Взаимодействие компонентов композитов на полимерной матрице

Матрицами КПМ могут быть любые материалы на основе органических полимеров. В качестве наполнителей и армирующих компонентов КПМ используют материалы в любой фазе и относящиеся ко всем типам рассмотренных ранее материалов.

Как структурно-единый материал, КПМ превосходит по показателям свойств средние и суммарные показатели этих же свойств отдельных компонентов, обнаруживая синтетический эффект. Для улучшения адгезии в КПМ широко используют промежуточные (аппретирующие) слои.

В большинстве промышленных технологий получение КПМ и переработка их в изделие совмещены. При формовании изделия можно средствами технологии «конструировать» структуру материала с целью придания ей оптимального соответствия конструкции изделия. Снижение стоимости изделий, достигаемое в результате этого, - одна из причин, обусловливающих конкурентоспособность КПМ среди машиностроительных материалов.

Технология КПМ включает много методов, заимствованных из технологии пластмасс, но их содержание и режимы специфичны. В технологическом процессе получения КПМ значительное место занимают операции совмещения полимерного связующего и других компонентов, приготовления полуфабрикатов, формования заготовок, основным содержанием которых является формирование структуры КПМ.

Номенклатура КПМ классифицируется по фазовому состоянию компонентов:

· компоненты в твердой фазе;

· компоненты в жидкой фазе;

· компоненты в газовой фазе.

Основными представителями системы КПМ являются следующие группы:

1. наполненные пластики;

2. армированные материалы;

3. смеси.

Эти названия приняты в практическом материаловедении.

Наполненные пластики

Наполненные пластики – название наиболее представительной по номенклатуре и объему потребления группы КПМ. Выбор наполнителя, его содержание и распределение в матрице зависят от задач, решаемых при создании КПМ. Номенклатуру наполненных пластиков образуют группы материалов конструкционного и специального назначения с дополнительными функциональными свойствами.

3.2.1. Порошковые пластики содержат наполнители в твердой фазе. В эту группу входят следующие материалы.

3.2.1.1. Конструкционные (общетехнические) пластики – КПМ с матрицей из конструкционных термопластов, содержащей твердые дисперсные наполнители преимущественно неметаллической природы. Они предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин: зубчатых колес, подшипников, уплотнительных колец, корпусов и т.п.

3.2.2. Металлонаполненные пластики – КПМ, содержащие в качестве наполнителя металлические порошки. Известны четыре группы технологических методов формирования таких материалов. Наименее энерго- и трудоемкая технология получения МНП состоит в смешивании металлических порошков и полимерных материалов в виде порошка, гранул, расплавов, растворов, полимеризующихся составов в смесителях различного типа.

Особенность технологических методов второй группы состоит в том, что на основе металла-наполнителя готовят суспензию (например, водную), смешивают ее с раствором полимера, а затем смесь коагулируют. В результате достигается высокая однородность структуры пластиков.

Третью группу образуют технологии, основанные на вибропомоле металла в жидкости на основе полимера или мономера. Они выгодно отличаются от методов второй группы использованием меньшего числа специальных компонентов (ПАВ, стабилизаторов суспензий и др.).

Четвертая группа методов предназначена для получения пластиков с наименьшим размером частиц металла (менее 0,4 мм) путем термического или электролитического разложения металлоорганических соединения (например, карбонилов – соединений металла с оксидом углерода). Последние предварительно диспергируют в мономерах, растворах, расплавах или суспензиях. Для придания анизотропии электро- и теплопроводности изделия из пластиков формируют в электромагнитном поле. В результате происходит ориентация частиц металла, которые образуют в полимерной матрице токопроводящие цепочки.

МНП имеют более высокие, чем исходные полимеры, характеристики прочности, термостойкости и теплопроводности.

Металлические порошковые наполнители придают пластикам, как конструкционным материалам, дополнительные функциональные свойства: железо и никель – ферромагнетизм; алюминий, медь и др. – низкую газо- и паропроницаемость; свинец, кадмий, вольфрам – свойство поглощать излучение высоких энергий и т.д.

Металлонаполненные пластики применяют вместо цветных и драгоценных металлов при изготовлении подшипников, уплотнителей, электрических контактов, в производстве магнитных лент, экранов для защиты от электромагнитных волн и ионизирующих излучений, нагревателей, устройств для отвода статического электричества, элементов радио- и электротехники, и т.д.

