7. Полимерные композиционные материалы, свойства, области применения

ПКМ, состав

(связующее/ наполнитель)

Свойства и области применения

ПКМ

Полимерцемент

-материал на основе композиционного связующего, включающего органический полимер

и неорганически вяжущее вещество.

Органическим компонентом полимерцемента служат водные десперсии поливинилацетата, натуральный и синтетический (бутадиен-стирольный, хлоропреновый) латексы, водорастворимые эпоксидные, полиэфирные, фурановые и карбомидные смолы, эфиры целлюлозы и др.

Различают полимерцементные бетоны, строительные растворы и отделочные составы. При получении бетонов и растворов используют грубодисперсные наполнители (заполнители): для бетонов – обычно песок и щебень, для растворов – песок.

Свойства изделий на основе полимерцемента зависят от вида и соотношения органических и неорганических компонентов связующего, типа на-полнителя, соотношения (по массе) между водой и цементом (так называемого водовяжущего отноше-ния), метода приготовления композиции, режима формирования изделия и условия его твердения.

Полимерцемент применяют главным образом для отделочных работ. В механосборочных цехах, в радио- и электротехническом производстве из материалов на основе полимерцемента устраивают сплошные полы. Строительные растворы на основе полимерцемента используют для приклеивания керамической плитки, выравнивания бетонных поверхностей, заделки стыков между бетонными конструкционными элементами. Для наружной и внутренней отделки зданий и применяют полимерцементные краски и шпатлевки. Полимерцемент используют также для целей гидро- и маслоизоляции, защиты стальной арматуры в легких и силикатных бетонах от коррозии, а также при изготовлении частей железобетонных конструкций, подвергающихся растяжению.

Полимербетон

- бетон на основе органического высокомолекулярного связующего (вяжущего).

Связующим в полимербетоне служат преимущественно термореактивные смолы. Разработан полимербетон на основе фурановых (получаемых главным образом из фурфурольно-ацетонового мономера – мономера ФА), фенольных, ненасыщенных полиэфирных, эпоксидных смол. Иногда для изготовления полимербетона применяют термопластичные продукты, например, кумароно-инденовые смолы.

Свойства полимербетонов определяются типом и количеством связующего и наполнителя, а также степенью отверждения связующего. Прочность полимербетона при сжатии изгибе и растяжении находится в пределах 50-120, 12-40 и 6-20 МПа, ударная вязкость – в пределах 10-20 кдж/м² . Ползучесть полимеров зависит в основном от типа связующего, степени его отверждения, а также от условия нагружения. При длительном действии нагрузки, не превышающей 50 % от разрушающей, деформация образцов полимера на основе мономера ФА прекращается через 240 суток нагружения. В интервале температура 20-70⁰ С образцы полимера на основе эпоксидных смол характеризуются незатухающей ползучестью.

Полимербетоны широко применяются для покрытия полов в производственных помещениях с агрессивными средами, покрытия мостов и дорог, подвергающихся воздействию интенсивных нагрузок, а также для декоративной отделки различных сооружений. Из полимера изготовляют тюбинги, шахтную крепь, трубы. Армированный металлом полимербетон (сталеполимербетон) перспективен как высокопрочный материал, который может быть использован в конструкциях, контактирующих с агрессивными средами. Применение полимербетона в строительных конструкциях ограничивается в некоторых случаях его ползучестью при низких температурах и горючестью.

Стеклопластики

–полимерные материалы, армированные стекловолокнистым наполнителем.

Использование в качестве армирующего наполнителя стекловолокнистых материалов обусловлено их высокой механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, водостойкостью. Наиболее часто применяются волокна из алюборосиликатного стекла и реже – из щелочного стекла.

Второй основной компонент стеклопластика – связующее, представляющее композицию из полимерных и мономерных соединений (или их смесей), а также инициатора, ускорителя и инертного разбавителя. Связующими служат: термореактивные гетероцептные полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные и феноло – формальдегидные смолы, а также термопластичные полимеры (фторопроизводные полиэтелена, поливинилхлорид, полиамиды).

Различают следующие группы стеклопластиков:

1) стеклотекстолиты, стекловолокниты (литьевые или прессовочные композиции);

2) ориентированные стеклопластики;

3) стеклопластики на основе предварительно рубленого формованного стекловолокна или холстов (матов).

Из ориентированных стеклопластиков изготовляют листовые материалы, различные профили, трубы.

