5.4.2. Polymérne matricové kompozity

Kompozitné materiály s polymérnou matricou sa vyznačujú nízkou hustotou (1200 ... 1900 kg / m 3), nízkou vrubovou citlivosťou, tepelnou a elektrickou vodivosťou, vysokou únavou a špecifickou pevnosťou, spracovateľnosťou, rádiovou priehľadnosťou (množstvo materiálov) atď. Ako polymérne matrice pre kompozity sa používajú termosetové (hlavne) a termoplastické polyméry a plnivá - ktorékoľvek z vyššie uvedených.

Materiály na báze termoplastických polymérov s disperznými plnivami rôzneho charakteru (mastenec, grafit, oxidy kovov, vrstvené tuhé mazivá, kovové prášky, diskrétne sklolaminát a pod.) sa používajú na výrobu ľahko a stredne zaťažovaných častí strojov a prístrojov, častí karosérií, ozubených kolies a ozubených kolies, ložiská a tesnenia, hnacie remene, nádoby atď.

Spomedzi termoplastických kompozitov sú najpoužívanejšie materiály plnené sklom. Ako plnivo sa používajú vlákna s priemerom 9 ... 13 mikrónov z bezalkalického hlinitokremičitanového skla, krátke (dĺžka 0,1 ... 1 mikrónov) a dlhé (dĺžka 3 ... 12 mm) so stupňom plnenia 10 ... 40% polymérnej hmoty. Vyrábajú sa sklom plnené plasty na báze polyamidov, polykarbonátov, polypropylénu a iných termoplastov. Plnenie termoplastov skleneným vláknom zvyšuje pevnostné charakteristiky polymérov a tepelnú odolnosť, znižuje tečenie 1,5 ... 2 krát, znižuje tepelnú rozťažnosť 2 ... 7 krát, zvyšuje medzu odolnosti a odolnosť proti opotrebeniu. Zavedenie pevných vrstvených mazív do kompozitov, ako je grafit, sulfid molybdénu, nitrid bóru atď., znižuje koeficient trenia polymérov a zvyšuje ich odolnosť proti opotrebovaniu.

Pevnosť kompozitov na báze termoplastov dosahuje 150 ... 160 MPa pri dostatočne vysokej rázovej húževnatosti (KCU = 8 ... 60 J/m2).

Kompozitné materiály na báze termosetových plastov sú založené na polyméroch, ktoré vytvrdzujú zahriatím alebo pôsobením tvrdidiel na vytvorenie trojrozmernej polymérnej štruktúry.Kompozity na báze fenolformaldehydových, močovinoformaldehydových, melamínformaldehydových, organokremičitých a iných živíc patria medzi vytvrdzované zahrievaním. Druhý typ zahŕňa kompozity na báze polysiloxánov, epoxidových živíc a nenasýtených polyesterov.

Termosetové plasty sa na rozdiel od termoplastov vyznačujú úplnou absenciou tečenia za studena, majú výrazne väčšiu tepelnú odolnosť, sú nerozpustné a mierne napučiavajú. Vykazujú stabilitu vlastností až do teploty tepelnej odolnosti, schopnosť odolávať dlhodobému zaťaženiu pri teplotách od -60 do +200 ... 300 ° C v závislosti od typu polyméru a majú dobré dielektrické vlastnosti. Tieto materiály sú však technologicky menej pokročilé ako termoplasty.

Najväčšiu priľnavosť k plnivu majú epoxidové živice. Vytvrdené epoxidové živice sú odolné voči zásadám, oxidačným činidlám a väčšine organických kyselín. Kompozity na ich báze však majú nízke mechanické vlastnosti, tepelnú odolnosť do 200 °C, okrem toho sú tieto živice toxické.

Najvyššiu tepelnú odolnosť (do 280 ... 350 °C) majú kompozity na báze organokremičitých a polyimidových spojív.

Použitie epoxidových živíc a nenasýtených polyesterov umožňuje získať materiály schopné vytvrdzovania pri izbovej teplote (vytvrdzovanie za studena), čo je veľmi dôležité pri výrobe produktov veľkých rozmerov.

Kompozitné materiály s disperzné plnivá ktoré sa používajú ako prášky organických (drevná múčka, celulóza) a minerálnych (kremeň, mastenec, sľuda, oxidy kovov, tuhé vrstvené mazivá vrátane grafitu, sulfidu molybdénu, nitridu bóru) látok, majú izotropné vlastnosti, nízku mechanickú pevnosť a rázovú húževnatosť .

Ako vláknité výstužné materiály používajú sa bavlnené kúdele, kordové nite, azbestové vlákno, sklolaminát. Podľa toho sa tieto materiály nazývajú vlákna, kordové vlákna, azbestové vlákna, sklenené vlákna.

vlákna - plasty na báze bavlneného lintera impregnovaného fenolformaldehydovou živicou. Materiály majú zvýšenú rázovú húževnatosť (až 10 kJ/m 2 ) v porovnaní s lisovacími práškami, ale majú výrazne nižšiu tekutosť, ktorá neumožňuje získať tenkostenné diely. Vlákna majú nízke dielektrické vlastnosti, sú nestabilné voči tropickému podnebiu a majú anizotropné vlastnosti. Používajú sa na výrobu všeobecných technických výrobkov so zvýšenou odolnosťou proti vibráciám a rázovému zaťaženiu, pracujúcich v ohybe a krútení, napríklad remenice, príruby, rukoväte, kryty atď.

Azbestové vlákna - kompozity obsahujúce vláknitý minerál - azbest, štiepiaci sa na tenké vlákna s priemerom do 0,5 mikrónu. Ako spojivo sa používajú fenolformaldehydové a organokremičité živice. Majú vysokú rázovú húževnatosť a tepelnú odolnosť do 200 °C, sú odolné voči kyslému prostrediu a majú dobré trecie vlastnosti. Používajú sa najmä ako materiály pre brzdové zariadenia (brzdové doštičky, obloženia, spojkové kotúče).

Azbestové vlákna na báze fenol-formaldehydu sa používajú na výrobu vysoko pevných tepelne odolných dielov na elektrotechnické účely (elektrické panely, vysokonapäťové a nízkonapäťové kolektory) a na báze organokremičitých polymérov - pre diely, ktoré sú v prevádzke po dlhú dobu. pri teplotách do 200 ° C (materiál K-41-5) a pre oblúkové komory vysokovýkonných stýkačov, svorkovníc (KMK-218). Najnovšie materiály sú odolné voči tropickým vplyvom. faolit - asb vlákno, získané impregnáciou asb vlákien fenolformaldehydovou živicou a následným valcovaním zmesi, sa používa na výrobu rúr a nádob odolných voči kyselinám.

Sklolaminát sú plasty obsahujúce sklolaminát ako plnivo. Používajú sa sklenené vlákna s priemerom 5 ... 20 mikrónov, vysokopevnostné s pevnosťou v ťahu  V = 600 ... 3800 MPa a vysokomodulové (VM-1, VMP, M-11), s  V = 3900 ... 4700 MPa a modul pružnosti pri napínaní až 110 GPa. Používajú sa vlákna, nite, zväzky rôznych dĺžok, čo do značnej miery určuje rázovú pevnosť sklolaminátu. Čím je vlákno tenšie, tým je menej defektov a tým vyššia je pevnosť.

Mechanické vlastnosti sklolaminátu závisia od zloženia, množstva a dĺžky sklolaminátu, typu spojiva, fyzikálnych a chemických procesov prebiehajúcich na rozhraní medzi sklolaminátom a spojivom a od spôsobu spracovania. Napríklad nahradenie skleneného vlákna zo skla E (hlinitosilikát bez alkálií) skleneným vláknom S (vysokopevnostné voči teplu) v epoxidovom spojive môže zvýšiť pevnosť kompozitu o 40 %.

Pre zlepšenie zmáčavosti sklolaminátu spojivom, zníženie pnutia vznikajúceho na rozhraní, zvýšenie adhézie medzi vláknom a spojivom, konečná úprava (úprava) vlákien zlúčeninami obsahujúcimi rôzne reaktívne skupiny (vinyl, metakryl, fenyl, amino a iminoskupiny atď.). Zníženie napätí v hraničnej vrstve spojiva s vláknom, zníženie zmršťovania a pórovitosti, zvýšenie tepelnej odolnosti je uľahčené zavedením práškových plnív do spojiva, najmä prášku z vytvrdeného spojiva.

Sklolaminát sa delí na: spletené vláknité, zrnité a jemne rozptýlené lisovacie hmoty.

Zamotané sklenené vlákno získané impregnáciou vláknitých segmentov s dĺžkou 40 ... 70 mm, po ktorej nasleduje načechranie a sušenie na odstránenie rozpúšťadla (napríklad AG-4V). Nevýhodou týchto materiálov je nerovnomerné rozloženie spojiva, väčší rozptyl mechanických vlastností a menšia tekutosť v porovnaní s inými sklolaminátmi.

Granulované sklolaminát(premixy) získané impregnáciou neskrútených sklenených vlákien a sklenených zväzkov, po ktorej nasleduje sušenie a rezanie na granuly s dĺžkou 5, 10, 20 a 30 mm. Priemer granúl 0,5 ... 8 mm. Materiál má dobrú tekutosť a tekutosť, väčšiu stabilitu mechanických vlastností. Do tejto kategórie materiálov patrí dávkovanie sklolaminátu DSV.

Lisy na jemné sklenené vlákna sa vyrábajú zmiešaním drvených sklenených vlákien do dĺžky 1,5 mm so spojivom s následnou granuláciou (granule veľkosti 3 ... 6 mm). Tiež vyrábané "sklenené štiepky" s granulami do dĺžky 10 ... 50 mm z impregnovaného sklolaminátového odpadu.

Sklolaminát granulovaný s granulami do veľkosti 6 mm sa spracováva vstrekovaním. Jemne rozptýlené sklolaminát je možné spracovať vstrekovaním a pri výrobe výrobkov s kovovým príslušenstvom - vstrekovaním. Sklolaminát s dĺžkou zrna 10 mm sa spracováva liatím a priamym lisovaním a s dĺžkou zrna 20 a 30 mm iba priamym lisovaním.

Sklolaminát sa používa na výrobu častí karosérie, prvkov štítov, izolátorov, konektorov, aerodynamických krytov antén atď. Výrobky prevádzkované pri teplotách od -60 do +200 °С sú vyrobené na báze anilín-fenol-formaldehydových živíc a bezalkálií aluminoborosilikátových sklenených vlákien a pre teplotný rozsah - 60 ... +100 °С na báze epoxidové živice.

Sklolaminát na báze organokremičitých živíc sa prevádzkuje do teploty 400 °C, s použitím kremenného alebo kremičitého vlákna krátkodobo a pri vyšších teplotách. Pre tepelne tienenie dielov sa používajú sklenené vlákna na báze kremičitých vlákien a fenolformaldehydových živíc.

Na báze sklenených rohoží a nenasýtených polyesterových živíc, predimpregnované lamináty, ktoré sa používajú na výrobu veľkorozmerných dielov (karosérie, člny, časti karosérie prístrojov a pod.). Použitie orientovaných vlákien umožňuje získať sklenené vlákna so zlepšenými mechanickými vlastnosťami. Napríklad orientované sklolaminát AG-4C má:  V = 200 ... 400 MPa, KCU = 100 kJ / m 2; zatiaľ čo pre AG-4V na báze spleteného vlákna:  V = 80 MPa, KCU = 25 kJ / m 2.

Organické vlákna sú kompozitné materiály na báze polymérnych spojív, v ktorých ako plnivo slúžia vlákna organických polymérov (polyamid, lavsan, nitron, vinol a pod.). Na spevnenie sa používajú aj postroje, tkaniny a rohože z týchto vlákien. Ako spojivá sa používajú termosetové živice (epoxidové, fenolformaldehydové, polyimidové atď.).

Použitie polymérnych spojív a plnív s podobnými termofyzikálnymi vlastnosťami, ako aj tých, ktoré sú schopné difúzie a chemickej interakcie medzi nimi, poskytuje kompozitom stabilitu mechanických vlastností, vysokú špecifickú pevnosť a rázovú húževnatosť, chemickú odolnosť, odolnosť voči tepelným šokom, tropickým atmosféra a oder. Prípustná prevádzková teplota väčšiny organických vlákien je 100 ... 150 ° C a na báze polyimidového spojiva a tepelne odolných vlákien - do 200 ... 300 ° C. Nevýhody týchto materiálov zahŕňajú nízku pevnosť v tlaku a tečenie.

Na získanie vysokopevnostných kompozitov sa používajú vlákna na báze aromatických polyamidov (aramidové vlákna SVM, Terlon, Kevlar), ktoré majú vysoké mechanické vlastnosti, tepelnú stabilitu v širokom rozsahu teplôt, dobré dielektrické a únavové vlastnosti. Z hľadiska špecifickej pevnosti sú tieto vlákna na druhom mieste po bórových a uhlíkových vláknach.

Bórové vlákna - kompozitné materiály na polymérnej matrici vyplnenej bórovými vláknami. Majú dobré mechanické vlastnosti, nízke tečenie, vysokú tepelnú a elektrickú vodivosť, odolnosť voči organickým rozpúšťadlám, palivám a mazivám, rádioaktívnemu žiareniu a cyklickému striedavému zaťaženiu.

Bórové vlákna sa vyrábajú chemickým nanášaním bóru z plynnej zmesi BCl3 + H2 na volfrámové vlákno pri teplote ~1130°C. Pre zvýšenie tepelnej odolnosti sú vlákna potiahnuté karbidom kremíka, ktorý sa tiež ukladá z plynnej fázy v prostredí argónu a vodíka. Takéto vlákna sa nazývajú borsik. Ako spojivo pre bórové vlákna sa používajú modifikované epoxidové živice a polyimidy. Bórové vlákna KMB-3, KMB-Zk zaisťujú výkon výrobkov pri teplotách do 100 °C, KMB-1 a KMB-1k do 200 °C a KMB-2k do 300 °C. Pre zlepšenie spracovateľnosti spracovania sa používajú kompozity obsahujúce zmes bórového vlákna so skleneným vláknom.

Bórové vlákna sa používajú v letectve a kozmickej technike na výrobu rôznych profilov, panelov, dielov kompresorov atď.

Uhlíkové vlákna (CFRP) - kompozitné materiály na báze polymérneho spojiva a uhlíkových vlákien. Uhlíkové vlákna sa vyznačujú vysokou tepelnou odolnosťou; merná pevnosť, chemická a poveternostná odolnosť, nízky koeficient tepelnej lineárnej rozťažnosti.

Používajú sa dva typy vlákien: karbonizované a grafitizované. Ako východiskový materiál sa používajú viskózové alebo polyakrylonitrilové (PAN) vlákna, kamenné a ropné smoly, ktoré sú podrobené špeciálnemu tepelnému spracovaniu. V procese vysokoteplotného spracovania v neoxidačnom prostredí dochádza k prechodu z organických vlákien na uhlíkové vlákna. Karbonizácia sa vykonáva pri teplote 900 ... 2000 ° C a grafitizácia - pri teplotách do 3000 ° C. Podľa mechanických vlastností sa uhlíkové vlákna delia na vysokomodulové a vysokopevnostné. Ako spojivá sa používajú termosetové polyméry: epoxidové, fenolformaldehydové, epoxyfenolové živice, polyimidy atď., Ako aj uhlíkové matrice.

Uhlíkové vlákna majú dobré mechanické vlastnosti, statickú a dynamickú odolnosť, odolnosť voči vode a chemikáliám atď.

Karbovlákna na epoxy-anilino-formaldehydovom spojive (KMU-3, KMU-Zl) sú účinné pri teplotách do 100 °C, na epoxyfenole (KMU-1l, KMU-ly) do 200 °C, na polyimide (KMU - 2, KMU-2l) do 300 °C, na uhlíkovej matrici do 450 °C na vzduchu a do 2200 °C v inertnej atmosfére.

Uhlíkové vlákna sa používajú na výrobu konštrukčných dielov pre leteckú a raketovú techniku, antény, lode, autá, športové potreby.

Vrstvené kompozitné materiály majú plošné plnivá (látky, papier, dyha atď.), impregnované a spojené polymérnym spojivom. Tieto materiály majú anizotropné vlastnosti. Ako vláknité stužujúce prvky sa používajú tkaniny na báze vysokopevnostných vlákien rôzneho charakteru: bavlna, sklo-asfaltové tkaniny, organické tkaniny, uhlíkové tkaniny, organické sklenené tkaniny, bórovo-organické sklenené tkaniny. Látky sa od seba líšia pomerom vlákien v osnove a útku, druhom väzby, čo ovplyvňuje ich mechanické vlastnosti. Laminované kompozity sa vyrábajú vo forme plechov, rúr, prírezov.

Getinaky - plasty na báze modifikovaných fenolových, aminoformaldehydových a močovinových živíc a rôznych druhov papiera.

Organogetinax sa vyrába na báze papiera zo syntetických vlákien, najčastejšie z aromatických polyamidov a polyvinylalkoholu. Ako spojivá sa používajú polyimidy, fenolformaldehyd, epoxidové živice a iné. Oproti getinakom majú vyššiu odolnosť v agresívnom prostredí a stabilitu mechanických a dielektrických vlastností pri zvýšených teplotách.

Textolit - laminovaný plast na báze polymérnych spojív a bavlnených tkanín. Materiál má vysoké mechanické vlastnosti, odolnosť voči vibráciám. V závislosti od hlavného účelu sa textolity delia na štrukturálne, elektrické, grafitové, flexibilné odpruženie.

Typy štruktúrneho textolitu PTK, PT, PTM sa používajú na výrobu ozubených kolies, klzných ložísk pracujúcich pri teplotách v trecej zóne nie vyšších ako 90°C, vo valcovniach, turbínach, čerpadlách atď. Vyrába sa vo forme plechov s hrúbkou 0,5 až 8 mm a platne s hrúbkou 8 až 13 mm.

Elektrotechnický textolit sa používa ako elektroizolačný materiál v prostrediach s prevádzkovými teplotami od mínus 65 do +165°C a vlhkosťou do 65%. Vyrába sa vo forme plechov s hrúbkou 0,5 až 50 mm tried A, B, G, VCh. Elektrická pevnosť v transformátorovom oleji do 8 kV/mm. Stupeň A - so zlepšenými elektrickými vlastnosťami pre prevádzku v transformátorovom oleji a vo vzduchu pri priemyselnej frekvencii 50 Hz. Stupeň B - so zlepšenými elektrickými vlastnosťami pre prevádzku na vzduchu pri frekvencii 50 Hz. Trieda G - podobná triede A, pokiaľ ide o vlastnosti a oblasť použitia, ale s rozšírenými toleranciami pre deformáciu a hrúbku. Značka HF - pre prevádzku vo vzduchu pri vysokých frekvenciách (do 10 6 Hz).

Grafitový textolit sa používa na výrobu ložísk pre valivé zariadenia a vyrába sa vo forme plechov s hrúbkou 1 ... 50 mm, dĺžkou do 1400 mm a šírkou do 1000 mm.

Pružné tesnenie textolit sa používa na výrobu tesniacich a izolačných tesnení v strojových zostavách vystavených pôsobeniu olejov, petroleja, benzínu. Vyrábajú sa vo forme plechov s hrúbkou 0,2 ... 3,0 mm.

AT azbest-textolity a asbogetinaks ako plnivá je obsiahnutá azbestová tkanina alebo azbestový papier (do 60%) a ako spojivo - fenolformaldehydové a melamínformaldehydové živice, kremíkovo-organické polyméry, ktoré určujú prípustnú prevádzkovú teplotu.

Materiály na báze melamín-formaldehydu umožňujú prevádzku produktov pri teplotách do 200 ° C, na fenol-formaldehyde - do 250 ° C a na organokremičitom až do 300 ° C počas dlhodobej prevádzky. Krátkodobo môže teplota dosiahnuť 3000 °C. Azbest-textolity sa používajú najmä na výrobu brzdových doštičiek, brzdových obložení, ako tepelnoizolačné a tepelne tieniace materiály.

Sklenené vlákno sú vyrobené na báze sklenených tkanín a rôznych polymérnych spojív. Na fenolformaldehydových živiciach (KAST, KAST-V, KAST-R) sú tepelne odolnejšie ako PTK textolit, ale horšie v odolnosti voči vibráciám. Na organokremičitých živiciach (STK, SK-9F, SK-9A) majú vysokú tepelnú a mrazuvzdornosť, vysokú chemickú odolnosť, nespôsobujú koróziu kovu v kontakte s ním. Sklolaminát sa používa hlavne pre rádiotechnické výrobky veľkých rozmerov.

Vysoká rázová húževnatosť KCU do 600 kJ / m 2, prechodná odolnosť do 1000 MPa anizotropné materiály zo sklenených vlákien, vystužené sklenenou dyhou (SVAM). Pokiaľ ide o špecifickú tuhosť, tieto materiály nie sú nižšie ako kovy a pokiaľ ide o špecifickú pevnosť, sú 2 ... 3 krát lepšie.

