Матрица и наполнитель композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Матрица и наполнитель композиционных материалов

органопластик полимерный композит



Матрица и АВН

Матрицей называют компонент, который связывает разнородные материалы, позволяет изготовить изделие необходимой формы, воспринимает и перераспределяет нагрузки на наполнитель от внешних нагрузок, прикладываемых к несущему упрочняющему компоненту. Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, при нагружении композита в направлениях, отличных от ориентации волокон, а также при циклическом нагружении. Поэтому материал матрицы должен быть пластичным и обладать высокой прочностью контактного взаимодействия (адгезионной прочностью) с поверхностью наполнителя. Материал матрицы определяет также уровень рабочих температур системы, работоспособность во влажной среде, облучениях и при других воздействиях внешней среды. От матрицы зависят и теплофизические, электрические и другие свойства композита.

Волокнистые наполнители по ассортименту существенно уступают дисперсным. Наиболее распространенными среди них являются стекловолокна, углеволокна, хлопчатобумажное и синтетические волокна, а также отходы их производства, и моноволокна в виде монокристаллов, усов оксидов металлов и металлоидов.

Волокнистые наполнители представляют собой в основном волокна промышленного производства, а также волокна животного и минерального происхождения. Эффективность закупоривания в большей мере зависит не от природы, а от размера частиц и фракционного состава наполнителей. Волокнистые наполнители находят более широкое применение в производстве композиционных материалов вследствие их высокой прочности и жесткости и способности предотвращать прорастание трещин в хрупкой полимерной матрице. В зависимости от метода получения волокна обычно имеют цилиндрическую или неправильную форму. Волокна с гладкой поверхностью образуют менее прочное механическое сцепление с матрицей. Однако волокна с гладкой поверхностью легче смачиваются, чем с шероховатой, хотя полного смачивания волокон полимерами, так чтобы вообще не было пустот на поверхности, практически достигнуть не удается. Волокна могут адсорбировать различные вещества, способные влиять на их адгезионные свойства. Следует отметить, что прочное сцепление волокон с полимерной матрицей не всегда желательно, так как оно уменьшает поглощение механической энергии при разрушении композиционного материала.

Волокнистые наполнители можно вводить в любые термопласты, однако в производстве мебели и предметов широкого потребления наиболее широко используются армированные волокнами полиамиды и полипропилен.

Волокнистые наполнители (асбест, кордное волокно, сено и др.) применяют для изоляции песчаных и гравийных пластов с зернами диаметром не более 25 мм и трещин в крупнозернистых породах с зернами размером 30 мм или мелкозернистых породах с зернами размером до 0 5 мм.

Волокнистые наполнители тем больше повышают прочность изделия на разрыв и ударный изгиб, чем прочнее и длиннее волокно. Неорганические порошкообразные наполнители уплотняют прессизделие, повышают его теплостойкость, уменьшают пористость, снижают усадку, гигроскопичность и, следовательно, повышают водостойкость. ?

Волокнистые наполнители тем больше повышают прочность изделия на разрыв и ударный изгиб, чем прочнее и длиннее волокно.

Волокнистые наполнители (хлопковые очесы, стеклянное волокно) применяют для увеличения прочности и ударной вязкости. Наибольшее распространение среди волокнистых пластиков получили стекло-вол о к н и-т ы, представляющие собой композицию отверждающихся синтетических смол со стеклянными волокнами толщиной 5 - 10 мкм, обладающими большой прочностью и высоким модулем упругости. Введение стекловолокна повышает прочность пластиков в 3 - 4 раза.

Волокнистые наполнители для армирования полимеров используют при изготовлении стеклопластиков.

Волокнистые наполнители находят более широкое применение в производстве композиционных материалов вследствие их высокой прочности и жесткости и способности предотвращать прорастание трещин в хрупкой полимерной матрице. В зависимости от метода получения волокна обычно имеют цилиндрическую или неправильную форму. Волокна с гладкой поверхностью образуют менее прочное механическое сцепление с матрицей. Однако волокна с гладкой поверхностью легче смачиваются, чем с шероховатой, хотя полного смачивания волокон полимерами, так чтобы вообще не было пустот на поверхности, практически достигнуть не удается. Волокна могут адсорбировать различные вещества, способные влиять на их адгезионные свойства. Следует отметить, что прочное сцепление волокон с полимерной матрицей не всегда желательно, так как оно уменьшает поглощение механической энергии при разрушении композиционного материала.

Волокнистые наполнители можно вводить в любые термопласты, однако в производстве мебели и предметов широкого потребления наиболее широко используются армированные волокнами полиамиды и полипропилен.

Термопласты, термопластичные полимеры, пластмассы, при переработке которых не происходит химические реакции отверждения полимеров и материал в изделии сохраняет способность плавиться и растворяться.

Термопластичными свойствами обладают линейные (иногда разветвленные) полимеры, т.е. полимеры, макромолекулы которых представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них легко размягчается и расплавляется.

