Армированные пластики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

 

 

ФЕДЕРЕЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕУТУРНО

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»  

 

ФАКУЛЬТЕТ  «ООФ»

Дисциплина «Химия древесины»

 

РЕФЕРАТ

На тему: «Армированные пластики»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр.3064.1  
Тухтаматов А.С

Проверила:

____________________ 

 

 

 

 

 

Томск 2015

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Армированные пластики (от лат. armo - укрепляю), композиц. материалы на основе полимерного связующего (матрицы) и упрочняющего (армирующего) наполнителя волокнистой структуры. В кач-ве связующего в А. п. применяют синтетич. смолы (эпоксидные, феноло-формальд., полиэфирные), кремнийорг. полимеры, полиамиды, полиимиды, полисульфоны, фторопласты и др. Наполнителями служат неорг. и орг. волокнистые материалы, используемые в виде мононитей, комплексных нитей, коротких (дискретных) волокон, жгутов, тканей, войлоков, нитевидных монокристаллов.

В зависимости от природы наполнителя различают след. виды А. п.: стеклопластики (наполнитель-стеклянное волокно),боропластики (борное волокно), асбопластики (асбестовое волокно), углепластики (углеродное волокно), древесные слоистые пластики (древесный шпон) и др. А. п. с наполнителями в виде коротких волокон наз. волокнитами, в виде тканей -текстолитами, в виде бумаги -гетинаксами. По характеру ориентации волокон различают однонаправленно, перекрестно и пространственно армированные пластики.

2. Общая характеристика  армированных пластиков

Армированные пластики широко применяются в авиационно-космической технике, различных отраслях машиностроения, строительстве, при изготовлении аттракционов, водных горок, бассейнов, спортинвентаря и других товаров народного потребления.  
К достоинствам армированных пластиков относятся:  
- высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов;  
- устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий;  
- низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию мобильной техники;  
- высокая технологичность, заключающаяся в возможности изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей технологической оснастки и оборудования;  
- возможность регулирования в широких пределах тепло- и электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа применяемых армирующих волокон;  
- возможность ремонта в «полевых» условиях без применения специального оборудования;  
- низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из армированных пластиков;  
- работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.  
 
Наибольшее распространение получили армированные полимерные композиты с использованием в качестве арматуры текстильных материалов на основе стекловолокна, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами.  
Все необходимое сырье для производства стеклопластиков появилось еще в 30-х годах прошлого века. Массовое производство стеклянных нитей и пряжи стало возможным в 1932 году, когда была разработана технология производства стеклянных волокон из расплава. Подходящие для производства стеклопластиков связующие также появились в тридцатых годах ХХ столетия, когда в США была разработана технология изготовления полиэфирных смол. Чуть позже появились и перекисные отверждающие системы для этих смол. Принципиально с тех пор сырьевая база не изменилась, хотя, конечно, до сих пор проводится ее совершенствование и создание и новых смол, и новых отвердителей, и новых стекломатериалов.  
В 40-х годах прошлого века появилась и острая нужда в новых материалах, способных удовлетворить требования создателей морской и авиационной военной техники.  
Первым массовым потребителем полиэфирных стеклопластиков в гражданских отраслях промышленности стало производство судов. В 60-х годах прошлого века этот сектор стал крупнейшим потребителем армированных композитов, а чуть позже в лидеры вышла автомобильная промышленность благодаря крупносерийности своего производства.  
 
Увеличение требований к армированным материалам привело к использованию в полимерных композитах сначала углеродных, а позднее органических высокомодульных волокон типа СВМ и кевлар. Этого требовало создание современной ракетно-космической и авиационной техники, необходимость снижения ее массы и одновременного повышения прочности и выносливости, а также обеспечения специальных технических свойств.  
 
