Введение в фхпп (лекция 1)

Полимерные материалы в современной технике и быту занимают все большее место в связи с тем, что обладают комплексом характеристик, которые при правильном их использовании с учетом свойств и особенностей обеспечивают эффективные эксплуатационные свойства изделий из них и рентабельность их производства.

К основным особенностям полимеров и изделий из них относятся:

а) высокая технологичность, позволяющая практически полностью исключить из производственного цикла трудоемкие и дорогостоящие операции механической обработки изделий;

б) относительно низкая энергозатратность, определяемая тем, что температуры переработки этих материалов составляют, как правило, 150-250°С, что существенно ниже, чем у металлов, не говоря уже о керамике;

в) возможность получения за один цикл штучного формования сразу нескольких изделий, в том числе сложной конфигурации, а при производстве погонажных продуктов, вести процесс на высоких скоростях;

г) в технологии переработки полимерных материалов широко используется автоматизация, позволяющая существенно сократить трудовые затраты и резко повысить качество изделий, в том числе в результате исключения неоправданного вме­шательства персонала в инженерно обоснованные процессы.

Вследствие перечисленных особенностей полимеры получили исключительно широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях мирового хозяйства.

Основными производителями и потребителями полимеров являются страны Европейского экономического сообщества (Италия, Германия, Англия, Франция), Америки (США, Канада, Бразилия), Япония, Китай, Корея и государства СНГ. В России в последнее время также отмечается некоторый рост как производства полимеров, так и выпуска изделий из них.

Следует отметить, что переработка полимеров имеет конечной целью получение изделий, отвечающих конкретным задачам эксплуатации или запросам потребителя, то есть заданным характеристикам. Производственные приемы получения изделий, частично исторически заимствованные из технологии переработки металлов, создава­лись и далее совершенствовались параллельно с появлением новых полимеров.

Современная промышленность переработки, например, пластмасс располагает широким набором как методов переработки, так и парком оборудования, насчитывающим более 3500 типов машин и аппаратов. Индивидуальные высокомолекулярные соединения (например, гомополимеры, сополимеры) сейчас используются в практических целях не так часто и все больше заменяются полимерными композитами разных иногда достаточно сложных составов и смесями полимеров. В совокупности это дaeт возможность получать материалы с широким разнообразием свойств, обеспечивающих их применение для изготовления изделий в диапазоне от бытовых предметов до наиболее ответственных деталей вычислительной, медицинской, военной и космической техники.

К технологии переработки полимеров относятся следующие основные операции:

1) Конструирование состава;

2) подготовка ингредиентов пластмасс к переработке;

3) получение материала на основе исходного высокомолекулярного соединения путем физико-химических превращений, введения других полимеров, наполнителя, пластификаторов и других функциональных добавок, а также путем термомеханической обработки;

4) формование полученного материала и изготовление из него изделий (деталей), конструкция которых научно обоснована и учитывает конкретные условия эксплуатации;

4) заключительная обработка и сборка (механическая, склеивание, сварка и др.) изделий.

В последние годы тема создания, исследования, применения полимерных материалов активно разрабатывается в широких научных кругах. Ей посвящены многочисленные монографии, пособия, научные статьи и другие издания ведущих ученых и специалистов в России и за рубежом.

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1. Определения и классификация

Полимерными материалами (ПМ) называются материалы на основе полимеров (высокомолекулярных соединений), содержащие различного рода и функционального назначения наполнители, добавки, пигменты и иные компоненты. Фи­зически они представляют собой гетерофазные материалы, в которых основной полимер образует одну непрерывную фазу (матрицу), а наполнители в виде порошкообразных дисперсных частиц, жидкостей, газов и волокон (коротких и непрерывных, одиночных или предварительно организованных) образуют другую самостоятельную прерывную (дисперсно-наполненные ПМ) либо непрерывную фазу (армированные ПМ ).

В зависимости от степени ориентации наполнителя ПМ могут проявлять как изотропные (одинаковые во всех направлениях), так и анизотропные свойства. Разнообразная морфология позволяет получать ПКМ с весьма высокими де­формационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответству­ющими самым высоким современным требованиям.

В настоящее время разработано несколько подходов к классификации ПКМ, основанных на делении композитов по избранным признаков.

По природе матрицы (связующего):

• термореактивная (реактопласты);

• термопластичная (термопласты);

• гибридная.

Термореактивная матрица – результат отверждения полимеробразующей реакционной системы в процессе изготовления композита при повышенной температуре и/или в присутствии отвердителей. В составе полимеробразующей реакционной системы используются реакционноспособные олигомеры (смолы) (М до 1500), в молекуле которых имеются более двух функциональных групп или ненасыщенные связи. Реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формируются в результате химической реакции отверждения. Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются. В зависимости от типа связующего реактопласты подразделяются на фенопласты, аминопласты, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические, полиимидные пластики, сшитые полиуретаны и др.

Термопластичная матрица расплавляется для пропитки наполнителя, а затем охлаждается. При обычной температуре термопласты находятся в твердом (стеклообразном или кристаллическом) состоянии. При повышении температуры они переходят в высокоэластическое и далее – в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования их различными методами и многократной переработки. К термопластичным полимерам можно отнести полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиакрилаты, фторполимеры, полиамиды, сложные полиэфиры (полиэтилентерефталат), линейные полиуретаны и др.

Гибридная матрица может сочетать термореактивные и термопластичные компоненты.

По природе наполнителя:

• органические вещества природного или искусственного происхождения;

• неорганические вещества природного или искусственного происхождения.

Химическая природа наполнителей весьма разнообразна: мел, слюда, оксиды металлов, сажа, аэросил, чешуйки стекла или глины, каучукоподобные включения, различные виды волокон и волокнистых материалов и др.

По форме наполнителя ПМ бывают:

• дисперсно(дискретно)-наполненные композиты;

• армированные композиты (армированные пластики) –

материалы на основе непрерывных волокон (волокнистых материалов).

В качестве дисперсных наполнителей, как правило, выступают порошкообразные вещества с различным размером частиц – от 2-10 до 200-300 мкм, а также короткие (дискретные) волокна.

Материалы на основе коротких (штапельных или рубленых) волокон имеют ту же природу, что и на основе непрерывных волокон, и называются волокнистыми ПКМ.

По структуре ПКМ:

• матричная (для материалов на основе дисперсных и коротких

волокнистых частичек);

• слоистая (двухмерная) и объемная (трехмерная) для

армированных пластиков на основе тканых и нетканых материалов.

По степени ориентации волокнистого наполнителя, анизотропии материала:

• хаотическое расположение частиц и волокон (коротких и непрерывных) – изотропная (или квазиизотропная) структура;

• однонаправленная ориентация волокон – резко выраженная анизотропия;

• перекрестная, ортотропная ориентация волокон под углом 90 ° - заданная анизотропия;

• косоугольная ориентация волокон под углами, отличающимися от 90 °- заданная анизотропия;

• веерная структура, состоящая из слоев с различной ориентацией волокон – заданная анизотропия.

По количеству компонентов в своем составе ПКМ делятся на:

• двухкомпонентные;

• трехкомпонентные, совмещающие волокнистый и порошкообразный (с различной химической природой и формой частиц) наполнитель;

• поливолоконные гибридные, совмещающие волокнистые наполнители различного происхождения и структуры;

• полиматричные гибридные, например, на основе сочетания термореактивных и термопластичных полимерных матриц.

По объемному содержанию наполнителя ПКМ делятся на: