2278

К 75-ЛЕТИЮ ВЫСШЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

В1944 году на базе Пензенского индустриального института, эвакуированного из Одессы, был организован строительный факультет. В марте 1958 года Постановлением Совета министров СССР № 269 было принято решение об образовании в городе Пензе ин- женерно-строительного института на базе строительного факультета ПИИ. Приказом министра высшего образования СССР от 17 марта 1958 года № 292 была обозначена дата начала работы нового вуза страны.

Вшестидесятые годы XX века институт сумел создать основу материально-технической базы и условия для подготовки высококвалифицированных кадров

для строительной отрасли и развития научных исследований в регионе. Семидесятые годы – это период интенсивного роста вуза. Были открыты новые специальности – «Архитектура» и «Сельскохозяйственное строительство». В 1994 году вуз получил название «Пензенский государственный архитектурно-строительный институт». Дополнительно открыт ряд новых специальностей, начата подготовка выпускников для зарубежных стран. В ноябре 1996 года институт получил статус академии. Затем в марте 2003 года академия была преобразована в «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства». Университет включал четыре института и четыре факультета, где велась подготовка бакалавров по 13 направлениям, магистров по 10 направлениям и специалистов по 26 специальностям. На 30 кафедрах работало более 500 преподавателей, в числе которых 70 профессоров, докторов наук, и более 300 доцентов, кандидатов наук, открыто 19 направлений аспирантуры и три диссертационных совета по защите докторских и кандидатских диссертаций.

В двухтысячные годы вуз продолжал динамично развиваться, в 2003 году получил статус университета. Учебный процесс и научно-исследовательская работа осуществлялись по инновационным программам и проектам, многие из которых разработаны ведущими специалистами университета и нашли признание в других вузах региона и России. Ученые университета внесли значительный вклад в разработку стратегий и планов социально-экономического развития Пензенской области.

За последние годы университет стабильно входит в число лучших строительных вузов России, является одним из ведущих образовательных, научных, культурных и спортивных центров региона и страны. В университете многое делается для гармоничного развития студентов, воспитания из них достойных граждан России. Выпускники вуза являются особой гордостью университета. Они вносят достойный вклад в развитие экономики города, области и страны. Из стен вуза вышли многие известные люди, видные ученые и руководители, военачальники, строители, бизнесмены, общественные и политические деятели. Многие из них награждены орденами и медалями, отмечены ведомственными и государственными наградами, почетными званиями. Университет продолжает хранить лучшие традиции своей истории и уверенно смотрит в будущее.

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОДХОДОВ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОМЫШЛЕННОМ ДИЗАЙНЕ*

В.Т. Ерофеев, Т.Ф. Ельчищева, Е.М. Преображенская, М.В. Макарчук

Выполнен анализ подходов, способствующих улучшению прочностных характеристик прототипа, изготовленного по аддитивной технологии. Проведены синтез в низко-

* Публикуется при поддержке гранта РФФИ РМ № 18-48-130013 "Комплексное исследование физикохимических процессов в композиционных материалах на основе эпоксидных смол и других синтетических полимеров, перспективных для применения в строительстве".

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

температурной плазме наноструктурных материалов и модифицирование ими полилактида. Исследованы прочностные характеристики образцов из модифицированного полилактида и выявлено их повышение по сравнению с образцами без наноструктурных компонентов.

Ключевые слова: аддитивные технологии, модифицирование полимеров, наноструктурные добавки, промышленный дизайн, прочностные характеристики.

PROSPECTS OF APPLICATION NEW MATERIALS AND APPROACHES OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN INDUSTRIAL DESIGN

V.T. Erofeev, T.F. Elchishcheva, E.M. Preobrazhenskaya, M.V. Makarchuk

The analysis of approaches improving the strength characteristics of the prototype, manufactured by additive technology is clone. Synthesis of nanostructured materials in low-temperature plasma and their modification of polylactide is performed. The strength characteristics of the samples from modified polylactide are investigated and their increase is revealed in comparison with the samples without nanostructured components.

Keywords: additive technologies, industrial design, nanostructured additives, polymer modification, strength characteristics

Введение

Использование аддитивных технологий в промышленном дизайне получило широкое распространение. Аддитивные технологии обладают такими преимуществами, как быстрое изготовление прототипа, точность размеров, мобильность. Однако данные технологии обладают рядом недостатков и ограничений. Прототип должен иметь близкие к проектируемому изделию прочностные характеристики, и в то же время на него следует расходовать минимальное количество материала. Аддитивная технология позволяет получить прототип с ячеистой внутренней конструкцией, это существенно экономит сырье при прототипировании будущего продукта. При этом чем меньше степень заполнения ячеек при создании прототипа, тем более низкими прочностными характеристиками он будет обладать. Соответственно, такой прототип не выполнит требований по прочности, предъявляемых к проектируемому изделию. Следует найти баланс между минимально необходимым количеством используемого материала при прототипировании и требуемой прочностью прототипа.

Данную задачу можно решать в нескольких направлениях. Самое очевидное решение – это получить зависимость прочности прототипа от степени заполнения ячеистой конструкции, выраженной в процентах (%). Такая зависимость позволит для требуемой прочности прототипа выбрать процент заполнения ячеистой конструкции.

Другой путь решения задачи – это поиск формы ячеек с наибольшей прочностью. В качестве природного аналога рассмотрим бионические структуры (рис. 1) [1].

