Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свойства компонентов полимерных композиционных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
Л.А. КОНДРАТЬЕВА
СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ
ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2019
1
2
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)
К а ф едра «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»
Л.А. КОНДРАТЬЕВА
СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ
ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2019
3
Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 8 от
28.03.2019 г.)
УДК 620.22(076.5)
ББК 30.3я73
К 64
Кондратьева Л.А.
К 64 Свойства компонентов полимерных композиционных материа-
лов: лабораторный практикум / Л.А. Кондратьева. – Самара: Самар. гос. техн.
ун-т, 2019. – 136 с.: ил.
В практикуме представлена методика проведения лабораторных работ по
определению свойств компонентов полимерных композиционных материалов –
элементарных волокон, дисперсных, однонаправленно волокнистых, тканных
наполнителей и термореактивных и термопластичных связующих. Приведено
описание лабораторных работ по конструированию и исследованию свойств
пространственно-армированных композиционных материалов, по определению
адгезии наполнителей к матричному полимеру и свойств полимеров и композиционных материалов на их основе.
Лабораторный практикум предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплине «Технологии производства композиционных материалов» и
рассчитан на студентов высших технических учебных заведений, обучающихся
по направлениям 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» профиль «Материаловедение и технология новых материалов» и 22.03.02 «Металлургия» профиль «Порошковая металлурги». Материал лабораторного практикума также может быть полезен студентам других направлений при изучении
свойств полимерных композиционных материалов.
УДК 620.22(076.5)
ББК 30.3я73
К 64
Р е ц е н з е н т: канд. техн. наук Ю.М. Марков
© Л.А. Кондратьева, 2019
© Самарский государственный
технический университет, 2019
4
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной техники требует новых конструкционных
материалов, превосходящих по своим прочностным, упругим и другим свойствам традиционные. К числу наиболее интересных и перспективных относятся полимерные материалы (пластики, эластомеры, волокна), и в первую очередь наполненные.
Полимер – это вещество, характеризующееся многократным повторением одного или более составных звеньев, соединенных между
собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств,
который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев [1].
Все полимеры делят на термопластичные (термопласты) и
термореактивные (реактопласты). Основное отличие первых от
вторых заключается в том, что первые способны при нагревании размягчаться.
Помимо этого существуют и другие физические, химические и
технологические отличительные особенности термопластов от реактопластов:
- пленки и волокна изготовляют только из термопластов;
- термопласты, как правило, имеют меньшую твердость и боль-
шую деформативность, чем реактопласты;
- реактопласты же более хрупки;
- многие термопласты способны растворяться в органических
растворителях, а реактопласты – нет;
- реактопласты характерны отчетливо видимым наполнителем –
тканью, волокнами, бумагой, древесным шпоном и др.
В настоящее время полимеры и материалы на их основе серьезно
потеснили такие основные конструкционные материалы, как железобетон, металл, дерево.
Возможности полимерных материалов чрезвычайно широки благодаря многообразию полимеров и наполнителей, неисчерпаемой вариабельности составов композитов на их основе и методов их модификации [2].
5
Композиционные материалы – это многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию
нового материала, свойства которого количественно и качественно
отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором
свойств.
В качестве наполнителей полимерных композиционных материалов используется множество различных веществ: металлы, керамика,
стекла, пластмассы, углерод и т.п. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и
стойкость к различным внешним воздействиям. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов.
Важнейшим звеном учебного процесса являются лабораторные
занятия, в значительной степени, определяющие теоретическую и
практическую подготовку будущего специалиста. Лабораторный
практикум по изучению свойств компонентов полимерных композиционных материалов содержит описание лабораторных работ, достаточно полно охватывающие исследование свойств наполнителей и
связующих полимерных композиционных материалов, а также исследование свойств композиционных материалов на их основе.
К каждой лабораторной работе имеется краткое теоретическое
введение, необходимое для осмысленного выполнения эксперимента
и правильной трактовки полученных результатов, а подробное
описание установок и последовательность выполнения работы
существенно облегчает ее практическое выполнение.
Для проверки усвоения изложенного материала в конце каждой
лабораторной работы приведены контрольные вопросы.
6
Лабораторная работа № 1
СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ВОЛОКОН
Волокно – это гибкое и прочное тело с очень малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления
пряжи и текстильных изделий.
Волокна бывают элементарными и комплексными.
Элементарное волокно – это одиночное волокно, которое не делится в продольном направлении без разрушения.
Комплексное (техническое) волокно – это волокно, состоящее из
нескольких элементарных волокон, скрепленных продольно. Скрепление элементарных волокон может быть склеиванием или силами
кристаллизации. Комплексное волокно может делиться на элементарные волокна без разрушения.