В большинстве случаев термопласты являются аморфными полимерами или имеют аморфно-кристаллическое строение. Как правило, они не растворимы в воде, растворимы в близких по природе органических растворителях, стойки к кислотам и щелочам и мало гигроскопичны. Большинство из них горючи.

Термопласты, используемые без наполнителей, называют смолами. Могут быть природные смолы и синтетические смолы.

Термопластичные полимеры состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями, энергия разрыва которых невелика. При этом энергия разрыва химических ковалентных связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, во много раз превышает энергию разрыва физических связей, поэтому химические связи при нагревании термопластов до температуры плавления сохраняются, т.е. сохраняется химическое строение полимера. При температуре выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму. При последующем охлаждении и затвердевании физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются. Благодаря этому можно формовать изделия из расплава термопластов с его последующим охлаждением и затвердеванием. Кроме этого изделия из термопластов могут многократно перерабатываться. Для улучшения свойств (снижения температуры стеклования, увеличения термо- или светостойкости, в термопласты вводят добавки (стабилизаторы полимеров, пластификаторы).

Термопласты являются диэлектриками с хорошими электрическими свойствами. По поведению в электрическом поле термопласты подразделяются на полярные и неполярные. Неполярными термопластами являются полиэтилены, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, политетрафторэтилен и другие. К полярным термопластам относятся политрифторхлорэтилен, поливинилхлорид, полиамиды, полиимиды, полиэтилентерефталат, поликарбонаты, полиуретаны, полиакрилаты, поливинилацетали и другие.

Термопласты - термопластичные полимеры, пластмассы, при переработке которых не происходит химические реакции отверждения полимеров и материал в изделии сохраняет способность плавиться и растворяться.

Термопластичными свойствами обладают линейные (иногда разветвленные) полимеры, т.е. полимеры, макромолекулы которых представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них легко размягчается и расплавляется.

В большинстве случаев термопласты являются аморфными полимерами или имеют аморфно-кристаллическое строение. Как правило, они не растворимы в воде, растворимы в близких по природе органических растворителях, стойки к кислотам и щелочам и мало гигроскопичны. Большинство из них горючи.

Термопласты, используемые без наполнителей, называют смолами. Могут быть природные смолы и синтетические смолы.

Термопластичные полимеры состоят из макромолекул, соединенных между собой только физическими связями, энергия разрыва которых невелика. При этом энергия разрыва химических ковалентных связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, во много раз превышает энергию разрыва физических связей, поэтому химические связи при нагревании термопластов до температуры плавления сохраняются, т.е. сохраняется химическое строение полимера. При температуре выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму. При последующем охлаждении и затвердевании физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются. Благодаря этому можно формовать изделия из расплава термопластов с его последующим охлаждением и затвердеванием. Кроме этого изделия из термопластов могут многократно перерабатываться. Для улучшения свойств (снижения температуры стеклования, увеличения термо- или светостойкости, в термопласты вводят добавки (стабилизаторы полимеров, пластификаторы).

Термопласты являются диэлектриками с хорошими электрическими свойствами. По поведению в электрическом поле термопласты подразделяются на полярные и неполярные. Неполярными термопластами являются полиэтилены, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, политетрафторэтилен и другие. К полярным термопластам относятся политрифторхлорэтилен, поливинилхлорид, полиамиды, полиимиды, полиэтилентерефталат, поликарбонаты, полиуретаны, полиакрилаты, поливинилацетали и другие.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) также как и термопласты (термопластичные пластмассы) относятся к классу полимеров различной химической природы, которые при нагреве способны переходить в вязкотекучее состояние. Если для термопластов процесс нагревания и охлаждения может происходить многократно без изменения их структуры, то реактопласты при однократном нагреве с увеличением времени воздействия повышенных температур в результате протекающих в них химических процессов переходят в нерастворимое твердое состояние с образованием сетчатой структуры макромолекул. Этот процесс необратимый, изделия из реактопластов разрушаются при повторном нагревании при достаточно высокой температуре без предварительного размягчения.

К термопластам относят материалы на основе полипропилена, полиэтилена, политетрафторэтилена, полистирола, поливинилхлорида, полиамидов и прочих полимеров.

Реактопласты состоят из связующей основы и наполнителя. Связующей основой являются синтетические смолы: фенолформальдегидные, мочевино- и меламино-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие, а в качестве наполнителя используются ткань, целлюлоза, древесная мука или опилки, кварцевый песок, стекловолокно, сажа, мел и иные материалы.

Свойства реактопластов на этапах получения и переработки в изделия (механизм, условия, скорость отверждения, объемная усадка и выделение летучих компонентов) и эксплуатационные характеристики изделий определяются химической структурой основы полимера, природой и количеством отвердителя. Для регулирования свойств реактопластов широко используются загустители, разбавители и смазки, а для изменения свойств в отвержденном состоянии - эластифицирующие добавки и пластификаторы.

