Главная
Коллекция "Otherreferats"
Производство и технологии
Полимерные композиты на основе химических волокон, их основные виды, свойства и применение
Полимерные композиты на основе химических волокон, их основные виды, свойства и применение
Особенности набухания фотополимерных композитов с различным содержанием высокодисперсного кремнезёма. Методика определения цикла отливки на термопластавтомате деталей из термопластов. Виды полимерных матриц (связующих). Армирующие волокнистые наполнители.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.11.2011 |
| Размер файла | 533,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Глава 1. Некоторые особенности набухания фотополимерных композитов с различным содержанием высокодисперсного кремнезёма
Одним из требований, предъявляемых к фотоотверждаемым композициям в промышленности, является их устойчивость в различных жидких средах - воде и спирте (стоматология), щёлочи (производство датчиков), кислотах, нефтепродуктах (автопромышленность) и др. [1 - 3].
Направленное изменение свойств полимерных материалов возможно при наполнении их высокодисперсными неорганическими частицами. Характер взаимодействия полимер-наполнитель определяет характеристики полимерных цепей в синтезируемом материале (их структуру, жёсткость, плотность упаковки), а следовательно - его эксплуатационные характеристики.
Об изменении структуры полимера при наполнении можно судить по данным о набухании материалов в воде, растворах и растворителях. Целью данной работы было выявление особенностей набухания фотополимерных композитов с различной степенью наполнения в воде, спирте, кислой и щелочной средах.
В данной работе поставлена задача выявить характерные общие особенности процесса набухания фотополимерных композиций, и влияния на него наполнителя - высокодисперсного кремнезёма.
Экспериментальная часть. Использовали композиции на основе олигоэфиракрилатов ОКМ-2 и ТГМ-3 производства ФГУП НИИ Полимеров (Россия), и эпоксидной смолы производства "Уфахимпром" (Россия).
Композиции отверждали в присутствии фотоинициатора диметилкетальбензил (0,6 мас%) производства Ciba (Швейцария). В качестве наполнителя был использован аэросил А-300 (удельная поверхность 300 м2/г) производства Калушского завода (Украина). Олигомерную составляющую смешивали с рассчитанным количеством аэросила и оставляли на 10-20 суток для гомогенизации. После этого композиции распределяли по формам, представляющим прямоугольные углубления в инертном полимерном материале (тефлон). Отверждение олигомера осуществляли под УФ-лампой (ртутно-кварцевый облучатель ОРК-21) облучением на протяжении 10 мин. Отверждение эпоксидной мсмолы осуществляли холодным способом с добавлением 12,5 амс% ПЭПА, с последующей термообработкой при 120°С в течение 2-3 ч.
Набухание композитов исследовали в дистиллированной воде, этаноле, растворе HCl (0,1 н) и КОН (0,1 н). Отверждённые образцы (в виде пластинок 1x1x0,1 см) помещали в соответствующую жидкую среду и измеряли изменения массы в течение 2-3 месяцев при t = 20°C. По достижении равновесия образцы высушивали до постоянной массы для определения содержания золь-фракции. В результате были получены графики зависимости степени набухания q от времени t. Степень набухания рассчитывали по формуле
q (%) = ( (m - mo) /mo>100,
где m - масса образца в текущий момент времени, mo - начальная масса образца).
Содержание золь-фракции рассчитывали по формуле
Z = ( (mo - m') /mo) *100,
где m' - масса образца после его сушки при 100-150° в течение 2 часов.
Результаты и обсуждение. Как следует из рис.1 - 3, вид кривых набухания фотополимерных композиций отличен от классической зависимости кривой набухания, характерной, в частности, для линейных полиакрилатов [1, 6] или полученных нами (параллельно с акрилатными) эпоксидных полимеров (рис.1). Вне зависимости от типа композиции, степени наполнения, исследуемой среды, отмечается резкое уменьшение величины q в узком интервале времени 0 < t < to (рис.2, рис.3). Это может быть связано с проходящим в образце на начальной стадии выдержки процессом вымывания (экстракции). Под термином "вымывание" подразумевается уменьшение массы погружённого в жидкую среду образца, по сравнению с исходной. Данный эффект очевидно обусловлен растворитель низкомолекулярных продуктов полимеризации (золь-фракции), не включённых в полимерную сеть. Наличие их в растворе подтверждается результатами качественного анализа, проведенного известным перманганатным методом [7]. По прохождении времени to кривые набухания представляют собой почти линейные зависимости, и параметр q увеличивается с постоянной скоростью, характерной для каждой среды.
Рис.2. Кривые изменения массы (набухания) образцов на основе олигоэфиракрилата ОКМ-2 во времени при выдержке в воде (1) и соляной кислоте (2). Наполнение аэросилом А-300 составляет 0-20 мас%. Отдельными точками отмечены значения массы образцов после сушки.
Вместе с тем, возможны исключения из этой закономерности поведения фотополимерных композитов в жидких средах. Так, в щелочной среде набухания не происходит вовсе (см. рис.1), и изменение массы образца характеризуется лишь стадией вымывания.
Как следует из рис.2, рис.3, вода выступает достаточно активным растворителем для фотополимерных композитов. Так, степень вымывания в воде выше, чем в таком эффективном растворителе олигоакрилатов как спирт. В то же время, в кислом водном растворе образцы оказались наименее подвержены вымыванию, о чём можно судить по значениям q (to) и Z (Таб.1).
Из рис.3 можно видеть, что степень вымывания существенно зависит от типа исходного олигомера. Так, фотополимерные композиты на основе ТГМ-3 более подвержены воздействию растворителя (спирта), давая примерно вдвое более высокие значения степени вымывания q (to), и примерно втрое высшие показатели эффективной скорости набухания (см. рис.3, таб.1), чем аналогичные композиты на основе ОКМ-2. Также, для ТГМ-3 характерно более сильное влияние наполнителя на значение q (to) - с ростом наполнения до 10-20 мас% разрыв между показателями для наполненного и не наполненного композитов увеличивается в 2-3 раза, тогда как для ОКМ-2 - только в 1,5-2,5 раза (рис.3). Это может быть объяснено большей молекулярной массой ОКМ-2, - его молекула "тяжелей", чем у ТГМ-3, и поэтому инертней в диффузионных процессах.
