Гибридные армированные пластики.

Термореактивные пластмассы

Термореактивные пластмассы характеризуются повышенной теплостойкостью, отсутствием хладотекучести под нагрузкой, нерастворимостью, малым изменением физико-механических свойств и температурном интервале их эксплуатации. Получают их при сочетании термореактивных полимеров, образующих после отверждения пространственную молекулярную структуру, и различных наполнителей. Введение наполнителей способствует повышение прочности, снижению усадки.

Порошковые пластмассы

Фенопласты-  в качестве связующего применяют фенолформальдегидные смолы ( поэтому пластмассы называются фенопластами), наполнителем чаще всего служат древесная мука, придающая материалу изотропные свойства. Очень распространенными являются карболиты (коричневые, черные) , они обладают невысокой механической прочностью, низкой ударной вязкостью и удовлетворительными диэлектрическими свойствами. Термостойкость не выше 100-110 градусов ( начинается разрушение древесины).применяются карболиты для несиловых деталей электрорадиоаппаратуре, для изготовления выключателей, вилок, патронов, различных выключателей. замена древесной муки на асбестовый порошок или кварцевую муку повышает теплостойкость до 120-150 гр при сохранении прочих свойств.
Аминопласты- получаются при сочетании бесцветных мочевиноформальдегидных смол с целлюлозным наполнителем. Механическая прочность аминопластов ниже, чем у карболитов, теплостойкость около 100градусов. Аминопласты имеют различную окраску, применяются для несиловых деталей и для декоративных целей (кнопки, рукоятки).

Волокнистые пластмассы

Волокниты представляют собой композиции из термореактивных смол и волокнистых наполнителей. Связующим в них является фенолформальдегидная смола и ее различные модификации. Волокнистые наполнители обеспечивают пластмассам более высокие механические свойства по сравнению с пресспорошками. Волокниты получают сочетанием хлопчатобумажного волокна с фенолформальдегидными смолами. Волокниты применяют для изготовления горячим прессованием деталей общего технического назначения с повышенной устойчивостью к ударным нагрузкам.

Стекловолокнитыполучают сочетанием стекловолокна с модифицированными фенолформальдегидными, кремнийорганическими другими смолами. Из всех волокнитов они нашли в промышленности наибольшее применение, так как в них сочетается высокая механическая прочность, теплостойкость и высокие диэлектрические характеристики. Наиболее распространенным в авиастроении является стекловолокнит АГ-4, используемый для изготовления нагруженных изделий конструкционного и электротехнического назначения, работающих в условиях повышенных температур до 250 С. Предел прочности на растяжение зависит от расположения стекловолокна. Ориентированный стекловолокнит используется при изготовлении высоконагруженных плит, опор, перегородок, лопаток компрессора, а так же других изделий, имеющих форму тел вращения, изготавливаемых способом намотки (трубопроводы, сферические емкости).
Асбоволокнитыполучаемые на основе асбестового волокна и фенольно-формальдегидной смолы, отличаются повышенной теплостойкостью до 250 С, ударопрочностью. Применяются для изготовления тормозных устройств, тормозных барабанов, теплозащиты и различных деталей, работающих в зоне повышенных температур.
Углепластики - композиты на основе высокопрочных углеродных волокон. В качестве армирующих элементов в конструкционных углепластиках применяются непрерывные волокна в виде нитей или жгутов, ткани или нетканые материалы. В качестве матрицы - эпоксифенольные, полиамидные и другие смолы.применяют в авиационной, ракетной и космической технике, в автомобилестроении, при изготовлении спортинвентаря.
Боропластики- пластики с армирующими элементами в виде волокон бора. Их применяют в тех случаях, когда требуется высокая прочность при сжатии, а так же когда элементы конструкции работают в условиях повышенных температур. Борные волокна относятся к числу полупроводников, поэтому их присутствие в материале придает ему повышенное тепло - и электропроводность. В качестве связующих применяются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и другие смолы.

Слоистые пластмассы

Гетинакс -  получается горячим прессованием бумаги, пропитанной фенольно-формальдегидными смолами на этажном прессе между стальными листами. Выпускается в виде листов или плит толщиной от 0,5 до 50 мм. Он обладает высокими диэлектрическими свойствами и удовлетворительной механической прочностью. Для гетинакса предел прочности при растяжении составляет 80-100МПа. Предельная рабочая температура для него 110 с. Используется гетинакс для различных деталей радио и электротехнического назначения, панелей распределительных устройств, прокладок, печатных плит и др. В авиастроении широко применяется для отделочных работ , декоративный гетинакс (ДБПС) - получаемый прессованием бумаги, пропитанный аминоформальдегтдной смолой, имеющей цветную поверхность с разнообразными рисунками ДБПС выпускается в виде листов толщиной 0,8- 3 мм, длиной 1,2 - 3,6м.