3.2.3. Графитопласты – КПМ, содержащие в качестве наполнителя природный и искусственный графит или карбонизированные продукты (кокс и т.п.).

3.2.4. Саженаполненные каучики применяют при производстве шинных протекторов. Они облдают высокими показателями износостойкости и выносливости при многократных деформациях.

3.2.5. Порошковые фено- и аминопласты имеют широкую номенклатуру, включающую материалы для литейных форм и стержней (наполнитель – кварцевый песок, 95-97%), для абразивных инструментов (при наполнении корундом, оксидами алюминия, алмазами), теплообменной и химической аппаратуры и др.

3.2.6. Антимикробные полимерные материалы содержат препараты, обладающие свойством подавлять жизнедеятельность микроорганизмов (бактерицидные) или ограничивать их развитие (бактериостатические).

3.2.7. Ионообменные смолы (синтетические органические иониты) – это нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты (полимеры, в состав которых входят группы, распадающиеся на ионы в растворе), при контактировании которых с растворами электролитов имеет место обмен подвижных ионов смолы на ионы электролита. Важнейшая область применения ионообменных смол – подготовка воды, в частности ее деминерализация.

3.2.8. Противокоррозионные пластики – КПМ, содержащие ингибиторы коррозии. В зависимости от назначения и условий эксплуатации используют материалы с матрицами, снабженными системой сообщающихся или закрытых пор.

Противокоррозионные пластики выполняют в машинах основную функцию конструкционного материала и обладают дополнительными функциональными свойствами, предохраняя от коррозии сопряженные металлические детали. Чехление деталей в ингибированную полиэтиленовую пленку обеспечивает их защиту от коррозии в течение 3-7 лет.

3.2.9. КПМ, содержащие компоненты в газовой фазе, - пенопласты, поропласты, пластики с полым наполнителем применяют для защиты машин, оборудования, установок и т.п. от нежелательного теплового обмена с окружающей средой (теплоизоляционные материалы), а также поглощения шумов внутри помещения или (и) защиты его от проникновения звука извне (акустические или звукопоглощающие материалы).

Армированные пластики

Армированные пластики – обширная группа КПМ, содержащих в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые, тканевые, сеточные и листовые материалы. Различают волокнистые армированные пластики с полимерной матрицей, упрочненной непрерывными или дискретными волокнами, и слоистые, элементы которых выполнены в виде слоев.

Для изготовления изделий из армированных пластиков применяют специальные технологические методы.

Методом намотки получают изделия с армирующим волокнистым наполнителем (волокно, нити, жгуты, ленты, ткани), которые укладывают на оправку (дорн), повторяющую форму изделия и являющуюся основной частью намоточного агрегата. При окружной намотке наполнитель укладывают на вращающуюся оправку по нормали к оси вращения. При спиральной намотке наполнитель располагают под углом 25-85^о к оси вращения.

Сферические изделия получают методом планарной намот ки наполнителя на шаровую оправку («клубок»). Для обеспечения равнопрочности изделия оправку вращают вокруг оси, проходящей через опоры, и поворачивают в плоскости меридиана.

Применение многокоординатных намоточных станков с ЧПУ позволяет автоматизировать процесс намотки и сделать его высокопроизводительным.

Метод контактного формования изделий из АП включает следующие операции: выкладку на форму слоев [препрега или] волокнистого наполнителя с одновременной пропиткой связующим; уплотнение прикаточным роликом или кистью, которой наносят связующее; отверждение (чаще всего холодное).

Структуру ортотропного пластика, имеющего три ортогональные плоскости симметрии физических свойств, формируют путем укладки волокон в трех взаимно перпендикулярных направлениях, либо используя специальные многослойные ткани объемного наполнения.

Разновидностью этого метода является метод штампования: изготовление полуфабриката в виде листа из КПМ на термопластичной или термореактивной матрице с заданным расположением наполнителя; нагрев листа до высокоэластичного состояния матрицы; формование изделия под давлением между пуансоном и матрицей с последующим охлаждением ниже температуры плавления или стеклования матрицы; снижение давления и извлечение из формы.

