Зачёт по растительному сырью. Вопросы к зачету_БВГ(2023). 1 Начало промышленного производства ряда полимеров и пластмасс

• Название: 1 Начало промышленного производства ряда полимеров и пластмасс
• Анкор: Зачёт по растительному сырью
• Дата: 17.04.2023
• Размер: 279.02 Kb.
• Имя файла: Вопросы к зачету_БВГ(2023).docx
• Тип: Документы; #1068474
• страница: 7 из 8

Тема Т7 Технология и оборудование каландрования

1. 
   Конструкции и классификация каландров
   

6.2 Конструкции и классификация каландров и вальцов

Конструкция универсальных каландров позволяет выполнять большинство технологических операций, производимых в процессе каландрования. Кроме того, существуют специализированные листовальные, промазочные, обкладочные (дублировочные), гладильные и тиснительные каландры.

Каландры классифицируются в зависимости от назначения, количества расположения валков (рис. 6.1), типа привода и характера давления валков на материал.

В зависимости от типа привода каландры бывают с одним общим и с индивидуальными приводами на каждый валок. По характеру давления валков на материал каландры бывают:

1. 
   с регулируемым давлением валков и изменяемым при помощи нажимных устройств зазором между ними;
   
2. 
   с постоянным давлением валков и переменным автоматически меняющимся зазором, зависящим от толщины материала.
   

Наибольшее распространение получил четырехвалковый каландр с Г-образным расположением валков (рис. 6.2).

Для вращения каждого из валков применяют индивидуальный привод, состоящий из электродвигателя и редуктора. Конструкция привода обеспечивает независимое плавное регулируемое изменение скорости вращения валков. Отношение скоростей вращения соседних валков называется фрикцией. Ее величина определяется конкретной технологической операцией, выполняемой в межвалковом зазоре. Например, в случае промазки тканей для интенсификации процесса затекания полимера в пространство между валками величину фрикции устанавливают в пределах 1:1,3÷1:1,4. Кроме того, фрикция необходима для более равномерного прогрева и гомогенизации полимерного материала, поступающего в зазор между валками. Рабочим органом каландра, формирующим полотно пленки или листа, являются валки. К качеству поверхности валков предъ­являются высокие требования, как к поверхности, так и форме. Высокое давление (7÷70 МПа), развивающееся в зазоре между валками каландра, вызывает значительные распорные усилия, достигающие до 100 тс (1 МН). Под действием распорных усилий валки прогибаются. Следствием этого является неравномерная толщина полотна полимерного материала по ширине. Наиболее толстым полотно оказывается в середине, где прогиб валка достигает максимального значения.

Для компенсации прогиба с целью получения равнотолщинного полотна применяют следующие методы: бомбировка валков, перекос валков и контризгиб валков (рис. 6.3). Бомбировка валков заключается в придании им бочкообразной формы. Увеличение диаметра средней части валка по сравнению с диаметром по краю обеспечивает только частичную компенсацию прогиба, поскольку прогиб зависит от величины распорного усилия. Оно определяется вязкостью перерабатываемого материала, режимом переработки, размерами зазора. На заводе-изготовителе оборудования валку придается усредненная форма на основе расчетов для широкого круга перерабатываемых материалов и режимов.

Компенсацию прогиба валков непосредственно при наладке конкретного технологического режима переработки при помощи механизма перекоса валков, предусмотренного в конструкции каландра. Клинья механизма перекоса разводят концы крайних валков в горизонтальной плоскости.

Прогиб компенсируется тем, что зазоры по краям валков становятся больше, чем в середине. Сочетание бомбировки и перекоса валков является в настоящее время основным способом компенсации прогиба.

Реже в качестве дополнительного приема применяются контризгиб валков. В этом случае прогиб валков уменьшается за счет усилия от гидроцилиндров, прикладываемого к шейкам валка в направлении, противоположном направлению распорного усилия. Недостаток этого способа более тяжелые условия работы подшипников валков.

Комбинация указанных методов компенсации прогиба валков позволяет довести отклонение толщины полотна материале по его ширине до 1÷2 мкм.

Каландрование осуществляется при температурах, соответствующих нахождению полимерного материала в вязко-текучем состоянии. Обогрев валков может осуществляться двумя способами подвода теплоносителя под рабочую поверхность валков (рис. 6.4): с центральным каналом для подвода теплоносителя и с переферийными каналами.

Равномерный обогрев валка поддерживается системой термостатирования. При температуре переработки до 200÷220 ⁰С в качестве теплоносителя применяют перегретую воду, пар или пароводяную смесь. Для достижения более высоких температур используют высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) или масляный, или электрообогрев.

