Полимерные матрицы

Полимерную матрицу для композиционных материалов выбира­ют, учитывая условия эксплуатации изделий. От матрицы зависят многие свойства композита, в том числе прочность, тепло- и влаго­стойкость, стойкость к действию агрессивных сред. В зависимости от типа полимерной матрицы выбирают и метод получения полимер­ного композиционного материала.

При производстве полимерных композиционных материалов полимеры в качестве матрицы используют либо в чистом виде (по­рошки, гранулы, листы, пленки), либо в виде связующих. Связу­ющее представляет собой двух- или многокомпонентную систему из синтетической смолы и отвердителей или инициаторов, катализаторов, ускорителей отверждения. В связующее могут добавляться ра­створители, красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты. Цель введения этих компонентов заключается в при­дании связующим и полимерным композиционным материалам не­обходимых технологических и эксплуатационных свойств.

При производстве армированных пластиков наиболее часто при­меняют следующие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, полиамиды, фторуглеродные соеди­нения, акрилы, полипропилен, полиэтилен, полистирол. Наи­большее распространение получили термореактивные связующие, при нагревании которых происходят необратимые структурные и химические превращения. Механические и физические свойства некоторых типов полимерных матриц, используемых для изготовле­ния композитов.Ниже дана краткая характеристика основных типов полимеров, нашедших применение при изготов­лении ПКМ.

Полиэтилен — один из наиболее широко применяемых полиме­ров. Промышленностью выпускается полиэтилен низкого давления (ПЭНД) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Деструкция ма­териала происходит при температуре выше 290 °С. Солнечная ради­ация ведет к термостарению полиэтилена. Прочность, теплостой­кость и химическая стойкость ПЭНД выше, чем ПЭВД. Газопрони­цаемость, наоборот, выше у ПЭВД. При комнатной температуре полиэтилен устойчив к действию разбавленных серной и азотной кислот, концентрированной соляной, фосфорной и плавиковой кис­лот. Для полиэтилена высокого давления водопоглощение за 30 су­ток составляет 0,022%, для ПЭНД - 0,005...0,04%.

ПЭВД перерабатывается литьем под давлением (Т= 150...200 °С, р = 100 МПа), экструзией (Г= 110... 180 °С,р = 8... 10 МПа), прессо­ванием (Г= 130...150 "С, р = 4...10 МПа), хорошо сваривается, об­рабатывается механически. ПЭНД перерабатывается экструзией (Т= ■ 180...260 °С), литьем под давлением (Г= 200...270 °С,р= 120 МПа), прессованием (Т= 145... 180 °С, р = 6... 10 МПа).

Полипропилен хорошо выдерживает изгиб, обладает высокой из­носостойкостью. В отсутствие воздуха термодеструкция проявляет­ся при 300 "С. Полипропилен устойчив к действию многих кислот и щелочей. Водопоглощение при 20 °С за 6 месяцев составляет 0,5%. Концентрированная серная кислота слабо разрушает полипропилен при комнатной температуре и катастрофически при 60 °С. К дей­ствию сильных окислителей полипропилен неустойчив. Полипропи­лен перерабатывается литьем под давлением (Т= 200...220 °С, р = = 35...42 МПа), экструзией, вакуум-формованием, пневмоформова-нием, раздувом, сваркой, прессованием, напылением, обрабатыва­ется резанием.

Полистирол — хрупкий полимер, обладающий высокой радиаци­онной стойкостью, легко подвергающийся старению. Промышлен­ностью выпускается полистирол блочный (марки ПСМД и ПСМ), суспензионный (ПС-С, ПС-СП), эмульсионный (ПСЭ-1, ПСЭ-2). Предел прочности составляет 35...45 МПа. Термическая деструкция начинается при температуре выше 266 °С. Полистирол устойчив к действию некоторых минеральных и органических кислот, щелочей, трансформаторного масла, разрушается концентрированной азотной и уксусной кислотами. Технологии переработки полистирола: лить­ем под давлением (Г= 160...230 °С,р = 80... 120 МПа), экструзией, вакуум-формованием, пневмоформованием.

Политетрафторэтилен — это линейный полимер, имеющий хими­ческую формулу [—CF₂—CF₂—]_п. В разных странах выпускаются сле­дующие марки политетрафторэтилена: фторопласт-4 (Россия), теф­лон (США), полифлон (Япония) и др. В нашей стране выпускаются различные модификации фторопласта: фторопласт-4Д, фторопласт-4М, фторопласт-40 и др.

Фторопласт-4 обладает свойствами самосмазки, имеет низкий коэффициент трения. Это наиболее химически стойкий полимер, не подверженный действию грибков. Для него характерна высокая стойкость к действию высококонцентрированных и разбавленных кислот и щелочей, сильных окислителей.