В ряде случаев листовые полуфабрикаты подпрессовывают с помощью герметичных эластичных оболочек, используя вакуумирование (метод вакуумного формования) или нагнетание сжатого воздуха (пневматическое формование).

Профильные изделия большой длины (трубы, стержни и т.п.) из КПМ, матрица которых армирована в одном или двух направлениях, изготовляют с помощью специальных методов контактного прессования. Метод протяжки состоит в том, что жгуты или нити наполнителя, сматываемые с бобин, пропускают через ванну со связующим, собирают в пучок и протягивают через формующую головку, в которой задается требуемая форма и происходит частичное отверждение связующего. Затем профиль пропускают через тепловую камеру для окончательного формования КПМ.

При профильном прессовании препрег продавливают через фильеру и одновременно нагревают для отверждения термореактивной матрицы КПМ.

Характерным примером «конструирования» структуры КПМ в процессе изготовления является технология производства обширной группы резиновых, резинометаллических и резинотканевых изделий, объединенных общим термином «резинотехнические изделия».

Примеры изделий: ремни клиновые, ремни зубчатые, напорные рукава.

По специфической технологии получают сотопласты – армированные пластики, макроструктура которых представляет собой закономерно чередующиеся ячейки определенной формы. Сотопласты служат легким заполнителем в многослойных панелях, обеспечивая жесткость панелей.

3.3.1. Виды армированных пластиков

Волокнистые пластики – (ВАП). В настоящее время промышленность выпускает высокопрочные волокна широкой номенклатуры – угольные, борные, оксидные, полимерные и другие. Номенклатуру волокнистых пластиков составляют следующие материалы.

3.3.2. Стеклопластики – материалы на полимерной матрице, армированные стеклянным волокном. В СП высокая прочность сочетается со сравнительно низкой плотностью и теплопроводностью, высокими электроизоляционными характеристиками, радиопрозрачностью. Их применяют в судостроении (корпуса судов), транспортном машиностроении (кузова автомобилей, цистерн), в авиации и ракетной технике (радиопрозрачные обтекатели, лопасти вертолетов), в химической промышленности (коррозионностойкое оборудование и трубопроводы), в строительстве (несущие и облицовочные элементы), в электро- и радиотехнике (изоляторы и др.).

3.3.3. Асбопластики – теплостойкие КПМ, матрица которых наполнена асбестовыми материалами. Они длительно сохраняют механические свойства при температурах до 400^оС. Из асбопластиков изготовляют лопатки ротационных насосов, коллекторы электрических машин, тормозные колодки, химическую аппаратуру, элементы тепловой защиты ракет и др.

3.3.4. Волокниты – прессматериалы, состоящие из рубленного волокна, пропитанного термореактивной синтетической смолой. Волокниты, содержащие хлопковое или химическое волокно, называют органоволокнитами, углеродное – карбоволокнитами, борное – бороволокнитами и т.п. Матрицы волокнитов изготовляют из фенолоформадегидной смолы, иногда из других смол. В этом случае к слову «волокнит» добавляют начальные слоги из названия смолы, например, мелаволокнит на основе меламино-формальдегидной смолы.

Из волокнитов изготовляют изделия с высоким сопротивлением ударным нагрузкам: корпуса и крышки, шестерни, втулки, строительные панели.

3.3.5. Углеродопласты (карбопласты, углепластики) – КПМ, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна. Это прочные, жесткие, термически и химически устойчивые материалы с высокими электро- и теплопроводностью, небольшой плотностью, низкими значениями коэффициентов линейного расширения и трения.

Из углеродопластиков делают детали ракет, самолетов, судов, спортинвентарь и др.

3.3.6. Боропластики (бороволокниты) – композиционные материалы на матрице из термопластичных или термореактивных полимеров, содержащие волокна бора в качестве упрочняющего наполнителя.

Боропластики отличаются очень высокой прочностью, жесткостью, термостойкостью. Из них изготовляют несущие детали (винты, рули, обшивка крыльев, лопатки вентиляторов) самолетов и энергетических машин, спортивный инвентарь.