Рис.3. Кривые изменения массы (набухания) образцов на основе ОКМ-2 и ТГМ-3 во времени при выдержке в этиловом спирте. Наполнение аэросилом А-300 составляет 0-20 мас%.
Невысокая степень набухания (рис.1-3) фотополимерного композита с учетом наложения на него проходящего параллельно процесса вымывания, указывает на высокую плотность сшивок, т.е. на жёсткий каркас полимерной сетки. При выдержке в воде стадия набухания количественно проявляется гораздо слабее, чем первоначальная стадия вымывания. Это может быть связано с низкой смачиваемостью
Водой сшитого полимера после удаления из него низкомолекулярных продуктов. В то же время при подкислении среды (0,1 н HCl) набухание превалирует над вымыванием (сравн. рис.2-1 и 2-2). Таким образом, в данном случае происходит более быстрое насыщение полимерной сетки растворителем при сокращении периода вымывания (0 < t < to) и снижении степени вымывания q (to). Меньшее значение q (to) для образцов в кислой среде, чем в воде, может указывать на стабилизационное влияние кислой среды в отношении структуры материала. Это видится возможным, если учесть, что согласно литературным данным [8] наполняющий композиции кремнезём характеризуется кислотными свойствами.
Процесс вымывания фотополимера на основе ОКМ-2 в спиртовой среде протекает менее интенсивно, чем в воде (рис.3). Вместе с тем, в спиртовой среде процесс набухания начинается гораздо быстрее (время to мало, рис.3-1), и характеризуется скоростью набухания, сравнимой со скоростью в водной среде (сравн. рис.2-1, рис.3-1). Это говорит о том, что молекулы спирта, как и воды, активно проникают в полимерную сетку и способствуют более быстрой диффузии вымываемой золь-фракции в растворитель.
Влияние наполнителя на процесс набухания. С увеличением степени наполнения, отмечается интенсификация процесса вымывания, что видно из рис.2 и рис.3. Корреляции между степенью наполнения и степенью вымывания (набухания) симбатны, но регулярно возникают исключения из этой обнаруженной закономерности. К примеру, при концентрации наполнителя 10 мас%, для всех исследованных жидких сред наблюдается заметное ослабление процессов вымывания (снижение содержания вымываемой золь-фракции). Также видно усиление вымывания при концентрации 5 мас%. Интересно, что данный эффект характерен не только для фотоплимеров, но и для классически набухающих полиэпоксидов (рис.4). Этот эффект хорошо виден для фотополимеров на основе ОКМ-2, и проявляется (хотя гораздо слабее) для фотополимеров на основе ТГМ-3 (рис.3-2).
Очевидно, это обусловлено различием в степени конверсии композитов; действительно, как видно из ИК-спектров, при различной степени наполнения изменяется интенсивность полосы 1632 см-1, ответственной за непрореагировавшие двойные связи мономеров и олигомеров.
Рис.4. Кривые набухания композитов ЭД-20 + 12,5 мас% ПЭПА + аэросил А-100 (0 - 20 мас%).
Следует отметить, что согласно нашим более ранним результатам [9], для аналогичных композиций (ОКМ-2 + 0,6 мас% ДКБ) с аэросилом А-175, максимальное значение предельной степени полимеризации наблюдалось именно при 10 мас% наполнении. Таким образом, можно предположить, что в нашем случае предельная степень полимеризации также достигает максимального значения при 10 мас% аэросила А-300, следствием чего является малое содержание вымываемых низкомолекулярных продуктов полимеризации при этой концентрации наполнителя.
Для исследуемых композиций заметно влияние наполнения на эффективную скорость процесса набухания во всех исследованных средах (кроме щелочной, где параметры набухания рассчитать не удаётся, см. рис.1). Однако, наложение процесса вымывания не позовляет выявить закономерности без предварительной стадии экстрагирования.
Следует отметить, что наполнение может влиять даже при малых добавках аэросила. Например, 1 мас% (см. рис.3-1) аэросила мало влияет на поведение композита из ТГМ-3 в спирте, но провоцирует усиление вымывания в композитах из ОКМ-2. Высокие же наполнения (20 мас% аэросила), как видно из рис.2, рис.3, существенно увеличивают долю вымываемой золь-фракции, независимо от растворителя и исходного олигоакрилата. Так, при 20 мас% наполнителя, при выдержке в воде степень вымывания q (to) и доля золь-фракции Z была почти втрое выше, чем при 0% наполнителя (рис.2-1, таб.1); в кислоте в этом случае данные показатели различаются более чем на порядок (рис.2-2, таб.1), а в спирте не менее чем в 3 раза (рис.3).
Глава 2. Методика определения цикла отливки на термопластавтомате деталей из термопластов
Цикл изготовления (литья) деталей из термопластов (полиэтилены, полипропилен, капрон и другие) является важнейшим параметром технологического процесса получения детали. Под циклом изготовления (литья) понимается период автоматической работы термопластавтомата (ТПА) с установленной на нем пресс-формой с начала момента закрытия ТПА (с начала движения подвижной плиты с матрицей пресс-формы) до момента окончания удаления полученной детали (отливки) из пресс-формы. Цикл изготовления определяет и производительность труда оператора машины и эффективность использования ТПА, и его энергопотребление, и, конечно, качество отлитой детали.
Определение временной величины цикла можно разделить на две различные части - теоретическую, т.е. расчетную, которую может применять квалифицированный технолог, и практическую для постоянного применения мастером участка, наладчиком ТПА и даже оператором.
Мой многолетний опыт работы (с 1962 г.) на машиностроительном заводе (от технологического контроля чертежей до обеспечения выпуска производственных партий деталей из пластмасс) позволяет надеяться, что изложение этой практики поможет работникам предприятий найти наиболее оптимальный режим литья деталей из термопластов на ТПА.