Фторопласт-4 перерабатывается спеканием предварительно спрессованных таблеток. После предварительной специальной обра­ботки полимер обрабатывается резанием (при высоких скоростях и малых подачах), сваривается и склеивается. Некоторые модификации фторопласта перерабатываются методами порошковой металлур­гии, прессованием, экструзией, литьем под давлением, напылением.

Полиметиленоксид — линейный полимер, имеющий химическую формулу [-СН₂-0-]_п.

За рубежом полиметиленоксид известен как ацетальные, или по-лиацетальные, смолы. Полиметиленоксид хорошо сопротивляется усталостным и динамическим знакопеременным нагрузкам, обладает низкой ползучестью, высокой износостойкостью. Коэффициент тре­ния по стали составляет 0,2...0,35. При переработке полиметиленок-сида используют метод литья под давлением, экструзию. Температура переработки составляет 180...240 "С. Материал хорошо обрабатыва­ется резанием.

Полифениленсульфид характеризуется высокой термостойкостью, устойчивостью к окислению, радиационной стойкостью. По хими­ческой стойкости уступает лишь политетрафторэтилену. Изделия из полифениленсульфида могут длительное время эксплуатироваться при 260 °С, полное разложение происходит при 720 °С. Механичес­кие и физические свойства полимера при 260 °С сохраняются неиз­менными после выдержки в течение 200 ч.

Полифениленсульфид перерабатывается литьем под давлением (Т= 300...360 °С,р = 75...150 МПа), прессованием (Т= 340... 400 °С, р — 10...70 МПа), плазменным напылением, пропиткой тканей.

Полифениленоксид - простой ароматический полиэфир линей­ного строения. В нашей стране известен как арилокс, в США — но-рил. Полифениленоксид может многократно без изменения свойств перерабатываться на литьевых машинах, отличается высокой техно­логичностью. Полимер нетоксичен, стоек к агрессивным средам, грибковой плесени. Перерабатывается по технологии литья под дав­лением, экструзией. Из полифениленоксида можно получать тонко­стенные изделия сложной формы.

Полиэтилентерефталат - сложный линейный ароматический полиэфир терефталевой кислоты. В нашей стране хорошо известен как лавсан. Полимер отличается низким коэффициентом трения и гигроскопичностью. Для изделий, изготовленных из него, характер­на стабильность формы. Полиэтилентерефталат усточив к действию слабых кислот, минеральных солей, эфиров, жиров. В изделия поли­мер перерабатывается по технологии литья под давлением.

Поликарбонаты — это сложные полиэфиры угольной кислоты и диоксисоединений. В России поликарбонаты выпускаются под мар­кой «дифлон». Полимер оптически прозрачен, устойчив к действию ультрафиолетового излучения, обладает низкой гигроскопичностью, стойкостью действию микроорганизмов. Для изделий, изготовлен­ных из него, характерна высокая стабильность размеров. Поликар­бонаты перерабатываются в изделия всеми методами, используемы­ми для переработки термопластичных полимеров. Температура пе­реработки составляет 240...300 °С. Полученные из поликарбонатов изделия свариваются, склеиваются, обрабатываются резанием, со­единяются заклепками и гвоздями.

Полиарилаты — сложные ароматические полиэфиры двухатом­ных фенолов. В нашей стране выпускаются под марками Д-3, Д-4, Д-ЗЭ, Д-4С и др. Обладают высокой прочностью и термостойкостью. В некоторых случаях успешно конкурируют с конструкционными металлическими материалами. Температура термического разложе­ния полиарилатов составляет 420 °С. Эти полимеры устойчивы к дей­ствию ультрафиолетового и ионизирующего излучения, к длительно­му воздействию разбавленных минеральных и органических кислот, бензина, керосина. В зависимости от марки полиарилаты перераба­тываются в изделия литьем под давлением, литьевым и компресси­онным прессованием, экструзией, формованием с раздувом.

Полиоксибензоаты характеризуются высокой термостойкостью, не плавятся вплоть до температуры разложения (~ 550 °С). Кристал­лическая структура полимеров сохраняется до температуры 530 °С. Полиоксибензоаты являются износостойкими материалами, устой­чивыми к коррозии. Они эффективны для изготовления полимерных композиционных материалов, предназначенных для работы при ~ 300 "С. Изделия из полиоксибензоатов получают спеканием порош­кообразного полимера.