3.3.7. Группа слоистых армированных пластиков включает некоторые из перечисленных материалов с наполнителями в виде ткани (стеклопластики, асбопластики, углеродопласты), а также:

текстолиты – материалы, состоящие из слоев ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Характеризуются высокой прочностью, мало зависящей от температуры. Различают текстолиты на основе хлопчатобумажной ткани, стеклотекстолиты (стеклоткань), асботекстолиты (асбестовая ткань), органолиты (ткань из синтетических волокон), карботекстолиты (угольная ткань).

Из текстолитов изготовляют крупногабаритные изделия сложной формы (например, из текстолита – корпуса судов), вкладыши подшипников, электротехнические изделия.

Асботекстолиты применяют для теплозащиты ракет и как фрикционный материал.

Дублированные пластики – слоистые материалы, состоящие из листов полиэтилена, полипропилена и других термопластов, соединенных с тканью, химически стойкой резиной и т.п. Подслой обеспечивает крепление листов с помощью клеев на стенах зданий, сооружений, на обшивке оборудования.

Гетинакс – слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой. Он отличается высокими механическими и электроизоляционными свойствами, поэтому его применяют в основном при изготовлении электротехнических изделий. Иногда гетинакс армируют металлической фольгой, облицовывают хлопчатобумажными и асбестовыми тканями. В качестве связующих при производстве гетинакса используют фенолоформальдегидные, эпоксидно-фенольные, меламиноформальдегидные и др. смолы.

Металлопласт – конструкционный материал, состоящий из металлического листа, покрытого с одной или двух сторон слоем полимера, например, полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида. Технология изготовления металлопласта включает наклеивание на металлические листы полимерной пленки, нанесение паст, напыление порошкообразного полимера и др. методы. Металлопласты можно длительно эксплуатировать в интервале температур от -40^оС до +60^оС, штамповать, сваривать электродуговой связкой без удаления покрытия. Их применяют для защиты от коррозии и декоративной отделки стен и крыш зданий, в производстве кузовов автомобилей, холодильников и др.

Древесно-слоистые пластики – материалы, получаемые горячим прессованием тонких листов древесины – шпона, пропитанного синтетическими термореактивными смолами. Шпон из лиственных пород древесины (береза, бук, липа) толщиной 0,3¸0,8 мм пропитывают водоэмульсионными или спирторастворимыми смолами в автоклавах. Иногда на шпон наносят смолу на вальцах. Затем его подсушивают, собирают в пакеты и прессуют на прессах с обогревом. Древесно-слоистые пластики применяют в качестве конструкционного и антифрикционного материала в авиа- и судостроении, в электротехнике и др.

Смеси

Смеси – группа КПМ, структура которых представляет собой переплетенные непрерывные фазы (взаимопроникающие сетки) материалов матрицы и наполнителей. Номенклатуру этой группы составляют следующие материалы.

Смеси полимеров – материалы композиционного состава, в которых роль матрицы и наполнителей выполняют разнородные полимеры. Совмещать компоненты можно в твердом и в жидкотекучем состоянии.

Модификация полимерных матриц полимерными наполнителями позволяет в широких пределах регулировать свойства материалов.

Например, при введении полиуретанового наполнителя в матрицу из полиамида существенно повышается пластичность последнего.

Высокой износостойкостью отличаются материалы на полиамидной матрице, содержащие полиэтилен и фторопласт.

Введение полиамидов в матрицы из термопластов позволяет увеличить термостойкость термопластичных композитов.

Полимерные смеси используются в качестве матриц наполненных и армированных КПМ.

Полимерные компаунды – композиции на основе мономеров и/или олигомеров, предназначенные для заливки или пропитки токопроводящих схем и деталей с целью их изоляции в электро- и радиоаппаратуре.

Органосиликатные материалы – композиционные материалы на матрице из органических полимеров, содержащих компоненты силикатной или органической природы. Это пластмассы, модифицированные жидким стеклом, полимерцементы и др.

Полимерцемент – материал на основе композиционного связующего, включающего органический полимер и неорганическое вяжущее вещество.

Древесные плиты - КПМ, формируемый из смеси древесных стружек или волокон с небольшим содержанием синтетического связующего.

Древесно-волокнистые плиты вырабатывают путем отлива на сетке волокнистой древесной массы, получаемой при механическом истирании древесины, с добавлением 4-8% синтетической смолы.