Plasty plnené plynom možno tiež priradiť triede kompozitov, pretože ich štruktúra je systém pozostávajúci z pevnej a plynnej fázy. Sú rozdelené do dvoch skupín: penové plasty a penové plasty. Polystyrén majú bunkovú štruktúru, ktorej póry sú navzájom izolované vrstvou polyméru. Poroplasty majú otvorený porézny systém a v nich prítomné plynné alebo kvapalné produkty komunikujú medzi sebou a prostredím.

Polystyrén získané na báze termoplastických polymérov (polystyrén, polyvinylchlorid, polyuretán) a termosetových živíc (fenolformaldehyd, fenolkaučuk, organokremičitý, epoxid, močovina). Na získanie poréznej štruktúry sa vo väčšine prípadov do polymérneho spojiva zavádzajú plynotvorné zložky, tzv nadúvadlá. Existujú však aj samopenivé materiály, napríklad polyéteruretánová pena, polyepoxidová pena. Penové plasty na báze termoplastických živíc sú technologicky vyspelejšie a flexibilnejšie, avšak teplotný rozsah ich prevádzky je od -60 do +60 °C.

Poroplasty sa získavajú najmä mechanickým napenením kompozícií, napríklad stlačeným vzduchom alebo použitím špeciálnych penotvorných činidiel. Počas vytvrdzovania penovej hmoty rozpúšťadlo, ktoré sa odstraňuje zo stien buniek počas procesu sušenia a vytvrdzovania, ich ničí. Prostredníctvom pórov možno získať naplnením kompozícií látkami rozpustnými vo vode. Po vylisovaní a vytvrdnutí sa výrobok ponorí do zohriatej vody, v ktorej sa vyplavia rozpustné látky.

Penové plasty sa používajú na výrobu tlmičov, mäkkých sedadiel, špongií, filtrov, ako tlmiace a zvukotesné tesnenia vo ventilačných jednotkách, tlmiče, tesnenia prilieb a prílb atď. Ich hustota je 25 ... 500 kg / m3.

Kovovo-polymérové ​​materiály rámu sú kompozitné materiály, v ktorých základom nosiča je trojrozmerná kovová sieť a medzirámová dutina je vyplnená polymérnou kompozíciou obsahujúcou rôzne funkčné zložky (obr. 5.11).

Ryža. 5.11. Štruktúra kovového polymérového materiálu rámu (a) a MPC materiálu (b):

1 - kovové častice, 2 - polymér, 3 - tuhé mazivo, 4 - pyrolytický grafit

V strojárstve našli uplatnenie kov-polymérové ​​samomazacie materiály na báze kovokeramického rámu a polymérne spojivá s obsahom rôznych suchých mazív (grafit, disulfid molybdénu, jodid kademnatý a pod.). Takéto materiály sa používajú na výrobu klzných ložísk, klietok valivých ložísk, piestnych krúžkov atď.

Na získanie kovokeramického rámu sa používajú prášky z cínového bronzu, nehrdzavejúcej ocele, sklokeramiky. Medzirámové dutiny sú vyplnené PTFE-4D impregnáciou 50% vodnou suspenziou PTFE alebo zmesou PTFE-4D s olovom. Keramicko-kovový antifrikčný materiál MPK, vyrobený na báze práškov z nehrdzavejúcej ocele, obsahuje pyrografit a fluoroplast-4.

Technológia jeho výroby je nasledovná: kovové prášky sa lisujú a spekajú do rámu s pórovitosťou 20 ... 70%. Potom sa v špeciálnej komore vedie cez póry plyn obsahujúci uhlík pri teplote, ktorá zaisťuje pyrolýzu plynu a ukladanie grafitu na stenách rámu, až kým sa nevyplnia asi 3/4 objemu pórov. výrobok je opakovane vákuovo impregnovaný suspenziou fluoroplastu-4 so súčasným tepelným spracovaním.

Samomazné materiály daného typu sú účinné pri teplotách do 250 °C.

Veľmi perspektívne je použitie páskových rámových samomazných materiálov, ktorými sú kovová základňa (páska), na ktorej je vypálená vrstva porézneho kovokeramického rámu. Póry rámu sú vyplnené kompozíciami na báze fluoroplastu-4 a tuhých mazív.

Páskové materiály sú technologicky veľmi vyspelé, umožňujú výrobu klzných ložísk (valcovaných) a vložiek ľubovoľnej veľkosti) umožňujú prevádzku bez mazania pri teplotách do 280°C pri vysokých tlakoch (do 200 ... 300 MPa) a klzných rýchlostiach. Použitie kovovej základnej pásky a bronzového porézneho rámu zabezpečuje dobrý odvod tepla z trecej zóny a fluoroplast-4 s tuhými mazivami umiestnenými v póroch a na povrchu zaisťuje nízky koeficient trenia a vysokú odolnosť trecích párov proti opotrebovaniu. V zahraničí sú široko používané páskové materiály ako DU, DP, DQ.

Jednou z nevýhod materiálov rámových pások je malá hrúbka povrchovej nábehovej vrstvy (10 ... 20 µm), čo vylučuje možnosť opracovania ložísk po ich montáži do puzdra.

Efektívne je použitie rámových samomazných materiálov, ktorých rám je spekaný z kovových vlákien alebo sietí a ako matrica sa používajú rôzne polymérne kompozície, ako aj materiály na báze uhlík-grafitu a metalizované uhlíkovo-grafitové tkaniny impregnované polymérne spojivá s tuhými mazivami.

V súčasnosti je široko používaný kompozitné drevené materiály,čo sú spevňujúce drevené materiály (plnivá), kombinované v matrici (zvyčajne polymérnej) so zavedením špeciálnych prísad. V niektorých prípadoch sa nazývajú drevoplasty alebo KDPM (kompozitné drevené polymérne materiály).

Drevotrieskové dosky - veľkorozmerné výrobky vyrábané plochým lisovaním drevených častíc zmiešaných so spojivom za tepla. Podľa GOST 10632-89 sa dosky vyrábajú vo veľkostiach 2440x1220; 2750 x 1500; 3500 x 1750; 3660 x 1830; 5500x2440 mm, hrúbka od 10 do 25 mm, brúsené a nebrúsené. V súlade s účelom dosky sú rozdelené do troch tried: P-1 (P-1M viacvrstvový a P-1T trojvrstvový)- výroba skríň, panelov a iných dielov v rádiovej a prístrojovej výrobe, nábytku a konštrukčných prvkov. Potiahnuté fóliami na báze termosetových a termoplastických polymérov, farieb a lakov; P-2 (P-2T a P-20 jednovrstvové, rozdelené do skupín A a B) - výroba skríň prístrojov, strojov, nádob a nádob (okrem potravín), regálov, prvkov nábytku a stavebných konštrukcií. Aplikujte lemované dyhou, dekoračným papierom - laminované plasty a bez obkladu; P-3 (P-ET)- diely karosérie pre dodávkové automobily, priečky automobilov, prvky nosných konštrukcií budov. Podľa kvality povrchu sa platne delia na leštené (triedy 1 a II) a neleštené (triedy I a II).

Drevovláknité dosky (GOST 4598-86) sa v závislosti od hustoty delia na mäkké (M), polotvrdé (PT), tvrdé (T) a supertvrdé (ST) a podľa pevnosti v ohybe na sedem stupňov: M -4, M- 12, M-20, PT-100, T-350, T-400 a ST-500, kde čísla označujú minimálnu hodnotu konečnej pevnosti dosiek v ohybe v kgf / cm2. Hrúbka plechu 2,5; 3,2; štyri; 5; 6; 8:12; 16 a 25 mm, šírka od 1220 do 1830 mm a dĺžka od 1200 do 5500 mm. Určené na použitie vo výrobkoch a konštrukciách chránených pred vlhkosťou.

Drevo laminované plasty (drevotrieskové dosky) - za tepla lisované viacvrstvové dyhové dosky impregnované syntetickými živicami z rôznych druhov dreva. Drevotrieskové dosky sa vyznačujú vysokou pevnosťou a odolnosťou proti opotrebovaniu, nízkym koeficientom trenia a dobrým zábehom.

Drevotrieska od 1 do 15 mm sa vyrábajú vo forme obdĺžnikových plechov, od 15 do 60 mm - vo forme dosiek. Listy a dosky zlepené z celých dyhových listov pozdĺž dĺžky sa nazývajú pevné a z niekoľkých - kompozitné (s trochu zníženými vlastnosťami). Plné plechy sa vyrábajú so šírkou 950 mm a dĺžkou 700, 1150 a 1500 mm a 1200x1500 mm; kompozit 2400x950, 4800x1200, 5000x1200 mm; plné dosky: 750x750, 950x700 (1150, 1500); 1200x1200 (1500), zložené dosky sa vyrábajú v rovnakých veľkostiach ako zložené plechy. V súlade s GOST 13913-78 a GOST 20366-75 sú drevotrieskové dosky rozdelené do 11 tried.

K číslu perspektívne komponenty a diely od KDPM možno pripísať:

valčeky pásových dopravníkov;

puzdrá valivých ložísk;

slepé a priechodné kryty, poklopy;

stredové časti kolies a valčekov (stredy kolies s obväzmi z ocele);

káblové bloky pre žeriavy, kladkostroje, reťazové kladkostroje atď.;

remenice, ozubené kolesá, ozubené kolesá namontované na hriadeľoch s bezkľúčovými kĺbmi;

závažia, protizávažia, tlmiče, zotrvačníky s vnútornou časťou z lisovaných kovových hoblín a vonkajšou časťou z KDPM;

panely na vnútorné obloženie automobilov, autobusov, vagónov, kabín rôznych strojov atď.;

piesty pneumatických a hydraulických valcov;

okenné rámy;

rámy pre časti vyrobené z polyuretánovej peny;

ohýbané lepené profily a dyhové panely;

sendvičové panely s vonkajšími doskami z preglejky, drevovláknitých dosiek, drevotrieskových dosiek, DSG1, drevotrieskových dosiek alebo kovu (oceľ, hliník) a stredná časť z penových plastov s drevenými výplňami;

diely z penových plastov s drevenými výplňami na konštrukčné a tepelnoizolačné účely (napríklad upevňovacie diely na stropy automobilov, tepelná, hluková a vibračná izolácia automobilov, dieselových lokomotív, chladničiek a garážových brán, tepelná izolácia potrubí s bezkanálovým uložením , atď.);

zásobníky (plynové nádrže, prijímače atď.).

klzné ložiská pracujúce v režime selektívneho prenosu;

Uvažované perspektívne oblasti použitia KDPM si samozrejme nenárokujú na úplnosť, nevyčerpávajú všetky možné oblasti použitia a možno ich výrazne rozšíriť.

Aby ste správne pochopili, o čom je tento článok, musíte najprv správne definovať slovné spojenie - termoplastické kompozitné materiály (T.K.M.) a v žiadnom prípade sa nemiešať so zlúčeninou, pretože hovoríme o úplne iných materiáloch. Čo je teda termoplastický kompozitný materiál (kompozit)? je heterogénny viacfázový materiál z dvoch alebo viacerých zložiek s jasným rozhraním medzi nimi a kvalitatívne novými vlastnosťami pri zachovaní chemickej identity každej zložky. Skladá sa z plastovej základne (matrice), ktorá slúži ako spojivo, a inklúzií rôznych zložiek vo forme práškov, vlákien atď. (plnivo). Matrica zabezpečuje tuhosť materiálu, prenos a rozloženie napätí medzi plnivom, určuje tesnosť, tepelnú, vlhkosť, požiarnu a chemickú odolnosť kompozitu, jeho technologické, ale aj termofyzikálne, elektrické a rádiotechnické vlastnosti. Optimálna kombinácia prevádzkových a technologických vlastností je zameraná na reguláciu vlastností a obsahu matrice a plniva, vzájomne pôsobiace medzi nimi na fázovom rozhraní, orientáciu plniva. Použitie viacerých matríc (polymatrix kompozity) alebo plnív rôzneho charakteru (hybridné kompozity) rozširuje možnosti kontroly vlastností kompozitov. Základné druhy polymérov sa používajú ako matrica termoplastických kompozitných materiálov. Moderný sortiment základných termoplastických polymérov je v závislosti od úrovne ich elasticko-pevnostných vlastností a deformačnej tepelnej odolnosti podmienene rozdelený do troch skupín.

Podľa molekulárnej štruktúry sa termoplasty delia na dve skupiny – amorfné a kryštalické. Vzhľadom na štrukturálne vlastnosti sú zo strany výrobcov najväčší záujem o polyméry druhej skupiny, ktoré môžu ponúknuť vyššiu úroveň fyzikálnych a mechanických vlastností a väčšiu chemickú odolnosť.

Objem svetovej produkcie termoplastov (v roku 1990 - 86 miliónov ton, v roku 2000 - 150 miliónov ton, v roku 2010 podľa prognóz - 258 miliónov ton) výrazne prevyšuje objem svetovej produkcie termoplastov. Ako plnivá možno použiť pevné plnivá vo forme práškov, vlákna rôznych dĺžok, tkané a netkané štruktúry vytvorené z vlákien rôznej chemickej povahy. V závislosti od vykonávaných funkcií sú plnivá rozdelené do troch skupín:

inertný- baryt, dolomit, prírodná krieda, mramor atď. Ich použitie je spôsobené túžbou znížiť náklady na konečný výrobok, keď je prijateľné určité zhoršenie vlastností materiálu;

Aktívne- prevažne na báze prírodných silikátov - wollastonit, kaolín, sľuda, mastenec. O ich zlepšených technologických vlastnostiach rozhodujú „prirodzene determinované faktory: tvar častíc, úroveň ich anizotropie, chémia povrchu častíc vo vzťahu k polymérom;

Funkcionalizované alebo povrchovo upravené. Je známe, že na zlepšenie kvality a konkurencieschopnosti kompozitných materiálov je dôležité funkčne upravovať povrch plnív organickými a/alebo anorganickými zlúčeninami, ktoré umožňujú dodať plnivu ďalšie vlastnosti, ktoré zlepšujú alebo optimalizujú dôležité parametre. z termoplastu. Práve tretia skupina plnív je najperspektívnejšia pre výrobu termoplastických kompozitných materiálov.

V súvislosti s vyššie uvedeným sa plnivo stáva nositeľom špeciálnych vlastností, ktoré umožňujú doplniť, nahradiť alebo uložiť zodpovedajúce technologické prísady. Použitie plnív v polyméroch umožňuje kontrolovať vlastnosti produktov v najširšom spektre aplikácií.

Termoplastické kompozitné materiály možno podmienečne rozdeliť do nasledujúcich skupín v závislosti od požadovaných vlastností konečného produktu a rozsahu:

Plnené - majú zvýšené pevnostné charakteristiky v dôsledku zavedenia minerálnych plnív - tuhosť, pevnosť, odolnosť proti zmršťovaniu;

Pomalé horenie - majú zvýšenú požiarnu odolnosť a nepodporujú spaľovanie bez vonkajšieho zdroja plameňa v dôsledku zavedenia špeciálnych prísad - retardérov horenia;

Lepidlo - majú zvýšené adhézne vlastnosti v systémoch polymér-polymér, polymér-kov atď. modifikáciou takých kopolymérov, ako sú: kopolymér etylénu a vinylacetátu, kopolymér etylénu a etylakrylátu;

Mrazuvzdorné - majú zvýšenú odolnosť voči nízkym teplotám v dôsledku zavedenia minerálnych plnív a elastomérov;

Zosieťované - majú zvýšenú tepelnú odolnosť, pevnosť a tuhosť v dôsledku žiarenia alebo chemického zosieťovania polyméru;

Polymatrix - má ďalšie vlastnosti, ktoré sa líšia od základných tried v dôsledku miešania rôznych tried polymérov;

Hybridné – majú rozšírené možnosti regulácie vlastností kompozitu vďaka zavedeniu plnív rôzneho charakteru.

Jedným z hlavných problémov modernej vedy o materiáloch je vytvorenie novej generácie termoplastických kompozitných materiálov, ktoré by uspokojili dosť protichodné požiadavky výrobcov a spotrebiteľov.

Slovník.

Plasty (plasty, plasty)- konštrukčné materiály obsahujúce polymér, ktorý je pri vytváraní produktu vo viskóznom stave a počas prevádzky v sklovitom stave. V závislosti od dôvodu prechodu z viskózneho do sklovitého stavu, ku ktorému dochádza pri formovaní výrobkov, sa plasty delia na termoplasty a termoplasty.

Polyméry- vysokomolekulové zlúčeniny, ktorých molekuly (makromolekuly) pozostávajú z veľkého počtu opakujúcich sa skupín, prípadne monomérnych jednotiek, vzájomne prepojených chemickými väzbami.

Termoplasty- polymérne materiály, ktoré pri zahriatí umožňujú viacnásobný prechod do viskózneho stavu.

termoplasty, termosetové plasty- polymérne materiály sa pri zahrievaní alebo pôsobením tvrdidiel menia na netaviteľný a nerozpustný stav.

Elastoméry- polyméry a materiály na nich založené. Majú vysoko elastické vlastnosti v širokom rozsahu teplôt ich prevádzky. Typickými elastomérmi sú kaučuky a kaučuky.

Polymérne zlúčeniny- kompozície na báze termosetových oligomérov (epoxidové a polyesterové živice, tekuté silikónové kaučuky) alebo monomérov (metakryláty, východiskové materiály na syntézu polyuretánov) určené na izoláciu vodivých obvodov a častí v elektrotechnike, rádiotechnike a elektronických zariadeniach. Základné požiadavky na zlúčeniny: neprítomnosť prchavých látok; dostatočne vysoká životaschopnosť; nízka viskozita.

Tepelná odolnosť polymérov- schopnosť udržiavať tvrdosť (teda nezmäknúť) so zvyšujúcou sa teplotou. Kvantitatívnym ukazovateľom tepelnej odolnosti je v týchto prípadoch teplota, pri ktorej deformácia vzorky v podmienkach konštantného zaťaženia nepresiahne určitú hodnotu.

"FENOMENOLOGICKÝ MODEL KOMPOZITNÉHO MATERIÁLU NA ZÁKLADE TERMOPLASTICKEJ MATRICE A KRÁTKÝCH UHLÍKOVÝCH VLÁKEN Mashtakov A.P., Melikhov K.V., Manyak..."

FENOMENOLOGICKÝ MODEL KOMPOZITNÉHO MATERIÁLU NA BÁZE TERMOPLASTICKEJ MATICE A KRÁTKYCH UHLÍKOVÝCH VLÁKEN

Mashtakov A.P., Melikhov K.V., Manyak I.S.

Radar MMS JE JSC,

Petrohrad, Rusko

Experimentálne boli študované mechanické vlastnosti kompozitného materiálu pozostávajúceho z termoplastickej matrice vystuženej krátkymi uhlíkovými vláknami. Charakteristiky sa získali na vzorkách vyrezaných zo vstrekovaných dosiek zo série jednoosových skúšok ťahom. Proces vstrekovania dosky bol modelovaný metódou konečných objemov. V tomto prípade bola riešená sústava pohybových rovníc taveniny polyméru ako viskóznej newtonovskej tekutiny doplnená o Folgerovu-Tuckerovu rovnicu na určenie orientačných tenzorov vlákien v matrici. Na zostavenie analytického modelu materiálu sa použila dvojstupňová homogenizačná schéma: najprv sa použila schéma Mori-Tanaka na určenie efektívnych charakteristík pre jedno zahrnutie daného tvaru, potom na základe vypočítaných komponentov orientačného tenzora sa pomocou Voitovej schémy určili efektívne charakteristiky celej bunky reprezentatívneho objemu. Vlákna boli považované za elastické izotropné, matrica bola považovaná za elasticko-plastickú s Misesovým kritériom a izotropným zákonom zosilňujúcim mocninný zákon (J2-model). Ako model lomu bol vybraný model lomu „prvého pseudozrna“ s kritériom pevnosti Tsai-Hill. Charakteristiky matrice a vlákien, ako aj parametre kritéria porušenia boli vybrané iteratívne na základe podmienky najlepšej zhody medzi vypočítanou a experimentálnou deformačnou krivkou pre tri typy vzoriek pomocou metódy najmenších štvorcov. Prezentované výsledky vo forme porovnania deformačných kriviek naznačujú uspokojivú zhodu s experimentom v elastických aj neelastických oblastiach.

S. T. Chung a T. H. Won. Numerická simulácia orientácie vlákien pri vstrekovaní termoplastov vystužených krátkymi vláknami. INŽINIERSTVO A VEDA, POL-APRÍL 1995, roč. 35, NO. 7.-str. 604-618.

B. E. VerWeyst, C. L. Tucker III, P. H. Foss_, J. F. O'Gara. Orientácia vlákien v 3-D vstrekovaných prvkoch: predpoveď a experiment/ International Polymer Processing, 18. jún 1999.

Mori T, Tanaka K. Priemerné napätie v matrici a priemerná elastická energia materiálov s chybnými inklúziami. Acta Metall 1973; 21:571-574.

R. Christensen. Úvod do mechaniky kompozitov / R. Christensen. – M.: Mir, 1982. – 334 s.

S. Kammoun, I. Doghri, L. Adam, G. Robert, L. Delannay. Prvý model zlyhania pseudozŕn pre neelastické kompozity s nesprávne zarovnanými krátkymi vláknami. Kompozity: Časť A 42 (2011) 1892–1902.