Теоретическое определение цикла производится по формуле:
0,4хСхК _2, - ф) Т =-хд х ln-- - сек;
X td - ф
где:
тц - время цикла изготовления детали в секундах, Ср - удельная теплоемкость полимера в кал/г. хград. - из соответствующей таблицы - [2], X - коэффициент теплопроводности полимера (10-4 кал/смхсекхград) из таблицы [2], К - удельный вес полимера (г/см3), 8 - половина самой толстой стенки детали (см), tp - температура переработки полимера (реологическая),°C, определяется в головке (сопловой части) и последней (по движению полимера) части инжекционного цилиндра, ф - температура пресс-формы (матрицы и пуансона),°C; д - температура (°C) на поверхности самой толстой части детали, позволяющая удалить отлитую деталь из гнезда пресс-формы (без деформации детали).
Например, для детали из полиэтилена высокой плотности марки 20808-024 ГОСТ 16338-85 при д = 50°C, Ср = 0,5 кал/градхг, X = 9х10-4 кал/см х сек х град., К = 0,95 г/см3 при 8 = 0,2 см и р = 150°C, ф = 25°C цикл составит 17 сек.
Сложность применения расчетов по этой формуле и в том, что указанные в ней температурные параметры в течение смены изменяются. Так, если в начале смены температура пресс-формы 18°-20°C, то к концу смены - в зависимости от температуры окружающей среды, эффективности охлаждения пресс-формы, температуры охлаждающей пресс-форму жидкости - может подняться до 30-35°C. Приведенная формула не учитывает изменение температурного параметра, иначе формулу пришлось бы усложнить, применяя методы интегрального исчисления.
Можно предложить другой метод определения цикла литья деталей из термопластов. Он основан на определении глубины вдавливания выталкивателя в поверхность детали при ее выталкивании из гнезда пресс-формы.
При этом должно быть выполнено условие: согласно ГОСТ 27358-87 "Пресс-формы для изготовления изделии из пластмасс. Общие тех. условия" п.1.5.5: "Торцы выталкивателей должны быть в одной плоскости с формообразующей поверхностью матрицы" (в исходном положении пресс-формы).
При выталкивании детали из матрицы торец выталкивателя в зависимости от степени отверждения поверхности выталкиваемой детали вдавливается в поверхность детали на большую или меньшую глубину, обеспечивая выброс ее из пресс-формы. Допустимая глубина следа выталкивателя должна быть указана в чертеже детали. Так ТУ 6-05-1699-77 "Детали из пластмасс общего назначения. ТУ" определяет этот размер в 0,5 мм. Чем глубже допускаемый чертежом след выталкивателя в детали, тем выше коэффициент использования ТПА, но тем хуже условия для удаления детали из пресс-формы, т.к. деталь может задерживаться на концах внедрившихся в деталь выталкивателей. При этих условиях точное определение цикла изготовления детали производится технологом или наладчиком в следующей последовательности. До начала процесса рассчитывается цикл вышеприведенным методом с учетом предварительно установленных параметров литья или исходя из имеющегося опыта. Примем в качестве примера рассчитанный выше цикл в 17 сек. Наладчик устанавливает на реле времени ТПА период цикла в 17 сек, и производится отливка 2-3 деталей. Если глубина вдавливания - глубина следа выталкивателя - более допустимого (больше 0,5мм в примере), период цикла нужно соответственно увеличить, т.е. увеличить степень отверждения детали - время ее охлаждения в пресс-форме. И, наоборот, при глубине следа меньше указанного в чертеже, нужно уменьшить период цикла, т.е. уменьшить время охлаждения. В этом случае - при передержке - неоправданно снижается эффективность использования ТПА, выше необходимой затрата электроэнергии (на ТПА устанавливаются мощные электродвигатели), снижается производительность труда оператора ТПА, - в общем повышается себестоимость детали.
Такой контроль - анализируя глубину следа выталкивателя - может без затруднений осуществлять мастер, наладчик несколько раз в течение смены на каждом ТПА с необходимой корректировкой периода цикла.
При таком оптимальном цикле литья при последующем охлаждении вне пресс-формы может происходить коробление отливаемой детали (изменение ее формы). Неопытный технолог решает эту задачу "просто": увеличивает период цикла во много раз до исчезновения коробления. Так, оптимальная температура переработки указанного выше полиэтилена марки 20808-024 р = 150°C (при температуре плавления 125-135°C), а температура формоустойчивости полиэтилена (т.е. температура, при которой деталь без внешней фиксации еще не теряет заданной формы) ф^ст = 65-70°C, то для получения детали без коробления ее нужно охладить на 80-85°C в пресс-форме, нагретой до 25-30°C. Конечно (в зависимости от толщины стенки детали и ее формы) цикл в 17 сек может оказаться недостаточным и его придется увеличить в 2-3 раза. В этом случае ТПА используется в большей степени в качестве заневовывателя, а не литьевой машины. При этом во столько же раз снижается эффективность использования ТПА, возрастают энергозатраты, падает производительность труда оператора. Кроме того, при наличии в детали внутренних отверстий, полостей, оформляемых знаками, вставками, резко возрастает усилие выталкивания детали из матрицы из-за усадки материала на эти элементы. Возрастает износ деталей пресс-формы, особенно выталкивающей системы, возможны и случаи застревания отливаемой детали в матрице с последующим удалением ее посторонними инструментами при выключенной машине.
Все это говорит о том, что удлинение цикла литья ТПА выше оптимального нельзя признать оправданным. Деталь нужно отливать при минимально возможном цикле (при заданной чертежом глубине следа выталкивателя), а вытолкнутую из пресс-формы отлитую деталь, у которой (вне пресс-формы) при оптимальном цикле возникает коробление (нарушение размеров), нужно фиксировать в заневоливающем устройстве. ТПА нужно использовать по прямому назначению - только как литьевую машину.
