Композиционные материалы. Учебное пособие

ее к термопластам или реактопластам.

Температура размягчения. Устанавливают пробы пластмасс – лучше всего полоски длиной 5-10 см и шириной 1 см – в железный тигель, заполненный сухим песком. Тигель постепенно нагревают маленьким пламенем горелки, температуру контролируют термометром, помещенным в песок. Когда полоски согнутся, по показанию термометра замечают температуру размягчения.

Для измерения температуры размягчения можно использовать и химический стакан, заполненный маслом или водой. Необходимо соблюдать меры предосторожности. В горячее масло не должна попадать вода.

Температура текучести. Аналогично можно определить температуру текучести, т. е. те значения температуры, при которых пластмассы приобретают текучесть. Однако некоторые пластмассы разлагаются раньше, чем достигается температура текучести.

5.5 Лабораторная работа № 5 Определение плотности полимерных материалов

Цель работы: научиться определять плотность полимерных материалов различной природы.

Плотность полимерных материалов может варьироваться в широком диапазоне, в зависимости от типа полимера и его структуры. Вот некоторые значения плотности для некоторых распространенных полимерных материалов:

-Полиэтилен низкой плотности (ПНД): 0,91-0,94 г/см3;

-Полипропилен (ПП): 0,89-0,91 г/см3;

-Поливинилхлорид (ПВХ): 1,3-1,45 г/см;

-Акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS): 1,03-1,06 г/см3;

-Полистирол (ПС): 1,03-1,07 г/см3;

-Полиакрилат (ПА): 1,14-1,19 г/см3;

-Полиуретан (ПУ): 1,12-1,22 г/см3;

81

-Полиэтилентерефталат (ПЭТ): 1,38-1,40 г/см3;

-Поликарбонат (ПК): 1,19-1,22 г/см3.

Плотность полимерных материалов определяют несколькими способами.

1. Гидростатический метод: в этом методе полимерный образец помещается в специальную камеру, наполненную рабочей жидкостью. Затем измеряется сила,

действующая на образец под действием силы тяжести.

2.Гидродинамический метод: в этом методе используются правила Архимеда. Полимерный образец помещается в жидкость, имеющую известную плотность. Затем измеряется сила поддержки жидкостью образца. Путем сравнения данной силы с силой Архимеда можно определить плотность образца.

3.Пикнометрический метод: в этом методе используются пикнометры –

специальные сосуды с известным объемом. Сначала пикнометр заполняют рабочей жидкостью, затем вводят полимерный образец и измеряют массу пикнометра. Затем пикнометр с образцом заполняют рабочей жидкостью и снова измеряют массу пикнометра. Разность масс пикнометра до и после заполнения образцом показывает массу образца, а известный объем пикнометра позволяет рассчитать плотность.

4. Параметрический метод: в этом методе измеряется объем образца путем подсчета числа пор и площади сечения пор. В зависимости от доступного оборудования и целей исследования, выбирается наиболее подходящий метод определения плотности полимеров.

Ход выполнения лабораторной работы

5.1 Определение плотности полимерных материалов

Оборудование и материалы: полимерные материалы различной природы,

весы, мерный цилиндр.

Ход работы. Взвешивают образец пластмассы, не содержащей пузырей, на весах с точностью до 0,001 г, определяют его объем и вычисляют плотность плотность , г/см3, пользуясь формулой

82

где m – масса образца, г;

V – объем образца, см3.

Для образцов простой формы объем определяют путем непосредственного измерения размеров с точностью до 0,01 мм микрометром.

При сложной форме образца объем определяют по вытеснению воды. Образец полимера опускают в мерный цилиндр с дистиллированной водой. При полном погружении образца замечают увеличение объема воды в цилиндре.

За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение трех измерений. Результаты экспериментов заносят в таблицу 7. Сравнивают полученные результаты с известными из литературы значениями плотности для соответствующих типов полимеров.

5.2 Определение плотности гранулированных материалов

Оборудование и материалы: цилиндр вместимостью 250 мл, этиловый спирт или вода, полимерный материал.

Ход работы. Образец взвешивают на воздухе с точностью 0,001 г.

В цилиндр наливают 150 мл этилового спирта или дистиллированной воды при температуре 20±2°С. Стакан с жидкостью взвешивают с точностью 0,001 г. В

жидкость помещают образец и повторяют взвешивание.

Плотность образца в г/см3 вычисляют по формуле

где m, m1 масса образца на воздухе и в жидкости соответственно, г;

ж – плотность жидкости при 20 С, г/см3.