Наряду с разработкой новых материалов совершенствовались и технологии изготовления изделий из армированных композиционных материалов. Если первые изделия из стеклопластиков производились путем укладки на болванку стеклоткани, пропитанной композицией, содержащей смолу и отвердитель, то позже появились оборудование и технологии, позволяющие непрерывно напылять на технологическую оснастку все компоненты композиции - и рубленое стекловолокно, и смолу, и отвердитель - одновременно в заданном соотношении. Это, конечно, резко повысило производительность труда, улучшило санитарно-гигиенические условия, снизило себестоимость продукции из стеклопластика и позволило перейти к серийному производству крупногабаритных изделий из них.  
Позднее были разработаны еще более совершенные, высокопроизводительные технологии, позволяющие получать изделия с высокими эстетическими свойствами и меньшими отходами производства способами намотки, пултрузии, впрыска в закрытую форму и др.  
Таким образом, потребности промышленности в более совершенных материалах и технологиях с одной стороны, и возможности, появившиеся при создании новых сырьевых материалов и оборудования с другой стороны, способствовали расширению применения армированных пластиков в различных отраслях экономики. 

3. Структура и свойства  армированных пластиков

К армированным композитам принято относить материалы искусственного происхождения сложного состава, имеющие не менее двух непрерывных фаз с общей границей раздела. Одна из фаз называется матрицей, она отвечает за форму изделия, устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкость, ударную прочность и другие свойства.  
Не следует путать связующее с матрицей. Связующее - это полимерная основа, из которой после соответствующей обработки и образуется матрица. Важные характеристики связующего - технологические: вязкость, смачивающая способность, живучесть и др.  
Второй обязательной фазой композиционного материала является армирующий наполнитель, частицы которого должны иметь длину не менее критической lх, при которой может быть реализована прочность волокна. Критическая длина волокна зависит от его диаметра d, прочности при разрыве sв, прочности при сдвиге tсдв. на границе раздела «волокно - матрица» и может быть рассчитана по уравнению:  
Большую роль в формировании свойств композиционного материала играет межфазный слой на границе раздела матрицы и армирующей фазы. Подсчитано, что площадь контакта между ними в 1 мм2 композита с содержанием волокна 50 % по объему составляет 450-600 мм3.  
Межфазный слой имеет и состав, и структуру, отличающиеся от состава и строения матрицы, поскольку помимо материала самой матрицы он включает в себя и некоторые продукты, входящие в состав армирующего наполнителя. Межфазный слой неоднороден по составу, а его толщину точно определить нельзя, поскольку состав и структура граничного слоя изменяются не скачкообразно. Тем не менее, толщину межфазного слоя определяют экспериментально и расчетным путем, принимая за нее такую его протяженность, на которой его состав и свойства изменяются по отношению к матрице и армирующему волокну в заданных пределах.  
Толщина межфазного слоя у различных материалов колеблется в значительных пределах: от 0,01 до 5 мкм. Его роль в формировании свойств полимерного композита велика, а потому изучению и управлению процессами формирования межфазного слоя придается большое значение.  
Широкому использованию армированных пластиков способствуют их высокие прочностные свойства.  
Из табл.1 видно, что по удельным прочностным свойствам армированные полимерные композиты намного превосходят металлические сплавы.  
В общем виде свойства армированных пластиков зависят от многих факторов, в том числе:  
- природы, структуры и предыстории армирующего наполнителя;  
- химической природы полимерной матрицы;  
- соотношения содержания полимера и армирующего наполнителя;  
- природы и содержания других компонентов;  
- технологии изготовления.  
 
Современная наука позволяет конструировать армированные композиционные пластики, изменяя их состав и структуру, добиваясь максимально полного удовлетворения предъявляемых к ним требований.  
Следует различать конструирование материалов и конструирование изделий, хотя применительно к армированным композитам, как правило, изготовление изделия и материала происходят одновременно. Но и в этом случае структура материала и структура изделия - различные понятия, хотя их формирование происходит одновременно.  
 