Полиимиды в России выпускаются в виде пресс-порошков марок ПМ-67, ПМ-69. Физико-механические свойства полиимидов ста­бильны в широком температурном интервале (от -200 до +300 °С). Коэффициент трения по стали составляет 0,05...0,17. Для изделий, изготовленных из полиимидов, характерны высокая стабильность размеров, низкая ползучесть при высоких температурах, высокая термостойкость и устойчивость к действию гамма-излучения, быст­рых электронов и нейтронов. Разбавленные кислоты на полиимиды влияния почти не оказывают. Пресс-порошки полиимидов перера­батываются методами прямого прессования, компрессионного прес­сования, литья под давлением, горячего прессования.

Полиамиды в нашей стране хорошо известны по маркам «капро-лон», «найлон-7», «найлон-11» и др. Для этих полимеров характер­ны высокая усталостная прочность, износостойкость, ударная вяз­кость, низкая гигроскопичность, стабильность свойств при повы­шенных температурах, резко выраженная температура плавления. Полиамиды устойчивы к действию органических растворителей. Основные способы получения изделий из алифатических полиами­дов - литье под давлением и экструзия. Ароматические полиамиды перерабатываются методом прямого прессования с предварительным подогревом.

Эпоксидные смолы представляют собой олигомеры или полиме­ры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных или глициди-ловых групп. Способны превращаться в полимеры пространственно­го строения. Неотвердевшие смолы являются термопластичными низкими жидкостями или хрупкими твердыми веществами. Отверди­телями смол служат мономерные, олигомерные и полимерные соеди­нения различных классов. Эпоксидые смолы отвердевают как без подвода тепла, так и при нагревании, даже в воде. Смолы обладают высокой стойкостью к действию щелочей, солей, окислителей, орга­нических растворителей. Промышленностью выпускаются эпоксид-но-диановые смолы (ЭД-10, ЭД-14, ЭД-16, УП-614 и др.), эпокси-новолачные смолы (ЭН-6,5Н, 6Э18Н60 и др.), циклоалифатические эпоксидные смолы (УП-612, УП-632, УП-648 и др.). Полимерные композиционные материалы, изготовленные на основе эпоксидных смол, обладают высокими механическими свойствами.

Технология изготовления материалов на основе эпоксидных смол заключается в пропитке волокон, тканей, нетканых волокнис­тых материалов, бумаги и др. После отвердения их обрабатывают ме­тодами прямого прессования, контактного формования, вакуумного формования и др. Температура обработки составляет 20... 180 °С.

Фенолоформальдегидные смолы — это полимеры, представляющие собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. В за-висмости от условий поликонденсации образуются резольные (тер­мореактивные) или новолачные (термопластичные) фенолоформаль­дегидные смолы.

В неотвердевшем состоянии фенолоформальдегидные смолы представляют собой хрупкую прозрачную аморфную массу, перехо­дящую при 60... 120 "С в жидкое состояние. Свойства резольных смол со временем изменяются, новолачные смолы в отсутствие влаги при хранении стабильны.

Максимальная температура отвердения смол лежит в диапазоне 140...200 °С. Продукты отвердения смол - резиты. Это хрупкие ма­териалы с некристаллической структурой, обладающие высокими прочностными, электроизоляционными, антикоррозионными свой­ствами. Резиты устойчивы к действию большинства кислот. Темпе­ратура деструкции фенолоформальдегидных смол выше 300 °С.

Переработка фенолоформальдегидных смол при производстве полимерных композиционных материалов включает пропитку тка­ных и нетканых волокнистых наполнителей, бумаги и других мате­риалов. После отвердения они обрабатываются методами прямого и литьевого прессования, литья под давлением, экструзии, вакуумно­го формования.

Фурановые смолы представляют собой олигомерные продукты, содержащие в молекулах фурановый цикл и способные превращать­ся в присутствии катализатора и (или) при нагревании в трехмерные полимеры. Фурановые смолы отверждаются так же, как фенолофор­мальдегидные. Промышленностью выпускаются фурановые смолы марок ФА, ФЛ, ФАЭД и др. Продукты отвердения фурановых смол являются тепло-, кислото- и щелочестойкими материалами, их раз­ложение происходит при температурах выше 300 °С. Технология пе­реработки фурановых смол в полимерные композиционные матери-лы заключается в пропитке наполнителей типа тканей, волокон и др. После отвердения обрабатываются методами прямого прессования, автоклавного формования и др.

Кремнийорганические полимеры (силиконы, полиорганосиликоны) представляют собой термостойкие высокомолекулярные элементоор-ганические соединения, содержащие в составе элементарного звена макромолекулы атомы кремния и углерода. Промышленностью вы­пускаются кремнийорганические смолы К-41, К-44, КО-916, КО-946 и др. Полимеры устойчивы к действию большинства кислот и щело­чей. Смолы перерабатываются в полимерные композиционные ма­териалы путем пропитки наполнителей с последующим отвердени­ем. Изделия изготовляют методами прямого прессования, контакт­ного формования и др.