» » Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

30.08.2016

Учеными и специалистами ИГД им. А.А. Скочинского (Н.К. Егоров), ВНИИОМШС (И.Г. Косков), НИИОГР (Трушин В.С.), ВНИИгидроуголь (В.Ф. Завертайло), КНИУИ (А.М. Мусин), Украинского филиала ВНИИСПВ (В.И. Шишко) проведены большие поисковые и опытно-промышленные работы по созданию и применению гибких затяжек на основе рулонированных стеклопластиковых материалов (PCM). В общем виде затяжка из PCM представляет собой разворачиваемую из 50-метрового рулона за крепью полосу гибкого стеклопластика шириной 0,8—1 м.
На рис. 8.1 показан участок горной выработки с рамкой крепью, в котором часть деревянной затяжки заменена РСМ. Возведение затяжек из PCM осуществляется с минимальными трудозатратами. В качестве армирующей основы PCM применяют уточные конструкционные стеклоткани или нетканные армирующие материалы. Для пропитки стеклопластиков тканой или нетканой структуры и защиты стекловолокон от воздействия шахтной агрессивной среды применяют синтетические смолы или лаки с модифицирующими добавками, улучшающими их технологические свойства и требования подземной эксплуатации.
Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

В число основных требований, предъявляемых к PCM для их применения в подземных выработках угольных шахт, входят:
- обеспечение несущей способности — прочность на растяжение по основе на полоску шириной 25 мм не менее 2,1 кН;
- условие длительной прочности — потеря прочности материала при эксплуатации в шахтной агрессивной среде при изменении водородного показателя pH от 2 до 9 в течение года не должна превышать 30%, а в течение 10 лет — 50%;
- классификация материала по горючести — коэффициент горючести по методу калориметрии К<0,5;
- пропитка основы связующим должна быть равномерной и глубокой, а поверхность материала в готовом виде не должна иметь ворсистости;
- отсутствие токсических выделений и соответствие санитарно-эпидемиологическим нормам и правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах;
- устойчивость материала к воздействию плесени, поражению бактериями, кислотными водами;
- сохранение физико-механических свойств при хранении в интервале температур от -50 до +50° С; относительно невысокая стоимость.
Для удовлетворения этим и некоторым другим требованиям проведены исследования по выбору как армирующей основы, так и полимерных связующих материалов для их пропитки. В качестве армирующей основы при создании затяжек из PCM опробованы: ровинговые конструкционные стеклоткани ТР-0,56; ТР-0,7; ТСЖ-0,7; вязально-прошивные материалы равнопрочной структуры ВПР-10; ВПР-20. Для пропитки стеклопластиковой основы исследованы связующие составы в виде мочевино-формальдегидных, фенолоформальдегидных и других смол, перхлорвиниловых и бакелитовых лаков со специальными добавками, улучшающими технологические и другие требования, предъявляемые к затяжкам.
Остановимся на некоторых результатах исследований. Первые опыты по изысканию материалов и их испытанию на шахтах проведены НИИОГР в 1968 г. под руководством И.Г. Коскова. В качестве армирующей основы испытывались сначала ровинговые стеклоткани, а позже вязально-прошивные материалы типа ВПР. Стеклопластики пропитывались преимущественно эмалями на основе хлорированной поливинилхлоридной (ПВХ) смолы и ее сополимеров. Затяжки из PCM изготавливались на Коркинском заводе шахтной железобетонной крепи и испытывались на шахтах Челябинского угольного бассейна.
Наряду с положительными результатами (некоторые выработки находились в удовлетворительном состоянии на протяжении 7—8 лет) были отмечены недостатки РСМ, из которых важнейшие — снижение прочности до 70% в обводненных выработках с высокой концентрацией солей и разрывы материала вдоль рам крепи, а также трудности его ремонта или замены.
На основании исследований и опытных работ, проведенных НИИОГР, ВНИИОМШС, КНИУИ, ВНИИгидроуголь, ИГД им. А.А. Скочинского разработана инструкция по производству и применению затяжек из PCM. В качестве стеклопластиковой основы инструкцией рекомендованы материалы ВПР-10 и ТСЖ-0,7 со следующими характеристиками (см. ниже):
Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

