Заказать звонок
Полимерные композиты – общее название двух- либо многокомпонентных материалов на основе макромолекулярного соединения (пластика), которое армируется различными наполнителями. Матрица выполняет функцию связующего звена, тогда как добавки обеспечивают необходимые физические параметры. По своим свойствам полимерные композиционные материалы не уступают традиционным аналогам, а зачастую превосходят их. При этом они значительно легче. Это обеспечивает ПКМ широкое применение: от декоративных поделок до авиационной и космической отраслей.
Оглавление
Изменяя составы и процентное содержание веществ, можно получить огромное количество новых производных материалов с разными характеристиками прочности, жесткости, теплопроводности, электроизоляции, химической, температурной стойкости.
Плотность полимерных композитных материалов варьируется в широком диапазоне: от 400 до 2800 кг/м3. Средний же показатель составляет 1400 кг/м3, что в 5-6 раз меньше, чем у часто используемых в производстве черных и цветных металлов. Для сравнения, плотность железа – 7800, меди – 8900 кг/м3. И даже алюминий с плотностью 2700 кг/м3 уступает этому параметру практически в 2 раза.
При небольшой массе композитные полимеры обладают отличными физико-механическими свойствами. Их предел прочности варьируется в диапазоне 70-1800 МПа. Самым прочным соединением из ПКМ является углепластик. Аналогичный показатель у углеродистых сталей равен 240 МПа, у алюминиевых сплавов – 50-440 МПа.
Коэффициент теплового расширения полимерных композитов зависит от их состава и структуры, но в среднем он значительно меньше, чем у металлов и неармированных пластиков. КТР углепластиков сопоставим с КТР кварца.
Ряд ПКМ с наполнителем из стекловолокна и базальтового волокна являются превосходными диэлектриками. В то же время удельное сопротивление углепластиков невелико, что позволяет использовать их в электротехнике в качестве проводников.
Вариативность составов композитов позволяет подобрать материал с необходимой стойкостью к определенной химической среде. Например, стеклопластики и базальтовые пластики не разрушаются в электролитах. Некоторые соединения способны противостоять 24-процентному раствору серной кислоты при температуре до 80 °с.
Полимерные композиты относятся к материалам с низким коэффициентом теплопроводности. Так, для стеклопластика этот параметр составляет 0,75 Вт/м °с. Для сравнения коэффициент теплопроводности железа 64 Вт/м °с, алюминиевых сплавов 150-200 Вт/м °с.
Классификация полимерных композитных материалов производится по матрице и наполнителю.
Номенклатурный ряд используемых в матрице полимеров достаточно велик. Поэтому основная классификация проводится по двум видам:
К термореактивным относятся низкомолекулярные олигомеры: фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные смолы, бисмалеинимиды, смеси имидообразующих мономеров. При комнатной температуре матрица сохраняется в жидком состоянии. Реактопласты обладают лучшей прочностью, термостойкостью, пропитывающей способностью, адгезией, низкой вязкостью. К недостаткам относятся хрупкость, высокая пористость материалов, лимитированный срок хранения заготовок, токсичность используемых растворителей, необходимость термической обработки в процессе формовки, что увеличивает ее время. Изготовление конечной продукции сопровождается необратимой каталитической реакцией, вследствие чего она характеризуется неплавкой структурой с высокопрочными молекулярными связями. Вторичной переработке изделия не подлежат. Это создает определенные проблемы, связанные с их утилизацией. Новые технологии предполагают удаление смолы путем пиролиза с выделением из нее наполнителя.
К термопластичным относятся высокомолекулярные соединения: полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты. При естественных условиях матрицы находятся в твердом состоянии, при этом срок хранения практически не ограничен. Для пропитки наполнителя они разогреваются до расплавления. Процессы нагрева и отверждения можно выполнять многократно. В зависимости от структуры термопластичные полимеры подразделяют на аморфные и частично кристаллические. Первые отличаются изотропностью свойств, эластичностью и высоким поверхностным трением. Для кристаллических характерны ударная прочность, термостойкость, химическая инертность. Недостатком термопластов является более быстрое старение под воздействием окружающей среды. Однако этот минус компенсируется возможностью переработки. Процесс формовки изделий включает нагрев матрицы, пропитку волокон под давлением и последующим охлаждением при сохранении этого же давления. Технология достаточно сложна и требует использования дорогого оборудования, что увеличивает стоимость конечной продукции.
Вторая общая классификация полимерных композитных материалов производится на основании вида наполнителя. Здесь также выделяют две группы: армированные и дисперсно-наполненные (дисперсно-упрочненные). В свою очередь армированные подразделяются на волокнистые и листовые. Количественное содержание наполнителя в структуре ПКМ может варьироваться в широком диапазоне и достигать отметки 98%. В зависимости от этого параметра материалы рассматриваются, как низконаполненные, высоконаполненные и предельнонаполненные. Гибридные композиты могут содержать несколько разных видов наполнителей, что позволяет создавать полимерные материалы с уникальными наборами свойств.
