Полимерные связующие и матрицы на их основе

К связующим и матрицам в КМ предъявляют ряд требований как в процессе изготовления материала, так и в процессе эксплуатации деталей и изделий из композита.

На этапе изготовления к матричным материалам предъявляются следующие требования:

1. хорошая смачивающая способность и адгезия к армирующему материалу;

б) низкая усадка при отверждении;

в) низкая вязкость связующего при высокой жизнеспособности;

г) высокая скорость отверждения.

На этапе эксплуатации матричные материалы должны отвечать следующим требованиям:

1. высокие физико-механические характеристики матрицы, во многом определяющие свойства композита;

б) высокая термостойкость матрицы;

в) стойкость к агрессивным средам, атмосферному воздействию, климатическим и биологическим факторам и др.

Кроме смол в состав связующих входят отвердители, пластификаторы (при необходимости), растворители и другие компоненты.

Полимерные связующие на основе полиэфирных смол

Большую часть полиэфирных смол используют в качестве матричных материалов при производстве деталей, узлов и агрегатов из стеклопластиков в авиационно-космической технике, кораблестроении, автомобилестроении, общем машиностроении и при производстве товаров народного потребления. Это объясняется низкой себестоимостью и доступностью исходных компонентов КМ и высокими физико-механическими свойствами стеклопластиков.

Полиэфиры также широко применяются как ненаполненные полимеры для изготовления различных электроизоляционных деталей электротехнического и радиотехнического назначения, деталей медицинского оборудования, для производства полиэфирных лаков и эмалей, клеев и для других целей.

Полиэфиры выпускаются отечественной промышленностью в виде

50…70%-ных растворов полиалкиленгликольмалеинатов (ПМ) и полиалкиленгликольфумаратов (ПФ) в различных мономерах и олигомерах (ненасыщенные полиэфирные смолы), т.е. в виде продуктов, пригодных к непосредственному использованию. В зависимости от состава, химического строения и молекулярной массы ПМ и ПФ могут быть вязкими жидкостями или твердыми веществами различной окраски (бесцветные, светло-желтые, янтарные, темно-красные, коричневые), их плотность  1,1…1,5 т/м³ (г/м³). ПМ и ПФ отверждают, сополимеризуя их с различными мономерами (стиролом, метилметакрилатом, винилтолуолом, хлорстиролом) или олигомерами. Мономеры и олигомеры являются, как правило, растворителями полиэфиров и кроме того «сшивающими агентами», так как сополимеризуются с ПМ и ПФ с образованием трехмерных сополимеров с сетчатым строением. Отверждение проводится в присутствии перекисных инициаторов (перекиси бензоила, метилэтилкетона (МЭК) или циклогексанона, гидроперекиси кумола и др.) при 80…150С. При использовании ускорителей отверждение можно проводить при 20…30С и даже при более низких температурах (ускорители – диметиланилин, диэтаноланилин, некоторые соли Со и V, аскарбиновая и диоксималеиновая кислоты и др.). Количество ускорителей колеблется в пределах 0,5…3%.

Рабочие температуры отвержденных полимеров  20…100С. Сополимеризацией полиэфиров с полифункциональными мономерами можно получить сополимеры, у которых в значительной мере сохраняется прочность при нагревании до температур выше 200С.

Физико-механические свойства некоторых полиэфирных матричных материалов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Физико-механические свойства полиэфирных матриц

Марка смолы	Плотность смолы, г/см3, т/м3	Тепло-стойкость по Мартенсу, К	Прочность, МПа		Предельная деформация при растяжении, %	Ударная вязкость, кДж м-2
			при рас-тяжении	при сжатии
ПН-1 ПН-3 ПНМ-2 ПН-6 ПН-8 ПНМ-8 ПН-10 ПН-11 ПН-15 ПН-16 ПН-62 ПН-63 НПС-609-21М НПС-609-27 ЗСП-3 ПН-59 Силокрил-1 ПН-40	1,12-1,16 1,12-1,16 1,15-1,17 1,31-1,32 1,08-1,10 1,12-1,14 1,09 1,18-1,20 1,04-1,06 1,03-1,045 1,26-1,29 1,29-1,31 1,20-1,30 1,22 1,20-1,25 1,10-1,11 1,03-1,20 1,15-1,16	316-318 323-328 331 - - 341 371 340 - 323 337 353 323-343 - 363-368 - 363-378 333-343	39-44 44-54 - 25-39 44-54 - - 25 44-74 47 25-34 25-34 39-59 50 60-69 - 43-47 69-79	79-108 79-123 113-132 103-128 88-108 98-108 98-108 83-108 120-132 - 79-123 137 98-137 - -	5-8 - 2,7-4,5 0,5-0,9 3-5 - 0,5-0,8 - 1,5-2 4-4,5 1-2 1-2 2-3 162 98-132 59-78 125-134 -	6-10 7-11 12-14 2-3 7-15 2-3 2-3 5-6 4-5 5-7 3-5 3-5 3-7 4 2-3 54-98 2 5-7

Исходя из свойств в отвержденном состоянии полиэфирные смолы (ПС) бывают пяти типов:

1) ПС общего назначения (ПН-1, ПН-2, НПС-609-21М и др.), применяют в основном в судостроении;

2) ПС с малой усадкой (3 СП-3, ПН-40 и др.), применяют для изготовления деталей автомобилей и бытовых электроприборов;

3) ПС, устойчивые к атмосферным воздействиям (ПНИ-2, ПН-8 и др.), применяют в строительстве для изготовления наружных панелей, фонарей крыш и др.;

4) химически стойкие ПС (ПН-6, ПН-10, ПН-11 и др.), применяют в химической промышленности (трубопроводы, химические реакторы и емкости, вытяжные шкафы и др.);

5) огнестойкие и самозатухающие ПС (ПН-62, ПН-63 и др.), используют в деталях электрического оборудования, судостроении, строительстве и др.

Отвержденные полиэфирные смолы отличаются высокой водостойкостью, стойкостью к воздействиям минеральных масел, неорганических кислот, многих органических растворителей. Значительно ниже их стойкость к действию щелочей, хлорсодержащих растворителей и углеводородов.

Адгезионная прочность связи полиэфирных связующих со стекловолокном значительно ниже, чем эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, и составляет 9,8…14,7 МПа.