§28 Основные виды композиционных материалов на полимерной матрице и принципы их получения.

Определение композиционных материалов на полимерной матрице.

Композиционные материалы на полимерной органической матрице содержат полимерные органические связующие или матрицу, которая объединяет все компоненты материала.

Пластмассы и композиционные материалы на полимерной основе отличаются содержанием матрицы и наполнителя, так как пластмасса относится к материалам, на основе которых составляют полимеры, находящиеся во время деформирования изделия в высоко эластичном состоянии, а при эксплуатации в кристаллическом или стеклообразном состоянии.

Таким образом, понятие пластмасс более широкое относительно композиционных материалов на полимерной основе.

В настоящее время номенклатура композиционных материалов на полимерной органической основе насчитывает сотни наименований, которые объединяют материалы с уникальными свойствами: удельной прочностью и коррозионной стойкостью, с регулируемыми электрическими и магнитными характеристиками, с высокими прочностными, упругими, вязкими, изоляционными и другими разнообразными физическими свойствами.

Композиционные материалы на полимерной основе обладают следующими преимуществами: невысокая стоимость исходных материалов, относительно несложная и недорогая технология их переработки. К недостаткам относятся следующие характеристики: невысокая температура эксплуатации, невысокая твердость.

Тем не менее, сочетания этих качеств позволяет использовать эти композиционные материалы в автомобиле- и судостроении, в машиностроении и других отраслях. Неуклонное увеличение прочностных свойств и стойкости к коррозии этих материалов увеличивает область их использования.

Основным композиционным материалом этого класса используют термопласты и реактопласты.

В большинстве случаев при производстве этих материалов используют следующие термопластичные материалы: ПЭ, ПС, ПВХ, полиарилат.

Термореактивные материалы: фенолформальдегидные смолы, эпоксиднофенольная смола, полиэфирная смола и кремневые органические полимеры.

В качестве наполнителей используются дисперсные, волокнистые и слоистые материалы различной природы.

Соединения компонентов в композиционных материалах обеспечивается механическим контактом компонентов, то есть зацеплением, химической связью между полимерной матрицей и наполнителем, который имеет ковалентный металлический и ионный характер связи.

Для улучшения адгезии компонентов используются промежуточные слои, при смачивании наполнителя расплавом или раствором полимерного матричного материала увеличивается площадь касания компонентов, уменьшается количество газовых включений, что увеличивает прочность материала, так как газовые поры являются концентратором напряжений. При отверждении полимерной матрицы на границах ее раздела с наполнителем развиваются механические напряжения В связи с тем, что модуль упругости полимера меньше, это не вызывает значительных внутренних напряжений. Значит прочность композита выше, если матрица и наполнитель расположены пропорционально их модулям упругости. Это условие выполняется тогда, когда удлинение при разрушении полимерной матрицы больше или равно удлинению упрочняющего наполнителя.

В большинстве промышленных технологиях формирование композиционных материалов на полимерной матрице совмещено с переработкой. При формировании изделий средствами технологий, можно регулировать структуру материала.

Технология этих композиционных материалов – технология изготовления пластмасс, отличие только в наличие операции совмещения полимерной связующей матрицы с компонентами наполнителя и операции формирования заготовок, а некоторых других операций.

Все виды композиционных материалов на полимерной матрице в зависимости от формы наполнителя условно можно разделить на: дисперсные, волокнистые и слоистые композиционные материалы.

На практике волокнистые и слоистые композиционные материалы называются армированными материалами, так как наполнитель в виде волокна или слоистых композиционных материалов выполняет усиливающую или увеличивающую прочность роль.

Дисперсные композиционные материалы в свою очередь различаются фазовым составом своего наполнителя. В этих материалах наполнитель может быть твердым, жидким или газообразным.

В некоторых случаях в качестве матрицы используется смесь различных полимеров, а также комбинации различных наполнителей. В этих случаях композиционные материалы не всегда представляется возможным отнести к какой-либо группе. Поэтому, эти композиты называются смесями. Смесь может быть дисперсной, волокнистой, слоистой и их комбинацией.

В зависимости от вида наполнителя существуют следующие основные технологические принципы получения композиционных материалов на полимерной основе.

Основные этапы производства дисперсных композиционных материалов с твердым (порошкообразным) наполнителем:

1. подготовка наполнителя, заключающаяся в извлечении, отсеве нужной фракции порошка, обезжиривание, обработка поверхностноактиными активными веществами и сушка;

2. приготовление полимерного связующего, если связующее гранулированное или порошкообразное, то измельчение, отсев пустых фракций, сушка, ввод катализаторов и пластификаторов, гомогенизация, может приготовление эмульсии. Если связующее жидкое, то готовят раствор нужной вязкости с введением в него катализаторов и пластификаторов;

3. дозировка компонентов путем взвешивания наполнителя и связующего в соответствующей пропорциональности;

4. совмещение полимерной матрицы с наполнителем проводится в мельницах или смесителях с последующей сушкой и термообработкой;

5. приготовление полуфабрикатов путем гранулирования;

6. таблетирация или измельчение;

7. формирование заготовки или изделия путем прямого и литьевого прессования, литья под давлением, экструзией;

8. механическая обработка заготовки путем обработки давлением или резанием исходного материала.

Основные этапы получения композитов на полимерной основе с наполнителем в виде коротких волокон:

основные этапы совпадают с вышеприведенной технологией, за исключением того, что на этапе совмещения полимерного связующего с наполнителем может дополнительно проводиться пропитка связующего отрезка волокон в смесителе.

Основные этапы получения композитов на полимерной основе с наполнителем в виде непрерывных волокон, нетканых полотен, ткани и лент:

Основные этапы получения этих композиционных материалов на первом, втором и третьем этапах выше приведенной технологии совпадают. На четвертом этапе совмещение композитов и наполнителей проводится пропиткой раствором, расплавом эмульсии связующей матрицы или нанесением порошкообразного связующего на каждый слой арматуры. Приготовление полуфабриката осуществляется путем вырезки или вырубки заготовок требуемой формы, приготовление пакетов заготовок путем наводки или выкладки на оправку через определенные формообразующие каналы.

Формование заготовки или изделия проводят прямым прессованием, формование автоклавным методом (с высокой температурой и давлением), вакуумоформование. Механическая обработка проводится методами обработки давлением и резанием.