J. M. Kaiser, M. Stommel. Predikcia pevnosti polymérov vystužených krátkymi vláknami. Journal of Plastics Technology 8 (2012) 3, 278-300.

Podobné diela:

"Zmluva č. _ o poskytovaní služieb dobrovoľného poistenia motorového vozidla proti poškodeniu, odcudzeniu alebo odcudzeniu (CASCO), Moskva "" 201_g. Federálny štátny rozpočtový ústav Vedecký inštitút ... "

„SÚHRN 1. Informácie o sebe1. Priezvisko Abai2. Meno Raushan3. Stredné meno Madiyarizy4. Dátum a miesto narodenia 12.01.1994 región Karaganda Mesto Karaganda 5. Národnosť kazašská 6. Pohlavie Žena 7. Rodinný stav Nezosobášený8. Adresa bydliska Karaganda, Prikanal ... “

“OZNÁMENIE O ZMENE OZNÁMENIA O ELEKTRONICKEJ DRAŽBE Č. 163/А/АВР ZO dňa 26.01.2017 A DOKUMENTÁCIE O VYKONANÍ ELEKTRONICKEJ DRAŽBY PRÁC NA VEĽKÝCH OPRAVÁCH (VYŠŠÍCH OPRAVÁCH) (páru SPOLOČNÉHO NEHNUTEĽNOSTI) a BYTOVÉHO BYTU. alebo) obnova (oprava) a (alebo) obnova (oprava) »

"Verejné združenie "Bieloruská motokárová federácia" KLASIFIKÁCIA A TECHNICKÉ POŽIADAVKY NA PRETEKOVÉ VOZIDLÁ "KART" Účinnosť od 1. marca 2012 Schválené Radou protokolu BFC z 25. februára 2012 Minsk 20 ... "

""VO SVETE PROFESIÍ"Cieľ: formovanie profesijnej orientácie študentov rozšírením ich chápania stavebných profesií, oboznámenie sa s programami a iniciatívami prezidenta a vlády Ruskej federácie na prestíž ... "

“Rada pre ľudské práva 30. zasadnutie Bod programu 5 Orgány a mechanizmy pre ľudské práva Správa otvorenej medzivládnej pracovnej skupiny k návrhu Deklarácie Organizácie Spojených národov o právach roľníkov a iných ľudí pracujúcich vo vidieckych oblastiach Predseda...”

„Neziskové partnerstvo Samoregulačná organizácia „Krajský zväz projektantov“ (NP SRO „ROP“) Zápisnica č. 128 zo zasadnutia Rady samosprávnej organizácie neziskového združenia „Krajský zväz dizajnérov“ 22. novembra 2013 Miesto ... “

«Roil Platinum, čistič benzínového systému "Roil Platinum™ Metal Conditioner" Balenie: 500 ml., 4 l Účel: V priebehu času sa váš motor opotrebuje trením. Roil Platinum™ Metal Conditioner môže predĺžiť životnosť a výkon motora vášho vozidla, znížiť náklady na opravy znížením...“

«UDK 621.921 VOĽBA REŽIMOV BRÚSENIA ZOHĽADŇOVANIE OPOTREBENIA NÁSTROJA V.V. Borisov1, I.D. Ibatullin1, D.R. Zagidullina2 1 Štátna technická univerzita v Samare 2 Štátna univerzita v Bashkir

"MINISTERSTVO ŠKOLSTVA A VEDY RUSKEJ FEDERÁCIE Federálna štátna autonómna inštitúcia vyššieho vzdelávania" NÁRODNÝ VÝSKUM TOMSK POLYTECHNICKÁ UNIVERZITA "SCHVÁLIŤ Zástupca. Riaditeľ Ústavu kybernetiky pre akademické záležitosti S.A. Gaivoronsky "_" PRACOVNÝ PROGRAM DISCIPLÍNY "PORADENSTVO V AUTOMATIKE 2015 ..."

2017 www.site - "Bezplatná elektronická knižnica - elektronické dokumenty"

Materiály tejto stránky sú zverejnené na kontrolu, všetky práva patria ich autorom.
Ak nesúhlasíte s tým, aby bol váš materiál zverejnený na tejto stránke, napíšte nám, odstránime ho do 1-2 pracovných dní.

"Definície a klasifikácia polymérnych kompozitov Kompozitné materiály sú materiály získané z dvoch alebo viacerých zložiek a ..."

-- [ Strana 1 ] --

TÉMA 1. DEFINÍCIE A KLASIFIKÁCIA POLYMÉRU

KOMPOZITY. MECHANIZMUS INTERAKCIE KOMPONENTOV

Modernú éru možno nazvať storočím polymérov a kompozitných materiálov.

Definície a klasifikácia polymérnych kompozitov

Kompozitné materiály sú materiály vyrobené z dvoch alebo viacerých komponentov a

pozostávajúce z dvoch alebo viacerých fáz. Jedna zložka (matrica) tvorí spojitú

fáza, druhá je plnivo. Kompozitné materiály sú heterogénne systémy a možno ich rozdeliť do troch hlavných tried:

1. Matricové systémy pozostávajúce zo spojitej fázy (matrice) a dispergovanej fázy (diskrétne častice).

2. Kompozície s vláknitými plnivami.

3. Kompozície, ktoré majú vzájomne sa prenikajúcu štruktúru dvoch alebo viacerých súvislých fáz.

Výhody heterogénnych polymérnych kompozícií v porovnaní s homogénnymi polymérmi:

1. zvýšená tuhosť, pevnosť, rozmerová stálosť.

2. zvýšená práca skazy a rázová sila.

3. zvýšená tepelná odolnosť.

4. znížená priepustnosť plynov a pár.

5. nastaviteľné elektrické vlastnosti.

6. znížené náklady.

Je nemožné dosiahnuť kombináciu všetkých týchto vlastností v jednej kompozícii. Okrem toho je dosahovanie výhod často sprevádzané objavením sa nežiaducich vlastností (ťažkosti s tokom, teda formovanie, zhoršenie niektorých fyzikálnych a mechanických vlastností).

Širokú variáciu vlastností kompozícií možno dosiahnuť len zmenou morfológie a adhéznej sily medzi fázami.

Pre rovnomerný prenos vonkajšieho pôsobenia cez matricu a jeho distribúciu na všetky častice plniva je potrebná silná adhézia na rozhraní matrica – plnivo, čo sa dosiahne adsorpciou alebo chemickou interakciou.

Existencia takéhoto spojenia medzi nesúrodými komponentmi v heterogénnych plastoch ich odlišuje od mechanických zmesí.

Matrica môže byť kovová, keramická, uhlíková. Plnivo je prezentované vo forme častíc a vlákien s výrazne vyššími fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami ako matrica.

Častice sa bežne označujú ako časticové plnivo, majú neurčitý, kubický, sférický alebo šupinatý tvar s veľkosťou od frakcií mm do mikrónu a hodnotami nanometrov.

Inertné plnivo prakticky nemení vlastnosti kompozície.

Aktívne plnivo výrazne mení vlastnosti kompozície. Napríklad vlákna majú elasticko-pevnostné charakteristiky, ktoré sú o dva rády vyššie ako vlastnosti matrice. Môžu byť súvislé alebo krátke. Priemer tenkých vlákien je 5-15 mikrónov, hrubý (bór alebo karbid kremíka) - 60-100 mikrónov. Dĺžka krátkych vlákien je od 1-2 do 20-50 mm.

Názov kompozitov zodpovedá povahe vlákien: sklo-, uhlík-, organo-, bór-plasty atď. Pre hybridné varianty - sklo-uhlíkové plasty, organoboroplasty atď.

Orientácia vlákien určuje prechod od plnených plastov k vystuženým plastom. Ide o systém orientovaných vlákien držaných pohromade polymérnou matricou. Plasty zahŕňajú materiály, ktorých nevyhnutnou zložkou je akýkoľvek polymér, ktorý je v plastickom alebo viskóznom stave počas lisovania výrobkov a v sklovitom alebo kryštalickom stave počas prevádzky. Plasty môžu byť homogénne alebo heterogénne. Plasty sa delia na termoplasty a termoplasty.

Kompozitná klasifikácia:

1. Podľa povahy matice:

termosetový termoplast.

Hybrid.

Termosetová matrica - matrica získaná vytvrdzovaním epoxidových, éterových, imidových, organokremičitých a iných oligomérov v procese výroby kompozitov.

Termoplastická matrica - matrica, ktorá sa roztaví na impregnáciu plniva a potom sa ochladí. Sú to PE, PP, polyarylénsulfóny, sulfidy, ketóny.

Hybridná matrica môže kombinovať termosetové a termoplastické komponenty.

2. Podľa povahy a formy plniva.

Organické a anorganické látky prírodného alebo umelého pôvodu. Modul pružnosti plniva môže byť nižší alebo vyšší ako modul pružnosti spojiva. Nízkomodulové plnivá, ktoré sa zvyčajne používajú ako elastoméry, bez zníženia tepelnej odolnosti a tvrdosti polyméru, dodávajú materiálu zvýšenú odolnosť proti striedavému a nárazovému zaťaženiu, ale zvyšujú jeho koeficient tepelnej rozťažnosti a znižujú odolnosť proti deformácii. Čím vyšší je modul pružnosti plniva a stupeň plnenia, tým väčšia je deformačná odolnosť materiálu.

Kompozity plnené disperziou, Materiály na báze krátkych a súvislých vlákien.

Chemická povaha častíc je rôznorodá: krieda, sľuda, oxidy kovov, sklenené guľôčky, uhlík vo forme sadzí alebo fullerénov, aerosil, sklenené alebo hlinené vločky, inklúzie podobné gume atď.

Vystužovacie vlákna - sklenené, organické, uhlíkové atď. Známe sú aj vysoko tepelne odolné vlákna bóru a karbidu kremíka, ktoré sa častejšie používajú na vystužovanie kovov.

3. Podľa štruktúry polymérnych kompozitov Matrix - pre materiály na báze disperzných a krátkych vláknitých častíc, Vrstvený (dvojrozmerný) a objemový pre vystužené plasty na báze tkaných a netkaných materiálov.

Gradientové materiály s variabilnou štruktúrou.

4. Podľa stupňa orientácie plniva anizotropia materiálu:

Kompozity s náhodným usporiadaním častíc a vlákien, s izotropnou štruktúrou, kompozity s jednosmernou orientáciou vlákien, s výraznou anizotropiou, 90°), kompozity s krížovou, ortotropnou orientáciou (0, s danou anizotropiou, kompozity so šikmou orientácia vlákien pod uhlom odlišným od 90°, kompozity s vejárovitou štruktúrou pozostávajúcou z vrstiev s rôznou orientáciou vlákien.

5. Podľa spôsobov výroby materiálov a výrobkov:

jednostupňové metódy - extrúzia a "mokré" navíjanie, pultrúzia (preťahovanie), vákuové tvarovanie, dvojstupňové metódy na predbežnú výrobu neorientovaných (premixy) alebo orientovaných (prepregy) vláknitých materiálov (polotovary) impregnovaných spojiva, po ktorom nasleduje formovanie materiálu (laminátu) metódami "suchého" navíjania, lisovanie, formovanie v autokláve.

6. Podľa počtu komponentov:

dvojzložkový, trojzložkový PCM, kombinujúci dispergované častice a krátke vlákna, polyvláknový hybrid PCM, kombinujúci vlákna s podobnou (sklo-organoplastické) alebo výrazne odlišnou (sklo-uhlíkové vlákno) deformovateľnosťou, polymatrixové štruktúry, napr. na báze kombinácie termosetových a termoplastických spojív.

7. Podľa objemu obsahu plniva:

s neorientovanou štruktúrou - obsah plniva 30-40% -, s orientovanou štruktúrou - 50-75%, vysoko a extrémne plnené organovlákna - 75-95% -.

8. Podľa funkčnosti:

jednofunkčné (štrukturálne), multifunkčné, schopné samodiagnostiky (inteligentné), multifunkčné, schopné autodiagnostiky a sebaprispôsobenia (inteligentné).

Pri navrhovaní kompozitných plastov existujú dve fázy (pozri tabuľku):

1-výpočtový - analytický, 2 - experimentálny - technologický.

1 - obsahuje: rozbor daných zaťažovacích podmienok a určenie spôsobu konštrukcie plastu s potrebnými vlastnosťami. Používajú sa znázornenia a vzorce prevzaté z mechaniky kompozitných materiálov:

a) fenomenologický prístup je založený na aplikácii rovníc teórie pružnosti, dotvarovania a pod. pre anizotropné materiály, b) - stanovenie závislostí mechanických charakteristík zloženia od veľkosti častíc plniva, mechanických vlastností komponentov, ich objemového obsahu atď. Tieto závislosti sa analyzujú na mikroskopickej, makroskopickej a strednej úrovni. . Mikroúroveň - úroveň štruktúrnej heterogenity, úmerná priečnym rozmerom prvkov plniva - priemer častíc plniva alebo hrúbka výstužnej vrstvy.

Tabuľka Požadované mechanické vlastnosti kompozitných plastov Výber komponentov a ich výber pomeru schémy vystuženia v zložení

–  –  –

Tvar Pomer veľkosti Mechanizmus interakcie komponentov PCM Uvažujme mechanizmus prenosu napätia z matrice na výplň v závislosti od jej konfigurácie.

V najjednoduchšom prípade, keď je polymér vystužený jednosmernými súvislými vláknami a podrobený naťahovaniu v smere ich orientácie, je deformácia komponentov rovnaká a napätia v nich vznikajúce sú úmerné modulu pružnosti vlákien a matice. Ak sú v rovnakom modeli vlákna diskrétne, potom sa rozloženie napätia po dĺžke vlákna ukáže ako nehomogénne. Na koncoch vlákna nie je žiadne napätie, ale na hranici matrice vlákna sú tangenciálne napätia, ktoré postupne zapájajú vlákno do práce. Rast ťahových napätí vo vlákne pokračuje, až kým nedosiahnu priemernú úroveň napätí pozorovanú v súvislom vlákne. Dĺžka, pri ktorej k tomu dôjde, sa preto nazýva „neefektívna“. S narastajúcim namáhaním narastá „neefektívna“ dĺžka a svoju maximálnu hodnotu dosahuje pri namáhaní zodpovedajúcom sile vlákna. V tomto prípade sa „neefektívna“ dĺžka nazýva „kritická“ I. Je to dôležitá charakteristika interakcie kompozitov a možno ju vypočítať pomocou Kellyho vzorca mat - medza klzu matrice alebo priľnavosť systému.

V závislosti od pevnosti vlákien a typu polymérnej matrice sa pomer lcr/dvol môže meniť od 10 do 200; pri dvol 10 um, lcr = 0,15-2,0 mm.

Z vyššie uvedenej úvahy vyplýva, že pri prechode z kontinuálnych na diskrétne vlákna nebude časť dĺžky každého vlákna vnímať plnú záťaž. Čím je spevňujúce vlákno kratšie, tým je menej účinné. Pri l lcr nemôže matrica za žiadnych okolností preniesť na vlákno napätie dostatočné na jeho zničenie. Z toho vyplýva, že vystužovacia schopnosť krátkych vlákien (zvýšenie elasticko-pevnostných charakteristík polyméru) je veľmi nízka. Najmä ak vezmete do úvahy orientáciu vlákien, ktorá pri takýchto materiáloch nie je ideálna.

Štruktúra materiálov na báze krátkych vlákien je dosť chaotická. Výhoda plnív s krátkymi vláknami je daná možnosťou vysokorýchlostného spracovania materiálov na produkty. Počas procesu odlievania alebo vytláčania však dochádza k dodatočnej deštrukcii vlákien, ktorých dĺžka sa zvyčajne znižuje na 0,1-1 mm.

Pri prechode na disperzné práškové plnivo sa možnosť prenosu napätia z matrice na plnivo natoľko zníži, že jeho príspevok k zvýšeniu pevnosti kompozitu začne konkurovať poklesu pevnosti matrice v dôsledku výslednej nerovnomernosť stresu a vznik defektov. Z tohto dôvodu sa pevnosť takéhoto kompozitu zvyčajne nezvýši v porovnaní s pevnosťou matrice (niekedy dokonca mierne znížená).

Pri plnení viskóznych termoplastov tuhými plnivami v množstve vyššom ako 20% sa pozoruje prechod od plastickej tečenia ku krehkému lomu. V tomto prípade dochádza k výraznému zníženiu nárazovej sily, práce skazy. Modul pružnosti sa zvyšuje so zvyšovaním množstva plniva, ale zároveň sa zvyšuje veľkosť a počet trhlín, „pseudopórov“, ktoré vznikajú pri zaťažovaní, keď sa matrica odlupuje od dispergovaných častíc v momente dosiahnutia napätí zodpovedajúcich zvyšuje priľnavosť systému. Teoretické a experimentálne štúdie ukazujú, že zmenšením veľkosti častíc plniva a rozšírením ich priemerov je možné výrazne znížiť pravdepodobnosť výskytu veľkých defektov.

Hlavným dôvodom tvrdnutia je zmena smeru rastu trhlín pri ich kontakte s pevnými časticami plniva. Najpravdepodobnejší smer rastu trhliny je kolmý na smer pôsobiacej sily. Ak sa častica plniva nachádza v tomto smere, potom by trhlina mala zmeniť svoj smer tangenciálne k povrchu častice. Ak sú teda častice vo forme vlákien a sú predĺžené v smere pôsobiacej sily. Šírenie trhlín pozdĺž častíc plniva je vylúčené.

Pri použití monolitického vlákna s okrúhlym prierezom dosahujú mechanické vlastnosti zvyčajne maximum pri 2 = 0,65 - 0,7. Pri použití presných metód kladenia profilovaných vlákien je možné zvýšiť 2 až 0,85, po čom pevnosť kompozícií začína závisieť viac od sily adhézie na rozhraní vlákno-väzba ako od pevnosti vlákna.

Pri rovnakom stupni plnenia (2 = 0,7) a pomere modulov pružnosti (E2/E1 = 21) tuhosť plastu s trojuholníkovými vláknami v priečnom smere prevyšuje tuhosť plastu s okrúhlymi vláknami 1,5-krát.

Výmena monolitického vlákna za duté umožňuje výrazne zvýšiť špecifickú pevnosť a tuhosť výrobkov v tlaku a ohybe, pretože moment zotrvačnosti sa zvyšuje s rovnakou hmotnosťou vlákien.

Je neefektívne používať duté vlákna v ťahových kompozíciách kvôli nízkej pevnosti profilovaných vlákien. Pri strihaní je lepšie použiť profilované vlákna.

Ďalším smerom pri vytváraní polymérov plnených časticami je ich modifikácia časticami gumy na zníženie krehkosti a zvýšenie odolnosti proti nárazu.

Pozitívne výsledky sa dosiahli pre polystyrén, epoxid a iné matrice s vysokou húževnatosťou. Mechanizmus tvrdnutia materiálov je zjavne veľmi zložitý, ale hlavná úloha sa pripisuje inhibícii vzniku trhlín časticami gumy. Mnohí autori upozorňujú na účelnosť vytvorenia prechodovej vrstvy s vysokou priľnavosťou k matricovému polyméru a kaučukovej fáze za účelom zvýšenia pevnosti.

Vráťme sa k jednosmernému kompozitu založenému na kontinuálnych vláknach a uvažujme o mikromechanických modeloch jeho deštrukcie. Elementárne vlákna majú veľmi vysoké pevnostné charakteristiky, desaťkrát väčšie ako pevnosť objemových vzoriek. Napríklad pevnosť sypaného skla je 50-70 MPa a vo forme vlákien - 2,5-3,0 GPa; podobný obraz je pozorovaný pre organické a uhlíkové vlákna, ktorých pevnosť dosahuje 4–6 GPa. Tento rozdiel sa vysvetľuje buď vplyvom mierkového faktora (veľkosť povrchu vlákna určuje veľkosť prípadného defektu), alebo efektom orientácie, ktorý je pre organické vlákna veľmi charakteristický.

Pri testovaní elementárnych vlákien sa pozoruje veľký rozptyl experimentálnych hodnôt pevnosti. Preto sa zvyčajne testuje najmenej 50 vzoriek, zistí sa priemerná hodnota a jej rozptyl.

Na základe hypotézy slabého článku Weibull získal nasledujúcu rovnicu pre pravdepodobnosť deštrukcie Р() vzorky pod napätím a dĺžku vzorky L:

Р() = 1 – exp(–L), (2)

ktorých konštanty sú určené z experimentálne získaného rozloženia pevnosti elementárnych vlákien. Parameter P charakterizuje defektnosť vzoriek.

Hodnoty koeficientu sa pohybujú od 3-5 pre normálne do 10-12 pre "neporušené" sklenené vlákna.

V skutočnosti sa málokedy zaoberáme elementárnym vláknom, zvyčajne zväzkom pozostávajúcim z mnohých vlákien. Podľa teoretických koncepcií Danielsa je pokles pevnosti zväzku nespojených vlákien v porovnaní s priemernou pevnosťou volov určený rozptylom ich sily. V procese zaťažovania, keď sa dosiahne pevnosť v ťahu akéhokoľvek vlákna, sa zlomí a už sa nezúčastňuje na práci.

