли нужны какие-то комментарии к этому графику. Можно сколько угодно разглагольствовать об инвестициях, инновациях, импортозамещении, составлять республиканские, региональные и отраслевые «дорожные карты» и тому подобное, но «факты упрямая вещь»...
    Тем не менее, тема не исчерпана. Как было отмечено выше патент одна из форм нематериальных активов, представляющих собой результат интеллектуальной деятельности, которому предоставлена правовая охрана в соответствии с положениями четвертой части ГК РФ. Получение патента не самоцель, а один из важнейших этапов инновационной работы, предшествующей коммерциализации (внедрению) результата интеллектуальной деятельности. Сам факт получения патента позволяет:
    1.     Использование в собственном производстве продукции или технологии с включением стоимости результата интеллектуальной деятельности в себестоимость продукции.
    2.     Передача результата интеллектуальной деятельности иным лицам по лицензионным и другим договорам.
    3.     Использование механизма трансфера технологий внутри предприятия, концерна, корпорации.
    После перехода результата интеллектуальной деятельности в объект интеллектуальной собственности (патент) возможна продажа объекта интеллектуальной собственности или содержащей его продукции за рубеж. Этап коммерциализации объекта интеллектуальной собственности, точнее, коммерциализации прав на этот объект, является определяющим в судьбе инновации.
    Распространенной формой коммерциализации рассматриваемого объекта собственности является комплекс и последовательность работ через систему НИОКР, которая в общем виде включает в себя:
    -      интеллектуальная деятельность, эксперименты, теоретические поиски (НИР);
    -      работы, направленные на разработку конструкторской и технологической документации образца продукции (ОКР);
    -      иная исследовательская деятельность, задачей которой является получение новых знаний и навыков в конкретной сфере;
    -      технологические процессы (ТР).
    В качестве примера комплексного, научно-обоснованного подхода к проблеме внедрения инноваций в повседневную производственно-хозяйственную деятельность различных отраслей экономики, осмелюсь предложить проект, разработанный в ООО СКБ «Мысль» под названием - «Защита основного технологического оборудования и строительных конструкций от воздействия опасных производственных факторов специальными композиционными материалами», реализуемый в течение последних 20 лет.

12

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СОБСТВЕННОСТЬ
Патенты РФ №№: 2365678; 92383 и др. Всего 14 патентов РФ.

НИОКР
   -      Лабораторные исследования стойкости защитных композитных покрытий в различных рабочих средах (кислоты, щелочи, органика и др.). Всего более 100 испытаний.
   -      Исследования физико-механических и триботехнических характеристик специальных композиционных материалов и покрытий.
   -      Исследования эксплуатационных параметров композитов применительно к конкретным производственным условиям (СИБУР, АЗОТ, ХИМПРОМ, АВИСМА, УралХим и др).
   -      Промышленные испытания различных изделий производственно-технического назначения из спец. композитов (ванны, воздуховоды, низконапорные турбомашины, емкости, трубопроводы и т. п.).
   -      Испытания новых видов композиционных материалов (смолы, наполнители, армирующие материалы, пигменты, системы отверждения и др.) с целью оценки возможности их применения в изделиях спец. назначения.
   -      Разработка и исследования новых способов производства изделий из композитов для реального сектора производства.
   -      Разработка конструкторско-технологической документации:
     о ТУ, РД, СТО, Инструкции, Методики, и т. п., зарегистрированные согласно действующего законодательства - 23 шт.
     о ГОСТ: 55074-2012, 5073-2012, 54927-2012, 32662-2014.
     о Конструкторская документация - более 60 видов изделий.
     о Сертификаты соответствия - 15 шт.
   -      Стажировки в ведущих технологических Центрах (С.-Петербург, Самара, Финляндия, Франция, Бельгия и др.).
   -      Образцы продукции - более 200 видов.
   -      Статьи в специализированных журналах, сборниках - более 80.
   -      Книги, монографии по композитной теме - 6 наименований.
   -      Рекламные буклеты - 16 видов.

ВНЕДРЕНИЕ
Ведущие предприятия РФ и ближнего зарубежья: АО ЕВРАЗ; ОАО «ФОСАГРО», АО «УГМК», ОАО «ВНИИ «Сигнал», АО «ВСМПО», ОАО «ЧЦЗ», ОАО «СУБР», ОАО «КЧХК», АО «ХИМПРОМ», ОАО «СИБУР», АО «ТатНефть», АО «GM-Автоваз» и др. Всего более 200 предприятий различных форм собственности.



1.1. Оценка состояния российской отрасли композитостроения

    С описанной выше патентной активностью в рассматриваемой научнотехнической отрасли, тесно связана административно-хозяйственная практика различного рода инициатив руководящих органов разного уровня, так или иначе отвечающих за развитие данного научно-технического направления.
    На фоне падения производства и общей стагнации экономической деятельности, тихо и незаметно закончился 2020 год, а вместе с ним без излишнего пафоса «слили» государственные проекты, утвержденные распоряжением Правительства РФ. Я имею в виду «кончину» государственной программы «Развитие про

13