Пропитывающий состав должен удовлетворять следующим требованиям: иметь содержание сухого остатка 20—25%, вязкость (по вискозиметру ВЗ-4) 15—20 с, время отверждения T при температуре t=90—120° С 15—20 мин.
Инструкцией рекомендованы следующие основные материалы для пропитки PCM (табл. 8.1).
На основании исследований допускается использование в качестве пропитывающего состава также смеси мочевиноформальдегидной смолы, хлористого натрия и жидкого стекла в соотношении соответственно 45:10:45, причем можно достигнуть увеличения смолы до 70% за счет снижения содержания жидкого стекла. Опробованы также другие пропитывающие составы: на основе фенолоформальдегидных и фенолорезерционных смол, аминосилана АГМ-3 и других смол и эмалей.
Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

Несущая основа PCM в виде вязально-прошивного материала ВПР-10 состоит из непрерывных нитей, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях. В местах пересечения нитей основы и утка они соединяются прошивкой стеклянными нитями.
Обобщив опыт и проведя собственные исследования, специалисты ИГД им. А.А. Скочинского под руководством Н.К. Егорова разработали PCM на основе вязально-прошивного материала ВПР-10 с пропиткой лаком ХС-724, к которому добавляют 3% алюминиевой пудры.
Перхлорвиниловый лак ХС-724 представляет собой раствор сополимера винилхлорида с винилацетатом в смеси с органическими растворителями — толуолом, ацетоном, этилацетатом. Состав сообщает обрабатываемому стеклопластику свойства водохимстойкости и прочность. Для производства указанных PCM Минуглепромом России совместно с Минхимпромом разработаны технические условия и технологический регламент изготовления применительно к оборудованию и мощностям Северодонецкого ПО «Стеклопластик». С 1981 г. организовано серийное изготовление и поставка PCM шахтам.
Для улучшения некоторых эксплуатационных показателей НИИОГР предложен другой вид PCM — на основе ровинговой ткани ТР-0,7, пропитанной карбамидной смолой с добавками. Разрывная прочность стандартной полоски ровинговой ткани такого PCM превышает прочность серийно выпускаемого PCM на основе ВПР-10 как в исходном состоянии, так и после 2-часового кипячения в дистиллированной воде.
Однако карбамидные смолы обладают такими существенными недостатками, как образование хрупкой пленки, нестойкой к воздействию шахтной агрессивной среды, и невысокое содержание сухого остатка (25—30%). Поиск новых пропитывающих материалов, отличающихся экономичностью и удовлетворяющих требованиям шахт, направлен в первую очередь на совершенствование методики исследований и нормативов прочности и огнестойкости материалов.
Длительная прочность характеризует способность PCM в течение 7—8 лет под воздействием нагрузок и шахтных агрессивных вод сохранять до 50% величины первоначальной прочности. Эта мера обосновывается двухстадийным разрушением РСМ: на первой стадии, обусловленной сорбцией воды, ослабляется межмолекулярное взаимодействие пропитывающего состава, на второй стадии вода проникает через нарушенную полимерную пленку уже к стекловолокну.
Моделирование ускоренных испытаний PCM на длительную прочность проводится экспресс-методом: путем кипячения образцов в дистиллированной воде в течение 2 ч и 30-дневной выдержки в кислых (pH 2), щелочных (pH 9) и нейтральных (pH 7) шахтных средах. Допускаемая потеря прочности при таких испытаниях — до 32%. Такая методика приемлема для сравнительной оценки материалов на одной и той же основе, отличающихся связующими составами и технологией пропитки.
Кроме длительной прочности, важным требованием к PCM для затяжек горных выработок является их соответствие нормам по горючести (в случае пожара в шахтах) и токсичности. Особо токсичными газообразными продуктами, выделяющимися при разложении полимеров, являются окись углерода, цианистый водород, окись азота, фосген, фосфины, хлористый водород. Их наличие и количество в воздухе определяются как видом полимера, так и объемом пространства, в котором происходит горение. Коэффициент горючести К, согласно инструкции по входному контролю, определяется по методу калориметрии и по кислородному индексу (КИ). Из условия трудногорючести материала индекс должен иметь значение КИ≥60. Для лабораторных, заводских или шахтных испытаний определение огнестойкости материала допускается производить более простым способом — методом «огневой трубы».