Sila sa prerozdelí na celé vlákna, proces pokračuje až do momentu lavínovitého zničenia väčšiny a následne všetkých vlákien v nite (zväzku). Pri =10 je pevnosť vlákna n približne 80 % priemernej pevnosti elementárneho vlákna.

Analýza diagramu zaťaženia vlákna - umožňuje sledovať celý proces postupného pretrhnutia vlákna. Umožňuje tiež identifikovať niektoré chyby v nite, najmä rozdiel v dĺžke (rôzne napätie) vlákien, čo zvyšuje nesimultánnosť ich deštrukcie. Interakcia (spojenie) vlákien v dôsledku krútenia alebo čiastočného spájania sa prejavuje v povahe diagramov

– ktoré sa stávajú lineárnejšími. Weibullov koeficient pre nespojený zväzok vlákien by mal zostať rovnaký ako pre elementárne vlákna: V prípade ich spájania má tendenciu stúpať.

Polymérna matrica, ktorá spája lúč do jedného celku – mikroplastu – vedie k zvýšeniu jeho pevnosti. Pevnosť v tomto prípade prakticky nezávisí od dĺžky vzorky (= 30–50), čo naznačuje zmenu mechanizmu lomu. Faktom je, že vlákno roztrhnuté na určitom mieste neprestáva vnímať zaťaženie ako v nite, ale pokračuje v práci na rovnakej úrovni napätia ako v susedných vláknach. K tomu dochádza vo vzdialenosti lcr od miesta zlomeniny v súlade s mechanizmom, ktorý bol uvažovaný vyššie pre materiály na báze krátkych vlákien.

Podľa štatistickej teórie pevnosti, ktorú vyvinuli Gurland a Rosen, k porušeniu ťahu jednosmerného kompozitu dochádza prostredníctvom hromadenia prasklín, drvenia vlákien v polymérnej matrici. V tomto prípade sa teoretická pevnosť vlákien tr v kompozite rovná pevnosti nenaviazaného zväzku vlákien "kritickej" dĺžky lcr.

tr = (lkre)–1/ V praxi sa proces drvenia vlákien nedá dokončiť. Zvyčajne je prerušený vznikom a rozvojom hlavnej trhliny v dôsledku prepätia v úseku, kde sa hromadí najväčší počet defektov, alebo delamináciou na rozhraní vlákno-spojivo. Tento mechanizmus umožňuje získať najvyššie hodnoty pevnosti, pretože je spojený so stratou energie pri vytváraní veľkých voľných plôch. Na základe toho pri zvažovaní problematiky realizácie pevnosti vlákien v kompozite je vhodné porovnať experimentálne hodnoty wc s pevnosťou tr, ktorá by mohla byť pri implementácii mechanizmu drvenia vlákien:

Kp = ox / tr, kde Kp je koeficient realizácie pevnosti.

Jeho skutočné hodnoty dosahujú 60-80% pre jednosmerné sklo-, organo- a uhlíkom vystužené plasty na báze superpevných vlákien.

Podobný prístup bol navrhnutý aj na štúdium realizácie pevnosti sklom vystužených plastov pri pozdĺžnom stlačení.

V súčasnosti sa zvažujú dve hlavné možnosti mechanizmov zlyhania:

Zničenie v dôsledku vybočenia vlákien na elastickom podklade;

Stratifikácia materiálu od vplyvu šmykových napätí.

Hlavná závislosť vyplývajúca z uvažovania prvého modelu lomu súvisí s pevnosťou v tlaku materiálu tszh s modulom šmyku matrice Gm a jej objemovým obsahom m:

tszh = Gm / Vm Výpočty vykonané podľa tohto vzorca poskytujú veľmi vysoké teoretické hodnoty tszh. Napríklad pri šmykovom module Gm = 1-1,5 GPa, ktorý je typický pre epoxidové živice, a m = 30 %, môže byť pevnosť v tlaku tszh 3-5 GPa, zatiaľ čo pre skutočné materiály nepresahuje 1,5 GPa.

Dá sa tvrdiť, že vo všetkých prípadoch existuje úmernosť medzi pevnosťou plastov vystužených sklom pod tlakom HOA a šmykovým šmykom:

tszh = K posun, čo naznačuje, že prevláda druhý mechanizmus. To možno vysvetliť poruchami v štruktúre vzoriek a nehomogénnym napäťovým poľom, ktoré sa vyskytuje počas testovania. Špeciálne metódy na prípravu a štúdium jednosmerných sklenených vlákien umožnili zvýšiť TCF na 2-3 GPa, to znamená, že do značnej miery bolo možné implementovať mechanizmus vybočenia vlákna, čím sa zvýšil koeficient realizácie pevnosti z 30-40. na 60-70 %.

Pri stláčaní organoplastov dochádza k deštrukcii pozdĺž šmykovej roviny orientovanej pod uhlom 45° k osi vlákna, čo je typické pre plastové vlákna.

Zdá sa, že podobný mechanizmus prebieha pre uhlíkové plasty, aj keď v tomto prípade je kombinovaný s šmykovým prvkom.

Rozmanitosť mechanizmov deštrukcie kompozitov nám umožňuje nastoliť otázku optimalizácie vlastností spojiva. Napríklad na zvýšenie pevnosti v ťahu materiálu pozdĺž vlákien je potrebné znížiť "kritickú" dĺžku, čo sa dosiahne zvýšením tuhosti matrice. Na druhej strane to vedie k zvýšeniu koncentrácie napätia a rastu hlavnej trhliny. Konkurencia týchto mechanizmov je pozorovaná vo forme extrémnej závislosti pevnosti kompozitu od medze klzu spojiva, ktorá sa mení zmenou teploty, rýchlosti skúšania, prípadne zavádzaním plastifikačných prísad.

V každom prípade je optimum:

závisí od charakteru vlákien, prítomnosti existujúcich technologických napätí a defektov. Protichodné požiadavky na spojivo sa sprísňujú pri zohľadnení jeho vyrobiteľnosti, tepelnej odolnosti, schopnosti absorbovať dynamické účinky (rázová húževnatosť) atď. Najslabšou stránkou kompozitných materiálov je ich nízka pevnosť a šmyková deformovateľnosť. Technologické a prevádzkové namáhania preto často vedú k praskaniu materiálu.

Odolnosť kompozitu proti praskaniu je zvyčajne charakterizovaná špecifickou lomovou húževnatosťou Gc, t.j. energiou rozptýlenou pri vytváraní nového povrchu. Čím vyššia je špecifická lomová húževnatosť, tým vyššia je odolnosť kompozitu voči delaminácii. Interlaminárna viskozita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa deformovateľnosťou matrice, adhéziou vlákna k matrici a hrúbkou väzby vlákna k vláknu (VCB).

Modifikácia epoxidových matríc gumami neviedla k výraznému zlepšeniu vlastností materiálov. Možno je to spôsobené tým, že zóna plasticity v kompozite je obmedzená veľkosťou medzivláknového priestoru. Oveľa väčší účinok sa pozoruje pri použití termoplastických matríc, napríklad PSF, ktorých deformovateľnosť dosahuje 80 - 100%. V tomto prípade sa hodnoty Gc zvýšia takmer o jeden rád.

Mikromechanické modely polymérnych kompozitov umožňujú odhaliť analytické závislosti ukazujúce vplyv vlastností vlákien, matrice, ich adhéznej interakcie, materiálovej štruktúry a lomových mechanizmov na makroskopické elasticko-pevnostné charakteristiky jednosmernej vrstvy. Najúspešnejšie popisujú medzný modul pružnosti a pevnosť v ťahu kompozitu. V prípade, že deformácie vlákien a matrice sú rovnaké, dochádza k nasledujúcim aditívnym vzťahom, ktoré ukazujú príspevok každej zložky v pomere k jej objemovému obsahu Ek = Evv + Emm

–  –  –

Tieto rovnice sa nazývajú "pravidlo zmesi".

Keďže príspevok polymérnej matrice zvyčajne nepresahuje 2–5 %, možno ho ignorovať:

Ек () = Евв a к ()= вв Predĺženie kompozitu pod napätím v priečnom smere sa skladá z deformácie vlákien a spojiva. Modul pružnosti E() možno vypočítať podľa vzorca 1/ Ek() = v/Ev + m/Em Treba vziať do úvahy, že modul pružnosti samotných vlákien v priečnom smere sa zhoduje s modulom elasticity v pozdĺžnom smere len pre izotropné sklenené a bórové vlákna. Pri uhlíkových a organických vláknach je priečny modul výrazne nižší ako pozdĺžny. Podobná závislosť prebieha pre modul šmyku jednosmerného kompozitu „v rovine“ vlákien.

Pevnosť kompozitov v priečnom ťahu-tlaku a šmyku závisí od mnohých faktorov, predovšetkým od vlastností matrice, adhéznej interakcie, štruktúry materiálu – prítomnosti pórov a iných defektov. Analytické závislosti v tomto prípade môžu mať len korelačný charakter. Všeobecne sa uznáva, že vystuženie znižuje pevnosť kompozitu v priečnom (priečnom) smere asi 2-krát v porovnaní s pevnosťou homogénnej matrice.

Elastické pevnostné vlastnosti kompozitov Pevnosť a tuhosť sú najdôležitejšie vlastnosti každého materiálu. Keď je vzorka zaťažená ťahom alebo tlakom, vznikajú v nej normálové napätia a zodpovedajúce deformácie, ktoré sa zvyšujú, až kým sa materiál nezničí.

Konečné (maximálne) napätie sa nazýva jeho sila. Pre lineárne elastické materiály existuje priama úmernosť medzi napätím a deformáciou Hookov zákon \u003d E. Koeficient proporcionality charakterizuje tuhosť materiálu a označuje sa ako modul pružnosti alebo Youngov modul E.

Tento zákon je splnený aj vtedy, keď je vzorka zaťažená šmykovými (tangenciálnymi) napätiami a deformáciami, ktoré vznikajú napríklad pri krútení.

Koeficient úmernosti sa v tomto prípade nazýva šmykový modul G: =.G.

Keď sa materiál natiahne súčasne s predĺžením, jeho priečne rozmery sa zmenšia, čo je charakterizované Poissonovým pomerom, ktorý stanovuje vzťah medzi deformáciami pozdĺž x a cez y vzorky: x = µ y.

Elastické vlastnosti izotropných materiálov sú dobre opísané dvoma konštantami E a G, pričom vzťah medzi nimi zodpovedá rovnici G = E/2(l + µ).

Vyššie uvedené vzťahy dobre vystihujú izotropné materiály, ktorých vlastnosti sú vo všetkých smeroch rovnaké. Patria sem polyméry plnené časticami, ako aj kompozity založené na krátkych alebo súvislých vláknach chaotickej štruktúry. (Pri vláknitých materiáloch je vždy určitá miera orientácie, určená vplyvom technologických faktorov.) Pri zaťažovaní akejkoľvek konštrukcie sa napäťovo-deformačný stav materiálu stáva najčastejšie nehomogénnym. V tomto prípade je možné identifikovať hlavné (maximálne) napätia, ktoré môžu spôsobiť jeho zničenie. Napríklad v prípade potrubia pod vnútorným alebo vonkajším tlakom sú obručové napätia dvojnásobkom axiálnych napätí, t.j. polovica hrúbky izotropného materiálu je z hľadiska axiálneho namáhania neúčinná. Nehomogenita napäťového poľa môže byť výrazne vyššia. Pre náboje s otvoreným výstupom (zbrane, hlavne granátometu) dosahuje pomer radiálneho a axiálneho namáhania 8-10 alebo viac. V týchto prípadoch treba využiť pozoruhodnú schopnosť vláknitých materiálov, ktoré sa môžu orientovať v matrici v súlade s rozložením hlavných prevádzkových napätí.

Zvážte príklad jednosmernej vrstvy. Jednosmerná vrstva je izotropná v smere kolmom na os x orientácie vlákna. jeden.

–  –  –

Pevnosť v ťahu jednosmernej vrstvy pozdĺž vlákien môže byť od 1,0 do 2,5 GPa v závislosti od úrovne pevnosti vlákien, typu a obsahu spojiva. V tomto prípade pevnosť v priečnom smere nepresahuje 50-80 MPa, t.j. koeficient anizotropie je 20-30.

Mierna odchýlka smeru zaťaženia od smeru orientácie vlákna nemá prakticky žiadny vplyv na pevnosť v ťahu kompozitu. Preto je povolená určitá nesprávna orientácia vlákien (3-5°), vytvorená špeciálnou rozperou alebo zvýšením stúpania vinutia, aby sa zvýšila priečna pevnosť materiálu. V prípade tlaku je to neprijateľné, pretože to prispieva k vzniku šmykových napätí, ktoré určujú pevnosť materiálu v tlaku.

Jednosmerný kompozit je základom komplexnej štruktúry, ktorá vzniká kombináciou jednotlivých vrstiev v súlade s požiadavkami na vlastnosti konštrukčného prvku. Spôsoby výroby: vákuové alebo autoklávové formovanie, lisovanie, navíjanie.

Uvažujme ďalej o teoretických modeloch na popis procesov deformácie a deštrukcie vrstvených kompozitov komplexnej štruktúry. Pri vývoji výpočtových metód možno zvyčajne rozlíšiť dva hlavné prístupy: fenomenologický a štrukturálny. Vo fenomenologickom prístupe je kompozitný materiál považovaný za homogénne anizotropné médium, ktorého model je založený na experimentálne získaných údajoch. Zvolené kritérium pevnosti platí pre celý materiál ako celok. Výhodou fenomenologických modelov je jednoduchosť výpočtov. Pre materiály so zložitou schémou výstuže je však potrebné určiť veľa empirických koeficientov, čo si vyžaduje veľké množstvo experimentov. Okrem toho fenomenologické modely nezohľadňujú štrukturálne procesy počas lomu: praskanie, mikrovzpieranie atď.

Určenie optimálnej veľkosti častíc plniva Napätie, ktoré sa vyskytuje v rôznych častiach povrchu častíc (mikrovločky alebo mikrovlákna), závisí od vzdialenosti r od zodpovedajúcej plochy povrchu = – o(1 –)/ 2r, kde je Poissonov pomer.

Pevnosť so zvyšovaním špecifického povrchu jemne dispergovaného plniva sa zvyšuje na určité maximum v závislosti od povahy zložiek kompozície.

Optimálny priemer d nekonečných vlákien v roztiahnuteľnom ortotropnom plaste pri danej vzdialenosti medzi vláknami je určený rovnicou d (1/2 - 1), kde 1, 2 sú pomerné predĺženia pri pretrhnutí vlákien spojiva a plniva, resp.

Výber tvaru častíc plniva Tvar častíc ovplyvňuje mechanizmus degradácie plastov. Zohľadňuje sa veľkosť a tvar výrobkov, technológia spracovania.

V prípade výrobkov s malou hrúbkou a komplexnou konfiguráciou sa uprednostňujú vysoko disperzné plnivá (prášky), pretože sa ľahko distribuujú v spojive a zachovávajú pôvodné rozloženie počas tvarovania výrobku.

Použitie vysoko disperzných plnív znižuje pravdepodobnosť zničenia, delaminácie produktov pri následnom obrábaní.

Pevné inklúzie v napnutej vzorke znižujú napätie v kontaktnej zóne spojiva s plnivom, ale v samotnej guľovej častici napätie presahuje

1,5 násobok napätia v zónach viazača od neho vzdialených, t.j. plnivo preberá väčšinu nákladu.

Vplyv plniva sa zvyšuje, ak častice majú elipsoidný tvar a sú orientované v smere osi deformácie.

Výber komponentov s optimálnym pomerom mechanických vlastností Podmienky: adhézna interakcia je väčšia ako súdržnosť spojiva, obe zložky spolupracujú až do deštrukcie, ideálne elastické správanie výplňového materiálu a spojiva.

Určenie optimálneho stupňa výplne Ani výstužné vlákna nemajú na plasty vždy výstužný účinok. Ak pomer deformačných charakteristík spojiva a výstuže v jednosmernom plaste spĺňa podmienku св, potom až do kritického objemového obsahu vlákien (в, cr) aj lineárny pokles pevnosti v ťahu = с(1 – в) sa dodržiava.

V dôsledku miernej deformácie spojiva pri pretrhnutí, rovnajúcej sa c, je napätie vnímané vláknami príliš malé na to, aby kompenzovalo pokles pevnosti polymérnej matrice. Až od v, cr môže celková pevnosť vystuženého vlákna kompenzovať pokles pevnosti matrice a pevnosť plastu sa začne zvyšovať.

Každý plast sa vyznačuje vlastným b, kr, ktoré je pre zvolené polymérne spojivo tým menšie, čím sú spevňujúce vlákna pevnejšie a pri zvolenom type vlákien sa zvyšuje so zvyšovaním pevnosti spojiva c.

Maximálny stupeň naplnenia v,max ideálne zodpovedá takej hustote zloženia vlákien, pri ktorej sa navzájom dotýkajú pozdĺž tvoriacich čiar valcových plôch. Maximálna hustota balenia sa dosiahne pri rôznych stupňoch plnenia.

OOO w,max = 0,785, šesťuholníkový OOO w,max= 0,907 štvoruholníkový OOO w,max = 0,907 štvoruholníkový OOO w,max = 0,907 štvoruholníkový OOO w,max = 0,924.

Optimálny stupeň je menší ako maximálny jeden palec, opt 0,846/(1 + min/D)2, kde min je minimálna možná vzdialenosť medzi vláknami.

Vlastnosti štruktúry a vlastností polymérnych kompozitných materiálov (PCM).

PCM s vysokým obsahom vlákniny. Fyzikálno-mechanické vlastnosti kompozitov v podstate závisia od relatívneho obsahu zložiek. Podľa „pravidla zmesi“ čím vyšší je obsah vlákien, tým vyššia je hustota ich balenia, tým vyšší (ceteris paribus) by mal byť modul pružnosti a pevnosť kompozitov. Výpočet hmotnostného obsahu volských vlákien v materiáli vychádza z ich množstva vo vzorke, ktoré sa určuje z technologických hľadísk (lineárna hustota, počet vrstiev tkaniny alebo parametre navíjania). Pre sklolaminát môžete použiť metódu spaľovania spojiva. Existuje pomer ox + sv = 1.

Teoreticky je maximálny možný obsah vlákien rovnakého priemeru pri najhustejšom šesťhrannom obale 90,8 % objemových. Ak vezmeme do úvahy skutočný rozptyl priemerov vlákien (10 %), táto hodnota klesá na približne 83 %. V mnohých štúdiách sa za optimálny považuje obsah vlákniny obj. = 0,65. Táto hodnota zjavne necharakterizuje hrúbku filmov spojiva (sú rôzne), ale vláknitú kostru vytvorenú pri vytváraní materiálu jedným alebo druhým spôsobom. Vplyv silových faktorov (napätie pri navíjaní a lisovací tlak) je v tomto prípade neúčinný, pretože povedie iba k zničeniu vlákien.

Skutočný spôsob, ako zvýšiť elasticko-pevnostné vlastnosti kompozitov zvýšením obsahu vlákien, je zhutniť ich stohovanie v predimpregnovanom lamináte, kým sa nezafixuje ich poloha v štruktúre kompozitu. Znížením viskozity spojiva a zvýšením vplyvu silových faktorov sa podarilo zvýšiť obsah sklených a organických vlákien v jednosmernom kompozite až na 78 % objemu. Zároveň sa zodpovedajúcim spôsobom zvýšili jeho elasticko-pevnostné charakteristiky. Teoreticky obsah vlákien nezávisí od ich priemeru, ale v praxi to má veľký význam. V prípade uhlíkových vlákien s polovičným priemerom ako sklenené alebo organické vlákna bolo možné zvýšiť ich obsah v uhlíkových vláknach len na 65 %, pretože v takomto systéme je ťažšie prekonať trenie a odstrániť prebytočné spojivo.

Pri použití organických vlákien CBM je možné získať vysoko vystužené organoplasty s obsahom vlákien až 90-95%. To je dosiahnuté v dôsledku nevratnej tepelnej deformácie vlákien v smere kolmom na ich os, čo vedie k zmene prierezu vlákien z okrúhleho na prierez ľubovoľného tvaru v dôsledku kontaktu so susednými vláknami. Interakcia medzi vláknami SVM sa dosahuje buď cez najtenšie vrstvy spojiva, pravdepodobne čiastočne umiestnené vo vnútri vlákien, alebo autohéznou väzbou vznikajúcou pri vzájomnej difúzii zložiek vlákna.

Modul pružnosti a pevnosť prstencových vzoriek sa mení lineárne takmer v celom rozsahu nárastu objemového obsahu vlákien, čo naznačuje, že je splnené „pravidlo zmesí“.

Vplyv zvýšenia elasticko-pevnostných charakteristík kompozitu (20-40%) je taký významný, že výrazne kompenzuje v niektorých prípadoch pozorovaný pokles šmykových a priečnych vlastností materiálov, ako aj zvýšenie ich absorpcie vody.