Стеклопластиками называют полимерные композиты с армированием волокнами, получаемыми путем расплавления неорганического стекла. Иногда наполнителем служит стеклоткань. Такие материалы называются стеклотекстолитами. Основой могут выступать как реактопласты, так термопласты. Стеклопластики характеризуются прочностью, низкой электропроводностью, диэлектрическими свойствами. Они пропускают радиоволны, что определило их первое практическое применение. Во время Второй мировой войны из стеклопластиков изготавливали антенные обтекатели – сооружения для защиты локационных устройств от внешних воздействий. Изначально количество стеклянных волокон в материале было небольшим, армирование выполнялось, в основном, в целях предотвращения грубых деформаций основы. Однако в последующем акценты стали смещаться в сторону увеличения количества наполнителя до 80% от общей массы, в то время как за матрицей осталась только связующая функция.
Стеклопластики – недорогие композиционные материалы с отличными характеристиками, среди которых малый вес, прочность, химическая стойкость, но массовое производство изделий из них длительное время сдерживалось отсутствием технологий получения сложных форм. В настоящее время эта проблема полностью решена, и полимерные композиты используются практически во всех отраслях хозяйства. Из них изготавливают корпуса планеров, легкомоторных самолетов, маломерных водных судов, ракетных двигателей, кузовные панели и обвесы автомобилей, бассейны, водные аттракционы, оснащение для парков, печатные платы, оконные и дверные профили, диэлектрические лестницы, емкости, травильные ванные, напорные и безнапорные трубы, газовые дымоходы, вентиляционные шахты, строительные и облицовочные материалы, бытовые изделия, рыболовные удилища, предметы интерьера и многое другое.
Армирующую функцию в углепластиках выполняют углеродные волокна или нити, сплетенные листы. Матрицей могут выступать как реактопласты, так термопласты. Сырьем для получения углеродных волокон служат синтетические или природные материалы: целлюлоза, вискоза, сополимеры акрилонитрила, фенольные смолы, нефтяные и угольные пеки и пр. В результате специальной термической обработки из волокон удаляются побочные компоненты и остаются лишь атомы углерода. Процесс выполняется в 3 этапа.
В итоге обработки получаются нити диаметром 0,005-0,010 мм с содержанием углерода до 99%. В зависимости от сырья и режимов термической обработки значения прочности углепластиков варьируются в пределах 1-9 ГПа, модуля упругости 100-600 ГПа. При небольшой плотности (1400-2000 кг/м3) они превосходят по удельной жесткости металлы в 5-10 раз. Немаловажным фактором является низкий коэффициент теплового линейного расширения. В отличие от стеклопластиков углепластики проводят электрический ток. По набору характеристик они являются удачной альтернативой металлическим конструкциям, особенно в тех случаях, когда нужно снизить массу. Углеродные композиты используются в ракетно-космической отрасли, авиастроении, судостроении, автомобилестроении, в производстве медицинской техники, спортивного инвентаря, супинаторов, бытовой техники, в строительстве для усиления железобетонных конструкций. В то же время практическое применение углепластиков несколько ограничено их дороговизной, вызванной сложностью технических процессов и необходимостью использования специального оборудования, включая автоклавы.
К боропластикам относятся полимерные композитные материалы, в которых роль армирующего наполнителя возложена на борные волокна, которые могут быть иметь вид мононитей, жгутов, лент, листов. Для повышения ударной вязкости и снижения стоимости материала в тканях борные нити переплетают стеклянными. В качестве связующей основы чаще всего используются термореактивные смолы.
Толщина борной нити 0,08-0,2 мм, прочность – 2,5-4 ГПа, модуль упругости 380-420 ГПа. Боропластики отличаются большой твердостью, прочностью на сжатие и высокой усталостной устойчивостью. При длительной эксплуатации (около 10 лет) в тяжелых условиях под постоянным воздействием воды и технических масел механические характеристики изделий снижаются не более чем на 10-15%.
Технология получения борных волокон достаточно сложна, а большая толщина нитей усложняет формовку изделий. В связи с этим стоимость боропластиков велика, а использование ограничено. В основном композит применяется в самолетостроении и космической сфере для изготовления узлов, подвергающимся регулярным высоким нагрузкам и эксплуатирующимся в условиях химически активных сред.
В органопластиках используются органические синтетические волокна на основе: ароматических полиамидов, жесткоцепных полимеров, алифатических полиамидов, сверхвысокомолекуляного полиэтилена. Наполнитель может иметь форму мононитей, жгутов, лент, тканей, листов. В зависимости от типа матрицы органопластики подразделяются на термореактивные и термопластичные. Количественное содержание наполнителя варьируется в широком диапазоне: от 10 до 95%. На комплекс технических характеристик влияет не только состав и соотношение компонентов, но также направление макромолекул в волокнах. При их ориентации вдоль полотна значительно возрастает прочность на растяжение. Анизотропная структура может иметь армирование в одном (нити), двух (листы), трех (каркасы) направлениях.