Таблица 1. Свойства конструкционных материалов

 
* (1:0) и (2:1) - соотношение содержания  волокон вдоль и поперек Классификация  армированных пластиков 
 
К признакам классификации армированных пластиков относятся:  
 
- химическая природа связующего; оно может быть термореактивным или термопластичным, от чего зависят многие эксплуатационные свойства армированных пластиков, например, отношение к растворителям, теплостойкость и другие, а также возможность рационального использования отходов их производства и потребления;  
- тип армирующего волокна; широко используются стеклянные, угольные, органические, базальтовые, борные и другие волокна;  
- форма армирующих элементов; они могут быть в виде волокон, нитей, жгутов, матов, тканей, пленок, лент;  
- схемы армирования, которые бывают одно-, двух- и трехмерные; возможно также хаотичное армирование дискретными волокнами;  
- степень армирования; в зависимости от типа армирующего материала она может быть низкой, высокой и предельной. При низкой степени армирования содержание волокон не превышает 40 % по массе; при высокой степени армирования содержание волокон может достигать 75-92 % по объему. Предельное армирование осуществляется вообще без связующего путем оплавления части полимерных волокон, содержание которых в исходной композиции составляет 100 % (так называемое «перепрофилирование волокон»);  
- назначение; по этому признаку армированные полимерные композиты подразделяют на высокопрочные, морозостойкие, теплостойкие, трудногорючие, электротехнические, износостойкие и др.;  
- технология производства; армированные полимерные материалы получают литьем под давлением, экструзией, намоткой, напылением, пултрузией, выкладкой и другими способами.

 

4. Связующие для армированных  полимерных материалов

 

  
Основные требования к связующим для производства армированных полимерных композитов состоят в следующем: 

 - хорошее смачивание армирующего наполнителя;  
- высокая адгезия к армирующему наполнителю;  
- низкая усадка при отверждении;  
- высокая прочность в отвержденном состоянии;  
- регулируемое во времени отверждение при комнатной температуре;  
- отсутствие летучих компонентов;  
- длительная стабильность при хранении;  
- высокие эксплуатационные характеристики (теплостойкость, светостойкость, водостойкость, химическая стойкость и др.);  
- низкая стоимость;  
- возможность простой утилизации отходов.  
В качестве связующих материалов полимерных армированных пластмасс используют термопласты и реактопласты.  
Термопласты - полиамиды, полиимиды, полипропилен, полисульфон и другие - обладают высокой вязкостью (при комнатной температуре являются твердыми материалами). Пропитка армирующих волокнистых материалов термопластичными связующими возможна только после перевода их в вязкотекучее состояние.  
Вместе с тем, использование термопластов в качестве связующих при производстве армированных пластиков имеет и важные преимущества. Во-первых, при их использовании практически не выделяются в рабочую зону токсичные газообразные продукты, как это имеет место при использовании олигомерных связующих. А во-вторых, отходы производства армированных пластиков на основе термопластов легко утилизируются, так же как и другие термопластичные полимеры, поскольку их макромолекулы не связаны между собой химическими связями.  
Особый интерес имеет возможность получения на основе термопластов «предельноармированных» пластиков с содержанием армирующих волокон до 100 %. Такие армированные композиты получают путем оплавления при нагревании части полимерных волокон.  
Армированные композиты на основе термопластичной матрицы отличаются низкими остаточными напряжениями, высокой ударной вязкостью (более 600 кДж/м2), морозо- и теплостойкостью (их эксплуатация возможна в интервале температур от -60 до +250 °С) и другими важными рабочими характеристиками.  
Заготовки для изготовления изделий из армированных термопластов имеют практически неограниченный срок хранения, что упрощает организацию технологического процесса производства изделий из них.  
Одной из перспективных технологий производства армированных пластиков на основе термопластов является производство тканых полотен из смеси волокон, часть из которых при формовании изделия расплавляется и связывает остальные нерасплавленные волокна. Последние играют роль армирующего наполнителя. Полуфабрикаты из таких смесовых тканей обладают равномерностью структуры и постоянством сырьевого состава. Производство изделий из смесовых тканей легко механизируется и может быть осуществлено на обычных гидравлических прессах.  
Разрабатываемые в последнее время технологии производства армированных композиционных материалов на основе термопластичных связующих, а также технологии формования изделий из смесовых текстильных полуфабрикатов создают предпосылки для более широкого их использования при производстве продукции массового спроса.  
В настоящее время более широко в производстве армированных пластмасс используются олигомеры, которые после отверждения в присутствии отвердителя превращаются в реактопласты. Это объясняется их лучшей технологичностью, т.к. во время пропитки они являются вязкими жидкостями. В качестве олигомеров для получения связующих применяют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы.  
 
Свойства отвержденных полимерных связующих приведены в табл. 2.  
 