Vysoko a extrémne vystužené kompozity by sa mali používať v prvkoch, ktoré nie sú vystavené šmykovému zaťaženiu. Na zlepšenie odolnosti voči poveternostným vplyvom môžu byť vonkajšie vrstvy konštrukcie vyrobené z kompozitov s normálnym alebo vysokým obsahom spojiva.

HYBRIDNÉ A GRADIENTNÉ VYZTUŽENÉ PLASTY (HAP) S

NASTAVITEĽNÉ MECHANICKÉ VLASTNOSTI

Mechanické správanie takýchto materiálov v ťahu, tlaku, ohybe a šmyku sa v zásade riadi princípom aditívnosti, t.j. "pravidlom zmesí".

Odlišná povaha pravidelností sa pozoruje pri štúdiu HAP, pričom sa kombinujú vlákna s rôznou deformovateľnosťou. Pri preťahovaní uhlíkovo-sklo-, uhlíkovo-organických, bór-sklo- a bór-organoplastov nedochádza k deštrukcii vlákien súčasne.

Limitná deformácia kompozitu je v tomto prípade určená najmä deformáciou tých vlákien, ktorých objemový obsah prevažuje.

Označme vlákna s vysokým modulom indexom "1", vlákna s nízkym modulom indexom "2".

Pri vysokom obsahu vlákien s vysokým modulom pružnosti (a nízkej medznej deformácii 1) sa pevnosť kompozitu vypočíta podľa vzorca k1 = 1 (ECBb + E11 + E22) S vysokým obsahom vlákien s nízkou modul pružnosti, pevnosť kompozitu sa vypočíta podľa vzorca + E22) Mechanizmus deštrukcie trojzložkových materiálov sa mení pri dosiahnutí určitého kritického pomeru vlákien s rôznym modulom µcr, pri ktorom je deštrukcia vlákien s rôznou prieťažnosťou pri pretrhnutí. rovnako pravdepodobné, t.j. k1 =.

k2. Ak zanedbáme silu matice, dostaneme pomer 1 E11 + 1E22 = 2 E22, po transformácii ktorého máme:

1/ 2 = k = E2(2 – 1)/ 1 E1 Keďže 2 = 1 – 1, potom µkr2 = k/(1 + k).

Pre plasty vystužené uhlíkovými vláknami je možné vziať E1 = 250 GPa, E2 = 95 GPa, 1 = 0,8 %, 2 = 3,5 %, potom k = 0,3; µcr1 = 23 % alebo µcr2 = 77 %.

Koncept kritického objemu platí aj pre kompozity založené na jednom type vlákna. Charakterizuje prechod od deštrukcie spojiva k deštrukcii vlákien.

V dôsledku veľkého rozdielu v ich elastických charakteristikách je µcr veľmi malý a tvorí 0,1 až 0,5 % vlákien.

Uvažujme deformačné krivky plastov vystužených uhlíkovými vláknami s rôznym obsahom razidiel s rôznym modulom. V úvodnej časti I sú krivky deformácie lineárne, uhlíkové a sklenené vlákna sú deformované spoločne, modul pružnosti je zložený z dvoch zložiek a zodpovedá aditívnym zobrazeniam. Vzorky obsahujúce viac ako kritické množstvo uhlíkových vlákien sa zničia pri deformácii 0,7-0,9%. Nelineárny rez II na deformačných krivkách plastov vystužených uhlíkovými vláknami, v ktorých je obsah uhlíkových vlákien nižší ako kritický, možno považovať za rez „pseudoplasticity“ v dôsledku postupného drvenia uhlíkových vlákien v matrici zo sklenených vlákien, ktoré zabezpečuje celistvosť materiálu. Nelineárny úsek II končí pri napätí asi 2 %. Ďalej je pozorovaný takmer lineárny rez III, v ktorom modul pružnosti zodpovedá podielu sklenených vlákien v kompozite a medznému namáhaniu

– medzné napätie sklenených vlákien 2 3-3,5 %.

Keď sa vzorka znovu naplní, diagram je úplne lineárny a zodpovedá tretiemu úseku pôvodnej krivky. Súčasne dochádza zrejme k drveniu vlákna počas ďalších dvoch alebo troch cyklov záťaže a odľahčenia, pretože až potom je stanovená konštantná korelačná závislosť elektrického odporu na deformácii vzorky.

Závislosť pevnosti v ťahu HAP od pomeru vlákien rôzneho modulu je charakterizovaná krivkou s minimom zodpovedajúcim kritickému pomeru vlákien.

Pre materiály testované v tlaku sú diagramy - a závislosti pevnosti takmer lineárne. Nízkopevné (v tlaku) organické a uhlíkové vlákna, ktoré sú v sklenenej alebo bór-plastovej matrici, nemusia stratiť stabilitu počas deformácií, a preto pri namáhaní 2-3 krát väčších ako v konvenčných organických a uhlíkových plastoch. Tieto účinky, ako aj zvýšenie deformovateľnosti uhlíkových vlákien v matrici zo sklenených vlákien pod napätím, mnohí autori nazývajú synergické.

Vlákna rôznych typov sa miešajú v jednej vrstve alebo striedajú vrstvy.

Nižšie je uvedených niekoľko príkladov najracionálnejšej kombinácie vlákien s rôznym modulom v HAP:

kombinácia sklenených a organických vlákien umožňuje získať materiály na jednej strane s vyššou pevnosťou v tlaku a šmyku (v porovnaní s organoplastami), na druhej strane zvýšiť špecifické vlastnosti hybridného systému v ťahu (oproti sklolaminát);

HAP na báze kombinácie sklenených a uhlíkových vlákien má vyšší modul pružnosti v porovnaní so sklolaminátom pri zachovaní špecifických charakteristík pevnosti materiálov v tlaku a miernom poklese v ťahu; práca skazy vzoriek sa zvyšuje;

Prídavok bórových vlákien do sklom vystužených plastov môže výrazne zvýšiť ich modul pružnosti, pri zachovaní (alebo zvýšení) pevnosti materiálov v tlaku.

Jednou z odrôd HAP je gradientný PCM, ktorého štruktúra a vlastnosti sú priestorovo nehomogénne. Hladká, kontrolovaná zmena elasticko-pevnostných vlastností PCM v niektorých prípadoch umožňuje vytvoriť rovnomerné pole napätia. Napríklad pri zaťažení homogénnych PCM škrupín vnútorným alebo vonkajším tlakom sa s nárastom hrúbky konštrukcie pozoruje výrazný pokles ich efektívnych elasticko-pevnostných charakteristík. Plne zaťažené sú len vrstvy priľahlé k tlakovému médiu. Počnúc určitou hrúbkou PCM prakticky prestane prijímať dodatočné zaťaženie a zväčšovanie hrúbky plášťa nedáva zmysel. Teoreticky sa dá tomuto javu vyhnúť, ak sa použije PCM s premenlivým (narastajúcim do hrúbky) modulom pružnosti.

V tomto prípade sa hmotnostné a rozmerové charakteristiky materiálu zlepšia 1,5-2 krát.

V praxi je možné túto možnosť realizovať napríklad navíjaním PCM škrupiny po vrstvách, pričom sa postupne (podľa výpočtu) zvyšuje množstvo uhlíkových vlákien oproti skleneným. Podobné problémy (a ich riešenia) sa vyskytujú aj pri vytváraní super zotrvačníkov alebo krytov rotorov rotujúcich vysokou rýchlosťou. Zmena polohy vrstiev s rôznym obsahom vlákien umožňuje zvýšiť šmykovú, vibračnú a únavovú pevnosť, odolnosť materiálov voči vode a poveternostným vplyvom.

Gradientovo-štrukturálne kompozity výrazne rozširujú možnosti PCM.

Takúto štruktúru majú takmer všetky „prírodné stavby“ (kmene a stonky rastlín, ochranné ihličie rastlín a živočíchov, zobáky a perie vtákov a mnohé ďalšie príklady). Je zrejmé, že v tejto veci je silné zaostávanie za prírodou a existuje obrovská rezerva na zlepšenie výkonu umelo vytvorených produktov.

"Intelektuálne" kompozity Na konci XX storočia. v materiálovej vede sa objavil nový termín - "inteligentný"

materiálov. Akceptovaná koncepcia „inteligentného“ materiálu ho definuje ako konštrukčný materiál schopný samodiagnostiky a samoprispôsobenia. Tieto materiály musia byť schopné rozpoznať vznikajúcu situáciu (zmyslová funkcia), analyzovať ju a rozhodnúť (funkcia procesora), ako aj vybudiť a vykonať potrebnú reakciu (výkonná funkcia).

V súčasnosti neexistujú žiadne kompozity, ktoré by spĺňali všetky tieto požiadavky. Tieto úlohy sa však dajú čiastočne (krok za krokom) vyriešiť v prvom rade - úlohy tvorby materiálov, ktoré informujú o ich stave, o približovaní sa prevádzkovému zaťaženiu k maximálnemu prípustnému zaťaženiu, o praskaní, chemickej korózii, absorpcii vody atď.

Hlavnou požiadavkou na senzorové prvky takýchto kompozitov je citlivosť na mechanické namáhanie a schopnosť rozloženia po celom objeme. Ideálny snímač by premieňal napätie na elektrické signály. V tomto zmysle sú perspektívne vodivé vlákna, ktoré je možné zaviesť do kompozitov pri ich tvorbe. Patria sem konštantanový alebo nichrómový drôt, vodivé uhlíkové alebo bórové vlákna, piezoelektrické filmy vyrobené z polyvinylidénfluoridu atď.

Kontrola viskoelastických vlastností polymérnych kompozitov (defektoskopia) sa vykonáva pomocou akustických metód, pričom sa stanovuje vzťah medzi rýchlosťou zvuku a jeho absorpčným koeficientom. Pri využití magnetodielektrických vlastností polymérov na diagnostiku PCM sa odporúča pridávať dispergované (koloidné) častice magnetických a elektricky vodivých materiálov, vrátane ultrajemných práškov železa, medi, niklu, uhlíkových nanočastíc (fulerény a nanorúrky).

Princípom činnosti akčných (adaptívnych) mechanizmov je deformácia vznikajúca v dôsledku akýchkoľvek javov - zahrievanie, privádzanie elektrického signálu a pod. Na aktiváciu materiálu sú najvhodnejšie piezoelektrický jav, elektro- a magnetostrikcia a efekt tvarovej pamäte. . Tieto mechanizmy zabezpečujú premenu elektrického signálu na spustenú deformáciu. Najväčší účinok sa pozoruje pri kovoch s tvarovou pamäťou. Zliatina titánu a niklu poskytuje deformáciu do 2%. Ďalším dôležitým ukazovateľom aktuátora je jeho modul pružnosti, ktorý určuje možnosť vytvorenia daného napäťovo-deformačného stavu. Zvyčajne je porovnateľný s modulom pružnosti základného materiálu.

Proces výroby „inteligentných“ kompozitov v podstate zodpovedá procesu získavania produktu zo základného materiálu. V tomto prípade je potrebné do materiálu zaviesť informačné a výkonné prvky, ktoré minimálne porušujú jeho štruktúru. Je potrebné venovať pozornosť aj zložitosti mikromechanických procesov, ktoré sa vyskytujú pri vytvrdzovaní spojiva.

„Inteligentné“ kompozity sú, samozrejme, materiálom budúcnosti, no už teraz sa v zahraničí (v USA, Japonsku, Veľkej Británii, Kanade) intenzívne vedecko-technicke pracuje na vytvorení takýchto materiálov pre moderné technológie, predovšetkým letectvo. , raketa a vesmír atď atď., ako aj pre masmédiá. Príklady návrhov, ktoré využívajú „inteligentné“ materiály, zahŕňajú nábežnú hranu krídla F-15, segmentový reflektor a ovládače otočnej konštrukcie kozmických lodí, lietadiel so zníženým hlukom a vibráciami. Nemecké firmy, ktoré vyrábajú moderné veterné generátory, monitorujú stav lopatiek s priemerom do 100 m alebo viac. Optické vlákna umiestnené vo vnútri materiálu umožňujú monitorovať jeho štrukturálnu integritu a vyhodnocovať zaťaženie pôsobiace na čepele, aby ich automaticky udržiavali na optimálnej úrovni. Kontroluje sa aj možnosť delaminácie materiálu, napríklad v dôsledku úderu blesku.

Závislosť vlastností kompozitných plastov na interakcii komponentov Vzájomný vplyv komponentov v medzifázovej zóne je determinovaný zložením kompozície a podmienkami jej vzniku. V zriedkavých prípadoch je možné stanoviť funkčný vzťah medzi mechanickými charakteristikami a interakciou.

Keď glejenie zvyšuje adhéznu silu, existuje korelácia medzi adhéznou silou a napätím v ťahu.

Voľba usporiadania vlákien je založená na údajoch o rozložení silového poľa a charaktere zaťaženia.

Zvyškové napätia vo výrobkoch vyrobených z kompozitných materiálov ovplyvňujú úžitkové vlastnosti. Zvyškovým napätím (mechanickým, tepelným, zmršťovacím, difúznym a pod.) sa rozumejú napätia, ktoré sú vzájomne vyvážené v objeme výrobku, vznikli v ňom v dôsledku pôsobenia vonkajších síl, tepelných a iných polí a existujú v produkt po ukončení poľa a vymiznutí dočasných stresov. Dočasné teplotné, zmršťovacie, difúzne napätia zmiznú, akonáhle je teplota, hĺbka vytvrdnutia, stupeň kryštalinity alebo množstvo absorbovanej látky v celom objeme materiálu rovnaké. Mechanické dočasné napätia zmiznú po ukončení vonkajšieho poľa.

Zvyškové napätia vznikajú vo vylisovanom výrobku až vtedy, keď maximálne dočasné napätia v niektorej časti objemu výrobku prekročia medzu klzu materiálu a dochádza v ňom k deformáciám, ktoré sú pri bežnej teplote nevratné (plastické a vysoko elastické), resp. nerovnaký stupeň premeny (tvrdnutie, kryštalizácia) oddelené oblasti objemu materiálu nadobudnú rôzne termoelastické vlastnosti. Rozdiel v termoelastických vlastnostiach polymérnej matrice a plniva tiež vedie k vzniku zvyškových napätí.

Proces tvarovania sa uskutočňuje pri zvýšených teplotách a tlakoch.

V dôsledku toho vznikajú teplotné gradienty, ktoré sa ešte viac zvyšujú, pretože vytvrdzovanie zvyčajne prebieha exotermicky.

Počas ochladzovania vznikajú v povrchových vrstvách značné tepelné napätia, ktoré môžu viesť k vzniku dodatočných nevratných deformácií a spôsobiť zvýšenie zvyškových napätí v hotových výrobkoch.

Metóda stanovenia zvyškových napätí. rozpúšťadlovou metódou.

Vzorka je ošetrená rozpúšťadlom, ktoré preniká do polyméru a zvyšuje napätie povrchovej vrstvy. Keď povrchové napätie presiahne medzné napätie napučiavajúcej vrstvy, vznikne v nej sieť malých trhlín. V tomto prípade lg = lgm + nlgores, kde res je zvyškové napätie (kg/cm2), m a n sú konštantné hodnoty.

Napätie na rozhraní medzi spojivom a plnivom.

Hlavným dôvodom je zmršťovanie polymérnej matrice počas vytvrdzovania a chladenia, ktoré sa výrazne líši od teplotného zmršťovania plniva viazaného na matricu adhéznym spojením. Tlak vytvrdenej živice na plnivo možno vypočítať pomocou rovnice (1 2)TE 2 P=, (1 + 1) + (1 + 2) (E1 / E 2), kde 1 a 2 sú koeficienty tepelnej rozťažnosti, T je rozdiel medzi teplotami vytvrdzovania a chladením, 1 a 2 - Poissonove pomery, E1 a E2 - moduly deformácie (1 - spojivo, 2 - plnivo).

Ak napätia vyskytujúce sa v materiáli nie sú symetrické, môžu spôsobiť deformáciu tvaru.

TÉMA 2. NENASÝTENÉ POLYESTEROVÉ ŽIVICE

Myšlienku kombinácie reaktívnych polymérov a monomérov navrhol C. Ellis v 30. rokoch 20. storočia, ktorý objavil, že nenasýtené polyesterové živice získané reakciou glykolov s anhydridom kyseliny maleínovej vytvrdzujú na nerozpustný pevný materiál, keď sa pridá peroxidový iniciátor. Ellis patentoval tento objav v roku 1936.

Oligoétermaleináty sa získavajú interakciou anhydridu kyseliny maleínovej s dvojsýtnymi alkoholmi (etylénglykol, dietylénglykol, 1,2-propylénglykol), pričom za účelom kontroly počtu dvojitých väzieb vo výslednom oligoméri a získania finálneho polyméru s požadovanými vlastnosťami , iné dikarboxylové kyseliny (anhydrid kyseliny adipovej, izoftalovej, ftalovej atď.). Je potrebné poznamenať, že počas syntézy oligomérov, ktorá sa uskutočňuje pri zahrievaní z 50 na 230 ° C, dochádza k čiastočnej alebo takmer úplnej izomerizácii maleátových jednotiek na fumarátové: Vysoká kvalita.

Ellis neskôr zistil, že hodnotnejšie produkty možno získať reakciou nenasýtenej polyesterovej alkydovej živice s monomérmi, ako je vinylacetát alebo styrén. Zavedenie monomérov výrazne znižuje viskozitu živice, čo uľahčuje pridávanie iniciátora do systému a umožňuje, aby proces vytvrdzovania bol ráznejší a kompletnejší. V tomto prípade je polymerizácia zmesi rýchlejšia ako každej zložky samostatne.

Keďže vytvrdzovanie prebieha radikálovým mechanizmom, pri vytvrdzovaní sa do zmesi zavádzajú iniciátory, ktoré slúžia ako zdroj voľných radikálov a iniciujú polymerizačnú reťazovú reakciu. Voľné radikály môžu vznikať z peroxidov alebo iných nestabilných zlúčenín, ako sú azozlúčeniny. Na zvýšenie rýchlosti ich rozkladu sa do kompozície dodatočne pridávajú aktivátory (promótory) Typickými iniciátormi vytvrdzovania sú benzoylhydroperoxid a kuménhydroperoxid kyseliny. Konaftenát sa zvyčajne používa na vytvrdzovanie polymaleátových styrénových spojív pri 20–60 °C. Pri 80 - 160 ° C - benzoylperoxid, dikumyl.

Kyslík je inhibítor. Preto sa zavádzajú voskové látky. Majú nízku teplotu mäknutia a sú povrchovo aktívnou látkou, pokrývajú povrch spojiva a chránia ho pred prístupom kyslíka.

Niekedy sa do polymaleátových spojív zavádzajú retardéry horenia na zvýšenie požiarnej odolnosti: Sb2O3, organické zlúčeniny obsahujúce chlór a fosfor.

Polyesterové kompozície bez styrénu sa získavajú nahradením styrénu menej prchavými (styrén je prchavý a toxický) monomérmi, ako je divinylbenzoát, vinyltoluén, dialylftalát.

Namiesto styrénu sa ako aktívne riedidlo úspešne používa trietylénglykoldimetakrylát (THM-3):

Pri izbovej teplote sú tekuté živice stabilné mnoho mesiacov a dokonca rokov, ale s pridaním peroxidového iniciátora stuhnú v priebehu niekoľkých minút. Vytvrdzovanie nastáva ako výsledok „adičnej reakcie a premeny dvojitých väzieb na jednoduché; nevytvára žiadne vedľajšie produkty. Ako adičný monomér sa najčastejšie používa styrén. Interaguje s reaktívnymi dvojitými väzbami polymérnych reťazcov a zosieťuje ich do silnej trojrozmernej štruktúry. Reakcia vytvrdzovania prebieha s uvoľňovaním tepla, čo zase prispieva k úplnejšiemu procesu. Zistilo sa, že zvyčajne asi 90 % dvojitých väzieb prítomných v polyméri vstupuje do reakcie počas vytvrdzovania živice.

Oligoéterakryláty sa získavajú polykondenzáciou viacsýtnych alkoholov, nasýtených alifatických dikarboxylových kyselín a nenasýtených alifatických kyselín akrylovej série. Na syntézu týchto oligomérov sa zvyčajne používajú dvojsýtne alkoholy (glykoly). Oligoéterakryláty sú kvapalné alebo nízkotaviteľné látky s molekulovou hmotnosťou 300-5000. Polymerizáciou v prítomnosti iniciátorov radikálovej polymerizácie sa menia na netaviteľné a nerozpustné polyméry trojrozmernej štruktúry, ktoré sú v závislosti od chemickej štruktúry východiskového oligoméru pevné sklovité alebo elastické materiály. Oligoéterakryláty sú schopné kopolymerizácie s rôznymi monomérmi (styrén, metylmetakrylát atď.), ako aj s polyétermaleinátmi.

Oligoéterakryláty majú oproti oligoétermaleinátom určitú výhodu: sú schopné homopolymerizácie, čo umožňuje pripraviť laky a iné kompozície na ich báze bez použitia prchavých a toxických nenasýtených monomérov.