Как правило, реактопласты формуются в изделия методами литьевого или компрессионного прессования и литья под давлением в горячей литьевой форме при температуре 160 - 210°С. При этом протекает реакция сшивания макромолекул, которую называют отверждением. Этот процесс может протекать от нескольких минут до многих часов. Температура процесса должна поддерживаться с большой точностью на каждом участке технологической линии, т.к. литье реактопластов осложняется возможностью преждевременного отверждения расплава и перегревом смеси. Требуется также точная дозировка количества исходного материала, а заполнение литьевой формы должно происходить за минимально короткое время, т.к. формование реактопластов возможно провести лишь в течение ограниченного времени пребывания исходного материала в вязкотекучем состоянии.

Готовые изделия можно обрабатывать механически, соединять между собой склеиванием, а при низких степенях отверждения - методом химической сварки.

Физико-механические и иные эксплуатационные свойства термопластов и реактопластов различаются в широких пределах и зависят от типа и содержания самого полимера, наполнителей и модифицирующих добавок. В отличие от термопластов реактопласты могут эксплуатироваться при довольно высоких температурах (100 - 130°С). Реактопласты обладают достаточно высокой химической стойкостью к органическим растворителям, слабым растворам кислот и щелочей и применяются во многих отраслях промышленности.

Классическими представителями реактопластов являются аминопласты и фенопласты.

Аминопласты - это пластмассы, в основном состоящие из аминоальдегидных смол, обычно мочевиноформальдегидных или меламиноформальдегидных. В состав аминопластов входят: наполнители (тальк, целлюлоза, асбест, стеклянное волокно, древесная мука и другие), модифицирующие добавки, смазочные вещества, красящие пигменты. Аминопласты выпускают в виде прессованных материалов (гранул, порошков, волокнистых продуктов), пенопластов и слоистых пластиков.

Технологический процесс производства аминопластов включает синтез связующих, пропитку ими наполнителя, сушку готовой композиции, измельчение композиции и, если необходимо, гранулирование или таблетирование. Аминопласты перерабатывают в изделия методами прессования (135 - 170°С, 25 - 50 МПа), литья под давлением (температура пластикации 90 - 115°С, давление 100 - 200 МПа, температура формы 140 - 170°С), литьевого прессования. Формование изделий сопровождается переходом смолы в твердое состояние с образованием полимера сетчатой структуры.

Отвержденные аминопласты - это прочные материалы, стойкие к действию огня, воды, органических растворителей, слабых кислот, масел, растворов щелочей. Аминопласты обладают дугостойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Меламино-формальдегидные пластики от мочевино-формальдегидных отличаются более высокой теплостойкостью, меньшими усадкой и водопоглощением.

Выпускают аминопласты под торговыми названиями: изомил, пласкон, мелмекс, поллопас, ультрапас, сканопал и другими.

Используют аминопласты для изготовления изделий электротехники (выключателей, корпусов приборов, штепсельных розеток), декоративных элементов интерьера и отделки мебели, искусственного мрамора, звукоизоляционных и теплоизоляционных материалов и разнообразных изделий бытового назначения. Область применения аминопластов постоянно расширяется, что обусловлено доступностью сырья для их производства.

Фенопласты - это реактопласты на основе фенолоформальдегидной смолы. По типу смолы фенопласты подразделяют на резольные и новолачные. По виду наполнителя - на армированные и дисперсно-наполненные.

Эксплуатационные свойства фенопластов изменяются в широких пределах и зависят от типа наполнителя и связующего компонента. Ударная вязкость, например, изменяется от 2 - 6 кДж/м2 (для фенопластов дисперсно-наполненных) и до 50 - 100 кДж/м2 (для фенопластов армированных). Плотность материала 1,1 - 3 г/см3, его теплостойкость от 100 до 300°C.

В качестве наполнителя дисперсно-наполненные фенопласты чаще всего содержат древесную, слюдяную или кварцевую муку, микроасбест, кокс, измельченный графит, каолин, стекловолокно, металлический порошок, металлические или стеклянные микросферы и другие. Фенопласты дисперсно-наполненные выпускают под торговыми названиями: кемопласт (США), фенопласт и антегмит (СНГ), тролитан, баскодур и пластодур (Германия), флуосит и бакелит (Италия), моудденсит и формолит (Великобритания).

Фенопласты обладают механической устойчивостью, прочностью, коррозионной устойчивостью, высокими электроизоляционными параметрами. Применяются фенопласты практически во всех отраслях промышленности, как материалы электротехнического, конструкционного, изоляционного, антифрикционного и фрикционного назначения.

Армированные фенопласты в роли наполнителя содержат растительные волокна, стеклоткань или стекловолокно, асбестовое волокно, углеродные или синтетические (как правило, полиамидные и полиэфирные) волокна, волокнистые полотна (тканые и нетканые), бумагу, древесный шпон. Производят армированные фенопласты, как правило, методом пропитки волокнистых наполнителей связующим. Изделия из полуфабрикатов формируют методами намотки, выкладки и протяжки с фиксированием формы посредством отверждения связующего компонента. Армированные фенопласты выпускаются под торговыми названиями: гетинакс, текстолит, волокнит, стеклотекстолит и асботекстолит (СНГ), текстолит, фэбрикон и хейвег (США), дуротон, тролитакс и пресскотон (Германия), пэксолин и фарболит (Великобритания), турнерон и геделит (Франция), ришелит и кобелит (Япония) и другими.