Текстолит  получается горячим прессованием различных хлопчатобумажных тканей, пропитанных фенольно-формальдегидными смолами. Выпускается в виде плит различной толщины, хотя изделия сложной формы изготавливают прессованием мелких кусочков ткани, пропитанной связующим. Текстолит отличается от гетинакса большей механической прочностью, стойкостью к вибрационным и стирающим нагрузкам. Из него изготавливают шестерни, для подшипников, прокладки, ролики, вкладыши и другие силовые детали.предельная рабочая температура для текстолитов 110-120С.
Стеклотекстолиты - композиционные материалы на основе стеклоткани и различных термореактивных смол: фенольно-формальдегидных, кремнийорганических, полиэфирных, эпоксидных и их возможных сочетаний. Они обладают высокой механической прочностью, теплостойкостью и стабильными диэлектрическими свойствами, низкой теплопроводностью и стойкостью к воздействию повышенной влажности.находят широкое применение для изготовления силовых нагруженных изделий, как в авиастроении так и в радиотехнике и в общем машиностроении. Удельный вес стеклотекстолитов колеблется от 1600 до 1900 кг/м3. Предел прочности на растяжение составляет от 200 до 1500 МПа, удельная ударная вязкость от 50 до 90 кДЖ/м2. Длительно стеклотекстолиты могут работать при температуре 200 - 250С, кратковременно они способны противостоять воздействию очень высоких температур, что используется при создании теплозащиты современных летальных аппаратов. Стеклотекстолиты, обладая высокими диэлектрическими характеристиками и радиопрозрачностью являются основным материалом для изготовления обтекателей антенны самолетов.
Асботекстолиты - получаются при прессовании асбестовой ткани, пропитанной фенольно-формальдегидными смолами. Они обладают высокой теплостойкостью до 250С и хорошими механическими характеристиками. Асботекстолиты применяются для изготовления тормозных колодок, лент, дисков сцепления и других фрикционных устройств, для теплозащиты и получения различных деталей повышенной теплостойкости.
Древесно- слоистый пластик (ДСП) - получается прессованием древесного шпона, пропитанного фенольно-формальдегидной смолой. Обладает высокими механическими свойствами, и применяются для изготовления бесшумных шестерен, подшипников скольжения, используемых в прокатных станах. Плиты и листы являются прекрасным материалом для сборных домов благодаря прочности, стойкостью к гниению и гигиеничностью.
Органопластикиполучаются при прессовании армидной ткани (СВМ), пропитанной фенольными, эпоксидными и фенольноэпоксидными связующими. Они обладают малой плотностью, хорошими механическими характеристиками.

Гибридные армированные пластики.

Создание гибридных композитов путем совмещения в одном материале волокон разной породы является эффективным средством регулирования свойств композитов. Возможны различные варианты сочетания непрерывных армирующих волокон:

-создание гетероволоконных материалов по принципу однородных смесей ( волокна различных типов равномерно распределяются в первичной ните или жгуте).
- использование многокомпонентного армирующего материала: ткани, мата или шпона для различных нитей или жгутов;ы
- чередование слоев листовых армирующих материалов с различными волокнами.
Наибольшее распространение среди гетероволоконных композитов получили трехкомпонентные материалы, например, углестекло-органобор, боругле, углеорганопластики. Независимо от технологических приемов сочетания волокон различия в термоупругих характеристиках армирующих волокон вызывают появление термических напряжений в процессе формирования композита и при изменении температурных режимов эксплуатации трехкомпонентного материала в изделии. Удачным считается сочетание армидных и углеродных волокон вследствие того, что значение предельных температурных коэффициентов термического расширения у них близки и поэтому внутреннее термические напряжения не столь значительны. При сочетании углеродных и армидных волокон в разном соотношении были получены однонаправленные композиты с существенно более высокими значениями прочности при сжатии, изгибе и сдвиге в сравнении в органопластиками. Технический интерес представляют гибридные углеорганотекстолиты, обладающие при незначительном снижении жесткости и прочности в осевом направлении удовлетворительной прочностью при сжатии. Арматурой для текстолитов служат равновесные ткани из органических волокон Кевлар - 49 и углеродных торнел - 300.

