По структуре полимерных композитов

Ответы на контрольные вопросы.

1)Композиционными называют материалы, полученные из двух или более компонентов и состоящие из двух или более фаз. Один компонент (матрица) образует непрерывную фазу, другой является наполнителем. Композиционныематериалы являются гетерогенными системами и могут быть разделены на три основных класса:

1. Матричные системы, состоящие из непрерывной фазы (матрицы) и дисперсной фазы (дискретных частиц).

2. Композиции с волокнистыми наполнителями.

3. Композиции, имеющие взаимопроникающую структуру двух или более непрерывных фаз.

Преимущества гетерогенных полимерных композиций по сравнению с гомогенными полимерами:

1. повышенная жесткость, прочность, стабильность размеров.

2. повышенная работа разрушения и ударная прочность.

3. повышенная теплостойкость.

4. пониженная газо- и паропроницаемость.

5. регулируемые электрические свойства.

6. пониженная стоимость.

Нельзя достичь сочетания всех этих свойств в одной композиции. Кроме того, достижение преимуществ часто сопровождается появлением нежелательных свойств (затруднение течения, следовательно, формование, ухудшение некоторых физико – механических свойств).

Широкое варьирование свойств композиций может быть достигнуто только изменением морфологии и прочности сцепления между фазами.

Для равномерной передачи внешнего воздействия через матрицу и распределения его на все частицы наполнителя необходимо прочное сцепление на границе матрица – наполнитель, достигаемое за счет адсорбции или химического взаимодействия. Существование такого сцепления между несовмещающимися компонентами в гетерогенных пластиках отличает их от механических смесей.

Матрица может быть металлической, керамической, углеродной. Наполнитель представлен в виде частиц и волокон, обладающих существенно более высокими физико – механическими свойствами, чем матрица.

Частицы обычно называют дисперсным наполнителем, они имеют неопределенную, кубическую, шарообразную или чешуйчатую форму с размерами от долей мм до микронных и наноразмерных величин.

Инертный наполнитель практически не изменяет свойства композиции. Активный наполнитель существенно изменяет свойства композиции. Например, волокна имеют упругопрочностные характеристики которых на два порядка выше свойств матрицы. Они могут быть непрерывными и короткими. Диаметр тонких волокон 5-15 мкм, толстых (борных или карбидокремниевых) – 60-100 мкм. Длина коротких волокон от 1-2 до 20-50 мм.

Название композитов отвечает природе волокон: стекло-, угле-, органо-, борпластики и др. Для гибридных вариантов – стеклоуглепластики, органоборопластики и пр.

Ориентация волокон определяет переход от наполненных пластмасс к армированным пластикам. Это система ориентированных волокон, скрепленных полимерной матрицы. К пластикам относят материалы, непременным компонентом которых является какой – либо полимер, находящийся в период формования изделий в пластичном или вязкотекучем состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом. Пластики могут быть гомогенными или гетерогенными. Пластики делят на термопласты и реактопласты.

Классификация композитов:

1. По природе матрицы: термореактивная термопластичная. гибридная. Термореактивная матрица – матрица, полученная отверждением эпоксидных, эфирных, имидных, кремнийорганических и других олигомеров в процессе изготовления композитов.

Термопластичная матрица – матрица, которая расплавляется для пропитки наполнителя, а затем охлаждается. Это ПЭ, ПП, полиариленсульфоны, сульфиды, кетоны.

Гибридная матрица может сочетать термореактивные и термопластичныекомпоненты.

2. По природе и форме наполнителя. Органические и неорганические вещества природного или искусственного происхождения. Модуль упругости наполнителя может быть ниже или выше модуля упругости связующего. Низкомодульные наполнители, в качестве которых обычно используют эластомеры, не понижая теплостойкости и твердости полимера, придают материалу повышенную устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам, но повышают его коэффициент термического расширения и снижают деформационную устойчивость. Чем выше модуль упругости наполнителя и степень наполнения, тем больше деформационная устойчивость материала.

Дисперсно – наполненные композиты,

Материалы на основе коротких и непрерывных волокон.

Химическая природа частиц разнообразна: мел, слюда, оксиды металлов, стеклосферы, углерод в виде саж или фуллеренов, аэросил, чешуйки стекла или глины, каучукоподобные включения и др.

Армирующие волокна – стеклянные, органические, углеродные и др. Известны также высокотермостойкие борные и карбидокремниевые волокна, которые чаще используются для армирования металлов.

По структуре полимерных композитов

Матричная – для материалов на основе дисперсных и коротких волокнистых частичек, Слоистая (двухмерная) и объемная для армированных пластиков на основе тканых и нетканых материалов.

