Композиционные материалы. Учебное пособие

Затем они отверждаются без давления или опрессовываются контрматрицей под давлением 0,01-0,2 МПа.

Снятые с формы изделия подвергаются механической обработке.

Формование композитов контактным методом обеспечивает чистоту и точные размеры изделия, которое непосредственно контактирует с формой в процессе прессования.

1– волокна ПКМ; 2 – формирователь ленты; 3 – нож; 4 – ролик прижимной; 5

– головка нагревательная; 6 – лента препрега; 7 – ролики подачи ленты Рисунок 24 – Процесс контактного формирования

Параметры процесса, такие как температура, давление, продолжительность,

зависят от компонентов материала, габаритов и геометрической сложности изделия.

Однако его достоинство в простоте и не использовании специального оборудования.

4.2.5 Технологический процесс намотки

Метод намотки (рисунок 25) используют для изготовления изделий с формой тел вращения, при этом спиральную намотку – для изготовления оболочек совместно с днищем, а при использовании однонаправленных непрерывных

61

армирующих волокон – окружную, спиральную, продольную или комбинированную намотку для достижения необходимой анизотропии свойств изделия.

Технологический процесс намотки происходит следующим образом.

Термопластичный матричный полимер сначала совмещают с волокнистым наполнителем по порошковой, волоконной или расплавной технологии, получают однонаправленную ленту, которую затем наматывают на оправку, нагревая до температуры плавления матричного полимера и соединяя с ранее нанесенными слоями.

Рисунок 25 – Намотка композитного материала

Нагрев и консолидацию лент осуществляют непосредственно в ходе укладки.

4.2.6 Технологический процесс инжекции

Технологический процесс инжекции предполагает введение жидких термореактивных пластиков в стеклоармирующие материалы. Затем арматура пропитывается и смесь твердеет.

Различают инжектирование без вакуума (RTM-процесс), затем метод когда из полости матрицы удаляют воздух, вакуумируют, (VARI-процесс) и когда армирующий элемент пропитывается полиуретаном (S-RIM процесс).

62

VARI-процесс используют для крупногабаритных изделий, когда инжекцию проводят через литники с одновременным удалением воздуха и проведением смолы к краям матрицы. При этом используется устройство для удержания половинок матрицы во избежании её деформации.

При методе инжекции (RTM) полиэфирной смолы в закрытую форму используется оснастка из матрицы и ответной формы — пуансона (рисунок 26).

Рисунок 26 – Процесс инжекции (RTM-процесс)

Стекломатериал укладывается между матрицей и ответной формой, затем в форму под давлением вливается отвердитель – полиэфирная смола.

4.2.7 Технологический процесс изготовления углепластика

При получении углепластика углеродные волокна пропитываются фенолоформальдегидной смолой, затем подвергаются воздействию высоких температур (2000 °C), при этом органические вещества подвергаются пиролизу и образуется углерод (рисунок 27). Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз.

63

При этой технологии необходимо строго выдерживать скорость движения ткани и температуру в шахте по зонам, чтобы не допустить перегрева и преждевременного отверждения смолы. Пропитанные материалы не должны слипаться.

1 – металлическая шахта с теплоизоляцией; 2 - направляющие ролики; 3 –

электронагреватели; 4 – ванна со смолой; 5 – первичная бобина; 6 – барабан для намотки пропитанной ткани или ленты

Рисунок 27 – Схема пропиточной машины

Другой способ получить углеродный материал – прокалить обычный графит при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод,

образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита.

Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза.

Реперные точки раздела:

1.Какие методы используют для получения и обработки КМ с металлической матрицей ?

2.В чем заключается способ монослоев?

3.Достоинства процесса направленной реакционной пропитки.

4.Какие различают методы жидкофазного совмещения матрицы и волокон?

5.Опишите метод плазменного напыления.

64

6.В чем заключается способ электролитического осаждения?

7.Какие используют методы получения композитов с полимерной матрицей.