Заневоливающее устройство - это многопозиционное приспособление, фиксирующее заданную форму детали, вытолкнутую из матрицы. Конечно, деталь в заневовыватель помещается при ее температуре выше температуры формоустойчивости термопласта. Ниже этой температуры устранить уже возникшее коробление детали невозможно (без дополнительного нагрева). Каждая позиция заневовывателя должна иметь столько же гнезд, сколько гнезд в матрице. Оператор должен иметь возможность загрузить каждую позицию заневовывателя отливкой (т.е. полным количеством деталей, получаемым во время одного цикла) - без удаления литниковой системы - за время, не превышающее время цикла. После фиксации изделий к рабочему месту оператора подводится очередная позиция (на поворотном столе). Позиций в поворотном устройстве должно быть столько, сколько необходимо по времени для полного устранения коробления (обычно на время 3-5 циклов ТПА). Если не предусмотрено удаление литников в позиционном приспособлении, то литники удаляются после извлечения из него. Элементы гнезд в заневовывателе выполняются идентично формообразующим элементам матрицы и пуансона, но уменьшенными на величину усадки детали после охлаждения, из теплопроводящих материалов (из малоуглеродистой стали, силумина, латуни и других). В позиционном устройстве может быть предусмотрено дополнительное охлаждение воздушным обдувом (без попадания на оператора) или закрытой гидросистемой от терморегулировки ТПА.
Применение заневовывателя не снижает производительность труда оператора, т.к. фиксация отливки происходит в период цикла ТПА, а затраты на его изготовление сторицей окупаются экономией за счет увеличения коэффициента использования ТПА с повышением производительности труда оператора и соответствующим снижением затрат на электроэнергию.
Глава 3. Полимерные композиты на основе химических волокон, их основные виды, свойства и применение
Применение волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ), получаемых на основе армирующих химических волокон и полимерных матриц - конструкционных, электроизоляционных, хемостойких и других, - весьма широко. Они используются в машиностроении, особенно транспортном, включая авиастроение, приборостроении, в электро- и радиотехнике, электронике, строительстве, сельском хозяйстве, медицине, спорте, для изготовления изделий бытового назначения. Основу волокнистых композиционных материалов составляют армирующие волокнистые наполнители (АВН), объединенные в монолитный композиционный материал матрицей - вторым важным компонентом.
Все виды ПВКМ условно можно подразделить по различным признакам: по волокнистому составу АВН, по видам применяемых матриц, по назначению и др. Исторически ВПКМ производились на основе природных волокон (хлопка, древесных волокон) и асбеста с реактопластами в качестве матриц - это различного состава пресс-волокниты, гетинаксы, текстолиты и другие ставшие уже традиционными выпускные формы. Со временем к ним добавились ВПКМ на основе стекловолокон и несколько позже - на основе различных специально созданных армирующих химических волокон. В качестве матриц стали широко применяться также термопласты.
В настоящее время для армирования ВПКМ широко используются АВН из химических органических и неорганических волокон. Они входят в состав композита в виде коротких (резаных) волокон, нитей, лент, жгутов, тканей, нетканых материалов и войлоков и других волокнистых структур. В качестве матрицы применяются термопласты (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и др.) и реактопласты (фенопласты - фенолформальдегидные или фенольные; аминопласты- меламино- и мочевиноформальдегидные; эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные и др. полимерные связующие).
Волокнистые ПКМ имеют значительно меньшую плотность и более высокие удельные (на единицу массы) механические характеристики, менее теплоемки и теплопроводны, чем многие другие виды материалов. Большинство являются диэлектриками, обладают высокой эксплуатационной стойкостью при действии активных сред и других внешних воздействий.
ВПКМ на основе природных и стекловолокон достаточно полно отражены в литературе, в то время как композиты на основе химических волокон - в гораздо меньшей степени, особенно в отечественной литературе, издание которой за последние 20 лет почти прекратилось. Именно поэтому данная публикация ставит своей целью обобщение информации о современных видах ВПКМ на основе химических волокон и полимерных матриц.
Основные виды волокнистых ПКМ. Полимерные материалы конструкционного назначения по составу можно (несколько условно) подразделить на следующие основные группы: не наполненные пластики (в основном термопласты); дисперсно-наполненные пластики (композиты); волокнистые полимерные композиты (ВКПМ) (армированные пластики); гибридные композиты, армированные нитями и волокнами различного вида; комбинированные композиты, включающие в свой состав одновременно волокнистый и дисперсный наполнители (табл.1).
В качестве не наполненных пластиков используются в основном термопласты - полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и в очень редких случаях реактопласты.
В дисперсно-наполненных пластиках используются органические и неорганические наполнители с частицами размером значительно меньше критического, включая короткие волокна, матрицами служат термо- и реактопласты1. Близкими к дисперсно-наполненным также могут считаться волокнистые композиты, в которых волокна имеют механические свойства более низкие, чем у матрицы, и не являются армирующими компонентами. В ряде случаев это позволяет придавать материалу другие специфические функциональные свойства, например, антифрикционные.
В состав ВПКМ входят АВН из волокон с размером выше критического и, как указывалось выше, полимерные матрицы - термопласты или реактопласты. Волокна армирующего наполнителя воспринимают механические напряжения, определяя основные механические свойства ВПКМ: прочность, деформативность, жесткость. Матрица (связующее), находящаяся в межволоконном пространстве, служит для распределения механических напряжений между волокнами, тоже частично воспринимает эти механические напряжения, и, что очень важно, определяет монолитность материала.
Кроме того, в состав композитов могут входить компоненты, придающие им другие специфические свойства: пигменты, антипирены и др.
Взаимосвязь свойств исходных компонентов ВПКМ и их взаимовлияние. Свойства волокнистых композитов существенно зависят от свойств, состава и взаимного расположения компонентов, особенностей их взаимодействия на межфазной границе, а в некоторых случаях диффузии компонентов матрицы в волокна. Таким образом, между волокнами и матрицей должно выдерживаться определенное соотношение свойств, и их выбор не может быть произвольным.
Выбор основных компонентов ВПКМ определяется необходимыми функциональными требованиями, эксплуатационной надежностью композитов, совместимостью компонентов, технологичностью переработки, доступностью и стоимостью. Эти требования предусматривают прежде всего определенное соотношение между механическими и термическими свойствами армирующих волокон и матрицы: модуль упругости при растяжении и сдвиге волокон должен быть больше чем матрицы и/или связующего ЕB > EM; GB > GM; прочность волокон должна быть больше чем матрицы и/или связующего уВ* > уМ*; удлинение при разрыве волокон должно быть несколько меньше чем матрицы и/или связующего еВ* < еМ*; коэффициенты Пуассона для волокон и матрицы желательно иметь достаточно близкими, чтобы при деформации композита на границе волокно-матрица не возникало напряжений, отрывающих их друг от друга и тем самым снижающих адгезию; термические характеристики волокон (температуры плавления или разложения) должны быть выше температур переработки термопластов и отверждения реактопластов.
