4629

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

О. А. Ткачева, Н. А. Ходосова, Л. А. Новикова, А. И. Дмитренков

Полимерные

композиционные

материалы

Тексты лекций

Воронеж 2018

УДК 66.095.2: 674.8

Ткачева, О. А. Полимерные композиционные материалы [Электронный ресурс]: тексты лекций / О. А. Ткачева, Н.А. Ходосова, Л. А. Новикова, А.И. Дмитренков. – 2-е изд., стереотип. – Воронеж: ВГЛТУ, 2018. – 39 с.

Рецензент канд. хим. наук, доц. кафедры неорганической химии и химической технологии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Ю.С. Перегудов

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее время отличается высокими темпами научно-технического прогресса. Бурное развитие современной техники требует все новых материалов с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокой прочностью, твердостью, жаростойкостью, водостойкостью, коррозионной стойкостью, другими характеристиками и совместным сочетанием этих свойств. Известны сотни тысяч различных некомпозиционных природных и искусственных материалов, которые уже не отвечают возрастающим требованиям. При этом открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко, поэтому в настоящее время ученые создают композиционные материалы путем соединения различных уже известных материалов.

Дисциплина «Полимерные композиционные материалы» является важной для вас, студентов направления 35.03.02 – «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», так как ваша будущая профессиональная деятельность будет связана с использованием большого количества современных ПКМ (древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанера, пластики, эластомеры, ткани, волокна, клеи, лаки, краски и др.).

Следует отметить, что полимерные композиционные материалы (ПКМ) зародились не в настоящее время, а окружают человека с самых ранних времен цивилизации. С природными ПКМ мы сталкиваемся ежедневно. Так, материалы, обеспечивающие достижение высоких механических свойств отдельных элементов «конструкции» живых организмов – стебли растений, древесина, кости животных, панцири моллюсков, насекомых – являются ПКМ.

С древних времен и человек стал изобретать и применять новые, не встречающиеся в природе композиционные материалы, по свойствам превосходящие свойства отдельных компонентов. Самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары могли уже регулировать пористость своих изделий, о чем говорят упоминания о таких материалах в Библии. Бурное развитие науки в Египте в 3000 – 2500 годах до н.э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника), искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки – тело обматывали лентами из ткани и

пропитывали природными смолами с образованием жесткого кокона). За 1000 лет до н. э. ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки, пропитанные водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни из песка и природного лака – шеллака. В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации.

Вся история развития человечества связана с изобретением тех или иных композиционных материалов. С развитием химии полимеров параллельно развивались и технологии производства полимерных композиционных материалов с применением различных наполнителей, красителей и других компонентов, придающих изделиям новые свойства. Особый интерес представляют ПКМ конструкционного назначения, обеспечивающие высокую прочность конструкций и низкую плотность материала по сравнению с металлическими изделиями. Уже к началу второй мировой войны различные детали в авиатехнике стали делать из тканей, пропитанных фенольными смолами. В 1950-х годах ПКМ на основе высокопрочных стекловолокон стали активно заменять металлические конструкции в авиации. В 1970-е годы использование ПКМ на основе углеродных, борных и стекловолокон стало обыденным в авиации и космонавтике, автомобилестроении и судостроении, строительстве и производстве бытовой техники, спорте и медицине.

Сегодня ПКМ применяются практически во всех областях техники и технологии. Давайте посмотрим, какие ПКМ окружают нас сейчас?

•Резины, поскольку это каучук, содержащий усиливающий высокодисперсный наполнитель (технический углерод или оксид кремния).

•Все красочные покрытия, поскольку представляют собой полимер, содержащий твердые порошкообразные пигменты и наполнители.

•Древесностружечные и древесноволокнистые плиты, в которых стружки или древесные волокна связаны термореактивным полимером.

•Линолеум и искусственная кожа, поскольку состоят из полимерного связующего, пластификатора и дисперсных наполнителей.

•Стеклопластики стеклянные волокна, связанные полимером.

•Ударопрочный полистирол, состоящий из полистирола с включениями частиц каучука.

Подавляющее число окружающих нас изделий сделано не из “чистых” полимеров, а из ПКМ. Этот перечень можно еще долго продолжать, поскольку ПКМ буквально окружают нас всюду.

Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена, но именно настоящее время называют «веком композиционных материалов». Действительно, в настоящее время доля ПКМ среди потребляемых материалов как никогда велика и с каждым годом растет.

ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio - состав-

ление) – это многокомпонентные материалы, состоящие из матрицы, наполнителя и других добавок.

Матрица (основа, связующее) может быть полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой. Матрица в композиционном материале обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.

