ПОЛИМЕРНЫЙ НАНОКОМПОЗИТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В КАЧЕСТВЕ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ЖЕЛЕЗОЙ ДОРОГЕ

Никитина Л.В.¹, Никитин Д.А.², Сякин С.М.³

¹Кандидат технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.;

²доктор технических наук, доцент, Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова;

³аспирант, Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова

ПОЛИМЕРНЫЙ НАНОКОМПОЗИТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В КАЧЕСТВЕ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ЖЕЛЕЗОЙ ДОРОГЕ

Аннотация

В статье рассмотрено получение полимерной композиции на основе термопластичного полимера с нанодисперсными включениями диоксида кремния, определены важные физико-химические свойства данной композиции, а также  разработана конструкция дюбеля крепежного узла рельсового скрепления на основе предложенного композиционного материала.

Ключевые слова: железно-дорожный транспорт, дюбель крепежного узла, полипропилен, нанокомпозит, диоксид кремния.

Nikitina L.V.¹, Nikitin D.A.², Syakin S.M.³

¹PhD of Engineering, docent, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, ²Doctor of Engineering, docent, Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov, ³Postgraduate student, Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov

POLYMER NANOCOMPOSITE USED AS A STRUCTURAL MATERIAL FOR RAILWAY

Abstract

The article describes how to prepare polymer compositions based on a thermoplastic polymer with nanoparticle inclusions of silica dioxide, how to identify important physico-chemical properties of the composition, and how to design the dowels structure of mounting assembly of rail fastening, based on proposed composite material.

Keywords: railway transport, mounting assembly dowel, polypropylene, nanocomposite, silica dioxide.

Рельсовые скрепления (или промежуточные рельсовые скрепления) важнейшей конструкционные элементы верхнего строения пути, в существенной степени определяющие надёжность, параметры геометрии и пространственной жёсткости рельсовой колеи. В настоящее время актуальными материалами для их  изготовления являются полимеры, среди которых особое место занимает  высокомолекулярный кристаллический полипропилен (ПП). Однако, зачастую,  чтобы получить полимерные изделия из этого термопласта для различных областей применения приходиться его модифицировать и создавать новые композиционные материалы [1].

Таким образом, решение поставленной задачи заключается в выборе наполнителей и модификаторов, обеспечивающих комплексное воздействие на физико-механические и деформационные характеристики исходного материала.  В основе полимерной композиции лежит полипропилен  марки 01030 «бален» (ГОСТ 26996-86) изотактического строения с добавками наночастиц диоксида кремния. В качестве модификатора, положительно влияющего на комплекс физико-механических свойств композита, нами был выбран наноразмерный диоксид кремния. Предварительно был получен золь диоксида кремния путем гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии катализатора (аммиака, уксусной кислоты) [2,3]. Общая реакция может быть выражена уравнением:

Si(OC₂H₅)₄ + 2H₂O → SiO₂ + 4C₂H₅OH

Результаты адсорбционной порометрии выявили, что полученные частицы диоксида кремния имели высокую удельную поверхность – более 350 м²/г со средним радиусом внутренних пор 1-2 нм.

 Затем, для получения композиционного материала использовался  метод «класпол» в растворе – расплаве полипропилена.

Термическое исследование всех синтезированных соединений проводилось на приборе «Дериватограф ОД-103».

Анализ кривых ДТА показал, что температура плавления модифицированного ПП понизилась на 20⁰С и составила 120⁰С (Т_пл чистого ПП = 140⁰С). Кроме того, экзотермические пики, свидетельствующие о протекании в полимере процессов, связанных с изменением надмолекулярной структуры (например, образованием кристаллитов) и окислением, для модифицированного ПП смещены в область более низких температур: для чистого ПП эти температуры составляют 360⁰ и 460 ⁰C, а для модифицированного-260⁰ и 400 ⁰С.  Однако, температура деструкции модифицированного ПП повысилась относительно чистого ПП на 40⁰С (Т_{мах.дестр} чистого ПП = 570⁰С; Т_{мах.дестр} модифицированного ПП = 620⁰С).

Кроме того, полученные образцы исследовались с помощью инфракрасной (ИК)-спектроскопии, а также прошли физико-механические  испытания. Показано, что наилучшими свойствами обладают образцы с 3%-ным содержанием модификатора. В таблице 1 представлены сравнительные характеристики физико-механических свойств чистого ПП и композита на его основе.

 

Таблица 1- Сравнительная характеристика чистого ПП и композита

Параметр	Ед.изм.	Метод испытания	ПП	ПП + SiO2
Прочность при сжатии	МПа	ГОСТ 4651-82. Пластмассы. Методы испытания на сжатие	39	52
Твердость материала по Бринелю	МПа	ГОСТ 4670-91. Пластмассы. Определение твердости. Метод вдавливания шарика.	48	51
Суточное водопоглощение	%	ГОСТ 4650-80. Пластмассы. Методы определения водопоглощения.	0,02	0,02
Уд. объем. электрическое сопротивление	Ом∙м	ГОСТ 6433.2-71. Материалы электроизол. Твердые.	1015	1016
Разрушающее напряжение при растяжении	МПа	ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Метод испытания на растяжение.	32	42

 

При использовании предлагаемой конструкции дюбеля рельсового скрепления на основе композита с улучшенными физико-механическими свойствами  значительно возрастает необходимое усилие вырывания дюбеля и исключается разрушение основного материала шпалы, что делает ее ремонтопригодной путем замены дюбеля.

Работа дюбеля предлагаемой конструкции  осуществляется следующим способом: новый дюбель устанавливается при изготовлении шпалы в соответствующие гнёзда опалубки, тем самым формируя в последней наружным профилем  ответную резьбу в теле шпалы, и остаётся в ней для последующего использования. При повреждении дюбеля в процессе эксплуатации (например, в силу вибрации, либо в процессе выправки пути) повреждённый дюбель выворачивается из шпалы, на его место устанавливается новый. Внутренний профиль резьбы соответствует ответному профилю резьбы сопрягаемого с дюбелем шурупа.

В настоящее время изготовлена опытная пресс-форма для изготовления продукции. Выпущена опытная партия дюбеля. Изделие прошло испытание в системе сертификации на федеральном железнодорожном транспорте (ИЦ ЖТ ОАО «ВНИИЖТ»).

Литература

1. Никитина Л. В., Никитин Д. А., Васильев А. В. Патент на изобретение № 2353635 «Полипропиленовая композиция» от 27 апреля 2009г.
2. Lee, J. Look, M.T. Harris, A.V. McCormick // J. Colloid Interface Sci. – 1997. – 194. – p.78.
3. Lee, A.N. Sathyagal, A.V. McCormick. Colloids Surf. A Physicochem // Eng. Asp. – 1998. – 144. –p.115.

References

1. Nikitina L. V., Nikitin D. A., Vasil'ev A. V. Patent na izobretenie № 2353635 «Polipropilenovaja kompozicija» ot 27 aprelja 2009g.
2. K. Lee, J. Look, M.T. Harris, A.V. McCormick // J. Colloid Interface Sci. – 1997. – 194. – p.78.
3. K. Lee, A.N. Sathyagal, A.V. McCormick. Colloids Surf. A Physicochem // Eng. Asp. – 1998. – 144. –p.115.