Некоторые марки фенопластов, для примера: Сп1-342-02, Сп3-342-02, 02-010-02, Э9-342-73, Э10-342-63, Э2-330-02, У1-301-07, Вх5-010-73, У2-301-07, У4-080-02, Ж3-010-62, Ж7-010-8, Ж2-010-60.

Армированные фенопласты повышенной прочности со стекловолокном - неплавкий композиционный материал изготовленный из стеклянных комплексных нитей, пропитанных полимерным связующим, обладает хорошими диэлектрическими параметрами (электрическая прочность при частоте 50 Гц, - не менее 14 кВ/мм) и отличными механическими характеристиками (напряжение при разрушении до 500 МПа). Применяют для изготовления изоляционных элементов работающих при вибрациях, ударных нагрузках, нагрузках на разрыв или на изгиб в диапазоне температур от -190°С до +200°С. Могут служить, как замена более хрупких фарфоровых или стеклянных изоляторов, использоваться в производстве корпусов приборов, шестерен, втулок, вкладышей подшипников и других изделий.

Некоторые марки фенопластов со стекловолокном: АГ-4В, АГ-4В-10, АГ-4В-10-4,5; АГ-4С; АГ-4НС; ДСВ-2-О, ДСВ-2-Л, ДСВ-2-П, ДСВ-4-О, ДСВ-4-Л, ДСВ-4-П; ГСП-8, ГСП-32-П, ГСП-32-О, ГСП-400.

Виды КМ от состава АВН

Органопластики - это композиты из полимерного связующего и наполнителей. Наполнителями служат органические синтетические, реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д.

В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров - полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. - варьирует в пределах от 2 до 70%.

Органопластики обладают низкой плотностью (они легче стекло- и углепластиков), относительно высокими прочностью при растяжении, сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентации макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров (полипарафенилтерефталамид (кевлар)) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.



Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Известно большое количество марок полимеров, наполненных порошками. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств.

Применяются разнообразные наполнители термореактивных и термопластичных полимеров.

Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Их используют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена.

Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п.

Широко применяют органические наполнители - древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качестве наполнителя используют крахмал.

Стеклопластик представляет собой композиционный материал, в состав которого входит стекловолокно и связующее вещество. Стекловолокно является армирующим элементом, обеспечивающим необходимые прочностные характеристики, а связующее вещество - это наполнитель, равномерно распределяющий усилия между армирующими волокнами и обеспечивающий их защиту от воздействий окружающей среды.

Свойства материала

От ряда других материалов композиционного состава отличают стеклопластик свойства, среди которых наиболее важными являются следующие:

небольшой удельный вес;

высокие показатели механической прочности;

коррозионная стойкость;

температурная стойкость;

низкая теплопроводность;

высокие диэлектрические показатели;

относительно низкая стоимость производства.

Когда речь заходит о механических свойствах стеклопластика, его принято сравнивать со сталью.

Абсолютные значения предела прочности у стеклопластика ниже, чем у стали, но при этом стеклопластик показывает большую удельную прочность. Удельный вес стеклопластика в 3,5 раза меньше, а вес двух равнопрочных конструкций, изготовленных из стеклопластика и из стали, будет отличаться более чем в 2 раза.

Отрицательными считаются такие характеристики стеклопластика как:

хрупкость;

подверженность абразивному износу (требуется нанесение на поверхность изделия защитного покрытия);

образование канцерогенной пыли при механической обработке (при работе со стеклопластиком необходимо предусматривать соответствующие защитные мероприятия).

Производство

Долгое время областью использования стеклопластика являлись космические технологии, авиационная промышленность и судостроение. Исключительные свойства этого материала не могли найти применения в широких отраслях промышленного производства из-за отсутствия в должной мере проработанной и налаженной технологии массового выпуска изделий и профилей заданных форм и размеров. Ситуация изменилась с открытием пултрузионной технологии производства композиционных материалов.

В общем случае процесс заключается в протягивании (pull) армирующего волокна через (throught) форму с разогретым связующим веществом с последующими этапами остывания и отвердевания.

Количество вариантов этой технологии велико. Существуют горизонтальные линии производства, вертикальные, линии непрерывного производства и периодического. При небольших объемах производства применяется метод ручного формования изделий или метод напыления стекловолокна вручную.

Применение

На сегодняшний день стеклопластик считается композиционным материалом, наиболее удачно сочетающим в себе необходимые качества и доступную цену. Материал хорошо поддается окрашиванию, нанесению различных покрытий и механической обработке. Технические характеристики стеклопластика обуславливают его востребованность в различных видах производства.