Элементарные волокна значительной длины (условно неограниченной длины) называются элементарными нитями.
Комплексные нити – это нити, состоящие из пучка (двух и более)
элементарных нитей, соединённых скручиванием или другими способами.
Практически все волокна состоят из полимеров – молекулцепочек.
По происхождению полимеры делятся на: природные (биополимеры) и синтетические. Природные полимеры лежат в основе всех
натуральных и искусственных волокон.
Натуральные волокна существуют в природе в готовом виде, они
образуются из природных полимеров, которые формируются в растениях или на кожном покрове животных. Так волокна хлопка, льна состоят из полимера целлюлозы, волокна шерсти – из полимера белка
кератина и т.п.
Искусственные волокна получают промышленными способами в
заводских условиях после извлечения и химической обработки природных полимеров. Например: из целлюлозы получают вискозное,
7
ацетатное, триацетатное волокна, из белков – казеиновое и зеиновое
волокна.
Для изготовления изделий используются различные виды волокон, которые отличаются друг от друга по химическому составу,
строению и свойствам.
1. Определение плотности элементарных волокон и
степени их набухания в разных средах
Цель работы – определить плотность волокон и степень их на-
бухания в разных средах.
Материалы и оборудование
1. Стекловолокно.
2. Углеродные волокна.
3. Полиамидные волокна.
4. Ненасыщенная полиэфирная смола.
5. Эпоксидная смола.
6. Этиловый спирт.
7. Йодистый калий.
8. Дистиллированная вода.
9. Мерный цилиндр (мензурка).
10. Денсиметр.
11. Стеклянная палочка.
12. Микроскоп.
13. Окулярный микрометр
14. Лупа.
15. Пинцет.
16. Линейка.
17. Ножницы
Теоретическая часть
Флотационный метод определения плотности волокон заключа-
ется в сравнении плотности испытуемого образца с плотностью рабо-
8
чей жидкости в момент перехода образца во взвешенное (флотационное равновесие) состояние, то есть не тонет и не всплывает. В качестве рабочей жидкости рекомендуется использовать этиловый спирт
и/или дистиллированную воду. В таблице 1.1. представлены плотности некоторых полимеров.
Таблица 1.1
Плотность некоторых полимеров
Полимер Плотность, г/см3
Термопластичные
Полиэтилен (низкой плотности) 0,92
Полиэтилен (высокой плотности) 0,96
Поливинилхлорид 1,39
Полипропилен 0,90
Полистирол 1,06
Полиамид 1,14
Полиэстер -
Термореактивные
Феноло-формальдегидная смола 1,4
Эпоксидная смола 1,6
Полиэфирная смола 1,4
Последовательность выполнения работы
1.1. Определение плотности волокон
флотационным методом
1. В мерный цилиндр налить 100-150 мл дистиллированной воды
(или этилового спирта).
2. Полностью погрузить в стакан образец волокна.
3. С помощью стеклянной палочки удалить с поверхности образ-
ца воздушные пузырьки.
4. Используя лупу оценить чистоту (отсутствие или наличие пу-
зырьков воздуха) на поверхности волокна.
9
5. Периодически по капле добавлять в дистиллированную воду
раствор йодистого калия (или воду в спирт). После добавления каждой капли мешать.
6. Титрование прекратить, когда материал окажется во взвешенном состоянии. Определить какое количество раствора йодистого калия (или воды) ушло на титрование.
7. Погрузить в полученный раствор денсиметр и измерить плотность раствора ρ
риала ρ
мат
.
, приняв её равной плотности испытуемого мате-
раст
8. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и того же элементарного волокна. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
9. Аналогично исследовать все образцы разных элементарных
волокон.
1.2. Определение набухания элементарных
органических волокон в смоле и воде
1. Волокно нарезать на отрезки длиной не более 5 мм.
2. С помощью пинцета поместить образцы на предметное стекло
микроскопа. Накрыть покровным стеклом и установить на столик
микроскопа.
3. При помощи окулярного микрометра измерить исходный (на-
чальный) диаметр d
и длину волокна 1
исх
исх
.
4. Под покровное стекло аккуратно добавить смолу или воду и
через определенное время t (20, 40, 60 мин) измерить диаметр dн и
длину lн волокон.
5. Определить степень поперечного набухания Нт (%) из соотношения диаметра отрезков элементарных волокон до и после выдержки в смоле или воде по формуле
, (1.1)
где d
– начальный диаметр волокна, мм; dн – диаметр волокна по-
исх
сле выдержки в смоле или воде, мм.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]