Механические свойства ВПКМ определяются как свойствами исходных компонентов (волокон и матрицы), так и расположением волокон, т.е. структурой волокнистого армирующего наполнителя (нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых материалов, трикотажа, бумаги и др.). Длина и расположение волокон должны соответствовать возможности оптимизации механических характеристик ВПКМ.
Взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую реализацию механических свойств волокон в армированном материале и его монолитность. Для этого необходимы: хорошая смачиваемость волокон матрицей и/или связующим; высокая адгезия между волокном и матрицей, характеризуемая сдвиговой прочностью на границе раздела волокно-матрица; высокая адгезия должна долговременно сохраняться в условиях эксплуатации композита при активных внешних воздействиях, в том числе влаги; сохранение или минимальное изменение свойств волокон под влиянием компонентов матрицы; релаксация внутренних напряжений в элементарном объеме волокно-матрица при термообработке или под влиянием компонентов связующего и других факторов.
Другие физические, физико-химические и специальные функциональные свойства ВПКМ также определяются свойствами компонентов и их взаимодействием на границе раздела.
Основные виды армирующих химических волокон
Для получения волокнистых ПКМ применяются различные виды органических химических армирующих волокон, нитей и волокнистых материалов на их основе: технические нити - полиэфирные (лавсан), поливинилспиртовые и др.; параарамидные высокопрочные и высокомодульные волокна и нити (армос, русар, тварон, кевлар); метаарамидные термостойкие волокна (фенилон, номекс, конекс) для некоторых видов термостойких ВПКМ; полиоксадиазольные волокна и нити (арселон) для некоторых видов термостойких и фрикционных ВПКМ; волокна общего назначения (полиамидные, полиэфирные, вискозные и др.); углеродные волокна, нити и углеволокнистые материалы различных типов - карбонизованные и графитированные.
Основные выпускные формы органических АВН: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, плетеные и вязаные структуры, холсты и нетканые материалы.
Для специальных видов композитов используются термостойкие ароматические волокна (метаарамидные, полиоксадиазольные и др.). В небольших количествах используются акриловые (нитрон), поливинилспиртовые (винол) и некоторые другие волокна.
Используемые для армирования углеродные волокна (УВ) изготовляют на основе трех видов волокон-прекурсоров: полиакрилонитрильных, вискозных и пековых (из нефтяных и каменноугольных пеков). Из-за высокой хрупкости УВ их текстильная переработка в АВН затруднена. Поэтому необходимые для армирования текстильные структуры изготовляются из волокон - прекурсоров и в таком виде уже подвергаются высокотеммпературной термической обработке и превращению в углеродные волокнистые материалы (УВМ).
УВ и УВМ являются термостойкими, трудногорючими и хемостойкими материалами. Они обладают электропроводностью, зависящей от условий их получения и введения легирующих добавок. Основные выпускные формы УВМ: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.
В состав неорганических армирующих волокон и волокнистых наполнителей входят помимо силикатных (стеклянных и базальтовых) несколько других видов, получаемых на основе некоторых элементов (например, B), их оксидов (SiO2, Al2O3), карбидов (SiC и др.), нитридов и др., а также игольчатые монокристаллы (нитевидные кристаллы или "усы"). Однако основным видом неорганических армирующих волокон являются стекловолокна и стеклонити, изготовляемые из различных видов стекол. Наиболее распространены следующие их типы: А - щелочное, С - хемостойкое, E - электроизоляционное, S - высокопрочное.
Выпускные формы стекловолокнистых материалов: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.
В качестве АВН используются также полые стекловолокна и полые микросферы, что позволяет снизить эффективную плотность, а значит, и массу изделия. По ряду свойств к стекловолокнам близки волокна на основе природного силиката - базальта, им присуща более высокая хемостойкость.
Использование неорганических волокон для получения высокопрочных или высокотермостойких ВПКМ обусловлено их высокой жаростойкостью и огнестойкостью. Они устойчивы ко многим агрессивным средам, негигроскопичны. В окислительной среде наиболее стойки оксидные и карбидные волокна. Карбидные волокна являются полупроводниками, их электропроводность возрастает с повышением температуры.
Основные виды полимерных матриц (связующих)
К ним относятся термопластичные матрицы (термопласты) и отверждающиеся (реактопласты), которые являются полимерными (или полимерообразующими) реакционными системами.
Выбор и соотношение исходных компонентов в процессах получения матриц на основе реактопластов зависит от вида и условий получения ВПКМ, способа их термической обработки, возможности сочетания с определенными наполнителями.
Как уже говорилось, в ВПКМ матрица (связующее) служит для передачи и перераспределения механических усилий между отдельными частицами дисперсной фазы, защиты наполнителя от внешних воздействий, создания монолитности материала. Все эти функции связующего зависят от его взаимодействия с наполнителем в процессе получения и эксплуатации композита - соотношения свойств компонентов, смачивания, адгезии, изменения свойств при взаимодействии компонентов.
Матрица (связующее) в виде расплавов, растворов, дисперсий (порошков, эмульсий, суспензий), волокон или пленок сочетается с армирующими волокнистыми наполнителями при получении армированных волокнистых полуфабрикатов (премиксов, препрегов, прессовочных, заливочных и других композиций) или в процессах формования заготовок и изделий методами смешения, пропитки, напыления, механического соединения. Важное значение при этом имеет равномерное распределение матрицы (связующего) между частицами наполнителя или армирующего компонента. Оно зависит от смачиваемости компонентов, вязкости связующего и его поверхностной энергии. На стадиях переработки полуфабрикатов вид, количество и распределение связующего определяют технологичность материала - формуемость, объемную усадку и другие характеристики.
Термопласты представляют собой линейные или разветвленные карбоцепные или гетероцепные полимеры, сополимеры и их смеси. При нагревании они обратимо переходят в размягченное или расплавленное состояние.