Рис. 1. Природные аналоги бионических структур:

а– поверхностные покровы жуков и бабочек; б – липидные бинарные слои;

в– блок-сополимеры [1]

Такие структуры обнаруживаются в мембранах хлоропластов растений и в кутикулярных образованиях на крыльях бабочек. Они сочетают в себе высокие прочностные характеристики и небольшую массу [1].

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

В качестве искусственного аналога таких структур предлагается ячеистая структура («гироид», с топологией трижды периодической поверхности минимальной энергии), состоящая из повторяющихся элементов с минимально возможной площадью (рис. 2) [2].

Такая структура была изготовлена по аддитивной технологии из полилактида методом FDM (Fused Deposition Modeling) – послойной заливки экструдируемым расплавом пластмасс. Проведены исследования физико-механических свойств образцов. Показано качественное улучшение прочностных характеристик структуры с использованием топологии ячеек типа «гироид». Авторами исследования было установлено, что разрушение при нагружении образца в разных направлениях относительно оси построения происходит, в зависимости от направления, хрупко или пластично [1]. Очевидно, что требуется дальнейшее изучение этого вопроса для описания рекомендаций по использованию топологии ячеек типа «гироид» в аддитивной технологии. Данное направление исследования является перспективным и позволит качественно повысить прочностные характеристики прототипа.

Рис. 2. Ячеистая структура с топологией «гироид» [2]

Не менее перспективным является направление по использованию в аддитивной технологии композитных материалов. Проведено большое количество исследований по введению в полимеры наноструктурных добавок, применение которых дает возможность получать композиты с полезными свойствами [3–11].

Для модификации полимеров наиболее перспективным является метод модификации под воздействием низкотемпературной плазмы [12–14].

В настоящей работе представлены результаты исследований прочностных свойств образцов из модифицированного полимера, изготовленных методом 3D-печати. В качестве модифицированного полимера использовался композит из полимера «полилактид» и наноструктурных материалов.

Материалы и методы исследования

Для модификации полимера применялись наноструктурные материалы, которые синтезировались методом низкотемпературной плазмы. В используемом методе низкотемпературная плазма образуется в месте электрического разряда между двумя графитовыми электродами. Процесс модификации полимера происходит в одном технологическом объеме одновременно с синтезом наноструктурных материалов при термическом разложении графита путем пропускания нитей полимера в непосредственной близости от зоны синтеза наноструктурных материалов. Метод позволяет решить в одном технологическом цикле несколько задач: непосредственно синтез и активацию углеродного наноструктурного материала, а также модифицирование полимеров, находящихся в твердом состоянии, синтезированными наноструктурными материалами.

Исследование полученных наноструктурных материалов проводилось с использованием методов дериватографии и электронной микроскопии [15, 16]. Для исследований применялись дериватограф Q1500 D и электронный микроскоп ЭМВ-100А.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

В качестве полимера использовался полилактид, полиэфир молочной (2-гид- роксипропионовой) кислоты CH3-CH(OH)-COOH.

Образцы для испытания на разрыв изготавливались по аддитивной технологии на 3D-принтере MakerBot Replicator Z18 с заливкой ячеистой структуры на 100 % по настройкам, рекомендованным производителем оборудования. Геометрические размеры образцов составляли: общая длина – 150 мм, расстояние между широкими частями с параллельными сторонами – 108 мм, длина узкой части с параллельными сторонами – 60 мм, радиус головки – 60 мм, ширина широкой части – 20 мм, ширина узкой части с параллельными сторонами – 10 мм, толщина – 4 мм [17].

Исследование предела прочности проводилось путем растяжения образцов из первичного и модифицированного полилактида на разрывной машине МР-0,5-1 по инструкции изготовителя.

Результаты исследования и их обсуждение

Синтезированный методом термического разложения графита углеродный наноструктурный материал подвергался дериватографическим исследованиям с целью идентификации вида наноструктурных образований и их процентного соотношения в общей массе материала. Проводились исследования навесок из синтезированного наноструктурного материала массой 230 мг. Распад образцов осуществлялся при постоянном увеличении температуры в открытом держателе проб – тигле. Испытания проводились с изменением скорости нагрева с шагом 10˚С в минуту до достижения предельного значения температуры 1000˚С, с последующим завершением исследований.

Как видно из графика зависимости массы образцов (m, мг) от температуры отжига (T, oC), распад углеродного материала начинался при температуре около 530˚С и завершался при температуре около 900˚С (рис. 3). Отслеживалась нелинейная зависимость уменьшения массы с ростом температуры, так как наблюдалось резкое падение массы образцов при температуре 630˚С и 846˚С. Скорее всего, это связано с наличием в синтезированном наноструктурном материале нановолокон с температурой распада 630˚С и нанотрубок с температурой распада 846˚С. Данное предположение в дальнейшем подтвердилось результатами электронно-оптических исследований. Между указанными точками на шкале температур падение массы образцов происходило близко к линейной зависимости.

m, мг

200

150

100

50

0

T, оС

Рис. 3. Дериватограмма отжига углеродного наноструктурного материала

Исследования полученных углеродных наноструктурных материалов с помощью электронного микроскопа дали возможность оценить размеры и морфологию нанообъектов. Было установлено, что в процессе синтеза углеродных наноматериалов в