Градиентные материалы с переменной структурой .

4. По степени ориентации наполнителя, анизотропии материала: Композиты с хаотическим расположением частиц и волокон, с изотропной структурой, композиты с однонаправленной ориентацией волокон, с резко выраженной анизотропией,

композиты с перекрестной, ортотропной ориентацией (0, 90о ), с заданной анизотропией,

композиты с косоугольной ориентацией волокон под углами, отличающимися от 90,

композиты с веерной структурой, состоящей из слоев с различной ориентацией волокон.

5. По методам изготовления материалов и изделий:

одностадийные методы – экструзия и «мокрая» намотка, пултрузия (протяжка), вакуумное формование,

двухстадийные методы предварительного получения пропитанных связующим неориентированных (премиксы) или ориентированных (препреги) волокнистых материалов (полуфабрикатов) с последующим формованием материала (ламината) методами «сухой» намотки, прессования, автоклавного формования.

6. По количеству компонентов:

двухкомпонентные,

трехкомпонентные ПКМ, совмещающие дисперсные частицы и короткие волокна,

поливолоконные гибридные ПКМ, совмещающие волокна с близкой (стеклоорганопластики) или существенно различной (стеклоуглепластики) деформативностью,

полиматричные структуры, например, на основе сочетания термореактивных и термопластичных связующих.

7. По объему содержания наполнителя:

с неориентированной структурой – содержания наполнителя 30-40 % -,

с ориентированной структурой – 50-75%,

высоко- и предельно наполненные органоволокниты – 75-95 % -.

8. По функциональности:

однофункциональные (конструкционные),

многофункциональные, способные к самодиагностированию (умные), многофункциональные, способные к самодиагностированию и самоадаптации (интеллектуальные).

При конструировании композиционных пластиком имеются два этапа (см. таблицу):

1-расчетно – аналитический, 2 – экспериментально – технологический.

1 – включает в себя: анализ заданных условий нагружения и определение способа конструирования пластика с необходимыми свойствами. Используются представления и формулы, взятые из механики композиционных материалов:

а) феноменологичский подход базируется на применении уравнений теории упругости, ползучести и т.д. для анизотропных материалов, б) – установление зависимостей механических характеристик композиции от размеров частиц наполнителя, механических свойств компонентов, их объемного содержания и др. Эти зависимости анализируются на микроскопическом, макроскопическом и промежуточном уровнях. Микроуровень – уровень структурной неоднородности, соизмеримый с поперечным размеров элементов наполнителя δ – диаметром частиц наполнителя или толщиной армирующего слоя.

Таблица

Требуемые механические характеристики композиционного пластика

↓ ↓

Выбор компонентов и их соотношения в композиции

Выбор схемы армирования

↓ ↓

Геометрия элементов наполнения

Соотношение механических характеристик

Объемное соотношение

Взаимодействие в межфазной зоне

Однонаправленная

Ортотропная

Пространственная

Комбинированная

↓

Форма

Соотношение размеров

Выбор и назначение композиционных материаловво многом определяются условиями нагружения и температурой эксплуатации деталей или конструкций, технологическими возможностями. Наиболее доступны и освоены полимерные композиционные материалы. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает широкий выбор композиционные материалы для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле - и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорганической - до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соединений - до 1500-1700°С, на основе углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио - и электротехнических и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.

2) Достоинства композитов с полимерной матрицей следующие: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность, радиопрозрачность стеклопластиков и т.п. К достоинствам этих материалов следует отнести также и то, что при их изготовлении относительно легко при умеренных температуре и давлении удается соединить армирующие элементы с матрицей .

К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкие тепловая и радиационная стойкость, гигроскопичность, подверженность изменению физико-механических характеристик при старении и под действием климатических факторов.

3) Термопласты — полимерные материалы, способные обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние.

При обычной температуре термопласты находятся в твердом состоянии. При повышении температуры они переходят в высокоэластичное и далее — в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования их различными методами. Эти переходы обратимы и могут повторяться многократно, что позволяет, в частности, производить переработку бытовых и производственных отходов из термопластов в новые изделия.

Переработка термопластов в изделия не сопровождается необратимой химической реакцией. Пригодны к повторной обработке (формованию).

Взаимное расположение макромолекул одна относительно другой может быть различным и зависит отих разветвленности.

Вследствие многообразия структурообразующих факторов и появилось огромное число различных полимеров с разнообразнейшими свойствами , ахимики приобрели возможность "конструировать" материалы с заранее заданными свойствами .