Боропластик

Боропластики содержат в качестве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы. Наполнитель применяют в виде мононити (диаметр 90-200 мкм, модуль упругости 380-420 ГПа), жгутов из нескольких таких нитей, оплетенных вспомогательной стеклянной или органической нитью, а также тканей и лент, в которых борные нити или жгуты переплетены другими нитями. Связующими в боропластиках служат эпоксидные смолы, полиимиды или другие полимеры, главным образом термореактивные.

Процессы получения боропластиков и стеклопластиков примерно аналогичны. Из-за большого диаметра борных мононитей (80-100 мкм) и их высокой хрупкости они не выдерживают перегибов, поэтому нитепроводящие детали не должны иметь высокой кривизны. Изделия изготовляют методами послойной выкладки, намоткис последующим формованием в автоклавах под давлением до 1,6 МПа при температуре до 200°С (эпоксидные смолы) или до 300°С (полиимидные смолы).

Для повышения адгезии к связующим волокна перед применением подвергают травлению азотной кислотой, что существенно повышает прочность композита при сдвиге и ударную вязкость.Последняя может быть увеличена путем введения в связующее коротких неорганических волокон или игольчатых кристаллов.

Для сохранения высоких механических свойств борных нитей в изделиях они не должны иметь резких перегибов (допустимый радиус изгиба не менее 300 мм). Термостойкость и хемостойкостьборопластиков определяются в основном соответствующими показателями связующих. Их высокая стойкость к действию активных сред, эксплуатационных воздействий (влаги, смазочных материалов), атмосферных факторов в течение 10 лет снижается не более чем на 10-15%.

В последнее время большинство борных волокон для ВКМ выпускаются в виде непрерывных лент или матов, пропитанных эдоксиднымсвязующим. В связи с этим широко обсуждается вопрос получения препрегов и методов их переработки.

Препреги (англ. pre-preg, сокр. от pre-impregnated — предварительно пропитанный) — это композиционные материалы-полуфабрикаты. Готовый для переработки продукт предварительной пропитки связующим упрочняющих материалов тканой или нетканой структуры. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Непрерывные бороэпоксидныепрепреги изготовляют в виде лент или листов. Борные волокна, ориентированные строго вдоль оси препрегов, занимают обычно около 50 % объема лент. Плотность укладки как правило составляет 80 моноволокон на 1 см. Массовая доля связующего составляет 30-35 %. Пропитанные ленты перекладываются слоями тонких стеклянных холстов (толщина 0,03 мм). Такой холст не только предохраняет от боковых слипаний во время выкладки, но, что более важно, позволяет сохранять положение и параллельность борных волокон при создании волокнистых КМ.

Формирование препрега начинается с размещения паковок борного волокна на шпулярнике. Фирма «Авко» предложила процесс, по которому формуются узкие ленты шириной 3,2 или 6,4 мм, пропитываются и наматываются. После этого методом параллельной укладки формируются ленты шириной 77 или 152 мм. При необходимости в одну стадию может быть изготовлена лента препрега, сформированная со шпулярника с 600 и 1200 гнездами.

Существуют два метода нанесения связующего на волокна.

1. Непосредственное нанесение связующего при пропускании волокна через пропитывающие валки («плюсование»). На волокно наносится либо расплав связующего, либо раствор при пониженной температуре. В последнем случае включается еще процесс удаления растворителя.

2. Перенос связующего со специальной бумаги на волокна после раскладчика. Такая система требует превентивного или одновременного приготовления пленки связующего.

Бороэпоксидные маты создают методом параллельной укладки исходных лент шириной 152 мм. Выкладка происходит на заранее подготовленный холст шириной 1220 мм.

Свойства боропластикиков с органическими связующими

Большинство структур из бороволокон, используемых при создании композитов, имеют вид лент и матов различной ширины. Наиболее часто для создания препрегов с борными волокнами используются эпоксидные связующие. Формование панелей и профилей производят методом автоклавного прессования при избыточном давлении 345- 586 Па. Частичное снижение прочности и жесткости материала происходит за счет ухудшения свойств самого волокна и нарушения ориентации волокна в слоях. Несмотря на то, что в эпоксиборопластиках может быть применена любая ориентация слоев, наиболее часто используемой является композиция с ориентацией армирующей компоненты 0, ±45, 90°.Следующие данные механических испытаний и данные, используемые при конструкторских расчетах, относятся к бороэпоксидным смолам в боропластиках. Расчетные данные использованы при создании композитов с ориентацией 0, ±45, 90°. Основным источником данных является сборник подготовленный для ВВС США фирмой «Роквеллинтернэшанл».