Судостроение и производство емкостных сооружений

Автомобилестроение

Сооружения водоснабжения и канализации

Строительство

Энергетика

Углепластики (карбопластики, углеродопласты) - это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:

высоким значениям прочности и жесткости

низкой плотности

химической инертности

тепло- и электропроводности

высокой усталостной прочности

низкой ползучести

низким значениям коэффициента линейного термического расширения

высокой радиационной стойкости

Важным фактором, определяющим в некоторой степени перспективность углепластиков, является их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

Боропластики могут быть однонаправленные или с перекрестным расположением волокон, причем максимально модуль упругости и прочность реализуются в однонаправленных боропластиках. ?[1]

Боропластики теряют 8% первоначальной сдвиговой прочности. ?[2]

Боропластики являются высокопрочными высокомодульными композитами. В основном они изготавливаются как однонаправленные материалы. ?[3]

Боропластики являются весьма дорогими материалами из-за высокой стоимости борных волокон. Поэтому они применяются как конструкционные материалы с весьма высокими удельными механическими характеристиками для изготовления высоконагруженных деталей в наиболее ответственных изделиях - летательных аппаратах, космической технике, так как позволяют существенно снизить массу изделия. ?[4]

Боропластики - композиционные материалы, наполнителем в которых являются волокна бора, а связующим эпоксидная смола. Волокна бора обладают самыми высокими показателями удельной прочности и жесткости из всех металлических волокон. Боропластики обладают высоким сопротивлением усталости, стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Они находят применение в авиационной, ракетной и космической технике и других отраслях промышленности. ?[5]

Степень армирования и расположение волокон в АВН и ВПКМ

Степень армирования повышается и с увеличением натяжения стеклонити. При этом в крученых нитях в процессе формования изделия происходит отжим связующего от центра нити к периферии. При оптимальных значениях контактного давления и усилия натяжения обеспечивается высокая и однородная плотность упаковки стеклонаполнителя в изделиях, изготавливаемых методом намотки. ?

Степенью армирования называют отношение объема арматуры к объему фундамента, определенному по опалубочным чертежам.

Изменяя степени армирования в главных направлениях путем соответствующей укладки лент пресс-материала, можно получить ортотропные стеклопластики с необходимыми соотношениями механических свойств в данных направлениях.

Повышение степени армирования и связанное с этим увеличение дефектности материала ведет к более существенному снижению диэлектрических свойств. Вода, располагаясь в дефектах вокруг стеклянных волокон, образует проводящие каналы, что и обусловливает енижение электрического сопротивления. Дальнейшая сорбция несколько снижает скорость изменения этих характеристик. ?

Методы повышения степени армирования

Для достижения высокой прочности композиций, изготавливаемых на основе цементов различной активности, строительных песков и армирующих компонентов в составе сухих строительных смесей, возникает вопрос оптимального выбора вида, длины и количественного содержания волокон. Анализ публикаций. Согласно многочисленным исследованиям, результаты которых обобщены в работах А.Е. Десова, И.Н. Ахвердова, В.П. Соломатова, В.Н. Вырового и др. роль волокон заключается в том, что они воспринимают часть нагрузки, препятствуют развитию трещин и смещению блоков. Разрушение композиции осуществляется, согласно существующим теориям, за счет разрыва и вытягивания волокон. Существуют различные виды моделей и теорий разрушений материалов на основе минеральных вяжущих. По мнению исследователей, материал не представляет собой изотропную среду, а деформация и разрушение бетона происходят под действием внешних сил. В случае введения дискретных волокон механизм напряжения можно представить следующим: часть волокон работает на растяжение, а часть препятствует смещению частичек, усиливая связность системы. Минеральные и металлические волокна, расположенные параллельно действующей внешней нагрузке, усиливают жесткость системы. Так как, органические волокна имеют низкий модуль упругости, то вероятней всего они препятствуют смещению частичек и снижают возникающие вторичные напряжения. Следовательно, эффект армирования зависит от структуры, прочности матрицы, а также от параметров волокон и их свойств. Цель статьи. Разработка метода определения минимальной длины и содержания компонентов в цементно-волокнистой композиции. Выводы. Таким образом, проведенный анализ результатов исследований показывает, что наиболее эффективная длина полипропиленовых волокон диаметром до 15 - 17 мкм в композициях цементно-песчаных растворов находится в пределах 5 - 7 мм. Содержание волокон в растворах, при котором прочность при сжатии повышается на 15 - 30%, а при изгибе на 40-70%, не превышает 0,2% от массы вяжущего. Характерно то, что армирование является более эффективным для композиций, в которых применялось низкомарочное вяжущее. Это свидетельствует, что дисперсным армированием можно частично устранить снижение активности цементных вяжущих в результате их хранения. Так, прирост прочности за счет армирования растворов с активностью вяжущего 20 МПа составляет 50 - 60%, тогда как прочность растворов, в которых применялся портландцемент с активностью 49 МПа возросла всего лишь на 25 - 30%.

Анизотропия и расположение волокон в ВПКМ

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 ком¬позиты 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.