Таблица 2. Свойства отвержденных связующих для производства армированных пластиков 

 
В композицию, используемую для пропитки, помимо связующего, входят отвердитель, ускоритель отверждения, пигменты и другие добавки, регулирующие свойства смолы и, в конечном счете, будущего готового продукта - стеклопластика. Сравнительные свойства стеклопластиков, изготовленных с применением в качестве связующего олигомерных смол, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Свойства стеклопластиков на основе некоторых связующих

Как видно из приведенных в табл. 3 данных, стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают более высокой прочностью при всех видах нагружения. Кроме того, они имеют более высокую выносливость при различных нагрузках. По теплостойкости их превосходят материалы на основе кремнийорганических и фенолформальдегидных смол.  
 
Наибольшее применение в качестве связующего армированных пластиков находят ненасыщенные полиэфирные смолы благодаря низкой стоимости и высокой технологичности.  
 
Роль матрицы, сформированной из связующего, чрезвычайно велика. Благодаря ее непрерывности и адгезионной связи с наполнителем прилагаемые к композиту напряжения распределяются по всему объему материала и воспринимаются высокопрочными волокнами. В то же время именно матрица определяет такие важнейшие свойства композита, как тепло-, огне-, биостойкость, устойчивость к УФ, радиационному и химическому воздействию.  
 
Требования к физико-механическим свойствам связующих определяются условиями эксплуатации изделий из композитов. Весьма важны и их технологические свойства, от которых зависит возможность производства композиционного материала. Так, например, вязкость олигомера оказывает непосредственное влияние на возможность пропитки им наполнителя, а адгезионные свойства влияют на прочность связи между наполнителем и матрицей. Температурный коэффициент линейного расширения, который, у матрицы может быть в десятки раз больше, чем у волокна, влияет на возможность расслоения композита уже при изготовлении изделия, поскольку отверждение большинства используемых полимеров происходит с выделением тепла.  
 
Анализируя условия эксплуатации изделий из композитов, а также технологии их формования, не трудно представить, сколь многообразны, а порой и противоречивы требования к свойствам связующих, используемых для формования матриц. Скажем, требование к такому важному свойству матрицы, как пластичность, противоречиво. С одной стороны повышение пластичности способствует снижению хрупкости материала. В то же время высокая пластичность матрицы не только отрицательно влияет на прочностные свойства композита, но и снижает теплостойкость и другие характеристики материала. Поэтому связующее должно обладать не просто высокой или низкой пластичностью, а иметь значение этого показателя в узких, оптимальных для конкретного композиционного материала, пределах. Таким образом, важна оптимизация свойств полимерного связующего.  
 
Улучшение свойств матриц достигается путем создания новых полимеров, изменения структуры существующих, введением различных добавок. В частности, повышение теплостойкости композитов, которая характеризуется способностью материала сохранять структуру при нагревании, достигается использованием полимеров с высокой жесткостью цепей и оптимальным с точки зрения переработки межмолекулярным взаимодействием.  
 
Термостойкость, т.е. способность материала сохранять химическую структуру при нагревании, достигается при использовании полимеров с прочными химическими связями.  
 
Примером того, как достигаются заданные свойства полимеров различными путями, является повышение их огнестойкости. С этой целью используют специальные полимеры, устойчивые к термоокислительной деструкции, совершенствуют структуру готового материала, исключая пористость и рыхлость, вводят в полимерную композицию различные антипирены, подавляющие горение.  
 
Такой важный показатель для многих областей применения композиционных материалов, как водостойкость, также зависит от химической и физической структуры связующего, а также от физического строения матрицы.  
 
Поэтому, при создании композитов необходимо учитывать все физико-механические и технологические свойства связующего, а также все виды взаимодействия между различными составляющими композита, которые могут изменить характеристики материала в целом.  
 
Принимая во внимание возрастающие требования к композиционным материалам, связанные с ужесточением условий их работы, в последние годы проводятся исследования по созданию полимерных связующих для матриц, обеспечивающих высокие прочностные свойства (до 250 МПа), теплостойкость (до 300 °С), низкое водопоглощение (до 1 %). Использование таких связующих хотя и позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики композиционных материалов, но создает значительные трудности для реализации технологий производства из них изделий, поскольку температура их переработки достигает 350 °С.