Наиболее распространены термопласты на основе карбоцепных полимеров - полиэтилена высокой и низкой плотности (ПЭВП, ПЭНП), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), полистирола, полиакрилатов и др. Они доступны, дешевы, но имеют невысокие термические характеристики. Особое место среди карбоцепных полимеров занимают фторопласты (фторполимеры и сополимеры), имеющие высокую температуру плавления, термостойкость, хемостойкость, негорючесть, антифрикционные свойства.
Широко используются термопластичные гетероцепные полимеры: полиамиды (ПА) и сополиамиды (поликапроамид - капрон и найлон 6, полигексаметиленадипамид - анид и найлон 66, полиамиды 68, 10, 610, 12, 612 и др.), а также сложные полиэфиры (полиэтилентерефталат) и линейные полиуретаны, которые обладают более высоким комплексом функциональных свойств, но сложнее в переработке и дороже. Большинство термопластов являются материалами с умеренными термическими характеристиками. В термопласты часто вводятся различные добавки: минеральные порошкообразные наполнители, короткорезаные волокна и др.
В состав термостойких термопластов входят различные ароматические полимеры: поликарбонаты, ароматические полиамиды (полиметафениленизофталамид), ароматические полиэфиры, полисульфоны, полифениленоксиды, ароматические поликетоны и некоторые другие. Они обладают высокой тепло - и термостойкостью, устойчивы к эксплуатационным воздействиям, однако сравнительно дороги и в ряде случаев трудно перерабатываются.
К реактопластам относятся материалы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров, отверждаемых при повышенной температуре и/или в присутствии специально добавляемых в композицию веществ - отвердителей. При этом вследствие протекания химических реакций образуется сетчатая структура.
По виду реакционноспособных компонентов реактопласты подразделяют на следующие группы: фенопласты (на основе фенолоформальдегидных смол; аминопласты (на основе меламино - и мочевиноформальдегидных смол); полиэфирные смолы (на основе ненасыщенных полиэфиров, отверждаемых путем сшивки стиролом, акриловыми мономерами, полиалкиленгликольмалеинатом и полиалкиленгликольфумаратом); эпоксидные (эпоксидиановые) смолы, отверждаемые многофункциональными спиртами, аминами, карбоновыми кислотами. Часто для эпоксидных смол горячего отверждения используется триэтаноламинтитанат (ТЭАТ), а для смол холодного отверждения - полиэтиленполиамин (ПЭПА).
Наряду с указанными видами базовых связующих смол часто используются модифицированные их виды, в частности, эпоксифенольные. Процессы получения и переработки этих связующих весьма различны.
Все виды матриц (связующих) имеют свои особенности применения. Фенольные и близкие к ним смолы постепенно выделяют вредные компоненты, особенно при повышенных температурах, поэтому, как правило, их не рекомендуется использовать для изделий бытового назначения. Для таких изделий целесообразнее использовать меламиновые смолы, поскольку они не образуют заметных количеств вредных выделений. Полиэфирные смолы также малотоксичны в отвержденном состоянии, но обладают наиболее низкими механическими и термическими свойствами.
Наибольшая прочность и высокая адгезия к армирующим волокнам среди реактопластов присуща эпоксидным смолам, поэтому их предпочтительно использовать для изготовления более нагруженных изделий. Они также достаточно термостойки. При модификации этих смол фенольными связующими их показатели заметно улучшаются. Однако эпоксидные смолы относятся к весьма дорогим среди указанных реактопластов. Кроме того, они могут выделять в небольших количествах токсичные вещества.
При получении композитов со специальными свойствами применяются особые виды матриц (связующих), в том числе с высокой температурой размягчения и высокой термостойкостью, являющиеся высококачественными диэлектриками: термопласты (фторполимеры, ароматические метаполиамиды, например фенилон и номекс, поликарбонаты, полифениленоксид, полисульфоны, ароматичекие поликетоны), реактопласты (например, полиимиды).
В качесте матрицы с высокими электроизоляционными свойствами и высокочастотного диэлектрика применяется также ПЭВП, однако его термические характеристики невысоки.
Армирующие волокнистые наполнители (АВН)
Для конструкционных композитов общего назначения широко используются АВН на основе волокон с умеренными характеристиками механических свойств (стеклянных и других наиболее доступных и относительно дешевых волокон). Композиты со специфическими физическими и другими свойствами получают, используя АВН на основе соответствующих видов волокон и волокнистых структур.
Композиты с высоким уровнем механических свойств получают с использованием АВН на основе высокопрочных, а также сверхпрочных и высокомодульных волокон и нитей: параарамидных, стеклянных, углеродных, оксидных, карбидных, борных и др.
Получение термостойких композитов требует использования АВН на основе высокотермостойких ароматических, углеродных, специальных стеклянных, а также других неорганических волокон и нитей.
Для электроизоляционных конструкционных композитов используются АВН на основе полиэфирных волокон и специальных видов стеклонитей с высокими электроизолирующими свойствами (особенно для высокочастотных диэлектриков).
Видом волокнистого наполнителя во многом определяются заданные физические характеристики, а также устойчивость к эксплуатационным воздействиям (температуры, окружающей среды и др.). В ряде случаев выбор АВН может диктоваться экономическими причинами - их стоимостью как сырья.
Направление использования композитов требует соответствующего выбора полимерных матриц (связующих), обеспечивающих высокую степень реализации функциональных свойств армирующих волокон и АВН в готовом композиционном материале и изделии.
Перечислим наиболее важные виды композиционных материалов в зависимости от волокнистого состава АВН: органопластики (содержащие различные органические волокна или нити); арамидопластики, армированные арамидными волокнами или нитями; стеклопластики (со стеклянными волокнами или нитями); углепластики (содержащие углеродные волокна или нити); боропластики и др.
Степень армирования и расположение волокон в АВН и ВПКМ. Как уже указывалось, свойства ВПКМ определяются не только характеристиками исходных компонентов, но также размером частиц наполнителя или армирующего компонента, их взаимным расположением и объемным содержанием.
Принципиальное отличие волокнистых ПКМ от текстильного материала то, что основным армирующим элементом в них является каждое отдельное волокно, окруженное матрицей и/или связующим, независимо от вида армирующего волокнистого наполнителя.