Армирующие волокнистые наполнители: основные виды и особенности их получения Трикотажные (вязаные) полотна и другие структуры пока еще сравнительно мало используются при производстве массовых текстолитов и изделий из них. Однако возможность создания структур с заданным расположением нитей, необходимым для наиболее ответственных видов текстолитовых деталей и изделий, несущих высокие нагрузки, имеет в этих случаях определенные преимущества. Трикотажные полотна вследствие высокой податливости позволяют получать детали и изделия с малыми радиусами кривизны. С целью достижения более высокого уровня свойств в направлении расположения слоев применяются переплетения с длинными прямыми участками петель. Трикотажные полотна имеют важные преимущества также в случаях изготовления деталей и изделий с заданным расположением наполнителя в виде различных вязаных объемных форм с различной плотностью вязания и заданной толщиной материала. Они обеспечивают также получение материалов большой толщины с наличием поперечно расположенных нитей, что необходимо для получения мало анизотропных композиционных изделий. Однако применение трикотажных армирующих структур имеет один общий недостаток трудность достижения высоких значений объемного наполнения. Трехмерные тканые, плетеные, вязаные структуры широко применяются при изготовлении деталей и изделий, несущих высокие механические нагрузки. Эти виды АВН изготавливаются обычно на основе высокопрочных и / или высокомодульных нитей: параарамидных, углеродных или различных видов неорганических. Получаемые объемные структуры имеют внешнюю форму изготавливаемых деталей или изделий. В этих структурах нити располагаются таким образом, чтобы они были ориентированы в направлении наибольших механических напряжений. Детали и изделия получают обычно путем пропитки объемных структур компонентами реактопластов с последующим отверждением матрицы. Нетканые материалы и другие волокнистые слои (холсты, бумаги) являются распространенным видом АВН для получения листовых текстолитов с умеренными механическими характеристиками. Они широко используются при изготовлении изделий методами прессования и контактного формования (выкладки), поскольку они более податливы, чем тканые и другие структуры из нитей, вследствие подвижности отдельных волокон друг относительно друга, что обеспечивает возможность изготовления изделий со сравнительно малыми радиусами изгиба при сохранении целостности и незначительным утончением волокнистого слоя при прессовании. Поэтому нетканые полотна предпочтительнее для получения формованных изделий сложной формы. Комбинированные и гибридные волокнистые материалы на основе волокнистых слоев, нитей и различных текстильных структур применяются в некоторых случаях для обеспечения заданных механических характеристик композитов и изделий на их основе, особенно в случаях сверхпрочных органических волокон и нитей, имеющих высокий уровень удельных механических характеристик при растяжении, но высокую анизотропию свойств и поэтому недостаточный их уровень в поперечном направлении и при сдвиге. Это вызывает необходимость повышения поперечных свойств в анизотропных композитах (слоистых пластиках и других однонаправленных структурах).

Стеклянные волокна являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве армирующего наполнителя. Основными достоинствами этих волокон являются низкая стоимость, простота производства и переработки, а также высокая прочность при условии осторожного обращения с ними после вытяжки, хотя, в любом случае, процессы рубки волокон и формирования изделий из наполненных композиций, неизбежно сопровождаются разрушением некоторой части волокон. При всех достоинствах, стеклянные волокна имеют два существенных недостатка, первый - низкая жесткость, что требует усиления элементов конструкций из стеклопластиков и препятствует полной реализации прочности волокон, и второй недостаток - значительная потеря прочности при увеличении влажности среды или непосредственном контакте с водой. При этом даже путем длительной сушки в вакууме не удается достичь полной десорбции влаги с поверхности волокон и как следствие - восстановить изначальную прочность материала.

На данный момент разработно большое количество разнообразных марок стекол, волокна из которых обладают улучшенными характеристиками - повышенной прочностью, химической и электрической стойкостью и т.д. Основной объем стеклянных волокон производят из алюмоборосиликатного стекла типа «E», высокопрочного стекла типа «S» и высокомодульного стекла типа «ВМ-1».

Углеродные волокна значительно более жесткие, а поскольку по прочности они не уступают лучшим стеклянным волокнам, напряжения, которые выдерживают материалы на их основе, значительно выше, чем в случае стеклопластиков при меньших допустимых деформациях. Эти волокна, также как и стеклянные, производятся непрерывным способом и технология производства изделий из материалов на их основе незначительно отличается от технологии изготовления изделий из стеклопластиков.