Органопластики характеризуются низкой плотностью (1,1-1,4 кг/м3), высокими показателями удельной прочности, модуля упругости, ветроустойчивости, стойкости к переменным и постоянным динамическим нагрузкам, усталостной прочности, обладают радиопрозрачностью, диэлектрическим свойствами, низкой тепло- и звукопроводностью.
Органопластики широко используются в авиационной и космической отрасли, в производстве автомобилей и водного транспорта, машиностроении, приборостроении, при изготовлении спортивного инвентаря. Из материалов, армированные пара-арамидным волокном (кевларом), изготавливают бронежилеты. Их прочность превосходит показатели стали в 2-3 раза.
Одна из наиболее распространенных форм полимерных композитов – материалы с порошковым наполнением. Всего существует более 10 тысяч марок таких ПКМ. Наполнение термореактивных либо термопластичных матриц выполняется как с целью придания материалу особых характеристик, так и просто для снижения стоимости продукции. В качестве добавок используются природные и искусственные материалы: песок, глина, мел, тальк, древесная мука, стеклянные шарики и пр. Оценка свойств выполняется более чем по 40 параметрам, среди которых физико-механические, химические, электротехнические, оптические, теплоизоляционные и другие характеристики.
При производстве дисперсно-наполненных композиционных материалов в учет принимаются такие характеристики наполнителя, как форма частиц, их размер с разделением по фракциям, удельная поверхность, пористость, плотность, максимальная объемная доля, прочность.
Форма частиц влияет на вязкость и концентрацию напряжений в композите. Эти параметры возрастают с увеличением коэффициента kE от 2,5 у шарообразных наполнителей до 5,9 у эллипсоидов с десятикратной разницей размеров полуосей.
Поскольку форма частиц может быть произвольной, то при расчете размеров принимается диаметр сферы аналогичного объема. По этому параметру различают наполнители ультрадисперсные (менее 1 мкм), высокодисперсные (1-10 мкм), среднедисперсные (10-40 мкм), крупнодисперсные (более 40 мм). Практически все добавки имеют в своем составе частицы разных фракций. Различия могут проявляться в большей или меньшей степени.
Важной характеристикой порошковых составов является удельная поверхность. Она рассчитывается как площадь поверхности наполнителя, приходящаяся на единицу массы или объема. Показатель Sуд может находиться в диапазоне 0,3-1100 м2/г.
Наполнитель может иметь открытые и закрытые поры. При пропитке они заполняются полимером полностью, частично, либо не заполняются вообще. Введение в композит полых внутри сферических частиц позволяет получать прочные легкие материалы с высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, к которым относятся сферопласты и синтактные пены.
К основным характеристикам порошков относят их истинную rист и насыпную rнас плотности. Параметры используются для расчета навесок материала и определения максимальной объемной доли наполнителя.
Максимальная объемная доля φm указывает на предельно возможное содержание вещества в полимерном композите. Параметр зависит от формы частиц и их упаковки. Наибольшей максимальной объемной долей обладают сферы. Для промышленно применяемых составов параметры φm находятся в диапазоне 0,15-0,95.
Прочность наполнителя влияет на эксплуатационные характеристики композита, однако ее определение для мелких частиц практически невозможно. Поэтому при расчетах используют показатели твердости.
К текстолитам относят разные по составу полимерные композиционные материалы, получаемые методом горячего прессования. Наполнителем могут выступать натуральные или искусственные ткани: хлопчатобумажные, стеклянные, углеродные, асбестовые, базальтовые. Технология производства включает стадии пропитки, сушки и последующего прессования. Изначально текстолиты выпускались исключительно в виде пластин, но в настоящее время возможно производство изделий различных форм.
В виду многообразия структур и компонентов текстолита их эксплуатационные свойства различны, а сфера применения широка. Марки включают материалы, поделочного, конструкционного, маслостойкого, электротехнического назначения. Из текстолита изготавливают столешницы, декоративные и строительные панели, печатные платы, подшипники, шестеренки, узлы деталей машин, работающих в агрессивных средах, амортизирующие прокладки, уплотнительные кольца, электроизолирующие детали. Мировое производство текстолита достигает уровня 500 тыс. тонн в год.
Волжский завод полимеров осуществляет производство композиционных материалов, которое включает в себя несколько экструзионных линий, срок эксплуатации которых не превышает трех лет. Производственный процесс осуществляются на немецком, японском и китайском оборудовании. Немецкое оборудование:«WERNER and PFLEINDERER ZSK-70», Японское оборудование: «NR-46mm SG Twin Screw Extuder», Китайское оборудование — Линия водокольцевой грануляции TSE75. Объём выпускаемой продукции составляет до 1000 тонн ежемесячно. Управление и обслуживание производственного процесса производится квалифицированным персоналом, который прошел обучение технологиям производства и эксплуатации оборудования.