8.Опишите схему технологического процесса переработки ПКМ методом прессования.

9.Дайте определение процесса пултрузии.

10. Перечислите последовательность технологических операций при

контактном формовании.

11. В чем заключается технологический процесс изготовления углепластика?

65

5 Лабораторный практикум

5.1 Лабораторная работа №1

Определение вида полимера в составе пластмасс и композитов

Цель работы: изучить методы определения вида полимера и композиционных

материалов

В настоящее время широкое распространение в промышленности получили материалы и изделия на основе наполненных и ненаполненных пластмасс, в том числе композиционные материалы различного назначения. Их используют для изготовления строительных конструкций, пленочных и листовых материалов для облицовки, теплоизоляции, покрытия полов и типографской продукции, а также для изготовления труб и различных профилей, растворов, бетонов, лаков, красок,

герметикой, мастик и т.д. В качестве связующих применяют термопластичные, так и термореактивные полимеры. Вид использованного полимерного наполнителя можно определить путем визуального осмотра материала или изделия, проверкой его на возможность растворения в органических растворителях и пробой на горение.

В состав пластмасс могут входить различные виды полимеров, например такие:

- полиэтилен – один из самых распространенных полимеров, который используется для производства широкого спектра пластмассовых изделий и композиционных материалов;

-полипропилен – обладает высокой теплостойкостью и прочностью,

применяется в автомобилестроении, самолетостроении и мебельной промышленности;

- поливинилхлорид – представляет собой прозрачных полимер, устойчивый к воздействию агрессивных химических веществ, используется для производства оконных профилей, труб отопления и других продуктов;

66

- полиэтилентерефталат – прозрачный и достаточно прочный полимер,

который широко используется в производстве пластиковых бутылок, посуды,

пищевых емкостей, упаковочных материалов;

- полистирол – представляют собой как твёрдые, так и вспененные материалы

(пенопласты), используется для создания упаковочных материалов и бытовых изделий;

-поликарбонат – прозрачный и ударопрочный полимер, который используется

впроизводстве окон, очковых линз, медицинских инструментов, где требуется прочность и прозрачность.

-акриловый полимер – прозрачный и жесткий полимер, который используется

впроизводстве акриловых стекол, светильников и других изделий;

-полиамид – прочный, ударопрочный и термостойкий полимер, который используется в автомобилестроении, самолетостроении и производстве бытовых изделий.

В зависимости от конкретного применения пластмасс при производстве композиционных материалов могут быть использованы различные комбинации полимеров и добавок для достижения заданных свойств и характеристик.

Ход выполнения лабораторной работы

1. Рассмотреть 3-5 выданных преподавателем образцов полимерных и композиционных материалов. Описать их внешний вид: характер поверхности,

внутреннюю структуры на изломе, цвет, жесткость, степень прозрачности, степень гибкости, эластичность и т.д.

Если материал эластичен, то это, скорее всего полимер изготовленных на основе полиэтилена или поливинилхлорида. Эластичностью при температуре от 20

0С до 40 0С не обладают аминопласты, фенопласты, полистирол, и т.п.

Прозрачностью, чаще всего обладают ненаполненные пластмассы:

полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид. Непрозрачными могут быть газонаполненные и наполненные пластмассы материалами не полимерной природы.

67

2. Далее отделить небольшой фрагмент полимера, не менее 1 см, и

захватив его тигельными щипцами внести в пламя горелки. Провести наблюдение за нагреванием, плавлением и возгоранием в пламя горелки. При возгорании образца удалить его из горелки. Провести наблюдения за загоревшимся материалом вне пламени, определить окраску пламени, характер горения (спокойное, интенсивное, с

копотью, прекращение горения и т.д.). Отметить запах продуктов горения и дополнительных признаков, например, вытягивания нитей, образования твердого шарика и т.п. Для определения запаха продуктов горения следует погасить пламя и легким движением кисти руки направить воздух от потушенного образца к носу.