5. Виды армирующих наполнителей

Несмотря на то, что теоретическая прочность полимеров составляет ~19000 МПа, реальная их прочность не превышает 100-200 МПа, что связано с большим количеством дефектов в их структуре. В то же время прочность некоторых, в том числе высокомодульных полимерных, стеклянных, углеродных и других волокон равна 4000-5000 МПа, а некоторых еще выше. Поэтому для производства высокопрочных полимерных композитов широко используются армирующие органические и неорганические волокна, а также текстильные материалы на их основе.  
 
Химическая природа волокон, используемых для производства армированных пластиков, многообразна. Это могут быть полимерные материалы, стекло различного состава, углерод, базальт и др. Прочностные свойства некоторых видов волокон приведены в табл. 4.  
 
Таблица 4. Свойства армирующих волокон

 
Как видно из данных табл. 4, свойства волокнистых армирующих материалов различной химической природы принципиально отличаются друг от друга. Кроме того, свойства армирующего материала одной природы могут отличаться на десятки процентов только от того, какова его предыстория: температура и продолжительность сушки, длительность контакта с кислородом воздуха, условия обжига замасливателя и нанесения аппрета, его природа и др.  
 
Наиболее широко для получения полимерных композиционных материалов используются армирующие наполнители на основе стеклянного волокна. Химический состав стекла влияет на свойства волокна и в конечном итоге на свойства композиционных материалов. Основу стекол, используемых для производства волокон, составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция. Кроме того, для достижения специальных свойств в стеклянную массу добавляют в небольших количествах оксиды бора, натрия, циркония и др.  
 
Выбор стекловолокна определяется назначением стеклопластика и технологией его переработки. При изготовлении стеклопластиков общего назначения на основе полиэфирных смол используются армирующие наполнители из стекловолокна типа Е, имеющего следующие характеристики: плотность - 2,58 г/см3, температуру плавления - 846 °С, прочность при разрыве - 3445 МПа, модуль упругости - 72 ГПа и удлинение при разрыве - 4,8 %. 
 
Как отмечено выше, структура армирующих материалов многообразна. Для армирования стеклопластиков применяются однонаправленные непрерывные наполнители в виде нитей и жгутов (ровингов), ткани и сетки, нетканые материалы в виде матов, трикотажные полотна, рубленые волокна и др.  
 
Широкое применение для производства стеклопластиков находит ровинг, представляющий собой непрерывную прядь из многих волокон.  
 
Ровинги используются при производстве тканей и холстов, при изготовлении стеклопластиков путем намотки и напыления (с предварительным измельчением) и для других целей. В зависимости от назначения используются ровинги с различным содержанием элементарных волокон в комплексной нити.  
 
Структура ткани определяется видом переплетения нитей. При выборе ткани руководствуются назначением стеклопластика. Различают полотняное, сетчатое, саржевое, сатиновое и другие переплетения.  
 
Для конструкционных стеклопластиков используют стеклоткани сатинового или саржевого переплетения из крученых комплексных нитей или даже из ровинга. Стеклопластики электротехнического или теплоизоляционного назначения изготавливают, используя ткани полотняного переплетения.  
 
Стекломаты из рубленых жгутов представляют собой наиболее распространенный тип волокнистого наполнителя, который особенно часто используется при контактном формовании. В стекломате хаотически распределены рубленые пряди, состоящие из элементарных волокон и нитей длиной около 50 мм, соединенных друг с другом специальной связкой. В зависимости от назначения мата применяются связки, обладающие разной растворимостью в различных смолах. По мере того, как стекломат смачивается смолой, связка растворяется в ней, обеспечивая свободное перемещение пучка волокон, что облегчает распределение материала по поверхности формы. Содержание армирующего наполнителя в стеклопластике при использовании стекломата ниже, чем при применении тканых материалов.  
 
Содержание волокна оказывает решающее влияние на свойства стеклопластика. На рис. 1 показано изменение характеристик материала в зависимости от содержания в нем стекловолокна.  
 
Рис. 1. Влияние содержания волокна на разрушающее напряжение при растяжении (sр), изгибе (sи) и ударную вязкость (а)