V odbore sa oligoéterakryláty vytvrdzujú radikálovou polymerizáciou alebo kopolymerizáciou; objemové zmrštenie počas vytvrdzovania je 4-10%.

Iniciátormi vytvrdzovania pri 50-120 °C (vytvrdzovanie za tepla) sú benzoylperoxidy, dikumyl atď. Na vytvrdzovanie pri izbovej teplote (vytvrdzovanie za studena) sa používajú binárne systémy (napríklad benzoylperoxid + dimetylanilín; hydroperoxid kuménu + naftenát resp. linoleát kobaltnatý).

Vytvrdzovanie oligoéterakrylátov môže byť tiež iniciované svetlom, vysokoenergetickým žiarením (lúče, rýchle elektróny) a katalyzátormi iónovej polymerizácie.

Epoxyakrylátové oligoméry možno považovať za druh oligoéterakrylátov. Získava sa interakciou oligomérov obsahujúcich koncové epoxidové skupiny s kyselinami metakrylovými alebo akrylovými.

Predpolyméry alylalkoholových esterov sa pripravujú polymerizáciou alylalkoholových esterov a kyseliny ftalovej alebo izoftalovej. Menej bežne používané sú dialylmaleinát, dietylénglykol-bis-alylkarbonát alebo triallylkyanurát.

Polymerizácia sa uskutočňuje v monomérnom prostredí zrážaním prepolyméru metanolom, alebo v tenkej vrstve monoméru s oddestilovaním jeho prebytku v danom štádiu reakcie vo vákuu.

Reakcia sa zastaví pred začiatkom gélovatenia, t.j. až 25% konverzia všetkých dvojitých väzieb v monoméri. Molekulová hmotnosť 6000, bod mäknutia ~60°C.

Predpolyméry majú dlhú dobu spracovateľnosti pri n.o. a vysokú rýchlosť vytvrdzovania pri 135-160 °C v prítomnosti dikumylperoxidu alebo terc-butylperbenzoátu. Predpolyméry sa častejšie používajú pri výrobe predimpregnovaných laminátov a premixov, ktoré majú zníženú viskozitu a plnia formy pri nízkom tlaku.

Polyesterové živice sa používajú v širokej škále produktov vrátane lodí, stavebných panelov, automobilových a leteckých dielov, rybárskych prútov a golfových palíc. Približne 80 % polyesterových živíc vyrobených v USA sa používa s výstužnými plnivami, najmä sklenými vláknami.

Nevystužené polyesterové živice sa používajú pri výrobe gombíkov, nábytku, umelého mramoru a telového tmelu.

Na rozdiel od väčšiny iných plastov, ktoré pozostávajú z jedinej zložky, polyesterové živice často obsahujú viacero zložiek (živicu, iniciátor, plnivo a aktivátor). Chemická povaha a pomer zložiek sa môžu meniť, čo umožňuje získať veľké množstvo rôznych typov polyesterových živíc.

Anhydrid kyseliny maleínovej sa používa ako zdroj reaktívnych dvojitých väzieb pre veľké množstvo nenasýtených polyesterových živíc. Pri interakcii s glykolmi (zvyčajne sa používa propylénglykol) sa vytvoria lineárne polyesterové reťazce s molekulovou hmotnosťou 1000 ... 3000. Napriek nižšej cene etylénglykolu v porovnaní s cenou propylénglykolu sa prvý z nich používa iba na získať niekoľko špeciálnych živíc. Je to kvôli zlej kompatibilite polyesterov na báze etylénglykolu so styrénom. Počas esterifikačného procesu sa cis-konfigurácia maleínanhydridu transformuje na fumarovú trans-štruktúru. To je užitočné kvôli väčšej reaktivite dvojitých väzieb fumarového fragmentu pri reakcii so styrénom. Vysoký stupeň trans izomerizácie je teda dôležitým faktorom pri výrobe reaktívnych polyesterových živíc. Napriek vysokému stupňu izomerizácie maleínanhydridu, ktorý dosahuje viac ako 90 %, sa na získanie polyesterových živíc so zvýšenou reaktivitou používa drahšia kyselina fumarová.

Iné diaxiálne kyseliny alebo anhydridy, ako sú kyselina adipová a izoftalová alebo anhydrid kyseliny ftalovej, sa často pridávajú do základného činidla, aby sa zmenili konečné vlastnosti živice a reguloval sa počet dvojitých väzieb.

Typická štruktúra polyesterovej živice je uvedená nižšie (kde R je alkylová alebo arylová skupina modifikujúcej dvojsýtnej kyseliny alebo anhydridu):

O O CH3 O O CH3 II II I II.11 I H [O-C-R-C-O-CH-CH2-O-C-CH=CH-C-O-CH-CH2]nOH lacné polyesterové živice sa široko používajú na výrobu rôznych produktov.

Typy nenasýtených polyesterových živíc Široká škála vlastností polyesterových živíc ich robí vhodnými na použitie v rôznych aplikáciách. Nižšie je uvedený súhrn siedmich konkrétnych typov nenasýtených polyesterových živíc.

–  –  –

Tento typ polyesterovej živice sa získava esterifikáciou propylénglykolu zmesou anhydridov kyseliny ftalovej a maleínovej. Pomer anhydridov kyseliny ftalovej a maleínovej sa môže meniť od 2:1 do 1:2. Výsledná polyesterová alkydová živica sa zmieša so styrénom v pomere 2:1. Živice tohto typu majú široké uplatnenie: používajú sa na výrobu paliet, člnov, sprchových dielov, regálov, bazénov a vodných nádrží.

2. Elastická polyesterová živica

Ak sa namiesto anhydridu kyseliny ftalovej použijú lineárne dvojsýtne kyseliny (napríklad adipová alebo sebaková), vytvorí sa oveľa pružnejšia a mäkšia nenasýtená polyesterová živica. Dietylén alebo dipropylénglykoly použité namiesto propylénglykolu tiež dodávajú živici elasticitu.

Pridanie takýchto polyesterových živíc k tuhým živiciam na všeobecné použitie znižuje ich krehkosť a uľahčuje ich spracovanie. Elastické živice možno získať aj nahradením časti anhydridu kyseliny ftalovej jednosýtnymi kyselinami talového oleja, ktoré vytvárajú flexibilné skupiny na koncoch polymérnych reťazcov. Takéto živice sa často používajú na ozdobné tvarovanie v nábytkárskom priemysle a pri výrobe rámov obrazov. Na tento účel sa celulózové plnivá (napríklad drvené škrupiny vlašských orechov) vkladajú do elastických živíc a odlievajú sa do foriem zo silikónovej gumy. Jemnú reprodukciu drevorezieb je možné dosiahnuť použitím foriem zo silikónovej gumy odliatych priamo na pôvodné rezbárske práce.

3. Elastické polyesterové živice Polyesterové živice tohto typu sú medziproduktmi medzi tuhými živicami na všeobecné použitie a elastickými živicami. Používajú sa na výrobu výrobkov odolných voči nárazom, ako sú lopty, ochranné prilby, ploty, automobilové a letecké diely. Na získanie takýchto živíc sa namiesto anhydridu kyseliny ftalovej používa kyselina izoftalová. Po prvé, reakciou kyseliny izoftalovej s glykolom sa získa polyesterová živica s nízkym číslom kyslosti. Potom sa pridá anhydrid kyseliny maleínovej a pokračuje sa v esterifikácii. V dôsledku toho sa získajú polyesterové reťazce s prevládajúcim usporiadaním nenasýtených fragmentov na koncoch molekúl alebo medzi blokmi pozostávajúcimi z glykol-izoftalového polyméru. Pri tomto type esterifikácie je anhydrid kyseliny ftalovej podstatne menej účinný ako kyselina izoftalová, pretože výsledný monoester kyseliny ftalovej má tendenciu prechádzať na anhydrid pri vysokých teplotách používaných pri výrobe polyesterových živíc s vysokou molekulovou hmotnosťou.

4. Polyesterové živice s nízkym zmršťovaním

Pri lisovaní polyesteru vystuženého sklenými vláknami vedie rozdiel v zmrštení medzi živicou a sklolaminátom k tvorbe jamiek na povrchu produktu. Použitie polyesterových živíc s nízkou zrážavosťou tento efekt znižuje a takto získané odlievané výrobky nevyžadujú pred lakovaním dodatočné brúsenie, čo je výhodou pri výrobe automobilových dielov a domácich elektrospotrebičov.

Polyesterové živice s nízkou zrážavosťou zahŕňajú termoplastické zložky (polystyrén alebo polymetylmetakrylát), ktoré sú v pôvodnom zložení rozpustené len čiastočne. Počas vytvrdzovania, sprevádzaného zmenou fázového stavu systému, dochádza k tvorbe mikrodutín, ktoré kompenzujú obvyklé zmršťovanie polymérnej živice.

5. Polyesterová živica odolná voči poveternostným vplyvom

Tento typ polyesterovej živice by nemal žltnúť, keď je vystavený slnečnému žiareniu, pre ktoré sa do jeho zloženia pridávajú absorbéry ultrafialového žiarenia (UV). Styrén môže byť nahradený metylmetakrylátom, ale len čiastočne, pretože metylmetakrylát neinteraguje dobre s dvojitými väzbami kyseliny fumarovej, ktorá je súčasťou polyesterovej živice. Živice tohto typu sa používajú pri výrobe náterov, vonkajších panelov a svetlíkov.

6. Chemicky odolné polyesterové živice Esterové skupiny ľahko hydrolyzujú alkálie, v dôsledku čoho je nestabilita polyesterových živíc voči alkáliám ich zásadnou nevýhodou.

Zvýšenie uhlíkového skeletu pôvodného glykolu vedie k zníženiu podielu esterových väzieb v živici. Teda živice obsahujúce "bisglykol" (produkt reakcie bisfenolu A s propylénoxidom) alebo hydrogenovaný bisfenol A majú výrazne nižší počet esterových väzieb ako zodpovedajúca živica na všeobecné použitie. Takéto živice sa používajú pri výrobe častí chemických zariadení: digestorov alebo skríň, chemických reaktorov a nádob a potrubí.

7. Polyesterová živica spomaľujúca horenie

Výlisky a lamináty z polyesterovej živice vystužené sklenenými vláknami sú horľavé, ale majú relatívne pomalú rýchlosť horenia. Zvýšenie odolnosti živice proti vznieteniu a horeniu sa dosiahne použitím halogénovaných dvojsýtnych kyselín namiesto anhydridu kyseliny ftalovej, napríklad tetrafluórftalovej, tetrabrómftalovej a "chlorendovej" (produkt adície hexachlórcyklopentadiénu k anhydridu kyseliny maleínovej, ktorý je tiež známy ako kyselina chaetová). Môže sa použiť aj dibrómneopentylglykol.

Ďalšie zvýšenie požiarnej odolnosti sa dosiahne zavedením rôznych retardérov horenia do živice, ako sú estery kyseliny fosforečnej a oxid antimónu. Polyesterové živice spomaľujúce horenie sa používajú v digestoroch, elektrických komponentoch, stavebných paneloch a v trupoch niektorých typov námorných plavidiel.

Sedem typov opísaných nenasýtených polyesterových živíc sa v priemysle najčastejšie používa. Existujú však aj živice na špeciálne účely. Napríklad použitie triallylisokyanurátu namiesto styrénu výrazne zlepšuje tepelnú odolnosť živíc. Nahradením styrénu menej prchavým dialylftalátom alebo vinyltoluénom možno znížiť straty monoméru počas spracovania polyesterovej živice. Špeciálne živice možno vytvrdzovať UV žiarením začlenením fotosenzitívnych činidiel, ako je benzoín alebo jeho étery.

Výroba nenasýtených polyesterových živíc Na výrobu nenasýtených polyesterových živíc sa typicky používajú vsádzkové procesy. Je to kvôli rôznorodosti východiskových produktov potrebných na získanie rôznych živíc, pretože periodicita procesu umožňuje rýchly a jednoduchý prechod na výrobu iných živíc. Na výrobu živíc na všeobecné použitie vo veľkom meradle sa zvyčajne používajú kontinuálne procesy.

Preferovaným konštrukčným materiálom pre výrobné zariadenia je nehrdzavejúca oceľ kvôli svojej chemickej odolnosti voči polymérnym živiciam a iným činidlám používaným pri výrobe polyesterových živíc.

Pretože ióny železa a medi inhibujú polymerizáciu polyesterových živíc voľnými radikálmi, tieto materiály sa nepoužívajú na výrobu reaktorov. Pri použití materiálov obsahujúcich halogén ako suroviny sú výhodné reaktory vyložené sklom.

Obvykle sa do reaktora vloží glykol a potom sa pridajú anhydridy kyseliny ftalovej a maleínovej. Typicky sa používa 5 až 10 % prebytok glykolu na kompenzáciu strát spôsobených odparovaním a vedľajšími reakciami. Pred zmiešaním a zahrievaním sa vzduch v reaktore vytlačí inertným plynom. Prvý stupeň reakcie - tvorba "polesteru" - nastáva spontánne pri relatívne nízkej teplote, po ktorej sa reakčná hmota zahrieva, aby sa dokončila tvorba éteru. Prietok inertného plynu reaktorom sa môže zvýšiť, aby sa vytlačila voda vytvorená kondenzačnou reakciou. Na úplnejšie odstránenie vody z glykolu vráteného do reaktora sa často používa parou vyhrievaný výmenník tepla.

V poslednom stupni esterifikácie teplota reakčnej hmoty stúpne na 190 - 220 °C. Vyššia teplota podporuje izomerizáciu maleátov na fumaráty, ale súčasne spôsobuje vedľajšie reakcie na dvojitých väzbách. Existuje optimálna teplota, pri ktorej podiel fumarátu dosahuje maximum. V prípade živíc na všeobecné použitie k tomu dochádza pri 210 °C.

Na kontrolu stupňa esterifikácie sa zisťuje kyslosť a viskozita reakčnej hmoty a po dosiahnutí požadovaných hodnôt sa polyester čerpá do finálneho reaktora.

Potrebné množstvo styrénu je už v tomto reaktore a polyesterová alkydová živica je v ňom rozpustená hneď po príchode. Aby sa vylúčili akékoľvek polymerizačné procesy, ktoré môžu nastať pri kontakte horúcej alkydovej živice so styrénom, môže sa v tomto štádiu do reakčnej hmoty dodatočne pridať inhibítor. Niekedy sa na udržanie požadovanej teploty musí reakčná hmota ochladiť. Po ukončení procesu sa kontroluje súlad vlastností reakčnej hmoty s technickými požiadavkami. Kompletný výrobný cyklus trvá 10 - 20 hodín.Opísaný spôsob výroby polyesterových živíc sa často realizuje ako taviaci proces. Tavenina reaktantu sa zahrieva, kým konverzia nedosiahne požadovanú úroveň. Iný spôsob využíva malé množstvo rozpúšťadla (toluén alebo xylén) na odstránenie vody uvoľnenej počas esterifikačného procesu vo forme azeotropickej zmesi.

Rozpúšťadlo nie je viac ako 8 % celkovej reakčnej hmoty; oddeľuje sa od vody dekantáciou a opäť sa vracia do reaktora. Po ukončení esterifikačného procesu sa z reakčnej zmesi oddestiluje zostávajúce rozpúšťadlo, najskôr pri atmosférickom tlaku a potom na úplné odstránenie - vo vákuu. Počas esterifikácie sa môžu vyskytnúť niektoré vedľajšie reakcie. Napríklad glykolová hydroxylová skupina môže byť pridaná k dvojitej väzbe maleínovej alebo fumarovej časti za vzniku rozvetveného polyméru. Zistilo sa, že asi 10 až 15 % dvojitých väzieb nenasýteného polyméru sa spotrebuje na vedľajšie reakcie.

Najjednoduchším kontinuálnym spôsobom výroby nenasýtených polyesterových živíc je reakcia zmesi anhydridov kyseliny maleínovej a ftalovej s propylénoxidom.

Na spustenie tejto reťazovej reakcie je potrebné malé množstvo glykolu. Pretože reakcia anhydridov s epoxyskupinami prebieha pri relatívne nízkych teplotách, maleátové dvojité väzby neizomerizujú do aktívnejšej trans konfigurácie. Na uskutočnenie tejto izomerizácie, nevyhnutnej pre ďalšiu interakciu so styrénom, sa musí výsledný polymér podrobiť dodatočnému zahrievaniu.

Nepretržitá výroba polyesterovej živice z anhydridov a glykolov môže byť tiež uskutočnená v sérii zahrievaných miešaných reaktorov postupným čerpaním živice cez reaktory pri rôznych teplotách.

Vytvrdzovanie nenasýtených polyesterových živíc Nenasýtené polyesterové živice sa vytvrdzujú pridaním iniciátorov, ktoré generujú voľné radikály a iniciujú polymerizačnú reťazovú reakciu.

Voľné radikály môžu vznikať z peroxidov alebo iných nestabilných zlúčenín, ako sú azozlúčeniny. Tieto zlúčeniny sa môžu po zahriatí alebo vystavení ultrafialovému alebo inému vysokoenergetickému žiareniu štiepiť na radikálové fragmenty. Vo všeobecnosti polyesterová živica obsahuje inhibítor, ktorý je v podstate zachytávačom voľných radikálov. Polymerizačná reakcia so zavedením iniciátorov začína až po prekonaní pôsobenia inhibítorov. Táto indukčná perióda umožňuje mechanicky zmiešať živicu obsahujúcu iniciátor s vystužovacím činidlom a umiestniť ju do formy potrebnej na vytvrdenie pred začatím polymerizačnej reakcie. Dobrými inhibítormi polymerizácie sú hydrochinón a jeho deriváty, ako aj kvartérne amóniové halogenidy.

Väčšina peroxidových iniciátorov sa pri vstupe do polymérnej hmoty rozkladá relatívne pomaly. Na zvýšenie rýchlosti ich rozkladu sa používajú aktivátory (promótory). V skutočnosti sú aktivátory katalyzátormi pre iniciátory.

Iniciátor aj aktivátor sú reaktívne zlúčeniny, ktorých prudká interakcia je sprevádzaná vznietením alebo dokonca výbuchom. Tieto zlúčeniny by sa mali pridávať do živice oddelene, pričom pred pridaním druhej sa uistite, že prvá je úplne rozpustená. Mnohé živice obsahujú vopred pridaný aktivátor.

Správanie sa polyesterovej živice počas vytvrdzovania je určené pomerom vplyvov inhibítora, iniciátora a aktivátora.

Substituenty na atóme uhlíka etylénu môžu ovplyvniť reaktivitu dvojitej väzby dvoma spôsobmi. Priestorový vplyv je spôsobený skutočnosťou, že objemné skupiny chránia dvojitú väzbu a znižujú možnosť druhej reaktívnej skupiny zaujať priaznivú pozíciu pre útok, čím sa znižuje reaktivita celej zlúčeniny. Polarita je určená schopnosťou substitučnej skupiny priťahovať alebo darovať elektróny. Elektrón-donorové skupiny (ako je metyl, fenyl a halogén) spôsobujú, že dvojitá väzba je elektronegatívna. Práve ich pôsobenie sa prejavuje pri styréne, vinyltoluéne a chlórovanom styréne.

Skupiny priťahujúce elektróny (ako je vinyl alebo karbonyl) robia dvojitú väzbu elektropozitívnou. K tomu dochádza vo fragmentoch kyseliny fumarovej v reťazcoch polyesterovej živice. Opačná polarita dvojitej väzby v styrénových a fumarových fragmentoch alkydovej živice podporuje ich interakciu a vytvrdzovanie polyesterových živíc. Monomérny styrén, ktorý je mobilnejší ako dlhé polymérne reťazce nenasýteného polyesteru, môže byť homopolymerizovaný. Experimentálne sa zistilo, že molárny pomer styrénu a dvojitých väzieb polyesteru 2:1 je optimálny.

iniciátorov a aktivátorov

Existuje široká škála systémov iniciátor-inhibítor-aktivátor na použitie pri výrobe polyesterových živíc. Napríklad živica inhibovaná hydrochinónom na všeobecné použitie môže vytvrdnúť veľmi rýchlo, ak sa aktívny peroxidový iniciátor, ako je metyletylketónperoxid, použije v kombinácii s aktivátorom, ako je naftenát alebo oktoát kobaltnatý. V inom prípade sa na vytvrdenie polyesterovej živice zavedie oveľa stabilnejší iniciátor: terc-butylperbenzoát. To umožňuje, aby sa polyesterová kompozícia naplnila uhličitanom vápenatým a drveným skleným vláknom. Táto formovaná zmes obsahujúca iniciátor je stabilná pri teplote miestnosti niekoľko mesiacov, ale môže byť vytvrdená v priebehu jednej minúty lisovaním za horúca pri 140-160 °C.

Výber vhodného iniciátora a jeho množstvo závisí od typu živice a jej teploty vytvrdzovania, potrebnej doby celého procesu a doby želatinácie. Pretože žiadny z dostupných iniciátorov zvyčajne sám o sebe nespĺňa všetky potrebné požiadavky, na dosiahnutie najlepších výsledkov sa používajú rôzne kombinácie iniciátorov a iniciátorov s aktivátormi.