Наибольшее применение стеклопластики находят в производстве электрооборудования, работающего в шахтах, буровых установках, судах. В строительстве стеклопластики используют для полупрозрачной кровли, оборудования санитарно-технических узлов. Из стеклопластиков изготовляют различные профили, оконные переплеты, двери. Особенно широкое применение стеклопластиков различного типа находят в транспортном машиностроении.

В газовой, нефтяной и химической промышленности применяют трубопроводы и емкости из стеклопластиков. В авиационной и ракетной технике стеклопластики находят применение в производстве обтекателей радиолокационных станций, различных конструкционных элементов: лопастей винтов, трехслойных панелей, корпусов ракет и двигателей, различного типа контейнеров и т.д.

Древеснослоистые пластики (ДСП)

- листы или тонкие листы, изготовленные горячим прессованием лущеного древесного шпона, пропитанного полимерным связующим.

Технологический процесс получения ДСП состоит из стадий подготовки шпона, приготовления связующих и пропиточных растворов, пропитки шпона, его сушки сборки и прессования пакетов.

В качестве наполнителя используют березовый или буковый шпон, связующим являются растворы феноло- или крезоло-формальдегидных олигомеров.

Одним из достоинств древеснослоистых пластиков являются хорошие антифрикционные свойства. Часто эти пластики с успехом заменяют высокооловянистую бронзу, баббит, текстолит.

Недостатком ДСП является их способность пог-лощать воду (до 3 % при нахождении в воде в тече-ние суток и до 22 % за 50 суток) и набухать.

ДСП различаются расположением волокон в слоях шпона, что в большой степени определяет их физико-механические свойства. Например, марка ДСП-А, имеющая параллельное расположение волокон, обладает максимальной прочностью в одном (продольном) направлении (280 МПа) по сравнению с ДСП-Б (смешанное расположение волокон) – 260 МПа.

Химическая стойкость ДСП невысока, но выше, чем у натуральной древесины.

ДСП применяют в качестве конструкционного и антифрикционного материала в судостроении, на железнодорожном транспорте, в машиностроении и электротехнической промышленности. Они идут на изготовление вкладышей подшипников, шестерен, втулки небольшого диаметра и др.

Гетинакс

– пресс-материал на основе бумаги.

Слоистый пластик на основе сульфатной бума-ги, пропитанной феноло- или крезолоформальдегид-ными резолами, их смесями или смешанными феноло- анилино- формальдегидными, а также эпок-сифенольными резолами.

Некоторые сорта гетинаксов работают в условиях от -60 до + 105 ^оС. Прочность гетинакса невелика: она ниже, чем прочность текстолита и стеклотекстолита. Гетинаксы хорошо противостоят действию жиров и минеральных масел, но нестойки к действию сильных кислот и особенно щелочей.

Гетинакс применяют в электро- и радиотехни-ческой промышленности, например в производстве печатных схем, в конструкциях переключателей, для изготовления деталей программных устройств.

Асбопластики

-

слоистые пластики, получаемые горячим прессованием асбестовой ткани,

пропитанной водно-спиртовым раствором резольного олигомера.

Асботекстолит

– теплостойкий ПКМ на основе листового асбеста, изготовленный методом пропитки.

Фаолит

– ПКМ на основе измельченного пропитанного резольной смолой асбеста.

Наполнитель асбест– горный лен – минерал во-локнистого строения. Он обладает огнестойкостью, малой теплопроводностью, кислотостойкостью и электроизоляционными свойствами.

Антофиллитовый асбест (группа амфиболовых асбестов) не обладает высокой прочностью, но усто-йчив к действию различных кислот.

Хризотиловый асбест (группа серпентинов) представляет собой минерал волокнистого строения. Различные сорта асбеста в обеих группах отличают-ся длиной волокна.

Пластические массы, изготовленные на основе ФФП резольного типа и асбеста в качестве наполни-теля, отличаются высокой кислотостойкостью, теп-лопроводностью, теплостойкостью (теплостойкость по Мартенсу - не ниже 250 ^оС), прочностью, но диэлектрические показатели у них значительно ниже, чем у других слоистых пластиков (электричес-кая прочность 600-800 кВ/м).

Основная область применения асботекстолита – тормозные устройства, детали механизмов сцепления и различные прокладки для работы при повышенных температурах.

Из фаолита изготавливают кислотоупорные трубы, листы, замазки, муфты, фланцы, тройники, химическую аппаратуру, детали насосов, клапанов, вентиляторов и т.п.

