Полимерные композиционные материалы

Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Технологии конструкционных материалов и машиностроения

(наименование кафедры)

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Технология конструкционных материалов»

На тему: Полимерные композиционные материалы

Архангельск

2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Общие сведения

2. Использование наполнителей для создания полимерных композитов

3. Влияние пластификаторов на свойства полимеров

4. Полимерные смеси

5. Газонаполненные полимерные композиты

6. Создание полимерных материалов со специальными свойствами

6.1 Снижение горючести полимерных материалов

6.2 Регулирование фрикционных свойств полимерных материалов

6.3 Регулирование теплофизических свойств полимерных материалов

Заключение

Литература

1. Общие сведения

С целью создания материалов с заданными свойствами базовые полимеры смешивают с другими веществами. Как правило, современные полимерные материалы являются многокомпонентными системами, в которых наряду с полимерной основой присутствуют различные добавки. Содержание добавок в полимерной композиции может изменяться в очень широких пределах. В зависимости от поставленной задачи, вида добавки и природы полимера оно может составлять от долей процента до 95 %.

Введением добавок можно изменять физико-механические, теплофизические, оптические, электрические, фрикционные и другие эксплуатационные характеристики исходного (базового) полимера.

Добавки могут присутствовать в полимерной композиции в виде новой фазы или термодинамически совмещаться с полимерной основой, не изменяя ее фазовую структуру.

Материалы, состоящие из нескольких компонентов и имеющие гетерофазную структуру с поверхностью раздела фаз, называются композитами. Композиционные материалы, имеющие полимерную непрерывную фазу, являющуюся матрицей, и одну или несколько дисперсных фаз, называются полимерными композитами.

На базе одного полимера можно создать большое количество различных композитов. Их разнообразие определяется химической природой, размерами, формой и количеством дисперсной фазы, а также характером взаимодействия фаз на границе раздела. Дисперсная фаза в полимерном композиционном материале может быть твердой (в виде порошка или волокон), жидкой или газообразной.

Нетрудно представить, что и свойства различных композиционных материалов изменяются в зависимости от их состава и структуры в широких пределах, позволяя материаловедам конструировать материалы с учетом решаемых задач.

Наука о полимерных композитах основана на знаниях, полученных учеными в различных областях фундаментальных наук: химии, физики, механики полимеров, физики твердого тела, теоретической и прикладной механики и др. Сегодня возможно рассчитывать свойства полимерных композитов и изделий из них, конструировать и проектировать материалы и изделия с заданными свойствами.

Полимерные композиционные материалы являются одним из наиболее важных и широко используемых классов современных конструкционных материалов. Их потребление постоянно растет и составляет в развитых странах более 100 кг в год на каждого жителя.

2. Использование наполнителей для создания полимерных композитов

Твердые наполнители могут быть минеральными, органическими, керамическими и металлическими. По форме это могут быть мелкодисперсные порошки и волокнистые материалы. Полимерные композиты, наполненные длинными волокнами или волокнистыми текстильными материалами, называются армированными пластиками.

Наибольшее распространение получили мелкодисперсные наполнители минерального происхождения: тальк, мел, каолин, слюда, асбест, белая сажа, аэросил, оксиды металлов. Широко используется для создания композитов, особенно эластомерных, технический углерод (сажа).

Свойства некоторых дисперсных наполнителей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства дисперсных наполнителей

На рис. 1 показано, как изменяется износостойкость полиэтилена при увеличении размеров частиц наполнителя.

Дисперсные наполнители повышают вязкость и температуру переработки полимеров, снижают технологическую усадку, повышают размерную стабильность готовых изделий, увеличивают модуль упругости материала. Введением в композиты наполнителей можно повысить теплостойкость, снизить горючесть, изменить твердость и прочность, повлиять на другие свойства материала.

Рис. 1. Зависимость износа (I) композиций на основе полиэтилена от размера частиц наполнителя (порошка железа) при его объемном содержании: 1 - 5 %; 2 - 10 %; 3 - 20 %

На рис. 2 показано изменение модуля упругости при изгибе полипропилена от содержания в нем наполнителя.

Рис. 2. Влияние содержания талька (1) и мела (2) на модуль упругости при изгибе (Еизг) полипропилена

Из приведенных данных следует, что различные наполнители по-разному влияют на жесткость исходного полимера. При увеличении их содержания модуль упругости возрастает, что является следствием уменьшения гибкости макромолекул из-за возникающих связей между частицами наполнителя и макромолекулами полимера.

Содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его переработки, поскольку с его увеличением растет вязкость материала, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются. Обычно оно не превышает 50 % по массе. Из приведенных данных видно, что для полимеров существует предельное содержание наполнителя, превышение которого приводит к снижению прочностных свойств композита.

3. Влияние пластификаторов на свойства полимеров

Значительное влияние на структуру и свойства полимеров оказывают пластификаторы. Пластификаторами называются низкомолекулярные вещества, повышающие эластичность и пластичность полимеров. Пластификаторы оказывают значительное влияние на структуру и свойства полимеров. С их помощью можно направленно изменять морозостойкость и хрупкость, ударную вязкость и технологичность, тепло-, электрофизические и другие свойства полимеров.

Как правило, прочностные свойства полимеров с увеличением содержания пластификатора ухудшаются, что объясняется ослаблением взаимодействия между макромолекулами и увеличением их подвижности.

В качестве пластификаторов используют низкомолекулярные соединения с высокой температурой кипения. Наиболее часто применяют эфиры алифатических и ароматических карбоновых кислот, сложные полиэфиры, эфиры фосфорной кислоты, эпоксидированные соединения, синтетические и растительные масла и другие вещества.

Низкомолекулярные пластификаторы образуют с полимером в большинстве случаев термодинамически совместимые смеси. О совместимости можно судить по скорости и величине набухания полимера в данном пластификаторе. Пределы совместимости для большинства пар «полимер - пластификатор» хорошо изучены и имеются в справочной литературе. На рис. 3 приведена диаграмма фазового состояния смесей полимера с пластификатором.

В заштрихованной области диаграммы полимер и пластификатор термодинамически несовместимы. С увеличением температуры совместимость полимера и пластификатора растет, и выше какой-то критической для данной пары температуры Т_кр эти вещества при любом соотношении образуют термодинамически совместимые смеси.

Рис. 3 Общий вид фазовой диаграммы полимер

(П) - пластификатор (Пл)

В табл. 2 приведены пределы совместимости некоторых полимеров и пластификаторов, определенные при 20 °С.

Таблица 2

Пределы совместимости пластификаторов с полимерами

(масс. ч. на 100 масс. ч. полимера)

4. Полимерные смеси

Одним из важнейших способов создания полимерных композитов является смешение полимеров, когда удается получить композицию с необходимым сочетанием свойств, подобно тому, как создаются сплавы металлов.

При этом особенно важно, что правильный выбор полимеров для смешения позволяет получить материал со свойствами, которыми не обладает ни один из использованных компонентов.

Следует сказать, что термодинамически совместимых полимеров чрезвычайно мало. Одной из таких пар полимеров являются поливинилхлорид и нитрильный каучук марки СКН-40. Совместимы также поливинилхлорид и полиметилметакрилат, полибутадиеновый и бутадиен-стирольный каучуки.

Большинство полимеров, как сказано выше, термодинамически несовместимы, они образуют дисперсные смеси. Несмотря на это, их смешение позволяет получить макрооднородные композиции.

Многочисленными работами показано, что смешение несовместимых полимеров практически всегда приводит к значительному увеличению характеристик нового материала по сравнению с исходными полимерами. Большие возможности для улучшения эксплуатационных свойств полимерных материалов дает комбинирование пластмасс и каучуков. Так, смешивая поликарбонат, полибутадиентерефталат и каучук, получают композицию с повышенной ударной прочностью, морозостойкостью, устойчивостью к агрессивным средам и другими. Такую композицию используют в автомобилестроении для производства бамперов и других деталей.

Другим примером является производство ударопрочного полистирола путем добавления к хрупкому полистиролу до 15 % каучука, который, не совмещаясь с ним, образует дисперсную фазу и тем самым придает композиционному материалу новые свойства. Как видно из табл. 3, композиция из полистирола и 15 % по массе каучука обладает несколько меньшей прочностью, чем исходный полимер. Но в отличие от него обладает существенно более высокой ударной вязкостью и более низкой твердостью, что позволяет использовать ее для изготовления многих изделий и деталей, к которым предъявляются требования по ударной прочности и хрупкости.

Таблица 3

Влияние каучука на свойства полистирола

Ударопрочный полистирол широко используется в промышленности, в том числе для изготовления деталей внутренней облицовки бытовых холодильников.