Для определения способности вытягивания нити необходимо прикоснуться проволочкой к горящему образцу и потянуть полимер.

Примеры определения характеристик полимеров и композиционных материалов.

1.Образец не воспламеняется, сохраняет форму, ощущается запах:

-аммиака – мочевиноформальдегидный полимер;

-резкий запах рыбы – меламиноформальдегидный полимер;

-фенол – фенолформальдегидный полимер.

2.Полимер горит в пламени горелки и гаснет при удалении из пламени, при этом выделяет запах:

-резкий запах хлористого водорода и зеленая окраска пламени – производные поливинилхлорида;

-сладковатый запах, зеленая окраска у основания пламени, образуется черная зола – поливинилденхлорид;

-запах уксусной кислоты, образуются искры, расплавленный полимер при попадания в воду образует тяжелые желто-коричневые зерна или хлопья –

ацетилцеллюлоза.

3. Полимер горит после удаления из пламени, при этом наблюдается интенсивное и быстрое горение, присутствует сильный запах:

-камфоры – целлулоид;

-без запаха камфоры – нитроцеллюлоза;

68

-пламя голубое у основания и присутствует сильный сладковато-плодовый запах – полиметилметакрилат;

-запах горелых овощей – полиамиды;

-чуть сладковатый запах – поливинилформаль;

-запах прогорклого масла, искрение – ацетилбутиратцеллюлоза;

-пламя с пурпурной каймой, искрение, присутствует запах уксусной кислоты –

поливинацеталь;

- пламя яркое, желто-белое, с запахом гиацинта, присутствует копоть –

полистирол или его сополимеры.

Результаты идентификации полимера в составе композиционного материала

записать в отчете в виде таблице 5.

Таблица 5 - Результаты идентификации полимера

5.2 Лабораторная работа №2 Определение химической стойкости и твердости пластмасс и композитных

материалов

Цель работы: изучить поведение основных видов пластмасс и композиционных материалов в различных химических реагентах.

Химическая стойкость полимеров и композиционных материалов – это способность материалов сохранять свои физические и химические свойства при воздействии различных химических веществ. Это свойство для многих промышленных и технических приложений, таких как химическая промышленность, медицина,

автомобильной и строительной промышленности, очень важны.

69

Прочность и химическая стойкость полимеров и композиционных материалов зависят от многих факторов, включая их химический состав структуру и методы производства. Некоторые полимеры имеют высокую химическую стойкость и могут быть устойчивы к различным агрессивным средам, таким как кислоты, щелочи,

растворители и токсичные вещества. Другие же полимеры могут быть разрушены или повреждены при контакте с определенными химическими веществами.

Для повышения химической стойкости полимеров и композиционных материалов могут использоваться различные методы и технологии. Например,

можно вводить добавки или модификаторы, которые помогут улучшить их стойкость к определенным химическим веществам. Также можно изменять структуру и композицию материала, чтобы сделать его более устойчивым.

При выборе полимерного или композиционного материала для конкретного приложения необходимо учитывать его химическую стойкость, чтобы он не разрушался или не ухудшал свои свойства под воздействием окружающей среды.

Для этого могут производиться испытания и анализ химической стойкости материалов путем контакта их с различными химическими веществами и измерения изменений их свойств.

Твердость, или поверхностная прочность, является мерой сопротивления пластмассы деформации под воздействием внешней силы.

Этот показатель физико-механических свойств пластмасс указывает на степень жесткости и стойкости материала к механическим воздействиям.

Твердость пластмасс измеряется при помощи специального прибора,

называемого дюрометром. Для измерения применяются различные методы, включая методы, основанные на измерении глубины впадины, оставляемой индентором на поверхности пластмассы, или на измерении величины деформации под воздействием определенной нагрузки.

Значение твердости измеряется в шкалах, таких как Rockwell, Vickers или

Shore. Каждая из шкал имеет свои особенности и применяется в зависимости от типа пластмассы и конкретных требований к материалу.

70