Применяемые в настоящее время стеклопластиковые материалы на основе ВПР-10, пропитанной лаком ХС-724, все же не полностью удовлетворяют требованиям для шахт по токсичности, прочности и стоимости. В связи с этим продолжаются работы над совершенствованием армирующих и связующих материалов в направлении повышения их физико-механических характеристик, уменьшения стоимости, снижения пожароопасности.
НИИОГР (В.С. Трушин) проводит работы над использованием в качестве армирующей основы ровинговых стеклотканей из алюмоборосиликатного волокна с парафиновым замаслива-телем толщиной 0,56 и 0,7 мм (ТР-0,56 и ТР-0,7) с поверхностной плотностью 700 и 800 г/м2. В качестве связующего предложены две композиции на основе мочевиноформальдегидных смол УКС и КС-11. Эти смолы хорошо растворяются в воде и ацетоне, имеют хорошие технологические свойства, стабильные показатели, невысокую стоимость. Составы содержат, кроме того, алюминиевую пудру ПАП-1 (в виде пассивированной пасты), поверхностно-активное вещество (сульфонол ОП-10) и отвердитель в виде хлористого алюминия AlCl3. Для связывания формальдегида и устранения его запаха в смолу добавляют мочевину. Разработанные НИИОГР составы экономичны, а по разрывной прочности как в исходном состоянии, так и после двухчасового кипячения в дистиллированной воде выше серийно выпускаемых.
ВНИИгидроуглем (В.Ф. Завертайло) для пропитки стеклопластикового материала ВПР-10 исследованы пропитывающие составы на основе фенолоформальдегидных смол (лак ЛБС-1) с инертным наполнителем до 60% объема связующего. В качестве наполнителей выбраны гидрофобная инертная пыль, состоящая из карбоната кальция, и возгоны с ферросплавных печей, состоящие на 80% из кремнезема, являющегося отходами производства. Связующий состав ВНИИгидроугля отличается снижением расхода связующего вследствие введения в него инертных наполнителей, увеличением прочности затяжек, снижением водопоглощения и степени горючести.
ВНИИОМШСом (под руководством И.Г. Коскова) разработан рулонированный материал «Стеклопластик шахтного строительства» с улучшенными технологическими и санитарно-гигиеническими свойствами (устранение остаточной ворсистости), что достигается двойной пропиткой материала ТСЖ-0,7 или ВПР-10: первая пропитка — перхлорвиниловым лаком ХВ-784, вторая пропитка — дисперсией поливинилацетата ПВА с наполнителем.
ИГД им. А.А. Скочинского совместно с Украинским филиалом ВНИИСПВ проведены обширные исследования возможности использования в качестве пропитывающих составов связующих на основе водорастворимых латексов: ПВХ, СЛИН-40, ПНК-32/2, БСНК-219, БС-65М, ДВХБ-70, БСК-70/2, ВХВД-65А и некоторых других. Применением латексов преследовалась цель повышения водостойкости и огнестойкости материала, безопасности его применения, снижения стоимости.
По своим выходным физико-химическим характеристикам все указанные типы латексов удовлетворяют требованиям, предъявляемым к связующим материалам затяжек. В частности, измерения горючести, проведенные по методу кислородного индекса, показали, что показатель КИ лежит в пределах 70—100%. Основным, контрольным видом испытаний для сравнения отобранных латексов являлись прочностные испытания: разрыв образцов по основе и по утку в исходном состоянии и после двухчасового кипячения в дистиллированной воде.
Разработка гибких стеклопластиковых затяжек

В табл. 8.2 приведены результаты таких испытаний для латексов, показавших наилучшие результаты. Как видно из таблицы, наилучшие результаты дают пропитывающие составы на основе латексов ДВХБ-70 и ВХВД-65А.
Украинским филиалом ВНИИСПВ проведены исследования потери механической прочности во времени (старение) для материала ВПР-10, пропитанного латексом ВХВД-65А. Пропитанные образцы находились в подвальном помещении без освещения при t=-5/+20° С и колебаниях влажности от 65 до 95%. Падение прочности образцов за 4 года такой экспозиции составило в среднем 50—55% как по основе, так и по утку. Испытания показали, что при экспозиции в условиях отапливаемого помещения или открытой площадки падение прочности меньше.
В направлении создания экономичных, менее материалоемких армирующих материалов Украинским филиалом ВНИИСПВ проводятся работы по использованию для затяжек нитепрошивного сетчатого полотна со средними размерами ячеек 100— 200 мм2.