Из свойств углеродных волокон стоит особо отметить - высокую прочность и модуль упругости при растяжении и изгибе по сравнению со стеклопластиками, малую плотность, высокую электропроводность, низкие коэффициенты трения и термического расширения. А также сравнительно высокую химическую и коррозионную стойкость при обычных условиях, однако под воздействием сильных окислителей и галогенов их стойкость значительно уменьшается (особенно при повышенных температурах). Это свойство используется для обработки поверхности высокомодульных волокон, с целью повышения межслоевой прочности, малое значение которой представляло серьезную проблему в первые годы создания карбопластиков. Обычно углерод и графит стойки к воздействию щелочных растворов при всех концентрациях и температурах, а также водных растворов большинства неорганических солей вплоть до температуры их кипения. Углеродные волокна при 50°C существенно не снижают прочности или модуля упругости под действием следующих реагентов: 50% (об.) соляной, серной и азотной кислот, раствора едкого натра, гидрофосфорной и ортофосфорной КИСЛОТ. При 20°С волокна стойки к действию ледяной уксусной кислоты, 90% (масс.) муравьиной кислоты, 32%-ной бензолсульфоновой кислоты и 0,880 M водного раствора аммиака. Углеродные волокна легко реагируют с большинством расплавов металлов.

Серьезным недостатком композитов на основе высокомодульных углеродных волокон является очень малая межслоевая прочность при сдвиге, не превышающая 14 - 28 МПа. Для повышения этого важного показателя до 70 МПа были разработаны методы обработки поверхности волокон, заключающиеся обычно в их окислении или галогенировании.

Также, при создании конструкций требующих повышенной стойкости к ударным нагрузкам, необходимо учитывать, что ударная вязкость композитов с углеродными волокнами обычно мала.

Борные волокна характеризуются уникальным сочетанием свойств - высокой прочностью и жесткостью и в то же время низкой плотностью, что резко отличает их от других волокнистых наполнителей композиционных материалов. Материалы на основе борных волокон обладают значительно более высокими показателями механических свойств, чем материалы на основе стеклянных и углеродных волокон. Также обладают более высокими механическими характеристиками (за исключением прочности при сдвиге), чем алюминиевые и титановые сплавы. Ближайшим конкурентом борных волокон являются углеродные волокна.

Разрушающее напряжение при сжатий материалов на основе борных волокон в 3 раза выше, чем композиционных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон.

Борные волокна находят широкое применение в производстве композиционных материалов на основе эпоксидной и алюминиевой матриц. КМ на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ перед аналогичными материалами на основе эпоксидной матрицы. Так, они могут работать до температур около 370°C, а перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургическом производстве.

В настоящее время промышленность выпускает борные волокна различного диаметра, наибольшее распространение получили волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Стремление к снижению стоимости борных волокон обусловило освоение производства волокон большого диаметра. Волокна с большим диаметром применяются в производстве композиционных материалов на основе металлических матриц для достижения оптимального сочетания свойств. На начальной стадии разработок боралюминиевых композитов было установлено, что при использовании волокон диаметром 100 мкм наблюдается их расщепление при приложении нагрузки в направлении, перпендикулярном оси ориентации волокон, что обуславливает низкую трансверсальную прочность таких материалов. При использовании волокон диаметром 140 мкм расщепления не происходит.

Хотя, рубленные углеродные и борные волокна обеспечивают потенциально более высокую прочность, жесткость и долговечность материала на их основе, но достигаются эти характеристики за счет более высокой стоимости и сложности производства, и поэтому они пока не могут составить серьезную конкуренцию стеклянным и асбестовым волокнам.

Асбестовое волокно является ближайшим конкурентом стеклянного волокна, поскольку оно также дешево и помимо высокой прочности обладает более высоким, чем стеклянные волокна, модулем упругости, выдающейся термо- и химической стойкостью. Широко используется в ПКМ для увеличения прочностных характеристик, для создания химически стойких материалов и теплоизоляционных материалов.

Асбестовые волокна значительно тоньше и короче, чем стеклянные, и поэтому с ними труднее работать, хотя разработаны специальные методы их переработки и промышленностью выпускаются полимеры, армированные асбестовыми волокнами - асбопластики. Также к его недостаткам, как наполнителя можно отнести снижение ударных характеристик и придание темного цвета.

Еще одним типом волокон, которые могут рассматриваться как серьезный конкурент перечисленным выше типам волокон, являются волокна из ароматических полиамидов типа Кевлар. Нитевидные монокристаллы, например из Al2O3, Si3N4, SiC, обладают наибольшей прочностью, однако они слишком дороги и с ними слишком трудно работать, чтобы можно было использовать их в промышленных масштабах.

Базальтовые волокна имеют практически все положительные свойства стеклянных волокон, но отличаются при этом еще рядом преимуществ. Так, для них характерны более высокие тепло- и щелочестойкость, а при сочетании с эпоксидными связующими - более прочное адгезионное сцепление по границе раздела волокно - связующее. Установлено, что прочность и модуль упругости волокон из природного базальта соизмеримы с аналогичными показателями для волокон из стекла типа «E», полученных и испытанных в лаборатории в тех же условиях.

Базальтовые волокна в своем составе содержат оксиды железа, в результате чего имеют коричневый цвет, что в отдельных случаях может ограничивать их применение.