Конструкционные свойства бороэпоксидиых слоев представлены КМ, состоящими из боровольфрамовых волокон диаметром 100 мкм с объемной долей 50 % и эпоксидной матрицы и предназначенными для эксплуатации при температуре 177 °С, при толщине слоя 0,132 мм. Значения, физико-механических показателей для боропластиков диаметром 140 мкм должны быть выделены отдельно. Номинальная толщина слоев в этом случае равна 0,178 мкм. Боропластики являются высокопрочными, высокомодульными композитами. В основном они изготовляются как однонаправленные материалы.

В таблицах 4.1 и 4.2 собраны данные по прочностным, упругим и некоторым другим физическим характеристикам однонаправленных боропластиков с коэффициентом наполнения волокнами VB = 0,5.

Таблица 4.1 – Основные свойства однонаправленных (0°) борэпоксидных слоистых пластиков.

Таблица 4.2 – Свойства боропластиков.

Применение боропластиков

Эпоксидные боропластики используются в основном при температуре 177°С, которая наиболее часто встречается при применении КМ в самолетостроении, либо при 121 °С, характерной для низкотемпературных применений этих материалов. В состав некоторых связующих вводят специальные консерванты, чтобы эти связующие могли быть достаточно долго жизнеспособны при комнатной температуре. Бороэпоксидныепрепреги могут храниться при —18 °С в течение нескольких лет без потери свойств.

В изделия боропластики перерабатывают послойной выкладкой или (и) намоткой пропитанного связующим наполнителя (препрега) на станках-автоматах с программным управлением и последующим формованием в автоклавах при давлениях до 1,6 МПа и температурах до 300°С. Из-за большой хрупкости и твердости борных нитей радиус их перегиба в изделии не должен превышать 50 мм, а механическая обработка изделий возможна только с применением алмазного инструмента.

Боропластики применяются главным образом в авиационной и космической технике как конструкционные материалы с высокими удельными механическими характеристиками для изготовления высоконагруженных деталей в наиболее ответственных изделиях, а так же для снижения их массы, например панелей стабилизаторов, поверхностей управления. Боропластики позволяют существенно снизить массу изделия (на 20-40%).

Из-за высокой стоимости производства борных волокон боропластики весьма дороги, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Полиамиды

Полиамид – это ненатуральный синтетический материал, который только в 60-ых годах стал выделяться как отдельный вид ткани. Тогда же его начали производить в промышленных масштабах. Полиамид также добавляют в другие виды тканей, что придаёт им большую прочность, лёгкость и эффектность. Используют этот материал в широких объёмах для пошива одежды.

Кроме того, полиамид применяют для изготовления лесок и снастей для рыболовов, разных канатов, фильтров, так как нить из него прочная и тонкая.

В состав этой ткани входят синтетические волокна. Они получаются путём переработки нефти, природного угля и газа (органическое сырьё). Полиамид обычно имеет шероховатую поверхность, но в настоящее время уже производят гладкую и блестящую ткань.

Стоимость полиамида зависит от вида синтетических волокон, применения и характеристики.

Технология изготовления материи делится на три этапа:

синтез полимера;

формование сырья;

текстильная обработка.

Достоинства полиамида:

Основной плюс — это высокая прочность материала. Нить из полиамида лишь в два раза толще волоса человека, однако эта нить способна выдерживать груз 1,5 килограмма.

Качественно изготовленная ткань не протирается и хорошо переносит изгибы.

Ткань из полиамида хорошо красится, поэтому можно получить любую цветовую гамму.

Хорошая эластичность, одежда из данного материала приятная на ощупь и эффектно выглядит на человеке.

Очень лёгок, так как удельный вес волокон низкий.

Материя из полиамида плохо пропускает влагу и быстро высыхает, в три раза быстрей одежды из хлопка (хорошо подходит для верхней одежды).

Ткань выглядит очень красиво, никогда не выцветет, не потеряет форму, хорошо отражает свет и не мнётся.

Неплохо пропускает воздух.

Полиамид на 100 % устойчив к воздействию термоокислителей.

Такая ткань не поддаётся грибку и поэтому не гниёт.

Высокий уровень пожаробезопасности: этот материал не горит, а плавится при высокой температуре.

Уход за такой тканью простой, ее легко стирать и она не садится.

