Армированные пластики

 
Стекловолокно при производстве покрывается замасливателем, который соединяет элементарные волокна в первичную нить, предотвращая их слипание между собой и облегчая размотку и кручение нитей при производстве из них жгутов. Важная роль замасливателя заключается и в том, что он защищает волокна от истирания и разрушения в процессе производства текстильных материалов из нитей, а также препятствует накоплению зарядов статического электричества.  
 
После производства текстильного материала и выполнения своих функций замасливатель удаляют, т.к. он мешает пропитке стекловолокнистого наполнителя полимерным связующим. Удаление замасливателя производят путем выжигания при термической обработке при температуре около 800 °С или путем растворения в соответствующем замасливателю растворителе.  
 
Для улучшения взаимосвязи связующего со стеклонаполнителем на поверхность последнего наносят аппреты, которые имеют функциональные группы. Благодаря им аппреты способны взаимодействовать и со связующим, и со стекловолокном. Роль таких веществ выполняют кремний- и металлоорганические соединения с аминными, гидроксильными или эпоксидными группами.  

Применение углеродных волокон для получения полимерных композиционных материалов позволило решить ряд новых технических задач, что связано с уникальностью свойств армирующих материалов на основе углерода. Так, углеродные волокна обладают высокими прочностными характеристиками, низкой плотностью, тепло- и электропроводностью, химической стойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения, высокой устойчивостью к ионизирующему излучению, низким коэффициентом трения и др.  
Благодаря этому армированные углеродными волокнами полимеры (углепластики) нашли применение в ракетостроении и химическом машиностроении, авиационной и космической технике, в производстве спортивного инвентаря и товаров ширпотреба. Лучшие марки отечественного углеродного волокна имеют прочность при растяжении свыше 4,0 ГПа и модуль упругости около 240 ГПа при плотности 1,75 г/см3, что выгодно отличает их от других армирующих наполнителей. Известны углеродные высокомодульные волокна со значениями этих характеристик 3,3 ГПа, 500 ГПа и 1,95 г/см3 соответственно.  
Углеродное волокно состоит из тончайших фибрилл, диаметр которых составляет 1-2 нанометра. Волокно имеет полую замкнутую структуру, поры занимают до 30 % объема волокна.  
Получают углеродные волокна из полимерных нитей и волокон. Технология производства сложна и многостадийна. Процесс проводится при высоких температурах. Основная цель при получении углеродных волокон заключается в карбонизации и графитизации используемых высокомолекулярных продуктов. Большое влияние на качество углеродного волокна оказывает подготовка исходных полимерных волокон.  
При карбонизации из полимерных волокон удаляются все химические элементы, кроме углерода. Продуктом карбонизации является твердый углеродный материал с поликристаллической структурой. Процесс проводится в отсутствие кислорода, т.е. в инертной или даже восстановительной среде.  
 
На стадии графитизации, которая проводится при 2000-2400 °С, структура волокон упорядочивается и приобретает многослойность, характерную для гексагональной структуры монокристалла графита.  
 
Для производства углепластиков используют дискретные углеродные волокна, углеродные нити, ленты и тканые материалы.  
 
В зависимости от вида армирующего углеродного материала углепластики подразделяются на углеволокниты, углетекстолиты и углепрессволокниты. Углеволокниты изготавливаются с применением непрерывных углеродных нитей и жгутов. Углетекстолиты изготавливают с использованием тканей или тканых лент различного переплетения. Углепрессволокниты производят на основе дискретных волокон.  
Свойства углепластиков, так же как и стеклопластиков, зависят от характеристик армирующих материалов, вида и текстуры волокна, степени наполнения, свойств полимерной матрицы и т.д.  
Оптимальное содержание углеродных армирующих материалов в углепластике составляет 52-60 % по массе в зависимости от его вида.  
Отличительные особенности углепластиков, которыми они обладают благодаря углеродным волокнам, - высокая прочность при чрезвычайно высоком модуле упругости и низких плотности и ползучести. Кроме того, у них очень высокая теплостойкость и устойчивость к термическому старению. Они длительно (500-1000 ч) выдерживают механические напряжения при одновременном воздействии температур до 200 °С. Эти материалы обладают в 2-3 раза более высокой усталостной прочностью, чем стеклопластики.  
 
Характерной особенностью углепластиков является высокая анизотропия всех механических и электрофизических свойств, которая в 2-3 раза выше анизотропии свойств стеклопластиков (табл. 5).  
 
Таблица 5. Анизотропия свойств углепластиков

 
Поэтому при проектировании структуры углепластиков и изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия нагрузок при эксплуатации.  
 