Эффективность базальтовых волокон как армирующего наполнителя полимерных материалов была изучена на эпоксидных связующих - эпоксидной смоле Эпон-828 (аналог смолы ЭД-20), отверждаемой м-фенилендиамином. Результаты исследования показали, что базальтовые волокна могут успешно заменять стеклянные волокна во всех случаях, когда к окраске материалов не предъявляется особых требований. Прочность сцепления базальтовых волокон с эпоксидной матрицей несколько выше прочности сцепления волокон из стекла типа «E» с той же эпоксидной матрицой. Это справедливо как для волокон с необработанной поверхностью, так и для волокон, обработанных кремнийорганическим аппретом (Силан А-1100 г-аминопропилтриметоксисилан). Более высокая адгезионная прочность волокон с матрицей, наблюдаемая в случае базальтовых волокон, обработанные аппретом, способствует достижению более высокого модуля упругости и разрушающего напряжения при растяжении в ПКМ на их основе.

Приведенные данные показывают, что композиционные материалы на основе стеклянных и базальтовых волокон во многом похожи по своим свойствам. Для материалов на основе обоих типов волокон характерна практически одинаковая прочность при растяжений. Так как модуль упругости материалов на основе базальтовых волокон несколько выше, чем стеклянных, в ряде случаев использование базальтовых волокон является более целесообразным. Помимо использования их в качестве армирующих наполнителей для пластмасс базальтовые волокна находят широкое применение в других областях техники. Из них изготавливают воздушные фильтры, теплоизоляционные материалы, работающие при высоких температурах, вибро- и звукопоглощающие материалы, минеральную бумагу и картон. Базальтовые волокна используют в качестве армирующего наполнителя бетонов, а также применяют в производстве строительных материалов для замены асбеста.

Металлические волокна как усиливающие наполнители для полимеров обладают двумя характерными особенностями - это свойства, присущие металлам и возможность строго контролировать форму поперечного сечения волокон и их размеры. Обладают высокими механическими характеристиками и по некоторым параметрам, не уступают минеральным волокнам. Форма и размеры металлических волокон определяют возможность и способ их вторичной переработки - текстильной или методами, применяемыми при производстве бумаги. Первым способом получают - пористые волокнистые листовые материалы. Вторым способом получают - жгуты, пряжу, нити, нетканые материалы, плетеные и тканые изделия.

Металлические волокна изготавливают из различных металлов и сплавов, и их свойства в решающей степени определяются условиями получения и термической обработки. Промышленность выпускает широкий ассортимент металлических волокнистых наполнителей, способных удовлетворить любым требованиям, возникающим при изготовления металлополимерных композиций.

Преимущества металлических волокон заключены в особенности их свойств, таких как тепло- и электропроводность, магнитные свойства, которые реализуются в упрощении процессов изготовления композитов или создании композитов с необычным сочетанием свойств. Сочетание металлических волокон с полимерной матрицей производится при необходимости обеспечить определенные свойства композитов, присущие только металлам, или при необходимости использовать волокна с определенной геометрией, возможной только в случае металлических волокон.

Недостатками металлических волокон являются высокая стоимость и плотность. Стоимость различных видов металлических волокнистых наполнителей сильно различается и определяется стоимостью исходного металла, диаметром и длиной волокон, типом вторичной переработки и дополнительными требованиями к их свойствам.

Свойства металлических волокон определяются как исходным материалом, так и технологией изготовления. Форма волокон, однородность их сечения, шероховатость поверхности и ее состав определяются технологией производства волокон, тогда как их химические, физические и механические свойства практически не отличаются от свойств исходного материала.

Органические наполнители - обычно представляют собой вещества растительного происхождения, доступные в больших количествах и по низкой цене. Большинство из них, например, хлопок и растительные волокна, имеют волокнистую структуру и состоят в основном из целлюлозы с небольшим количеством лигнина и других соединений. Некоторые не имеют волокнистого строения или являются веществами животного происхождения. В настоящее время в качестве органических наполнителей используются также синтетические органические материалы, главным образом органические волокна.

Как и все другие наполнители, органические наполнители придают новые свойства полимерным композициям на их основе. Наполнители растительного происхождения обычно имеют более низкую стоимость, чем полимеры, с которыми они смешиваются, и это является основным стимулом их использования. Эти наполнители, также как и наполнители синтетического происхождения, позволяют улучшать процессы переработки и модифицировать в желаемом направлении свойства конечного продукта.

Основные причины использования органических наполнителей для полимеров, как и многих других добавок - это снижение стоимости материалов, улучшение их физических, химических и электрических свойств, а также условий переработки. По мере развития промышленности пластических масс было опробовано применение в качестве наполнителей самых различных органических материалов - дешевых и доступных в значительных количествах. Основными классами этих материалов являются древесная мука, молотая скорлупа орехов, хлопковые и другие растительные волокна, состоящие в основном из целлюлозы с некоторым содержанием лигнина, а также крахмал и белоксодержащие материалы растительного или животного происхождения. Не все эти материалы нашли широкое применение, но некоторые из них придают полимерам требуемые свойства и широко используются. В последнее время в качестве органических наполнителей стали использоваться также различные синтетические волокна.