83

За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение трех измерений.

Сравнивают полученные результаты с известными из литературы значениями плотности для соответствующих типов полимеров.

Таблица 7 – Результаты испытаний полимеров

5.6 Лабораторная работа № 6 Определение количества компонентов и изготовление опытных образцов

пластин композиционного материала

Цель работы: изготовить образцы пластин композиционного материала с заданной структурой и различным соотношением компонентов

Один из основных компонентов армированных пластиков – связующее – представляет собой полимер с различными добавками. Связующим пропитывается армирующий волокнистый наполнитель. После отверждения связующее склеивает между собой волокна или слои наполнителя, обеспечивая их совместную работу в пластике.

Для получения армированных пластиков (АП) широко применяются связующие на основе полиэфирных, эпоксидных и модифицированных фенолоформальдегидных смол. В качестве наполнителей применяются ориентированные материалы: ленты, ткани, нити и т.п.

Процесс изготовления пластин композиционного материала может включать следующие основные этапы:

1. Подготовка материалов: В данном случае необходимо подготовить матрицу (основной компонент, который будет заполняться усилителем) и усилитель

84

(например, стекловолокно, углеволокно или армидное волокно). Материалы должны

быть правильно смешаны и подготовлены для последующей обработки.

2.Подготовка формы: для формования пластин композиционного материала требуется форма или пресс-форма. Форма может быть изготовлена из металла, пластика или другого подходящего материала. Она должна быть

достаточно прочной и устойчивой, чтобы выдержать давление формования.

3.Нанесение матрицы: на первом этапе формования в форму или пресс-форму наносится матрица композиционного материала. Это может быть жидкая смесь,

пленка или другая форма матрицы, зависящая от конкретного процесса и

требований изделия.

4.Распределение усилителя: после нанесения матрицы в форму, на нее равномерно распределяется усилитель. Это делается с помощью ручного или автоматического процесса, чтобы убедиться, что усилитель полностью охватывается матрицей и равномерно распределен.

5.Подготовка к формованию: после равномерного распределения усилителя,

форма готовится к формованию. Это может включать предварительное сжатие материалов или нагревание, чтобы сделать матрицу более текучей и усилитель более податливым.

6.Формование: формование начинается с применения давления и/или тепла к материалам в форме. Это может быть сделано с использованием гидравлического пресса или другого специального оборудования. Давление и временные параметры будут зависеть от конкретного материала и требований изделия.

7.Охлаждение и отверждение: после формования пластины композиционного материала, она охлаждается и отверждает, чтобы матрица и усилитель полностью слились вместе и создали прочное и структурно однородное изделие.

8.Обработка и отделка: после охлаждения пластины композиционного материала она может быть подвергнута дополнительной обработке и отделке, такой как резка на необходимые размеры, шлифовка поверхности, окрашивание или нанесение защитного покрытия.

В зависимости от конкретного материала и процесса изготовления, этапы и

85

условия могут варьироваться. Тем не менее, эти шаги обычно являются основой для изготовления пластин композиционного материала.

Ход выполнения лабораторной работы

6.1. Расчет массы компонентов в композиционном материале

Ход работы. Первоначально определяют необходимый объем VКМ (м3)

пластины КМ.

где l, b, h – длина, ширина, толщина пластины КМ.

Толщину выбирают в зависимости от стандарта на испытания КМ (h = 2-8 мм).

Зная объем материала, определяют его массу mКМ, кг

где КМ – плотность КМ, кг/м3.

Плотность материала КМ (кг/3) определяют осреднением, зная соотношение компонентов (задано преподавателем).

где а – плотность арматуры, кг/м3;

с – плотность связующего, кг/м3 (определяется по правилу смеси);

Pа, Pс – объемное содержание арматуры и связующего в КМ соответственно,

доли ед.

86

Степень наполнения для технологического процесса задается в массовых долях, а для расчетов – в объемных долях. Связь между массовым С и объемным Р содержанием компонентов выражается соотношениями:

Cc 1 Ca

Предполагают, что пористость отсутствует, т. е. равна нулю.

Массу компонентов (г) для изготовления пластины КМ определяют из их массового соотношения:

где mа, mс – масса наполнителя и связующего соответственно, кг;

Cа, Cс – массовое содержание наполнителя и связующего соответственно; доли ед.