Недостатки:

Повышенная электризация. Причина в низкой гигроскопичности, так как полиамид содержит мало влаги, то нечем гасить статическое электричество, которое там образуется.

Большая теплопроводность. Ткань совсем не удерживает тепло, но этот момент может быть и достоинством в жаркую погоду.

Восприимчивость к жирному загрязнению: образовавшиеся жирные пятна быстро впитываются вглубь ткани и потом их сложно выводить.

Низкая термоустойчивость, если на полиамид воздействует температура выше 40 градусов, он твердеет и ломается.

Сферы применения полиамида

Полимеры используются в различных сферах.

В легкой и текстильной промышленности для изготовления:

синтетических (капрон, нейлон) и смесовых тканей;

ковров и паласов;

искусственного меха и различных видов пряжи;

носков и чулок.

В резинотехническом производстве:

для создания кордовых нитей и тканей;

канатов и фильтров;

транспортерных лент и рыболовных сетей.

В строительстве:

для изготовления различной арматуры и труб;

в качестве антисептических покрытий для бетонных, керамических и деревянных поверхностей;

для защиты изделий из металла от ржавчины.

В машиностроении, авиа и судостроении для изготовления деталей амортизационных механизмов, роликов и втулок, различных аппаратов и т. д.

Они входят в состав клеев и лаков.

Их используют в пищевой промышленности для изготовления отдельных деталей оборудования, соприкасающихся с продуктами.

Состав

Полиамиды по своему составу делятся на две группы:

поли-ц-бензамиды, синтезируемые из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты;

поли-е-капрамиды, получаемые из капролактама.

В состав обеих групп полиамидов также входят:

аминокислоты (аминоэнантовая, аминоундекановая, аминокапроновая);

себациновая кислота;

соль АГ (адипшювой кислоты и гексаметилсидиамина).

Технология производства

Производство полиамидов осуществляется двумя способами:

полимеризацией капролактама (для поли-е-капрамидов), которая осуществляется преобразованием циклической связи N-C в линейный полимер;

цепной реакцией поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты (для поли-ц-бензамидов), в результате которой формируются цепи полиамида.

Оба процесса могут выполняться в непрерывном (самый распространенный) и периодическом режимах.

Непрерывный технологический процесс полимеризации капролактама состоит из следующих этапов:Способы производства полиамида

Подготовительный. На этом этапе получают соль АГ из адипшювой кислотой и гексаметилендиамина. Для этого адипшювую кислоту растворяют в метаноле в специальном аппарате, оснащенном мешалкой и обогревом. Одновременно происходит расплавление порошка капролактама в плавителе, оснащенном шнековым питателем;

На втором этапе происходит полимеризация. Это осуществляется следующим образом: подготовленный раствор вводят в колонну полимеризации. Используются колонны одного из трех типов: Г-образного, вертикального или U-образного. Туда же поступает расплавленный капролактам. Возникает реакция нейтрализации и раствор закипает. Образующиеся пары поступают в теплообменники;

На следующем этапе полимер из колонны в расплавленном виде выдавливается в специальную фильеру, а затем поступает на охлаждение. Для этого предусмотрены ванны с проточной водой или поливочные барабаны;

В охлажденном виде посредством валков или направляющих жгуты и ленты полимера поступают к измельчающему станку;

На следующем этапе полученная полиамидная крошка промывается горячей водой и фильтруется от низкосортных примесей;

Завершается технологический процесс высушиванием полиамидной крошки специальных сушилках вакуумного типа.

Непрерывный технологический процесс поликонденсации (получение поли-ц-бензамидов) включает этапы, аналогичные полимеризации капролактама. Разница заключается в методах обработки сырья.

Процесс получения солей АГ такой же, как и при полимеризации, но после выделения они кристаллизуются и в реактор подаются в виде порошка, а не раствора;

цепная реакция поликонденсации происходит в реакторе-автоклаве. Это цилиндрический аппарат горизонтального типа с мешалкой;

поликонденсация осуществляется в среде чистого азота при t=220°С и Р=1,76МПа. Продолжительность процесса от одного до двух часов. Затем давление на один час снижают до атмосферного, после чего вновь проводят реакцию при Р=1,76МПа. Полный цикл получения полиамида этого вида проходит в течение 8-ми часов;

после его окончания расплавленный полиамид фильтруется, охлаждается и измельчается на гранулы, которые просушиваются горячим воздухом в пневматических сушилках.

Эскиз боропласта

Эскиз полиамида

Мы поможем в написании ваших работ!