Pri tepelnom vytvrdzovaní polyesterových živíc je najčastejšie používaným iniciátorom benzoylperoxid (BP), ktorý je mimoriadne účinný a ľahko sa používa. Je ľahko rozpustný v styréne, možno ho skladovať dlhú dobu bez straty aktivity, je stabilný pri izbovej teplote a pri zvýšenej teplote sa ľahko rozkladá. Okrem toho BP spôsobuje vysokú exotermickú špičkovú teplotu, ktorá prispieva k úplnému vytvrdnutiu živice. Množstvo BP zavedené do živice sa pohybuje od 0,5 do 2 % v závislosti od typu živice a použitého monoméru. Pri použití BP vo forme pasty (zvyčajne v zmesi s 50% trikrezylfosfátom) sa množstvo zavádzaného iniciátora mierne zvyšuje (~1 - 3%).

Niekedy je žiaduce (alebo dokonca nevyhnutné) uskutočňovať proces vytvrdzovania živice od začiatku do konca pri nízkych teplotách, aby sa teplo vznikajúce počas polymerizácie rozptýlilo. Toto je obzvlášť dôležité pri mokrom laminovaní, kde je použitie tepla náročné. V takýchto prípadoch sa zvyčajne ako iniciátor používa metyletylketónperoxid (MEKP). Aj keď použitie PMEK nevytvrdí živicu úplne pri izbovej teplote, pridanie aktivátora (napr. naftenát kobaltu) spôsobí, že živica v krátkom čase zgéluje a takmer vytvrdne.

TÉMA 3. ŽIVICE NA BÁZE DIESTERU

VINYL CARBOXY KYSELINA

Hoci sa rôzne DVA vyrábali v laboratórnych množstvách od konca 50. rokov 20. storočia, komerčná výroba týchto živíc bola založená až v roku 1965 spoločnosťou Shell Chemical pod obchodným názvom "epokrylové živice". Tieto živice boli identifikované ako epoxidové metakryláty a mali vynikajúcu chemickú odolnosť, prevyšujúcu odolnosť najlepších (v tom čase) polyesterových živíc.

V roku 1966 spoločnosť Dow Chemical uviedla na trh Derakan, diester vinylkarboxylových kyselín a množstvo podobných náterových živíc. V roku 1977 začali firmy Interplastic a Reichhold Chemical s výrobou DVK pod názvom Coretsin a Korrolit.

resp.

Vlastnosti živice

Živice môžu byť použité v čistej forme (t.j. bez riedidla) alebo zmiešané s inými prísadami. V druhom prípade môže živica obsahovať reaktívny komonomér obsahujúci vinyl (styrén, vinyltoluén, trimetylolpropántriakrylát) alebo nereaktívne "riedidlo" (metyletylketón, toluén). Živice na báze esterov kyseliny metakrylovej obsahujú spravidla styrén a používajú sa pri výrobe chemicky odolných plastov vystužených sklenenými vláknami (GRP). Živice - deriváty - kyseliny akrylovej sa dodávajú neriedené a zodpovedajúce koreagencie sa zavádzajú priamo pri príprave náterov a tlačiarenských farieb vytvrdzovaných pôsobením UV žiarenia.

Fyzikálne vlastnosti a aplikácie DVK závisia od typu koncových skupín (metakrylátové alebo akrylové), od množstva a typu koreagentov, ako aj od povahy a molekulovej hmotnosti blokov, ktoré tvoria hlavný reťazec živice. makromolekuly. V dôsledku vytvrdzovania získava styrén - DVKM-II vysokú odolnosť voči kyselinám, zásadám a rozpúšťadlám. Deriváty kyseliny akrylovej sú citlivejšie na hydrolýzu ako deriváty kyseliny metakrylovej, a preto sa zvyčajne nepoužívajú pri výrobe chemicky odolných materiálov. Vzhľadom na vysokú reaktivitu týchto živíc je výhodné vytvrdzovanie žiarením.

Neriedený DVK je pevná alebo voskovitá látka. Preto sa do kompozície pridávajú reaktívne aj inertné riedidlá, aby sa zabezpečila viskozita potrebná na spracovanie a zvýšila sa ich reaktivita.

Hlavnú časť makromolekúl DVA tvoria epoxidové oligomérne bloky rôznych molekulových hmotností. Čím vyššia je molekulová hmotnosť takýchto blokov, tým vyššia je pevnosť a elasticita živice, ale nižšia tepelná odolnosť a odolnosť voči rozpúšťadlám.

V porovnaní s polyestermi sa DVC vyznačujú nižším obsahom esterových skupín a vinylových fragmentov. To vedie k zvýšeniu odolnosti týchto živíc voči hydrolýze, ako aj k zníženiu teploty exotermického píku. Zmršťovanie živice počas vytvrdzovania je znížené. Podobne ako polyestery, aj DVC majú obmedzenú trvanlivosť, ktorá je zabezpečená zavedením inhibítorov polymerizácie ("lapačov" voľných radikálov) počas procesu výroby živice.

Výroba živice

DVK sa získava reakciou kyseliny metakrylovej alebo akrylovej s oligomérnou epoxidovou živicou. Adičná reakcia kyseliny na epoxid (esterifikácia) je exotermická. V dôsledku tejto reakcie vznikajú na oligomérnom bloku voľné hydroxylové skupiny, ale nedochádza k tvorbe vedľajších produktov (ako napr. pri polyesterifikácii, kedy vzniká voda). Po ukončení reakcie alebo v jej priebehu sa do reakčnej zmesi pridajú vhodné riedidlá alebo inhibítory polymerizácie.

Epoxidové živice, ktoré sa používajú na výrobu DVA, môžu byť založené na bisfenole A (v tomto prípade sa získa univerzálny a tepelne odolný DVA), na fenolovo-novolakových fragmentoch (žiaruvzdorný DVK) a tiež na tetrabróme. derivát bisfenolu A (ohňovzdorný DVK). Pri získavaní DVK s akrylovými skupinami na koncoch sa ako polymér hlavného reťazca zvyčajne používajú oligomérne epoxidové bloky na báze bisfenolu A.

Vytvrdzovanie

DVC, podobne ako nenasýtené polyesterové živice, obsahuje dvojité väzby, ktoré pri vytvrdzovaní reagujú a vytvárajú zosieťovanie. K tomuto procesu dochádza v prítomnosti voľných radikálov, ktoré vznikajú v dôsledku chemických, tepelných alebo radiačných premien. Proces vytvrdzovania prebiehajúci podľa mechanizmu voľných radikálov zahŕňa fázy iniciácie (indukčná perióda), rastu a ukončenia reťazca. Iniciácia je krok obmedzujúci rýchlosť, počas ktorého iniciátor potláča pôsobenie inhibítorov polymerizácie. To vedie k tomu, že reakcia prebieha pozdĺž dvojitých väzieb vinyléteru, ktorý je súčasťou makromolekúl, a jeho korektora.

Lisovanie Polotovary (predimpregnované lamináty) na báze DVK na objemové lisovanie alebo na doskové plasty sa používajú pri priamom lisovaní tvaroviek na rúry, kryty domácich spotrebičov, obežných kolies, čerpadiel a automobilových dielov. Typicky tieto predimpregnované lamináty obsahujú približne rovnaké hmotnostné diely živice, mletého skleneného vlákna a plnív. Zahŕňajú tiež: "skrytý" iniciátor, pigmenty, antiadhézny lubrikant a zahusťovadlá.

TÉMA 4. POLYBUTADIÉNOVÉ ŽIVICE

Polybutadiénové živice boli vyrobené okolo roku 1955 a používané v zmesiach typu Bud v laboratóriách Injay. Živica, ktorá sa použila v týchto zlúčeninách, pozostávala z veľkého množstva kvapalného 1,2-polybutadiénu, niektorých kopolymérov styrénu a butadiénu a aduktov týchto dvoch živíc. Odvtedy podobné produkty vyrábajú spoločnosti Richardson a Lithium. V roku 1968 začali pod značkou „Gistil“ vyrábať polybutadién s vysokým obsahom dvojitých väzieb a malým množstvom izokyanátových skupín na koncoch makromolekúl. Zaviedlo sa do nej určité množstvo peroxidového iniciátora.

Teraz túto živicu vyrábajú firmy "Dianachem" a "Nippon Souda" pod obchodným názvom "Nisso-RV". Táto živica je kvapalný ataktický polybutadién s molekulovou hmotnosťou 1 000 - 4 000, z ktorých asi 90 % dvojitých väzieb sa nachádza v bočných reťazcoch (vinylové skupiny).

Existujú tri typy tejto živice:

typ B neobsahuje koncové funkčné skupiny; typ G obsahuje hydroxylové skupiny a typ C - karboxylové skupiny na oboch koncoch makromolekúl. Ďalšie polybutadiénové živice sú teraz dostupné pod názvom "Ricone" od Colorado Chemical Specialties. Dienitové živice sú zmesou 1,2- a 1,4-polybuta-dénov (Dienite PD-702, PD-503) alebo zmesi s monomérmi-ko-reagentami, ako je vinyltoluén (PM-520, PM-503 ) resp. styrén-butadiénový oligomér (PDPD-753).

Priemyselné typy polybutadiénových živíc sú zvyčajne zmesou 1,2- a 1,4-polybutadiénov s nízkou molekulovou hmotnosťou. Tieto izoméry sa líšia polohou reakčného centra zapojeného do polymerizácie. 1,2-polybutadién, v ktorom sú dvojité väzby umiestnené v bočných reťazcoch, je reaktívnejší ako 1,4-polyméry, kde sú dvojité väzby v hlavnom reťazci. Na získanie vysoko elastických materiálov sa preto zvyčajne používajú živice s vysokým obsahom 1,2-polybutadiénu rýchlejšie a ľahšie a živice s významným podielom 1,4-polyméru.

Aby bolo spracovanie 1,2-polybutadiénovej (PBB) živice na kompozitné materiály pohodlnejšie, malo by sa získať s vysokou molekulovou hmotnosťou a úzkou distribúciou molekulovej hmotnosti (MW). Na zvýšenie reaktivity živice počas rôznych chemických premien sa do jej makromolekúl zavádzajú koncové funkčné skupiny (napríklad hydroxylová, karboxylová alebo izokyanátová) a pripravujú sa aj zmesi obsahujúce polybutadién a reaktívne monoméry, ako je styrén a vinyltoluén. . Koncové hydroxylové skupiny umožňujú reakcie s polyuretánmi a karboxylové skupiny s epoxidovými skupinami. PBB zakončené izokyanátom sa používajú hlavne na výrobu elektricky izolačných zalievacích zmesí.

S vysokým obsahom vinylových skupín (nad 85 %) sa polybutadiénové živice ľahko vytvrdzujú v prítomnosti peroxidových iniciátorov. Reaktívne koncové funkčné skupiny umožňujú živici zvýšiť molekulovú hmotnosť ešte pred vytvrdením. Zvýšenie MW spôsobuje zníženie toku živice pred zosieťovaním, čo spôsobuje želatinizáciu a vzhľad tuhých polymérnych štruktúr.

V dôsledku toho sa dosiahne aj vhodnejší technologický čas na spracovanie živice v reaktore. Krok rastu reťazca môže byť riadený (v čase), aby sa získali polyméry s rôznymi vlastnosťami, od kvapalín s vysokou viskozitou po pevné látky s vysokou MW. Schopnosť reťazového rastu je základom pre široké použitie polybutadiénových živíc pri výrobe lisovacích kompozícií, náterov, lepidiel, elektricky izolačných zalievacích zmesí a termosetových laminátov. Deriváty polybutadiénu uvedené nižšie možno použiť ako modifikátory pre iné živice, tak aj pri výrobe špeciálnych laminátov

–  –  –

Vytvrdzovanie živicou Podobnosť procesu vytvrdzovania polybutadiénových živíc s vytvrdzovaním dobre známych polyesterových polymérov pomocou peroxidových iniciátorov ich robí mimoriadne užitočnými pre technológiu kompozitných materiálov.

Vytvrdzovanie polyméru prechádza troma fázami: nízkoteplotné gélovanie, vysokoteplotné vytvrdzovanie a tepelná cyklizácia. Pri nízkych teplotách dochádza k zvýšeniu molekulovej hmotnosti a viskozity živice.

To môže spôsobiť gélovatenie a začiatok vytvrdzovania. Vytvrdzovanie pri vysokej teplote začína pri 121 °C, pričom dominujú reakcie na dvojitých väzbách vinylových skupín. Počas tejto fázy procesu sa tvoria pevné produkty. Tepelná cyklizácia začína pri teplote ~232 °C a zostávajúce nenasýtené fragmenty polymérneho substrátu reagujú za vzniku husto zosieťovanej siete.

Nižšie sú uvedené typické údaje o režime spracovania prípravného prípravku:

Teplota tvarovania, °C

Tlak, MPa

Cyklus vytvrdzovania pri 77 °C pre 3,2 mm laminát, min |

Obdobie po vytvrdnutí ................... Žiadna chemická štruktúra a vlastnosti Polybutadiénové živice majú vynikajúce elektrické vlastnosti a chemickú odolnosť. Vysoký obsah uhľovodíkov a minimálny obsah aromatických jednotiek sú dôvodom nízkych hodnôt dielektrickej konštanty a faktora tlmenia, ako aj výbornej chemickej odolnosti. Nízky obsah aromatických úlomkov vysvetľuje vysokú odolnosť voči oblúku, ako aj odolnosť voči tvorbe vodivých stôp.

Tieto vlastnosti polybutadiénových živíc, podobné správaniu polyetylénu, sú spojené s odolnosťou týchto polymérov voči tvorbe uhlíka počas pyrolýzy pod vysokým napätím. Absencia esterových väzieb, ktoré spôsobujú, že polyestery sú citlivé na kyseliny a zásady, vysvetľuje hydrofóbnosť, ako aj odolnosť polybutadiénových živíc voči kyselinám a zásadám.

Aplikácia CM na báze PBB Vďaka jedinečnej kombinácii vynikajúcich elektrických vlastností s chemickou odolnosťou sa CM na báze PBB úspešne aplikovali pri navrhovaní anténnych krytov palubných radarov. Pre prevádzku vo frekvenčnom pásme presahujúcom K-pásmo (10,9 - 36,0 GHz) boli použité vystužené epoxidovým sklom vystužené plasty, ktoré tento účel nedostatočne spĺňajú z dôvodu vysokých dielektrických konštánt (4,5 - 5,0).

To je jasné, ak vezmeme do úvahy, že hrúbka steny kapotáže, ako vyplýva z rovnice nižšie, je funkciou dielektrickej konštanty a prevádzkovej vlnovej dĺžky:

n 0 D=, 2(sin 2) 0,5 kde d je hrúbka steny anténneho radomu; n - celé číslo 0 (n = 0 pre tenkú stenu; n - 1 pre stenu s hrúbkou rovnajúcou sa dĺžke polovice vlny); 0 - vlnová dĺžka vo voľnom priestore; - dielektrická konštanta; - uhol dopadu.

Pretože hrúbka steny dielektrického krytu musí byť priamo úmerná efektívnej vlnovej dĺžke, ale nepriamo úmerná dielektrickej konštante, kombinácia súčasného zvyšovania frekvencie a použitia vysoko dielektrického kompozitu vytvára problém nesúladu hrúbky steny, keď sa používajú dlhšie vlnové dĺžky.

Je zrejmé, že ak vlnová dĺžka súčasne klesá a dielektrická konštanta materiálu sa zvyšuje, potom je možné zmenšiť hrúbku stien kapotáže. Použitie tenkých stien však vedie k problému nárazového zlyhania, ktoré môže byť urýchlené silnou povrchovou eróziou tenkovrstvových štruktúr.

Ďalším problémom s materiálmi s vyššími dielektrickými vlastnosťami je možnosť variácií v hrúbke steny dielektrického krytu, čo má za následok vyššie výrobné náklady alebo použitie dodatočných materiálov na zabezpečenie presnej „elektrickej“ hrúbky. Pri použití antén na lietadlách a lodiach sú na CM, z ktorých sú kapotáže vyrobené, kladené ďalšie požiadavky: musia mať stabilné vlastnosti v širokom rozsahu teplôt a v podmienkach vysokej vlhkosti. Prísne materiálové požiadavky spojené s vysokými prevádzkovými frekvenciami a náročnými podmienkami prostredia nie je možné ľahko splniť pomocou konvenčných kompozitných materiálov. Tieto požiadavky však možno lepšie splniť pri použití materiálov na báze polybutadiénov.

Pri príprave predimpregnovaných laminátov sa živice vytvrdzujú v prítomnosti peroxidového iniciátora. Napriek výbornej spracovateľnosti tohto CM a ľahkému vytvrdzovaniu, ktoré je hotové v jednej etape za 2 hodiny pri teplote 177 °C, jeho nízke mechanické vlastnosti v priečnom smere obmedzujú jeho použitie ako konštrukčného materiálu. Táto nevýhoda je pravdepodobne spojená s vysokou hustotou medzimolekulových zosieťovaní, čo vedie nielen ku krehkosti, ale aj k nízkej priľnavosti spojiva k uhlíkovým vláknam.

Pri získavaní polybutadiénových vrstvených plastov na konštrukčné účely sa používajú rôzne výstužné vlákna: sklo, kremeň a aramid ("Kevlar-49"). Kompozity vystužené vláknom Kevlar-49 s objemovým podielom 60% sú vhodné na výrobu radomov radarových antén. Aby sa zlepšili niektoré mechanické vlastnosti materiálu, najmä pevnosť v ťahu v priečnom smere a interlaminárny šmyk, je potrebné zlepšiť adhézne vlastnosti a zmáčavosť vlákna Kevlar-49.

Ďalšou požiadavkou pri použití týchto materiálov na výrobu krytov radarových antén je nízka absorpcia vlhkosti.

Skladovanie Polybutadiénové živice nevyžadujú žiadne špeciálne skladovacie podmienky v porovnaní s bežnými podmienkami spojenými s používaním prchavých, horľavých organických rozpúšťadiel, ako je heptán alebo toluén. Pri skladovaní pri teplotách 0, 20 alebo 35 °C po dobu 10 týždňov nie je badateľná zmena viskozity ani separácia roztoku. Treba sa však vyhnúť dlhšiemu skladovaniu pri teplotách nad 35 °C kvôli tendencii roztoku gélovať.

EPOXIDY Epoxidové živice patria medzi najlepšie spojivá pre širokú škálu vláknitých kompozitov z nasledujúcich dôvodov:

Dobrá priľnavosť k veľkému množstvu plnív, výstužných komponentov a podkladov;

Rôzne dostupné epoxidové živice a vytvrdzovacie činidlá, ktoré umožňujú po vytvrdnutí získať materiály so širokou kombináciou vlastností, ktoré spĺňajú rôzne požiadavky technológie;

Žiadne uvoľňovanie vody alebo akýchkoľvek prchavých látok počas chemického procesu a mierne zmršťovanie počas vytvrdzovania;

Chemická odolnosť a dobré elektrické izolačné vlastnosti.

Hlavnou zložkou epoxidových spojív je zmes oligomérnych produktov s epoxidovými skupinami v koncových jednotkách (epoxidové živice).

Dostávajú:

interakcia epichlórhydrínu s dvojsýtnymi (menej často viacsýtnymi) alkoholmi alebo fenolmi za vzniku diglycidových oxyéterov CH2-CH-CH2Cl + HO-R-OH CH2-CH-CH2-O-R-(-O-CH2-CH(OH)-CH2 -O-ROO)-O-CH2-CH-CH2\/O alebo CH2-CH-CH2Cl + H2N-C6H4-NH2 \/ O alebo CH2-CH-CH2Cl + HO-C6H4-C (CH3) 2-C6H4 -OH bisfenol A \/ O Najbežnejšie živice sú tie, ktoré sa získavajú z epichlórhydrínu a difenylolpropánu (bisfenol A) (živice typu ED) alebo z produktov polykondenzácie epichlórhydrínu a metylolfenolu (epoxyfenolové živice EF, EN). V poslednej dobe sa používajú živice z epichlórhydrínu a anilínu (živica EA), diaminodifenylmetán (EMDA).

Použitie Epoxidové živice sa používajú pri výrobe rôznych kompozitných materiálov a konštrukčných dielov. Používajú sa tiež ako zapuzdrovacie a tesniace hmoty, lisovacie prášky a na výrobu lepidiel.

Epoxidové živice sú veľmi odolné voči kyselinám, zásadám a vlhkosti, nedeformujú sa pri zahriatí na vysoké teploty, majú nízke zmrštenie a vysoký objemový odpor. Epoxidové živice možno použiť nielen na ochranu materiálov pred vplyvmi prostredia, ale aj na lepenie dielov. V elektronickom priemysle sa napríklad epoxidové živice používajú na zapuzdrenie zváraných modulov, odlievacích transformátorov a vinutí motorov a tiež na utesnenie spojov elektrických káblov.

