Полимерные и композиционные материалы в рудниках и шахтах

Начнём с определений. Полимеры (греч. πολύ- — много; μέρος — часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.

Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико (в ином случае соединение будет называться олигомером).

Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются.

Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Классификации полимеров будем вести по химическому составу: все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.

Неорганические полимеры. Они не содержат в повторяющемся звене связей C-C, но способны содержать органические радикалы как боковые заместители.

Следует отметить, что в технике полимеры часто используются как компоненты композиционных материалов, например, стеклопластиков. Возможны композиционные материалы, все компоненты которых — полимеры (с разным составом и свойствами).

Какие особенности привлекают в полимерах и способствуют их применению?

Особые механические свойства:
— эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
— малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
— способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:
— высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
— растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства: способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кожи т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

В то же время есть и сдерживающий фактор полимеров в условиях шахт и рудников — это их горючесть. Автор неоднократно сталкивался с ситуацией, когда шахтёры пробовали новые для них изделия из полимерных и композиционных материалов на огнестойкость, начиная от банальной зажигалки и заканчивая газовой горелкой.

Однако повысить огнестойкость полимерных материалов можно различными способами, что с успехом делается. Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении.

Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры. Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путём включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК ), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты.

Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов даёт изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня. Как было сказано выше, полимеры служат компонентами композиционных материалов, рассмотрим в общем виде, что представляют из себя композиционные материалы.

Композитный (композиционный) материал (КМ), композит — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними.

В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Композитные материалы, представляющие собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. КМ является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики и свойства создаваемого изделия зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:

• волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
• слоистые;
• наполненные пластики (армирующий компонент — частицы);
• насыпные (гомогенные);
• скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).

также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:

• композиты с полимерной матрицей;
• композиты с керамической матрицей;
• композиты с металлической матрицей;
• композиты оксид-оксид.

В то же время на сегодняшний день главенствующая роль среди матричного материала принадлежит полимерам. Объем выпуска полимерных композитов намного превосходит выпуск материалов с другими матрицами.

Конструкторов и инженеров КМ привлекают тем, что, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики, значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном изделии. тем самым достигая следующих характеристик:

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа);
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140-240 ГПа);
• высокая износостойкость;
• высокая усталостная прочность;
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции;
• легкость.

Вернёмся теперь к подземным шахтам и рудникам, рассмотрим, каким образом и где могут быть применены полимерные и композиционные материалы. Автор предлагает сделать маленькое допущение: для описания области применения данных материалов мы возьмём выработку угольной шахты\рудника, где допустим следующее:

1. высокий уровень культуры производства;
2. стабильный спрос на добываемый продукт;
3. шахта\рудник безопасны по пыли и газу.

Полимерные и композиционные материалы будем классифицировать следующим образом:

1. крепёжные и укрепляющие материалы;
2. материалы применяемы для транспортировки;
3. материалы для БВР;
4. жидкостные растворы на основе полимеров;
5. вспомогательные материалы.

1. Крепёжные и укрепляющие материалы.

В эту категорию можно отнести: анкера стеклопластиковые\базальто-пластиковые, ампулы полиэфирные\силикатные, опорные элементы из композитных материалов (шайбы, полосы\ленты), сетки стеклопластиковые\полимерные для кровли и бортов, различного типа смолы для упрочнения (полиуретановые, фенолформальдегидные), полимерные добавки и наполнители для набрызгбетона.

2. Материалы, применяемые для транспортировки.

В данную категорию отнесем материалы конвейерных лент, гибкие воздуховоды, трубопроводы из стеклопластика, рукава высокого давления, разного типа кабельную продукцию, в оплетке которой применяются полимерные или композиционные материалы.

3. Материалы для БВР.

Разного типа взрывчатые вещества, в особенности пластического типа, пластиковые элементы для забойки типа клин-фиксатора, гидразабойка, волноводы.

4. Жидкостные растворы на основе полимеров.

К этой категории мы отнесём смачиватели углепородной пыли, пенообразователи, реагенты, предотвращающие примерзание рудной\угольной массы в зимнее время к стенкам ж\д вагонов, антипирогенные составы, флотационные составы, реагенты для обогащения.

5. Вспомогательные материалы.

В данную группу отнесём материалы, которые не вошли в четыре предыдущие категории. ремонтные, клеевые, герметизирующие составы.

Крепёжные изделия для кабельной продукции типа кронштейн полимерный, удерживающие элементы «парашютики»\пластинчатые для ампул в шпурах, досылочные штанги, в конструкциях глубинных реперов всё более активно применяются композитные материалы.

Чему способствуют данные тенденции?

1. Снижение затрат на транспортировку изделий из полимерных и композитных материалов в особенности в те места, где доставка осуществляется в навигацию или по «зимнику».

2. Снижение затрат, вызванных коррозией металлических элементов крепи и вызванных с этим перемонтажем и доукрепления выработок.

3. Возможность освоения крупными горнодобывающими предприятиями производства изделий по месту.

4. Увеличение производительности при выполнении горных работ: например, клин-фиксатор способствует увеличению киШ от 5%; горнорабочий самостоятельно может принести пачку стеклопластиковых\базальто-пластиковых анкеров, кронштейнов полимерных, рулон полимерной\ стеклопластиковой сетки.

5. Полимерные и композиционные материалы допускают вводить в свой состав наноматериалы на основе углеродных нанотрубок, что позволяет получать материалы с достаточно фантастическими свойствами на текущий момент.

И вместо заключения размещу две новости.

Первая новость от 2012 г. В университете Вайоминга ученые изменили выводок личинок шелкопряда и в результате получили шёлк, который в весовом эквиваленте прочнее стали. Новый материал найдёт применение в медицине и военных задачах.

Вторая новость от 2016 г. Шелкопряды съели графен и сделали шёлковую нить, которая проводит электричество. Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) ввели в рацион шелкопряда в малых дозах графен и нанотрубки в результате этого электрическая проводимость лучшего образца шёлка с частицами графена составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр. такой шёлк можно использовать в электронике.
.
Автор не претендует на экспертное мнение. Рассуждения строятся на личном опыте и современных тенденциях в добычной отрасли.
Текст: Герасимов П.Е., коммерческий директор ООО «ВК-Торг» г. Кемерово.
Фото: sibarmatura.com e-mail: vk-torg@mail.ru