Далее определяют число слоев тканого наполнителя Na для изготовления КМ:

где mа масса арматуры, г;

m1с γa l b – масса одного слоя арматуры, г, определяется расчетным путем или взвешиванием;

а – поверхностная плотность слоя армирующего материала, г/м2.

87

Полученное значение Nа округляют до целого (ближайшего большего).

Пересчитывают массу связующего для поддержания заданной степени наполнения.

После расчета учитывают технологические отходы, например остатки связующего на инструменте, для чего количество связующего увеличивают примерно на 20%. Аналогично проводят расчет компонентов для всех видов КМ.

6.2 Изготовление пластины композиционного материала

Оборудование и материалы: компоненты для приготовления связующего (по заданию преподавателя), тканый наполнитель, ножницы, весы, жесткие пластины для укладки слоев, муфельная печь.

Ход работы. Из компонентов изготавливают плиту КМ с размерами 250x250

мм методом послойной укладки.

Разрезанный наполнитель послойно пропитывают полученным связующим,

тщательно прокатывают роликом для удаления воздушных пузырей и укладывают на пластину, смазанную антиадгезивом или покрытую слоем масляной бумаги.

Связующее равномерно распределяют по поверхности наполнителя, не допуская его отжима. После набора необходимого пакета из пропитанных слоев сверху укладывают жесткую пластину и, при необходимости, грузы.

5.7 Лабораторная работа № 7 Определение соотношения компонентов в полученном материале

Цель работы: научиться определять соотношение компонентов в материале

88

методом выжигания и гравиметрическими методами

Одним из основных показателей структуры композиционного материала,

который влияет на свойства полученного изделия, является соотношение компонентов.

Показатели структуры композиционного материала включают:

1. Фазовый состав: композиционный материал состоит из двух или более фаз,

которые могут быть различными материалами. Важно определить, какие фазы присутствуют и их соотношение в общем объеме материала.

2. Размер и форма фаз: размер и форма фаз влияют на свойства материала,

такие как прочность, упругость и электропроводность. Например, композитные материалы с наночастицами имеют огромную повышенную прочность.

3.Распределение фаз: равномерное или неравномерное распределение фаз может влиять на свойства материала. Хорошо распределенные фазы могут обеспечить лучшую прочность и устойчивость к разрушениям.

4.Ориентация фаз: ориентация фаз может изменяться в зависимости от процесса изготовления композиционного материала. Например, волокна стеклопластика могут быть направлены в определенном направлении для обеспечения лучшей прочности вдоль заданной оси.

5.Интерфейсные свойства: качество интерфейса между фазами также играет важную роль в определении свойств композиционного материала. Хорошие связи между фазами могут улучшить прочность и устойчивость к разрушению.

6.Пористость: наличие пор в материале может снизить его прочность и устойчивость к разрушению. Композитные материалы должны иметь минимальную пористость для достижения оптимальных свойств.

7.Толщина и объемные доли фаз: толщина слоев фаз и объемные доли фаз могут оказывать влияние на многие свойства материала, включая прочность,

упругость и теплопроводность.

Эти показатели структуры композиционного материала взаимосвязаны и

влияют на его общие свойства и производительность. Оптимальный выбор и

89

управление этими показателями могут привести к разработке материалов с желаемыми характеристиками и лучшей производительностью.

Массовое содержание компонентов в КМ на основе термореактивного связующего определяется методами выжигания, растворения или гравиметрическим методом.

Метод растворения основан на удалении из образца композиционного материала связующего под воздействием растворителя, а метод выжигания – под воздействием повышенных температур (для высокотемпературостойких наполнителей).

Расчеты по данным методам предполагают отсутствие пор в исходном материале. Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом

этого параметра.

Наиболее быстрым и неразрушающим методом контроля степени наполнения является гравиметрический.

Ход выполнения лабораторной работы

7.1 Определение соотношения компонентов по методу выжигания

Оборудование и материалы: образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г, муфельная печь, эксикатор, тигли.

Ход работы. Готовят не менее трех образцов композиционного материала любой формы и размеров. Масса образца не должна превышать 5 г.

Тигли прокаливают в муфельной печи при температуре 650±5°С в течение 20 мин и охлаждают в эксикаторе. Образцы КМ взвешивают на электронных весах с точностью до 0,001 г и помещают в предварительно взвешенные с такой же точностью тигли.

Тигли с материалом переносят в муфельную печь при температуре 650+5 °С

на 15-20 мин, чтобы выжечь связующее. Затем тигли помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры, после чего взвешивают с той же точностью.

90