Смешение несовместимых полимеров позволяет значительно увеличить динамическую выносливость материалов. Так, динамическая выносливость резин на основе смеси каучуков СКД и СКН-18 при соотношении 50:50 почти втрое выше, чем резин на основе индивидуальных каучуков. В отдельных случаях смешение позволяет увеличить динамическую выносливость материалов на несколько порядков по сравнению со значением этого показателя для использованных компонентов.

5. Газонаполненные полимерные композиты

Уникальные композиционные материалы создают путем диспергирования в полимерной матрице газообразной фазы. К таким материалам относятся газонаполненные пластмассы и резины.

Газонаполненные полимеры подразделяются на пенопласты, поропласты, интегральные и синтактные пены. Их структура показана на рис. 8.

Рис. 4. Типы структур газосодержащих полимеров:

а - закрытопористая; б - открытопористая; в - интегральная; г - синтактная пена

У пенопластов газовые ячейки не сообщаются между собой, т.е. материал имеет закрытопористую структуру (рис. 4,а). Поропласты имеют открытопористую структуру (рис. 4,б), их ячейки сообщаются между собой. Это деление достаточно условно, т.к. в реальных газонаполненных полимерах всегда присутствуют и сообщающиеся, и замкнутые ячейки.

У интегральных пен наружные слои материала являются монолитными, а внутренние имеют ячеистую структуру (рис. 4,в). Особое место занимают синтактные пены (рис. 4,г). Они имеют закрытопористую структуру, но ячейки созданы не путем вспенивания полимера выделяющимся в процессе формования изделия газом, а с помощью мелких полых шариков (стеклянных или полимерных), которые смешиваются с жидкой полимерной композицией, сохраняя свои форму и размеры.

Наряду с газонаполненными пластмассами изготавливаются и пористые резины, которые также могут иметь закрыто- и открытопористую структуру. Особенностью пористых резин является их способность к объемной деформации сжатия.

Пористые резины благодаря эластичной матрице и газообразному наполнителю могут под воздействием сжимающей нагрузки уменьшаться в объеме, а после ее снятия - восстанавливать форму. Аналогичными свойствами обладают и некоторые вспененные пластмассы: пенополиэтилен, пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.

Наличие у вспененных полимерных композитов газообразной фазы придает им высокие тепло-, звукоизоляционные свойства, способность к демпфированию, низкую плотность и другие характеристики, делающие эти материалы уникальными.

6. Создание полимерных материалов со специальными свойствами

Знание закономерностей влияния добавок позволяет создавать композиции с заданными свойствами, которых не имеет исходный полимер.

В этом разделе будут рассмотрены способы придания полимерным материалам специальных свойств.

6.1 Снижение горючести полимерных материалов

К теплофизическим свойствам относят тепло- и температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения. Теплофизические свойства полимеров имеют большое значение, т.к. от них зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

При создании конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических свойств. Так, теплопроводность полимеров может быть резко уменьшена путем создания ячеистой структуры полимера, т.е. создания газонаполненных материалов. Широко известны и применяются при создании теплоизоляционных материалов в машиностроении и строительстве пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана и других полимеров.

Увеличение теплопроводности полимеров достигается путем введения в композицию металлических наполнителей (порошкообразных или волокнистых), графита, углеродных тканей и других материалов с высокой тепло-, электропроводностью.

Заключение

Таким образом, современная наука о полимерах позволяет конструировать на их основе материалы с заданными свойствами, отличающимися на несколько порядков. Достигается это путем создания композиционных материалов с использованием различных ингредиентов.

Высокие прочностные свойства, долговечность, технологичность и широкий ассортимент позволяют выбрать материал практически для любых областей, удовлетворяющий современным техническим требованиям.

Современные достижения материаловедения, информационных технологий, наличие объемных баз данных позволяют автоматизировать проектирование полимерных композитов.

Дальнейшим развитием композитов является создание «интеллектуальных» полимерных композитов, т.е. материалов, адекватно реагирующих на воздействия извне. Такие материалы способны не только противостоять внешним воздействиям, но и исправлять возникшие повреждения.

Литература

1. Аскадский А.А. Компьютерное материаловедение полимеров / А.А. Аскадский, В.И. Кондращенко. - М.: Научный мир, 1999. - 544 с.

2. Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. - 384 с.

3. Берлин А.А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов. - М.: Химия, 1990. - 238 с.

4. Власов С.В. Основы технологии переработки пластмасс: учебник для вузов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. - Чебоксары: ГУП ИПК Чувашия, 2004. - 596 с.

5. Наполнители для полимерных композиционных материалов: справочное пособие / Пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1981. - 736 с.