Среди недостатков углепластиков - меньшая, по сравнению с другими армированными пластиками, удельная ударная вязкость, недостаточная трещиностойкость и более высокая чувствительность к концентрации напряжения. Чередование в структуре материала армирующих наполнителей различной химической природы позволяет устранить эти недостатки. С этой целью производят комбинированные ткани на основе смесей стеклянных и углеродных волокон.  
Для производства базальтопластов используют волокна, нити, ленты, ткани и нетканые полотна различной структуры. Базальтопласты обладают высокой теплостойкостью, химической стойкостью, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования асбопластиков. Базальтопласты сохраняют свои высокие диэлектрические, прочностные и фрикционные характеристики до температур 300-450 °С в зависимости от природы связующего полимера.  
 
Интересными свойствами обладают органопласты, в которых армирующей фазой являются полимерные волокна. Свойства полимер-полимерных композитов определяются особенностями химического и физического строения полимерных волокон. Для их изготовления могут применяться карбо- и гетероцепные полимеры (полиамид, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полипропилен, политетрафторэтилен и др.). Однако применение этих полимеров ограничено вследствие низких прочностных свойств получаемых на их основе композитов.  
 
Более широко для получения армирующих волокон используются высокопрочные высокомодульные полимеры. Предельно ориентированные арамидные волокна на основе ароматических полиамидов выпускаются в разных странах под различными названиями. В России - это СВМ и армос, в США - кевлар. Из таких волокон изготавливают комплексные нити, жгуты, ленты, ткани, нетканые материалы и другие армирующие наполнители.  
 
Высокомодульные органические волокна в силу своего химического строения и надмолекулярной организации обладают чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем упругости (до 160-180 ГПа), они термо- и теплостойки, устойчивы к воздействию органических растворителей, нефтепродуктов и минеральных масел.  
Полимерная природа волокнистого наполнителя придает органопластам способность к пластической деформации без хрупкого разрушения. В органопласте, армированном полимерными волокнами, происходит диффузия полимерного связующего в поверхностные слои волокон с образованием промежуточного межфазного слоя. Благодаря этому свойства наполнителя в составе композиционного материала отличаются от свойств исходного волокна. Степень отличия зависит от термодинамической совместимости двух полимеров, из которых изготовлены матрица и волокно.  
 
Развитый межфазный слой в органопластах на границе раздела «волокно - матрица» принципиально отличает эти материалы от угле- и стеклопластиков. Такие материалы обладают более высокими ударной вязкостью, вибропрочностью, эрозионной стойкостью и усталостной прочностью. Благодаря наличию высокоразвитого и неоднородного по толщине межфазного слоя при разрыве органопластов образуется кратероподобная поверхность разрушения (рис. 2,а). Иной характер носит картина разрушения стеклонаполненного композита: армирующее стеклянное волокно при его разрушении вырывается из полимерной матрицы (рис. 2,б). 
 
Рис. 2. Морфология поверхностей разрушения армированных пластиков с полимерным волокном «фенилон» (а) и стекловолокном (б)

 
Исключительно ценными свойствами обладают керамические волокна, состоящие из оксидов металлов (металлооксидная керамика на основе оксидов Al, Zr, Be, Mg, Ti и др.) и имеющие поликристаллическое строение. Основные достоинства таких волокон - чрезвычайно высокая термостойкость, высокие прочностные свойства, износостойкость и др. Основные области применения армированных этими волокнами материалов - производство теплозащитных покрытий, материалов специального назначения для оборонной и космической техники.  
Прекрасные результаты получены при создании комбинированных композитов, так называемых «алоров», в которых органопласты чередуются с листами алюминиевых сплавов. Такое сочетание позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой усталостной прочностью, что проявляется в снижении скорости разрастания трещин и увеличении продолжительности их распространения в материале. По мере роста трещины в таком материале снижается скорость ее распространения вплоть до самопроизвольной остановки.  
 
Таким образом, современная промышленность производит различные армирующие материалы для изготовления полимерных композитов. Они отличаются друг от друга не только структурой (волокна, нити, жгуты, ленты, текстильные полотна), но и химической природой (стеклянные, углеродные, базальтовые, полимерные, керамические и др.). Все это позволяет выбирать вид армирующих материалов и конструировать армированные полимерные композиционные материалы с учетом требований, предъявляемых к изделию его конструкцией, назначением и условиями эксплуатации. 

6. Список используемых  литературы

1. "Полимерные композиционные материалы" Бобович .Б.Б

2. http://plastinfo.ru  (Армированные пластики)