Газонаполненные (вспененные) пластмассы

- пластмассы, в которых газ заполняет не сообщающиеся между собой макро- и микро-скопические полости (ячейки), образовавшиеся в результате вспенивания исходного сырья.

Наиболее распространены газонаполненные ма-териалы на основе полистирола, поливинилхлорида, феноло- и мочевиноформальдегидных и эпоксидных полимеров.

В свою очередь они делятся на пенопласты (ма-териалы с закрытыми, не сообщающимися между собой ячейками) и поропласты (материалы с сооб-щающимися между собой ячейками).

Газонаполненные фенопласты получают на основе фенолоформальдегидных олигомеров как новолачного, так и резольного типа. В качестве газо-образователей используют:

1. твердые вещества, выделяющие газы при взаимодействии с кислотами –катализаторами процесса (бикарбонат натрия);

2) низкокипящие углеводороды (н-пентан, фреоны и пр.) – в этом случае вспенивание происходит за счет тепла, выделяющегося при отверждении олигомера.

Пенопласт «Мипора» - ПКМ на основе карбамино-формальдегидных полимеров и натриевых солей сульфокислот (как пенообразующее соединение).

От монолитных пластмасс газонаполненные отличаются легкостью и высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Резольные пенопласты с кажущейся плотностью 30-200 кг/м³ имеют высокую хрупкость, для снижения которой в состав композиции вводят термопластичные полимеры (поливинилацетатная эмульсия, поливиниловый спирт, бутадиен-нитрильный каучук). Для получения высокопрочных пенопластов добавляют нитриты металлов и амины: анилин, метиламин, диметиламин, карбамид и т.д.. Для повышения теплостойкости новолачных пенопластов в состав композиции вводят в качестве наполнителя алюминиевую пудру, асбест, перлит и др. Недостатком пенофенопластов является сранительно низкая прочность при динамических нагрузках (ударная вязкость).

Пенопласты широко используются в судостро-ении, радиотехнической промышленности и строительстве. В качестве заполнителя в легких армированных и трехслойных конструкциях применяются для тепло- и звукоизоляции. Пенопласт, модифицированный бутадиен-нитрильным каучуком, благодаря повышенной прочности к ударным нагрузкам, с успехом применяется в изделиях, подвергающихся вибрации, где другие пенопласты дают трещины

Мипора применяется в качестве теплоизолятора в стенках холодильных установок, хранилищ и сосудах для жидкого кислорода, в вагонах железнодорожного транспорта. Свойство мипоры хорошо поглощать звук используется для создания лучшей акустики в театрах, аудиториях и для звукоизоляции в жилых зданиях.

Пенополиуретаны

Пенополиуретаны делят на две группы: эласти-чные пенопласты на основе полиэфиров линейного или слегка разветвленного строения и жесткие пеннопласты на основе сильноразветвленных поли-эфиров, образующих полимеры с большой степенью сшивания.

Поролон - эластичный пенополиуретан. Техно-логический процесс состоит из стадий подготовки сырья, вспенивания полиуретана, изготовления, выз-ревания и переработки поролоновых блоков.

Жесткие пенопласты получают методами заливки и напыления.

Эластичные пенополиуретаны имеют высокие тепло- и звукоизоляционные показатели, хорошие диэлектрические и амортизационные свойства. Они способны склеиваться с деревом, бумагой, тканями, металлами. Полученные на основе сложных эфиров полиуретаны имеют более высокую прочность при растяжении, стойкость к окислительному старению, воздействию масел и растворителей, но меньшую упругость и морозостойкость, чем эластичные пенополиуретаны на основе простых эфиров.

Эластичные пенопласты с закрытыми порами применяют для изготовления поплавковых изделий, механических опор, теплоизоляции для работы при низких (жидкий азот) и относительно высоких (до 120 ^оС) температурах.

Пенопласты с открытыми порами используют для производства губок, подушек, звукоизоляционных материалов.

Жесткие пенополиуретаны характеризуются хорошей формоустойчивостью, высокими тепло- и звукоизоляционными показателями. Они устойчивы к действию кипящей воды, бензина, керосина, смазочных масел, этилового спирта и т.п.

Небольшая плотность и малая способность к водопоглощению позволяют использовать их для изготовления незатопляемых лодок и понтонов.

Пенополиуретанами заполняют зазоры в бето-ноконструкциях и полости оконных и дверных проемов. Жесткие пенополиуретаны применяются в авиа-, авто- и судостроении.