Из всего многообразия свойств полимеров следует выделить два : их высокую химическую стойкость и неспособность вступать в электрохимические реакции, благодаря чему исключается возможность;- появления коррозии, характерной для металлов.

Между звеньями микромолекулярной цепи действуют валентные (химические) связи, определяющие разрывную прочность полимеров. Между макромолекулами действуют силы межмолекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовы силы), которые значительно слабее сил химического взаимодействия в самой цепи. Последнее обстоятельство предопределяет одно из важнейших свойств полимеров - способность к значительным деформациям без нарушения целостности материала. С повышением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, характер деформации меняется: из

обратимой она становится пластической. При последующем понижении температуры деформативность термопласта вновь приобретает обратимый характер.

Способность термопласта к значительным деформациям при нагревании без нарушения целостности используется при изготовлении изделий и полуфабрикатов способами экструзии (непрерывного выдавливания), литья под давлением, деформирования (формования) заготовки, а также способом сварки. Однако при повышении температуры свойства термопласта как конструкционного материала изменяются:

снижается его способность сопротивляться действующим внешним силовым нагрузкам.

Управление свойствами термопластов возможно изменением не только их молекулярной массы (в зависимости от степени полимеризации п), но и пространственного расположения групп мономерных звеньев в пределах каждой макромолекулы (это так называемый стери-ческий эффект). Одним из способов регулирования свойств термопластов является также сополимеризация , при которой происходит одновременная полимеризация мономерных групп двух или нескольких исходных веществ .

Характеристика основных полимерных материалов, применяемых для изготовления труб и соединительных деталей, приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Характеристика некоторых полимерных материалов, применяемых для производства труб и соединительных деталей

Показатели	Значение показателей для материала
Показатели	ПНД (ПВП)	ПНД (ПСП)	ПВД (ПНП)	ПВХ	ПП	ПБ	ПВДФ	ПА (пластифицированного)
Плотность, г/см³	0,94-0,96	0,93-0,94	0,91-0,93	1,4	0,91	0,92	1,78	1,1
Плотность, г/см³				1,4	0,91	0,92	1,78	1,1
Предел текучести при растяжении, МПа	20-30	15-18	10-12	50-56	25-28	17-19	57-60	35
Удлинение при разрыве, %	800	800	600	50	350	300	20	100
Модуль упругости, МПа	900	600	200	3000	1200	500	2000	800
Коэффициент линейного расширения, "С"! х 10"⁴	2	2	2	0,7	1,5	1,2	1,2	0,9
Расчетное допускаемое напряжение для труб, МПа	50-63	50	25-32	100-125	50-63	80	160	100

4) Реактопласты -пластмассы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров (смол), превращающихся в процессе отверждения при повышенной температуре и (или) в присутствии отвердителей в густосетчатые стеклообразные полимеры, необратимо теряющие способность переходить в вязкотекучее состояние.
По типу реакционноспособных олигомеров реактопласты подразделяют на фенопласты (на основе фенолоформальдегидных смол), аминопласты (на основе мочевино- и меламиноформальдных смол), эпоксипласты (на основе эпоксидных смол), эфиропласты (на основе олигомеров акриловых), имидопласты (на основе олигоимидов или смесей имидообразующих мономеров) и др.
Молекулярная масса олигомеров, тип и количество реакционноспособных групп в них, а также природа и количество отвердителя определяют свойства реактопластов на стадиях их получения, переработки в изделия (например, условия, механизм и скорость отверждения, объемные усадки и выделение летучих веществ), а также эксплуатационные свойства изделий. Для регулирования технологических свойств реактопластов наиболее широко используют разбавители, загустители и смазки, а для модификации свойств в отвержденном состоянии - пластификаторы и эластифицирующие добавки (например, жидкие каучуки, простые олигоэфиры), которые вводят в олигомер.

5)Резины - продукты вулканизации натурального или синтетических каучуков и представляют собой многокомпонентные смеси. Резиновая смесь изготавливается путем введения в каучуки минеральных или углеродных порошкообразных наполнителей (мел, тальк, технический углерод и т.п.), вулканизующих агентов (сера, сернистые и перекисные соединения), ускорителей вулканизации, мягчителей, красителей и других ингредиентов. Выбор типа каучука и ингредиентов, их количественное соотношение в смеси определяется функциональным назначением резины, а также экономическими соображениями.

Основные типы каучуков

Натуральный каучук (НК) - является естественным продуктом коагуляции частиц каучука, содержащихся в млечном соке, извлекаемого из стволов каучуковых деревьев. Молекулы НК состоят из большого количества изопентановых групп, содержащих двойные связи

[СН2 - С = СН -]n

СН3

НК является кристаллизующимся полимером, при нагреве выше 80-100°С становится пластичным и при 200° С начинает разлагаться.

Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью хорошими электроизоляционными свойствами и используются в производстве кабельных и других видов резин.

Изопреновый каучук (СКИ-3) по строению, химическим и физико-механическим свойствам близок к натуральному каучуку, но несколько ему уступает и поэтому для производства изоляционных резин не применяется. Для этой цели применяют разновидность диэлектрического каучука СКИ-3Д.

Бутадиеновый каучук (СКД) используется в производстве морозостойких резин (до -65°С), обладающих хорошим сопротивлением истиранию и высоки- ми эластическими свойствами.

Бутадиенстирольные каучуки (СКС-10, СКС-30, СКС-50) используются в производстве резин с хорошим сопротивлением старению, по газопроницаемости и диэлектрическим свойствам равноценны резинам на основе НК.

Бутилкаучук (БК) благодаря хорошим электроизолязионным свойствам и стойкости к действию кислорода и озона применяется для производства изоляционных резин высокой озоностойкости.

Этилен-пропиленовые каучуки подразделяются на двойной сополимер этилена с пропиленом (СКЭП) и тройной (СКЭПТ) с третьим мономером, имеющим двойные связи.

Высокие электрические характеристики, озоностойкость, короностойкость, повышенное сопротивление тепловому старению и хорошая морозостойкость позволяет применять их в производстве кабельных и других и видов резин.

Кремнийорганические каучуки содержат в основной цепи макромолекулы чередующиеся атомы кремния и кислорода и в связи с отсутствием двойных связей они стойки к действию кислорода и озона. Для получения резиновых смесей в них добавляют наполнители (белая сажа, двуокись титана) и вулканизующий агент - (пероксид бензоила). Резины обладают высокой нагревостойкостью, отличными диэлектрическими свойствами, но невысокой прочностью на раздир.

Хлоропреновый каучук (наирит) вследствие присутствия в макромолекулах атома хлора обладают пониженными электроизоляционными свойствами, но повышенной огнестойкостью, а также стойкостю к озону и кислороду.

Каучуки применяются в шланговых резинах, где требуется негорючесть и масло-, бензостойкость.

Бутадиеннитрильные каучуки (СКН-18,СКН-26,СКН-40). Основными свойствами резин на их основе являются стойкость к алифатическим углеводородам, бензину и нефтяным маслам, а также высокая нагревостойкость и малая газопроницаемость. Недостатками являются плохая морозостокость и невысокие электроизоляционные свойства. Применяются в производстве шланговых и полупроводящих резин.

Полисульфидный каучук (тиокол) обладает высокой устойчивостью к действию озона, кислорода, топлив, масел, а также высокой газонепроницаемостью (выше, чем у НК) и поэтому применяется в производстве герметизирующих композиций.

Фторсодержащие каучуки (СКФ-26, СКФ-32) устойчивы к тепловому старению, маслам, различным растворителям, негорючи и применяются в производстве теплостойких и радиационностойких резин.

Полиуретановые каучуки (СКУ) обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию, топливам, маслам и применяются в производстве масло- и бензостойких и других видов резин.

Резино-технические изделия - резиновые, резинометаллические и резинотканевые изделия, которые изготавляют по единой технологии: приготовление резиновой смеси, получение полуфабрикатов, изготовление или сборка заготовок, вулканизация изделий и их отделка.

По технологии изготовления РТИ делятся на конвейерные ленты и плоские приводные ремни, клиновые ремни, рукава, формовые и неформовые изделия.

На токопроводящие жилы резиновая смесь накладывается методом экструзии в виде трубки определенной толщины и затем вулканизируется, а различные конструкционные диэлектрические резино-технические изделия изготавливают методами литья и прессования под давлением.

Классификация резин

По назначению резины делятся на резины общего назначения, диэлектрические (кабельные), теплостойкие, масло- и бензостойкие, электропроводящие, морозостойкие, фрикционные, радиационностойкие, медицинского назначения и т.п.

Резины общего назначения получают на основе натурального, синтетических изопреновых бутадиеновых, бутадиенстирольных, хлоропреновых каучуков, бутилкаучука и их комбинаций. Основные области применения - производство шин, приводных ремней, лент, товаров народного потребления и т.п.

Теплостойкие резины, предназначенные для длительной эксплуатации при 150 - 2000 С получаются на основе этиленпропиленовых каучуков и бутилкаучука, а резины, эксплуатируемые при более высоких температурах изготавливаются из кремнийорганических каучуков, наполненных специально обработанной двуокисью кремния, а также из фторсодержащих каучуков.