Структура применяемого АВН важна, как средство достижения заданного расположения и ориентации волокон по отношению к направлению действующих усилий в композите или композитном изделии.
Основные варианты расположения волокон в АВН и соответственно в получаемых на их основе композитах приведены на рисунке.
Исходя из изложенного, желательно добиваться более плотной упаковки волокнистого наполнителя. Предельную степень наполнения, или армирования ч можно рассчитать, исходя из плотной геометрической укладки шаров или цилиндров. Ниже приведены ее значения: для плотной укладки шаров ч = 0, 524; для плотной укладки цилиндров по треугольнику (гексагональная упаковка) ч = 0,907; при укладке цилиндров по квадрату ч = 0,785; при перекрестной слоевой укладке цилиндров ч = 0,785; при плотной трехмерной укладке цилиндров ч = 0,59.
Однако самая теоретически плотная укладка волокон невозможна и даже вредна, так как необходимо, чтобы каждое волокно было окружено слоем матрицы (связующего) для обеспечения наиболее высокой адгезии волокон, передачи механических усилий между армирующими волокнами и достижения максимальной монолитности композита и изделия.
На практике применяются следующие объемные степени армирования при получении композитов и изделий с оптимальными механическими характеристиками: при армировании дисперсными наполнителями ч ? 0,3.0.45; при армировании однонаправленными АВН ч ? 0,6.0,75; при армировании тканями и плетеными полотнами ч = 0,45 ? 0,55; при армировании неткаными материалами ч ? 0,3.0,4; при армировании бумагами и картонами ч ? 0,35.0,5;
Так, например, при заполнении межволоконного пространства однонаправленных ВПКМ выше критического значения (0,65.0,75) нарушается монолитность композита, что приводит к появлению в нем неравномерности напряжений, а поэтому к разрушению при меньших механических напряжениях, чем для монолитных образцов.
Существуют методы повышения объемной степени армирования. Один из них - применение смеси наполнителей с частицами различного размера, более плотно заполняющими объем. В случае однонаправленных АВН - это армирование нитями, жгутами или лентами с элементарными нитями различных поперечных размеров (диаметров). Для органических нитей предложено их профилирование путем вальцевания или протяжки через специальные волоки и/или фильеры при нагревании, вследствие чего их профиль приближается к многограннику (близкому к правильному шестиграннику), заметно увеличивая долю волокон в композите.
Анизотропия расположения и длина волокон в АВН и ВПКМ. Выше уже говорилось, что расположение волокон в ВПКМ связано с направлением действия нагрузок, причем оно задается как исходной структурой волокнистого наполнителя, так и условиями получения композита с целью наиболее полной реализации механических свойств волокон в готовом материале или изделии. Поскольку в армированных пластиках (волокнистых композитах) фактически "работают" отдельные волокна, находящиеся в матрице, то для армирования используются самые различные виды и структуры АВН.
Таким образом, армированные волокнами и волокнистыми структурами ПКМ с требуемым запасом механических характеристик обычно анизотропны, что зависит от расположения армирующего компонента и анизотропии самих волокон. Наибольшей анизотропией обладают 1-D (однонаправленные) и 2-D (двунаправленные) АВН и композиты на их основе, перекрестно-армированные или намотанные однонаправленными волокнистыми структурами: нитями, жгутами, лентами, тканями. Слоистые композиты на основе нетканых материалов, волокниcтых слоев (холстов), бумаг обычно мало анизотропны в плоскости армирования, но существенно анизотропны по отношению к нормальному к слоям направлению.3-D АВН и композиты. Хаотически армированные в трех направлениях композиты обычно достаточно изотропны.
Некоторые армирующие волокна, например параарамидные, сами имеют высокую анизотропию механических и физических свойств, что определяет низкую прочность на сжатие и сдвиг однонаправленных и двунаправленных ВПКМ на их основе, а также двунаправленных композитов, например текстолитов. Для повышения этих свойств используют гибридные армирующие волокнистые наполнители, состоящие из различных видов волокон или нитей. В качестве второго компонента обычно используют мало анизотропные углеродные волокна (нити) или практически изотропные стекловолокна. В межволоконное пространство ПКМ могут вводиться также короткие волокна или нитевидные кристаллы, повышающие "поперечные" механические свойства.
Влияние длины волокон на свойства композитов существенно только до длины, составляющей несколько критических размеров. В готовых композитах критическая длина волокон, составляющая доли миллиметра, определяется значительными по величине силами адгезии между волокнами и матрицей. Таким образом, достижение необходимых механических свойств композитов при длине волокон в несколько миллиметров преимущественно зависит от их механических свойств и расположения в материале и уже относительно мало зависит от длины волокон.
В отличие от ВПКМ в текстильных материалах, образованных нитями (тканях, вязаных, плетеных и др.) основным структурным элементом является нить в целом, но не отдельное волокно. И именно она воспринимает прилагаемые к материалу механические усилия. Распределение этих усилий в текстиле происходит благодаря действию сил трения между волокнами и нитями, что приводит к большим критическим длинам. Так, критические длины волокон и нитей в текстиле составляют несколько миллиметров и более, а в ВПКМ они составляют только десятые доли миллиметра и менее.
При нагружении композитов расположение волокон изменяется незначительно, хотя они деформируются вместе с матрицей вплоть до разрушения композита. Следует отметить, что в отличие от композитов в текстильных материалах вследствие лабильности их структуры волокна и нити существенно изменяют свое расположение, ориентируясь в направлении действия максимальных нагрузок. В технологии получения композитов и изделий из них длина волокон в АВН в несколько раз превышает критическую, что важно для обеспечения "податливости" волокнистой структуры без ее разрыва и в результате - нужного расположения волокон. Это играет важную роль при использовании АВН в сложных по форме ПКМ и изделиях, поскольку при их получении изменение раскладки АВН позволяет переориентировать нити заданным образом.
Таким образом, используя различные виды АВН и технологические приемы, можно оптимизировать расположение армирующих волокон в готовом композите или изделии и добиться наиболее рационального варианта, при котором большая часть волокон расположена в направлении главных действующих механических напряжений в условиях эксплуатации.
