Термореактивные полимеры

Фенолоформальдегидные смолы представляют собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. Выпускаются смолы ре-зольного и новолачного типа. Резольные смолы отверждаются путем нагревания, новолачные - при нагреве с отвердителем (уротропином, 6...14 % массы смолы). Фенолоформальдегидные смолы обладают высо­кими атмосферо- и термостойкостью, хорошими электроизоляционны­ми свойствами, стойки к действию большинства кислот, за исключени­ем концентрированной серной кислоты и кислот-окислителей (азотной, хромовой). Неотвержденные смолы растворимы в фенолах и растворах едких щелочей, а также в органических растворителях.

Эпоксидные смолы - олигомеры или мономеры, способные пре­вращаться в полимеры пространственного строения посредством от-вердителей, в качестве которых могут использоваться мономерные, олигомерные и полимерные соединения различных классов.

Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют в ка­честве отвердителей алифатические полиамины (полиэтиленполиа-мин, гексаметилендиамин, 5...15 % массы смолы). Длительность от­верждения 24 ч (степень отверждения до 70 %). Для повышения степени отверждения желательна термообработка при температуре 60...120 °С в течение 12...2 ч. Применяются для отверждения также олигоаминоамиды, но в количестве 50...100 % массы смолы.

Для горячего отверждения применяют ароматические ди- и по­лиамины (15...50 % массы смолы). Отверждение проводят при темпе­ратуре 100...180 °С в течение 16...4 ч. Прочность, химическая стой­кость и теплостойкость эпоксидных компаундов при горячем отверждении выше, чем при холодном. Используют в качестве отвер-дителей также ангидриды дикарбоновых кислот и синтетические смо­лы (фенолоформальдегидные, мочевино- и меламиноформальдегид-ные и др.).

Эпоксидные смолы обладают высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам. Отвержденные смолы имеют хорошие диэлектрические свойства, высокую химическую стойкость, исключая органические кислоты, кетоны и углеводороды, стойки к воздействию радиоактивного излучения.

Кремнийорганические полимеры отличаются высокой термо­стойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, хорошими диэлектрическими свойствами, однако обладают невысокой адгезией. Для повышения адгезионных свойств их модифицируют эпоксидны­

ми, фенольными и полиэфирными смолами. Наиболее широкое при­менение для производства композиционных материалов, лаков, эма­лей и клеев из кремнийорганических полимеров получили полиорга-носилоксаны.

Механические свойства ряда отвержденных термореактивных смол и кремнийорганических полимеров приведены в табл. 10.3.

10.4. Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой ге-терофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компо­нентов, имеющих границы раздела между ними. Компонент, непрерыв­ный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей, или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями.

Наполнители в композиционные материал вводят с целью улучшения механических, теплофизических, электрических, магнит­ных и других свойств. В качестве наполнителей используют твердые, жидкие и газообразные вещества органического и неорганического происхождения.

В зависимости от характера взаимодействия наполнителя с материалом матрицы их подразделяют на инертные и активные (упрочняющие). Механизм взаимодействия матрицы с наполнителем определяется химической природой этих материалов и состоянием поверхности наполнителя. Наибольший эффект усиления достига-

6

ется при возникновении между наполнителем и материалом матрицы химических связей или значительного адгезионного взаимодействия. Наполнители, способные к такому взаимодействию с матрицей, назы­ваются активными. Инертными называются наполнители, не способ­ные к этому взаимодействию. Последние применяют для облегчения переработки или снижения стоимости изделий.

По виду и структуре наполнителя композиты делятся на дис­персно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и газона­полненные.

В качестве дисперсных наполнителей широкое применение по­лучили: древесная мука, сульфатная целлюлоза, графит, тальк, слюда, каолин, диоксид кремния, силикаты алюминия, кальция, магния, по­рошки металлов и сплавов. Некоторые металлические наполнители придают композитам специфические свойства. Например, железо и его сплавы - ферромагнитные; чешуйки алюминия, никеля, серебра -низкую газо- и паропроницаемость; порошки алюминия и меди - де­коративность; свинца, кадмия, вольфрама - защитную способность при воздействии излучений высоких энергий.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы с равно­мерно распределенным в объеме материала наполнителем обладают изотропностью свойств, т. е. одинаковыми свойствами во всех на­правлениях. Для создания материалов антифрикционного назначения широко используются слоистые твердые смазки Мо8₂, Мо8е₂, BN, СсЮ, СаБ₂, графит и др., а также жидкие наполнители - минеральные масла.