Масло-бензостойкие резины получают из бутадиеннитрильных, уретановых, полисульфидных, хлоропреновых и других синтетических каучуков.

Морозостойкие резины получают на основе бутадиеновых, кремнийорганических и бутадиеннитрильных каучуков и предназначены для длительной эксплуатации при температурах ниже -500С.

Радиационностойкие резины получают на основе фторсодержащих, бутадиеннитрильных и бутадиенстирольных каучуков, наполненных окислами свинца или бария. Применяются для изготовления деталей рентгеновских аппаратов, защитной одежды для работы с радиоактивными изотопами и т.п.

Кабельные резины делятся на следующие классы: изоляционные, изоляционно-защитные и защитные.

Классификация наполнителей

В качестве наполнителей термо - и реактопластов чаще всего применяют твердые вещества, дисперсные (порошкообразные) или волокнистые в виде волокон, нитей, жгутов, холстов, нетканых материалов, тканей, бумаги, пленок, сеток, шпона. И композиционные материалы называют дисперсно-наполненными и волокноармированными.

В связи с эффектами, достигаемыми при введении наполнителей в полимерную матрицу, существует условное разделение наполнителей на активные, то есть усиливающие (в основном, улучшающие физико-механические свойства) и неактивные, при введении которых происходит изменение цвета материала, снижается его стоимость, но не наблюдается заметного улучшения свойств материала [2]. Условность этого разделения очевидна, поскольку активность наполнителей – недостаточно четкое определение, так как один и тот же наполнитель может быть активен по отношению к одному и не активен по отношению к другим полимерам.

По химической природе дисперсные наполнители подразделяют на:

-минеральные (неорганические)- мел, каолин, тальк, слюда, силикаты (асбест, вермикулит, пемза), порошки металлов или их сплавов и другие;

-органические – древесная мука, мука из скорлупы орехов, сажа (технический углерод), кокс, графит и другие.

К неорганическим волокнистым наполнителям относят стеклянные, борные, асбестовые волокна; волокна из кварца, базальта, керамики, молибдена и вольфрама.

К природным органическим волокнам относят: хлопок, лен, джут, рами.

Химическими волокнами являются: полиамидное, полиэфирное, полиакрилонитрильное, вискозное, полиолефиновое (из полиэтилена и полипропилена), полиимидное, углеродное, стеклянное.

В зависимости от текстильной структуры волокнистых армирующих систем композиционные материалы на их основе подразделяют на волокниты (холсты, маты), текстолиты (ткани), гетинаксы (бумага).

В зависимости от химической природы наполнителей композиционные материалы подразделяют на: стеклопластики, асбопластики (асбест), древесно-слоистые пластики (древесный шпон), органопласты (химические, кроме стеклянного или природные волокна), углепластики (углеродные волокна), боропласты (борные волокна).

По величине свободной поверхностной энергии наполнители бывают: с высокой энергией поверхности (металлы, оксиды металлов и другие неорганические наполнители); с низкой (полимерные волокна и дисперсные органические наполнители).

Величина поверхностной энергии является важной характеристикой, поскольку характер межфазного взаимодействия зависит от соотношения величин поверхности энергии матрицы и наполнителя.

Требования к наполнителям

Общими требованиями к наполнителям являются [4,7]: способность совмещаться с полимером или диспергировать в нем с образованием однородных композиций: хорошая смачиваемость расплавами или растворами полимеров или олигомеров; стабильность свойств при хранении, при переработке и эксплуатации.

Желательно также, чтобы наполнители были доступны, дешевы, нетоксичны, негорючи, не вызывали абразивного износа перерабатывающего оборудования.

Помимо общих требований, различный характер процессов, протекающих при получении изделий из термо - и реактопластов, обусловливает некоторые отличия в требованиях к наполнителям для этих полимеров.

Наполнители для реактопластов могут быть более грубодисперсными и менее однородными по размеру частиц, чем наполнители для термопластов; не должны ускорять или замедлять процессы отверждения. Желательно, чтобы наполнители содержали функциональные группы, способные участвовать в образовании химических связей со связующим.

Частицы наполнителей для термопластов должны иметь шероховатую поверхность, для обеспечения сцепления с поверхностью полимера, быть более дисперсными и менее полидисперсными.

Для пластифицированных матриц наполнители выбирают с меньшей пористостью, чтобы предотвратить поглощение пластификатора наполнителем.

7) Влияние дисперсного наполнителя на механическиеи прочие свойства полимера зависит в значительной степени от свойств самого наполнителя. Поэтому для целенаправленного и научно-обоснованного создания ПКМ с заданными свойствами путем наполнения необходимо знать характеристики наполнителей.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1024; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!