Основные виды армирующих волокнистых наполнителей
Свойства волокнистых ПКМ, особенно механические, как отмечено выше, определяются, прежде всего, видом, свойствами, размерами и расположением армирующих волокон, т.е. строением АВН. Кратко рассмотрим основные виды армирующих волокнистых наполнителей - волокнистых структур.
Для изготовления высокопрочных жестких однонаправленных композитов применяются нити, жгутики (ровинги), жгуты и ленты, являющиеся однонаправленными АВН. Они также используются для получения слоистых пластиков путем выкладки слоев во взаимно перпендикулярных направлениях и под различными углами. Послойное расположение наполнителя особенно важно в случае прессования композитов на основе хрупких нитей, при котором наличие перегибов в текстильных структурах приводит к снижению степени реализации механических свойств волокон (нитей) или их разрушению при прессовании.
В случае использования углеродных АВН применяются тканые ленты, где армирующие нити являются основой, а редко расположенный уток служит в основном для фиксации нитей и сохранения структуры лент при получении композитов или изделий.
Высокомодульные нити, жгуты и ленты, предназначенные для изготовления особо прочных однонаправленных и намотанных изделий, должны уже в технологии их получения наматываться на патроны большого диаметра во избежание появления наведенной разнодлинности между отдельными элементарными или комплексными нитями. Например, для параарамидных и углеродных нитей линейной плотностью 100 текс и более наружный диаметр патрона желательно иметь не менее 80.100 мм.
Наиболее распространенными текстильными материалами, используемыми для получения слоистых пластиков типа текстолитов в виде листовых, намотанных и формованных изделий, являются ткани. Они применяются и для изготовления прессованных изделий с умеренным радиусом кривизны.
Для получения текстолитов применяют ткани полотняного, саржевого, сатинового и других простых переплетений, причем наличие в раппорте длинных перекрытий способствует получению композитов с более высоким уровнем механических свойств. Для изготовления текстолитов используются ткани различной поверхностной плотности - легкие (до 150 г/м2), средние (до 300 г/м2) и тяжелые (более 300 г/м2).
Для производства текстолитов все большее применение находят плоские плетеные текстильные структуры с заданным углом расположения наполнителей и раппортом переплетений, обеспечивающим максимально высокие механические характеристики в направлении действия внешних нагрузок. Раппорт с достаточно длинными перекрытиями нитей обеспечивает достижение большей прочности и жесткости структуры в заданном направлении. Использование же плетеных лент и шнуров диктуется особенностями профиля и механических свойств композиционных деталей и изделий. В большинстве случаев плетеные структуры изготовляют на основе оптимизационных расчетов по целевым заказам.
Сравнительно недавно в качестве АВН стали использовать трикотажные (вязаные) полотна и другие структуры. Возможности создания структур с заданным расположением нитей, необходимым для наиболее ответственных видов деталей и изделий, несущих высокие нагрузки, имеет определенные преимущества. Трикотажные полотна вследствие высокой податливости позволяют получать детали и изделия с малыми радиусами кривизны. Для достижения более высокого уровня свойств в направлении расположения слоев применяются переплетения с длинными прямыми участками петель. Трикотажные полотна имеют важные преимущества при изготовлении деталей и изделий с расположением наполнителя в виде вязаных объемных форм с различной плотностью вязания и заданной толщиной материала. Благодаря поперечному расположению нитей они обеспечивают получение материалов большой толщины, что необходимо для выработки малоанизотропных композиционных изделий с заданной анизотропией механических характеристик.
Подобные документы
Этапы производства химических волокон. Графит и неграфитированные виды углерода. Высокопрочные, термостойкие и негорючие волокна и нити (фенилон, внивлон, оксалон, армид, углеродные и графические): состав, строение, получение, свойства и применение.
контрольная работа [676,2 K], добавлен 06.07.2015Пластмассы и их структурные свойства. Полимерные добавки: стабилизаторы, пластификаторы, наполнители и красители. Рассмотрение молекулярной структуры полимеров. Основные виды и особенности контактной сварки пластмасс оплавлением и проплавлением.
реферат [1003,1 K], добавлен 04.10.2014Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов и на основе монтмориллонита. Анализ методов синтеза полимерных нанокомпозитов. Перспективы производства полимерных нанокомпозитов. Свойства нанокомпозитов кремния. Структура слоистого силиката.
курсовая работа [847,7 K], добавлен 12.12.2013Неразрушающий контроль материалов с использованием источника тепловой стимуляции. Композиты: виды, состав, структура, область применения и преимущества. Применение метода импульсно-фазовой термографии для определения дефектов в образце из углепластика.
курсовая работа [4,2 M], добавлен 15.03.2014Виды искусственных волокон, их свойства и практическое применение. Вискозные, медно-аммиачные и ацетатные волокна, целлюлоза как исходный материал для их получения. Улучшение потребительских свойств пряжи благодаря использованию химических волокон.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 02.12.2011Горение полимеров и полимерных материалов, методы снижения горючести в них. Применение, механизм действия и рынок антипиренов. Наполнители, их применение, распределение по группам. Классификация веществ, замедляющих горение полимерных материалов.
реферат [951,6 K], добавлен 17.05.2011Применение химических или физико-химических процессов переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров) при производстве химических волокон. Полиамидные и полиэфирные волокна. Формования комплексных нитей из расплава.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 20.11.2010Строение ацетатных и триацетатных волокон. Основные элементы структуры швейных изделий. Свойства волокон и область их использования. Текстурированные нити, их виды, получение, свойства и использование. Штопорность швейных ниток и методы ее определения.
контрольная работа [59,2 K], добавлен 26.01.2015Полимерные материалы для деталей сельскохозяйственного оборудования. Составы и технология полимерных деталей, применяемых в автотракторной и сельхозтехнике. Разработка технологической оснастки и изготовления деталей для комплектования оборудования.
контрольная работа [948,8 K], добавлен 09.10.2014Стеклянное волокно, его применение. Общие сведения о базальтовом волокне. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна. Плотность и теплопроводность арамидных волокон. Основные свойства полиолефиновых волокон. Поверхностные свойства борных волокон.
контрольная работа [491,1 K], добавлен 16.12.2010