В качестве волокнистых наполнителей используют хлопковые и льняные очесы, стекловолокно, асбест, углеродное волокно. Все более широкое применение получают синтетические волокна, в частности, полиамидные и полиэфирные. Пластмассы, содержащие синтетиче­ские волокна, характеризуются высокой коррозионной и химической стойкостью, малым коэффициентом трения и высокой износостойко­стью, однако обладают низкой теплостойкостью (рис. 10.10). Совре­менные композиционные материалы содержат в качестве наполните­лей угольные и графитовые волокна, волокна бора и др.

Упрочненные волокнами материалы анизотропны, кроме случая хаотического расположения волокон. Упрочняющий эффект при напол­нении волокнами диаметром 3...12 мкм сказывается уже при их длине 2... 4 мм, благодаря взаимному переплетению и снижению напряжений в связующем. С увеличением длины волокон увеличиваются прочность и ударная вязкость. В свою очередь, упрочняющие волокна в композитах

могут быть дискретными и непрерывными, а непрерывные волокна мо­гут быть однонаправленными или направленными в разные стороны.

Из слоистых наполнителей применяются: бумага (для получе­ния гетинакса); хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асботкань, уг-леграфитная ткань (в различного рода текстолитах); древесный шпон (в древопластиках). Слоистые (двухмерно-армированные) композиты представляют собой набор слоев из одинаковых или разных арми­рующих материалов, пропитанных связующим.

Слоистые материалы отличаются анизотропией свойств: имеют высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего на­полнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот недоста­ток отсутствует у объемно-тканых, или трехмерно-армированных ма­териалов.

При создании поро- и пенопластов используют газообразные наполнители (углекислый газ, азот, воздух и инертные газы).

Различные сочетания матричного материала и наполнителя по­зволяют получать гибридные композиты с широким диапазоном ха­рактеристик, чего невозможно достичь на металлах и сплавах. Компо­зиты выгодно отличаются от металлических сплавов своими удельными характеристиками: удельной прочностью а_в / р и удель­ным модулем упругости E / р.

Композиты на основе полимерной матрицы обеспечивают рабо­тоспособность изделий при температурах до 200...300 °С, металло­композиты на основе алюминия и магния, армированные углеродны­ми, борными и другими волокнами - до 400...500 °С. Керамические композиты на основе карбидов или нитридов кремния могут работать при температурах до 2000 °С.

Особенностью композитов является удачное сочетание высокой прочности с низкой плотностью и высокой химической стойкостью. Кро­ме того, в композитах зачастую в 10...100 раз ниже скорость распростра­нения усталостных трещин, что обеспечивает большую долговечность из­делий. Например, в слоистом материале алор на основе алюминиевых сплавов и органопластов скорость распространения усталостных трещин в 10 раз ниже, чем в алюминиевых сплавах. Удельная прочность и удель­ный модуль упругости композитов в 3...4 раза выше, чем сталей.

В настоящее время широкое применение получили стеклопла­стики, на смену которым приходят органопластики, в которых ис­пользуют армирующие арамидные волокна, в частности, кевлар. Эти волокна при плотности 1500 кг/м и временном сопротивлении 4000...5000 МПа способны поглощать вибрации и ударные нагрузки. Из таких материалов изготавливают различные элементы конструк­ций в авиационной и космической технике, в судостроении.

Весьма перспективны углепластики, отличающиеся высокой ра­диационной стойкостью, тепло- и морозостойкостью, термостойкостью, термостабильностью свойств и геометрических размеров, высокой уста­лостной прочностью (в 1,5...2 раза выше, чем у стали, и в 8...9 раз - чем у алюминия). Применение углепластиков позволяет увеличить эксплуа­тационный ресурс в 1,5...2 раза, снизить массу конструкции на 20...25 % и трудоемкость производства изделий.

Углерод-углеродные композиты выдерживают температуру до 2500 °С, однако они хрупкие. Высокую термостойкость, жесткость, прочность, но и хрупкость имеют композиты на основе керамики. В качестве матрицы в керамических композитах используют оксиды алюминия, магния, циркония, нитриды бора и алюминия; упрочняю­щей фазой служат короткие волокна-усы и длинные термостойкие во­локна. Такие материалы перспективны в авиации, ракетной технике, автомобилестроении, энергетике.