Od druhej svetovej vojny sa epoxidové živice používali na výrobu nástrojov (napríklad foriem používaných pri lisovaní plechov alebo modelov pri výrobe dielov). Výstužné plnivá vo forme častíc alebo vlákien sa ľahko zavádzajú do živice, čím sa znižujú jej náklady a zvyšuje sa rozmerová stabilita. Možnosť nahradenia kovov epoxidovými živicami je daná dvomi faktormi: hospodárnosťou pri výrobe a rýchlosťou (bez veľkých materiálových nákladov) úpravy. Okrem toho si tieto živice dobre zachovávajú svoj tvar a rozmery, majú vysoké mechanické vlastnosti a nízke zmrštenie, čo umožňuje vyrábať z nich diely s malými toleranciami.

Formovanie Epoxidové formovacie hmoty (práškové, čiastočne vytvrdené zmesi živice a tvrdidla, ktoré stekajú pri zahriatí) sa používajú na výrobu všetkých druhov konštrukčných dielov. Plnivá a stužovacie činidlá sa ľahko zavádzajú do epoxidových živíc a vytvárajú formovaciu hmotu. Epoxidové živice poskytujú nízke zmrštenie, dobrú priľnavosť k plnivám a stužujúcim činidlám, chemickú stabilitu, dobré reologické vlastnosti.

Lepenie Zo všetkých známych polymérnych materiálov majú epoxidové živice najvyššiu priľnavosť. Používajú sa na impregnáciu rôznych podkladov s minimálnym zmršťovaním. Preto môžu byť tieto živice použité na spojenie mnohých odlišných materiálov. Navyše sa dajú vytvrdzovať pri rôznych teplotách a pri rôznych rýchlostiach, čo je pri priemyselnej výrobe lepidiel veľmi dôležité.

Výroba vláknových navinutých CM a ako laminátov Jedna z najdôležitejších aplikácií epoxidovej živice alebo spojiva je pri výrobe laminátov a vláknitých kompozitov na výrobu konštrukčných dielov. Takéto diely sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach vrátane konštrukcie lietadiel, kozmického priestoru a vojenského vybavenia. Lamináty sa používajú aj v elektronickom priemysle na výrobu dosiek plošných spojov. Nádrže a potrubia vyrobené z epoxidových kompozitov sú široko používané v chemickom a petrochemickom priemysle.

Epoxidové živice možno použiť v rôznych procesoch: mokré navíjanie vlákna alebo "mokré" formovanie laminátov, suché navíjanie alebo kladenie vrstiev s predimpregnáciou prameňov vlákien, tkanín alebo pások (vo forme predimpregnovaných laminátov). Vo všeobecnosti sú epoxidy drahšie ako väčšina ostatných živíc, ale vďaka ich vynikajúcim úžitkovým vlastnostiam sú z dlhodobého hľadiska často ziskovejšie.

Vytvrdzovanie živíc amínom Prevažná väčšina epoxidových oligomérov sú buď viskózne kvapaliny alebo tuhé látky s nízkou teplotou topenia, ktoré sú ľahko rozpustné v ketónoch, éteroch a toluéne.

Epoxidové oligomérne tvrdidlá sú rozdelené do dvoch veľkých skupín podľa mechanizmu účinku:

Zosieťovacie tvrdidlá obsahujú funkčné skupiny, ktoré chemicky interagujú s funkčnými skupinami epoxidového oligoméru;

Katalytické tvrdidlá spôsobujú vznik priestorovej sieťovej štruktúry polymerizáciou epoxidových skupín.

Zosieťovacie tvrdidlá obsahujú vo svojich molekulách amino, karboxylové, anhydridové, izokyanátové, hydroxylové a ďalšie skupiny.

Tvrdidlá amínového typu sa používajú na vytvrdzovanie v rozsahu prevádzkových teplôt 0-150 °C. Ako alifatické amíny sú široko používané 1,6-hexametyléndiamín a polyetylénpolyamíny všeobecného vzorca H2N(CH2CH2NH),CH2CH2NH2, kde n = 1-4, ktoré majú vysokú aktivitu aj pri teplote 20 °C.

Ako aromatické amíny sa používajú m-fenyléndiamín, 4,4"-diaminodifenylmetán, 4,4"-diaminodifenylsulfón. Aromatické amíny sú menej aktívne ako alifatické a vytvrdzujú pri teplotách 150 °C a vyšších.

Dikyándiamín je široko používaný ako tvrdidlo amínového typu.

Dikyándiamín pri izbovej teplote prakticky nereaguje s epoxidovými oligomérmi, ale rýchlo ich vytvrdzuje pri zvýšených teplotách (150 °C a viac).

Pre úplné zosieťovanie epoxidovej živice musí byť pomer medzi počtom atómov vodíka v aminoskupinách tvrdidla a počtom epoxidových skupín v živici 1:1. Reakcia medzi alifatickými amínmi a epoxidovými skupinami prebieha pri teplote miestnosti. V prípade použitia drsných aromatických amínov je potrebné zahrievanie. Chemická väzba medzi atómami uhlíka a dusíka, ku ktorej dochádza, keď je živica „zosieťovaná“ amínmi, je odolná voči väčšine anorganických kyselín a zásad. Táto väzba je však menej stabilná voči organickým kyselinám ako medzimolekulové väzby tvorené tvrdidlami iných tried. Okrem toho, elektrické izolačné vlastnosti "aminovytvrdených" epoxidov nie sú také dobré ako u iných vytvrdzovacích činidiel. Možno je to spôsobené polaritou hydroxylových skupín vytvorených počas vytvrdzovania.

Izokyanátové tvrdidlá ľahko reagujú s hydroxylovými skupinami epoxidových oligomérov aj za studena (=20 °C). Pri vysokých teplotách vytvrdzovania (180-200 °C) je možná reakcia izokyanátovej skupiny s epoxyskupinou za vzniku oxazolidónového cyklu. Ako izokyanáty sa používajú 2,4- a 2,6-toluéndiizokyanáty, hexametyléndiizokyanát a na nich založené predpolyméry s koncovými izokyanátovými skupinami.

Na vytvrdzovanie epoxidových oligomérov sa široko používajú fenolformaldehydové oligoméry novolakového aj rezolového typu. Novolaky vytvrdzujú epoxidové oligoméry reakciou fenolických hydroxylov s epoxidovými skupinami pri 150-180 °C a v prítomnosti katalyzátorov (terciárnych amínov) pri 80 °C. V prípade rezolov reagujú hydroxymetylové skupiny rezolov so sekundárnymi OH skupinami epoxidových oligomérov a navyše môžu alkylovať aromatické kruhy epoxidových oligomérov.

Katalytické tvrdidlá katalyzujú polymerizáciu epoxidových skupín katiónovými a aniónovými mechanizmami.

Katiónová polymerizácia je iniciovaná Lewisovými kyselinami - BF3, BF30(C2H5)2, SnCl4 atď.

Aniónová polymerizácia je iniciovaná hydroxidmi a alkoholátmi alkalických kovov, ako aj terciárnymi amínmi, ako je trietanolamín a 2,4,6-tris(dimetylaminometyl)fenol.

Pri aniónovej polymerizácii v prítomnosti terciárnych amínov vzniká aktívne miesto súčasnou reakciou amínu, epoxidového miesta a alkoholu podľa schémy O OH Alifatické terciárne amíny sú zvyčajne tvrdidlá tvrdnúce za studena. V poslednej dobe sa ako tvrdidlá typu Lewis úspešne používajú imidazoly (najmä 2-etyl-4-metylimidazol), ktoré dodávajú polymérom zvýšenú tepelnú odolnosť.Skladovanie amínových tvrdidiel zvyčajne nespôsobuje žiadne zvláštne problémy. U niektorých ľudí však môžu spôsobiť podráždenie pokožky a treba s nimi zaobchádzať opatrne.

Vytvrdzovacie živice s anhydridmi kyselín Ako kyslé vytvrdzovače našli najväčšie uplatnenie cyklické aldehydy karboxylových kyselín, ako je ftalová, maleínová, ako aj trimelitová (TMA), pyromelitová (PMA), anhydrid kyseliny benzofenóntetrakarboxylovej (ABTC) Vytvrdzovanie karboxylovou kyselinou anhydridov sa uskutočňuje pri 120-180 °C.

Skladovanie týchto tužidiel si vyžaduje osobitnú starostlivosť, aby sa zabránilo ich rozkladu vzdušnou vlhkosťou. Aby sa zabezpečilo úplné vytvrdenie, reakcia sa uskutočňuje za zahrievania. Často sa pridáva malé množstvo urýchľovača, aby sa urýchlil proces vytvrdzovania, ktorý je extrémne pomalý. Existujú aj bezvodé tvrdidlá, ktoré pri zahriatí nad 200°C reagujú so živicou. Anhydridy kyselín reagujú s epoxidovými živicami za vzniku esterov. Aby k tejto reakcii došlo, je potrebné otvorenie anhydridového kruhu. Malé množstvo látok obsahujúcich protón (napríklad kyseliny, alkoholy, fenoly a voda) alebo Lewisových zásad podporuje otváranie kruhu.

Esterová skupina vytvorená ako výsledok vytvrdzovania je odolná voči pôsobeniu organických a niektorých anorganických kyselín, ale je zničená zásadami. Výsledné materiály majú väčšiu tepelnú stabilitu a lepšie elektroizolačné vlastnosti ako pri použití amínových tvrdidiel.

Katalytické vytvrdzovanie Lewisovou kyselinou Len jedna z Lewisových kyselín, fluorid boritý, sa široko používa ako vytvrdzovacie činidlo pre epoxidové živice. Keď sa toto tvrdidlo pridá v malých množstvách do čistého epoxidu, pôsobí ako katalyzátor pre katiónovú homopolymerizáciu živice na polyéter. Fluorid boritý spôsobuje veľmi rýchlu exotermickú polymerizáciu prebiehajúcu v priebehu niekoľkých minút. Preto pri vytvrdzovaní veľkého množstva živice, aby sa udržala izbová teplota v hmote, je potrebné ju zablokovať pomocou špeciálnej technológie. Po spojení s monoetylamínom (MEA) za vzniku komplexu BF3-MEA sa fluorid boritý pri izbovej teplote premení na latentné vytvrdzovacie činidlo. Pri teplotách nad 90°C sa aktivuje a spôsobí rýchle vytvrdnutie epoxidovej živice sprevádzané riadeným uvoľňovaním tepla. Pri príjme predimpregnovaných laminátov, ktoré sa pred spracovaním často skladujú niekoľko týždňov, je použitie latentného tvrdidla absolútne nevyhnutné.

Epoxidové živice obsahujúce komplex BF3-MEA sa široko používajú na tesnenie, pri výrobe nástrojov, laminátov a navíjacích produktov.

Určitým obmedzením je tu zistená nestabilita predimpregnovaných laminátov a vytvrdzovacích kompozícií obsahujúcich VG3MEA voči pôsobeniu vlhkosti.

Urýchľovače Urýchľovače sa pridávajú do zmesí živice a tvrdidla na urýchlenie reakcie medzi nimi. Zavádzajú sa v malých nestechiometrických množstvách, ktoré sa vyberajú empiricky, pričom sa riadia vlastnosťami výsledného materiálu. Niektoré z terciárnych amínov - vytvrdzovacie katalyzátory - môžu byť tiež urýchľovačmi pre množstvo systémov. Najčastejšie sa používajú na zvýšenie rýchlosti vytvrdzovania epoxidových živíc s anhydridmi kyselín. Na tento účel sa používa oktanát cínu, čo je Lewisova kyselina. V niektorých prípadoch umožňuje vytvrdzovanie pri izbovej teplote.

Vytvrdené epoxidové živice Je možné urobiť určité zovšeobecnenia týkajúce sa vzťahu medzi chemickou štruktúrou a vlastnosťami vytvrdených epoxidových živíc:

Čím viac aromatických kruhov obsahuje epoxidová živica, tým vyššia je jej tepelná stabilita a chemická odolnosť;

Pri použití aromatických tvrdidiel vznikajú tuhšie a odolnejšie materiály ako v prípade alifatických činidiel, avšak zvýšená tuhosť takýchto systémov znižuje molekulárnu mobilitu a tým komplikuje interakciu medzi reaktívnymi skupinami a vytvrdzovanie sa v tomto prípade uskutočňuje pri zvýšené teploty;

Zníženie hustoty medzimolekulových "zosieťovaní" môže viesť k zvýšeniu pevnosti materiálu v dôsledku zvýšenia predĺženia pri pretrhnutí;

Zníženie hustoty "zosieťovaní" môže tiež viesť k zníženiu zmršťovania živice počas vytvrdzovania;

Zvýšenie hustoty "zosieťovaní" vedie k zvýšeniu chemickej odolnosti vytvrdeného materiálu;

Zvýšenie hustoty "zosieťovaní" vedie k zvýšeniu teploty tepelnej degradácie (a teploty skleného prechodu Tc), avšak príliš vysoká hustota "zosieťovaní"

znižuje deformáciu lomu (zvýšená krehkosť);

Pri výmene aromatických fragmentov molekúl za alifatické alebo cykloalifatické, čo nie je sprevádzané zmenou počtu "zosieťovaní" v systéme, sa zvyšuje elasticita a predĺženie vytvrdenej živice;

Epoxidy vytvrdzované anhydridom kyseliny fungujú lepšie v kyslom prostredí ako v alkalickom prostredí.

Vzhľadom na to, že epoxidové živice sú viskoelastické materiály, ich vlastnosti závisia tak od teploty, ako aj od trvania testu (rýchlosť, frekvencia).

Vlastnosti epoxidových živíc vytvrdzovaných špeciálnymi metódami.

Pri použití špecificky vytvrdzovaných epoxidových systémov je potrebné zvážiť určité obmedzenia. Napríklad v prípade výroby veľkých dielov, ktoré sú nevhodné na ohrev, a hrubostenných dielov, kde by tepelné namáhanie malo byť minimálne, je nevhodné používať systémy, ktoré vyžadujú vytvrdzovanie pri vysokej teplote. V týchto prípadoch sa používajú systémy s nízkoteplotnými tvrdidlami. Tieto kompozície zahŕňajú epoxidové živice vytvrdzované pôsobením alifatických amínov. Vytvrdzovanie takýchto kompozícií pri izbovej teplote vedie k materiálom s vynikajúcimi vlastnosťami, ďalej zlepšenými pri nízkej teplote. Samozrejme, tieto živice nemožno použiť pri vysokých teplotách.

Epoxidové oligoméry a polyméry sa používajú v rôznych oblastiach techniky vďaka úspešnej kombinácii jednoduchej technológie spracovania s vysokými fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami, tepelnou odolnosťou, priľnavosťou k rôznym materiálom, odolnosťou voči rôznym médiám a schopnosťou vytvrdzovať pri atmosférickom tlaku s nízke zmrštenie. Široko sa teda používajú pri výrobe vysokopevnostných konštrukčných materiálov, v raketovej a vesmírnej technike, letectve, stavbe lodí, strojárstve, elektrotechnike, rádioelektronike a výrobe prístrojov.

Epoxidové oligoméry a polyméry sú široko používané ako matrice na výrobu uhlíkových plastov, ktoré sa vyznačujú kombináciou vysokej pevnosti a tuhosti s nízkou hustotou, nízkym teplotným koeficientom trenia, vysokou tepelnou a elektrickou vodivosťou, odolnosťou proti opotrebovaniu, tepelnou a radiačné účinky. Koksovateľné a pyrouhlíkové epoxidové uhlíkové plasty sú odolné voči tepelnej a tepelnej oxidačnej degradácii, majú vysoké pevnostné charakteristiky a majú dobré tepelné tieniace vlastnosti.

Epoxidové živice sú dobré matrice na výrobu sklenených vlákien. Okrem sklenených vlákien a sklenených tkanín sa používajú kremenné vlákna a tkaniny, bór uhlíkové vlákna, karbid kremíka a iné anorganické vlákna.

Okrem anorganických vlákien sa na získanie vystužených epoxidových plastov používajú vlákna z organických polymérov, najmä vysokopevnostné syntetické vlákna z poly-p-fenyléntereftalamidu a iných aramídov.

Vďaka dobrej priľnavosti na sklo, keramiku, drevo, plasty, kovy, epoxidové oligoméry a polyméry sú široko používané pri výrobe lepidiel, zmesí vytvrdzujúcich za tepla a za studena.

Epoxidové oligoméry sa používajú na utesnenie a zapuzdrenie rôznych častí, aby boli chránené pred prostredím.

V elektrotechnike sa epoxidové oligoméry používajú na plnenie vinutí transformátorov a motorov, na utesnenie spojov elektrických káblov atď.

TÉMA 6. TEPELU ODOLNÉ ŽIVICE

Napriek procesu tepelno-oxidačnej degradácie, ktorý za týchto podmienok nevyhnutne prebieha, rozklad takýchto polymérov prebieha relatívne pomaly. Okrem toho sa predpokladá, že fragmenty, na ktoré sa tieto polyméry rozpadajú, sú relatívne stabilné, čo zvyšuje „životnosť“ materiálu pri zvýšených teplotách.

Kľúčovým bodom pri získavaní tepelne odolných živíc je syntéza polymérov obsahujúcich veľké množstvo heteroaromatických fragmentov. Tieto fragmenty, ktoré obsahujú minimálny počet atómov vodíka schopných oxidácie, môžu absorbovať tepelnú energiu. Bohužiaľ, tie isté prvky chemickej štruktúry, ktoré určujú tepelnú a oxidačnú stabilitu takýchto živíc, vedú k vážnym ťažkostiam a často dokonca k nemožnosti ich spracovania na požadované produkty.

V 60. rokoch 20. storočia sa syntetizovalo množstvo heteroaromatických polymérov, ktoré mali podľa termogravimetrickej analýzy (TGA) dobrú tepelnú a oxidačnú stabilitu pri zvýšených teplotách. Avšak pokusy použiť tieto polyméry ako spojivá pre zlepšené kompozitné materiály boli buď neúspešné alebo ekonomicky nerealizovateľné.

Preto na začiatku 70. rokov vyzerala budúcnosť tepelne odolných polymérnych spojív veľmi nejasne a neisto. Zdalo sa, že táto užitočná trieda materiálov zostane „laboratórnou kuriozitou“. Avšak vývoj chémie polyimidových polymérov v rokoch 1972-74. nielenže oživil záujem o ne a spôsobil nový vývoj v oblasti žiaruvzdorných spojív, ale umožnil aj prakticky realizovať mnohé z potenciálnych možností týchto spojív. V súčasnosti sa ako konštrukčné materiály používajú polyimidové vláknité kompozitné materiály pracujúce pri teplote okolo 300 ° C. Podľa chemickej štruktúry organických radikálov, ktoré tvoria imidové skupiny, sa oligoimidy delia na aromatické, alifatické a alicyklické a podľa tvar reťazí - na lineárny alebo trojrozmerný (priestorová sieť).

Hlavnou nevýhodou kompozitných materiálov na báze vysokomolekulových polyimidov je ich vysoká pórovitosť, ktorá výrazne obmedzuje možnosti efektívneho praktického použitia týchto materiálov v podmienkach súčasného vystavenia vysokému mechanickému zaťaženiu, vysokým teplotám a oxidačnej atmosfére.

Preto sa zdá byť vhodnejšie použiť počiatočné taviteľné oligomérne imidy schopné vytvrdzovania polymerizačnou reakciou, pretože polymerizáciu nesprevádza uvoľňovanie prchavých vedľajších produktov, čo vedie k vysokej pórovitosti výsledných materiálov. Najväčší význam majú polymerizovateľné oligomérne imidy obsahujúce maleicimidové a endometyléntetrahydroftalimidové skupiny na koncoch reťazcov.

Tieto požiadavky do značnej miery spĺňajú bismaleimyly získané interakciou diamínov rôznych štruktúr a anhydridu kyseliny maleínovej. Dvojitá väzba v bis-maleimidoch je elektrón-deficientná v dôsledku blízkosti karbonylových skupín imidového cyklu; preto bis-maleimidy ľahko polymerizujú pri zahrievaní nad bod topenia a vytvárajú trojrozmerné polyméry.

VRATNÝ ODPAD PRIEMYSELNÉHO PODNIKU Odpady vznikajú pri hospodárskej činnosti takmer všetkých podnikov. Vzhľadom na to, že množstvo odpadu priamo ovplyvňuje ... " FEDERÁLNA AGENTÚRA PRE VZDELÁVANIE MOSKVA ŠTÁTNA STAVEBNÁ UNIVERZITA PROGRAM disciplíny _Ekonomické hodnotenie investícií_ "EKONOMIKA VEREJNÉHO SEKTORA" Ukazuje sa, že problém interakcie medzi trhovými mechanizmami a štátom regulácia by mala diskutovať ... "kandidát filozofických vied, mladší vedecký pracovník na katedre sociológie a psychológie N ... "prispievateľmi, Dean Witter, katedra financií, ktorí získajú krátkodobý Stanfordský titul... "N. V. Michajlová Vyššia štát Minsk ... “

2017 www.site - "Bezplatná elektronická knižnica - rôzne materiály"

Materiály tejto stránky sú zverejnené na kontrolu, všetky práva patria ich autorom.
Ak nesúhlasíte s tým, aby bol váš materiál zverejnený na tejto stránke, prosím napíš nám Odstránime ho do 1-2 pracovných dní.