Наполнитель может быть в виде волокон, пленок, нитевидных кристаллов, слоистых и тонкодиспeрсных частиц. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.

Наибольшее применение получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят полимерные композиционные материалы на основе термореактивных и термопластичных связующих, армированных стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими волокнами.

Полимерными композиционными материалами называют материалы,

образованные сочетанием полимерной основы (матрицы), наполнителя и различных добавок для придания изделию необходимых свойств.

В деревообрабатывающей и мебельной промышленности используют следующие ПКМ:

-древесностружечные и древесноволокнистые плиты;

-бакелизированную и большеформатную фанеру, фанерные трубы;

-гнутоклееные и цельнопрессованные изделия;

-клееные деревянные конструкции,

-древесные прессовочные массы,

-облицовочные материалы,

-декоративные и отделочные пленочные и бумажные материалы,

-лакокрасочные материалы,

-пластмассы и стеклопластики,

-обивочные материалы для мягкой мебели (искусственные ткани, кожа),

-эластомеры и др.

Преимущества ПКМ по сравнению с традиционными материалами (металлами, керамикой, деревом, полимерами):

1)уникальное сочетание свойств (прочностных, деформационных, ударных, упругостных, температурных, реологических, адгезионных, электрических, фрикционных, теплопроводных), нехарактерное для других материалов;

2)возможность управления свойствами ПКМ путем простого изменения состава и условий получения;

3)сохранение основных достоинств полимеров: сравнительная легкость переработки и низкая плотность.

Задачей нашего курса является знакомство с понятием о полимерных материалах и композиционных материалах на их основе, способах их получения, химических и физических свойствах, особенностях применения и эксплуатации в деревообрабатывающей промышленности.

Начнем изучение с понятия о полимерах, то есть высокомолекулярных соединениях.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПОЛИМЕРАХ

Полимеры – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся структурных элементарных звеньев, соединенных ковалентными связями.

В общем виде молекула полимера может быть представлена как

– А –А – А – А – или (А)n , где А – структурное повторяющееся звено,

n – степень полимеризации, показывающая, сколько элементарных звеньев

Молекула полимера называется макромолекулой («макро» - большой) и имеет большую молекулярную массу (более 5000 у.е.).

Для полимеров, содержащих в своем составе однотипные звенья, молекулярную массу можно рассчитать по формуле

Мпол = n ∙ Мзв.

где Мпол – молекулярная масса полимера; Мзв – молекулярная масса повторяющегося звена; n – степень полимеризации.

Мономеры – это низкомолекулярные соединения, из которых могут быть получены полимеры, молекулярная масса мономеров не превышает 500 у.е.

Если молекулярная масса соединения составляет от 500 до 5000 углеродных единиц, то такие соединения называют олигомерами.

В отличие от низкомолекулярных соединений, которые характеризуются определенной молекулярной массой, полимеры состоят из макромолекул раз-

ной длины и массы, поэтому молекулярная масса полимеров является величиной среднестатистической, то есть усредненной. Полимерные соединения одинакового химического строения, но отличающиеся степенью полимеризации (длиной цепи), а следовательно и молекулярной массой, называются поли-

мергомологами.

Классификация полимеров

В основе классификации высокомолекулярных соединений (ВМС) могут лежать различные признаки.

По происхождению (источникам сырья) ВМС могут быть:

природные полимеры (биополимеры) - выделены из растительного или животного сырья (целлюлоза, крахмал, желатин, белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы, натуральный каучук, натуральный шелк);

синтетические полимеры - получены синтетическим путем (полиэтилен, полипропилен, бутадиенстирольный каучук, полиуретан, фенолформальдегидные и карбамидоформальдегидные смолы).

искусственные полимеры - получены модификацией природных полимеров (вискоза, ацетатный шелк, нитроцеллюлоза, нитроцеллюлозный лак).

По величине молекулярной массы (ММ) полимеры делят на:

олигомеры (ММ ≈ 500....5000),

плейномеры (ММ ≈ 5000....50000),

высокополимеры (ММ ≈ 50000....до неск. млн.).

Классификация по химическому составу полимерной цепи:

карбоцепные – полимерная цепь состоит из атомов углерода С (полиэтилен, [-СН2-СНR-]n, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен);

гетероцепные – в полимерную цепь, кроме атомов углерода С, входят атомы О, N, S (полиэфиры, полиамиды, полиуретаны -NH-(CO)-O- ).

элементоорганические – содержат в звене макромолекулы наряду с углеводородными группами неорганические фрагменты (полиорганосилоксаны, полиорганофосфазены);

неорганические – не содержат связей С-Н: гомоцепные (модификации серы), и гетероцепные (полифосфонитрилхлорид [-PCl2=N-]n), глина, кварц.