Особенность каландрования – постепенное уменьшение зазоров между валками по ходу перемещения материала, что приводит к различным величинам запаса материала в начальном, промежуточных и калибрующих зазорах. Количество материала, находящегося в межвалковом зазоре, уменьшается по мере удаления от середины валка к краям; происходит уширение материала. Одновременно с этим сокращается и время пребывания перерабатываемого материала в межвалковом зазоре.

2. 
   Приготовление полимерных композиций для полимерных покрытий
   

6.4.1 Приготовление полимерных композиций для полимерных покрытий

Наносимые на основу полимерные покрытия находятся в жидком или вязко-текучем состоянии. После нанесения покрытий из жидкого полимера образуется прочная пленка. Применение полимеров в жидком состоянии позволяет наносить тонкие покрытия на большую поверхность с минимальными энергозатратами, а также обеспечивает частичную пропитку и лучшее сцепление покрытия с материалом основы.

В таблице 6.1. указаны принципы образования покрытия в зависимости от типа полимера и формы исходного сырья

Исходя из состояния полимера перед нанесением покрытия, по масштабу производства покрытия из пластизолей занимают ведущее место. Это объясняется тем, что порошкообразные эмульсионные ПВХ, как вы знаете, хорошо диспергируется в пластификаторах. ПВХ-пластизоли (ПВХ+пластификатор) можно хранить при комнатной температуре в течение суток без опасения седиментации (осаждения частиц). Кроме того, они обладают хорошей текучестью, что важно при нанесении покрытий. Путем добавления растворителя уменьшают их вязкость. Такие пасты называются органозоли (ПВХ+пластификатор+растворитель).

Для приготовления пластизолей исходные компоненты смеси необходимо дозировать в правильном соотношении и перемешивать. Основные операции приготовления пластизолей и применяемое оборудование указаны в таблице 6.2.

Основные компоненты порошкообразный ПВХ и пластификатор должны обладать реологическими свойствами и жизнеспособностью, соответствующими предъявляемым требованиям. Суспензии склонны коагулировать. Для приготовления водных суспензий применяют ПВА, ПАК, ПВХ (см. таблицу 6.1), ПС, латексы НК и СК. Они содержат 40÷50 % полимера, поэтому низковязкие.

Добавлением водорастворимых солей ПАК, водорастворимых полимеров – ПВС, казеиновый клей и др. увеличивают вязкость композиции.

Из различных низкомолекулярных веществ (мономеров) и промежуточных продуктов производства полимеров (олигомеров) композициями для нанесения покрытий могут служить вещества, обладающие необходимой вязкостью. Требуемая вязкость достигается форполемиризацией или смешением компонентов с различной степенью полимеризации. Растворители при этом не применяются, т.к. их роль выполняют мономеры, содержащиеся в пленке. Технология приготовления смеси в этом случае такая же, как при получении растворов. Выбор полимера ограничен требованием быстрой сушки пленки. Применяют полиуретановую композицию горячего отверждения и олигомеры акрилата.

При нанесении покрытий из термопластов (нанесение расплавов) они применяются в виде порошка, гранул, кусков, блоков. При этом порошки агломерируют со вспомогательными веществами. Процесс смешения исходных компонентов совмещают с пластикацией (плавлением). Термопластичные покрытия наносят преимущественно из пластифицированного ПВХ и ПЭ.

3. 
   Технология нанесения полимерных покрытий
   

6.4.2 Технология нанесения полимерных покрытий

технология нанесения полимерных покрытий состоит из стадий нанесения покрытия и образования пленки. Основной процесс при нанесении покрытий это пленкообразование. Стадии процесса пленкообразования из ПВХ-пластизолей - желатинизации (желирования) показаны на рис. 6.14.

Различают прямой способ нанесения покрытий – непосредственное нанесения покрытий на основу и косвенный способ – нанесение полимерной пасты на транспортерную ленту.

Нанесение покрытий осуществляется с помощью раклей, валков, фильтрационным способом, на каландрах, под давлением, разбрызгиванием раствора полимера на основу. Наиболее распространенные первые два способа и на каландрах.

Назначение раклей – равномерное распределение полимерной композиции (пасты) на поверхности основы. Ракля представляет собой клиновидный нож, длина рабочей части которого равна ширине полотна основы. Конструкции применяемых раклей показаны на рис. 6.15.

На рис. 6.16 представлены три схемы нанесения покрытий с помощью раклей. Обычно ракля устанавливается стационарно вертикально или под углом к ленте материала основы. При нанесении покрытий масса полимерной пасты перед раклей совершает циркуляционное движение. При этом ее а – частицы ПВХ в пластификаторе находятся в виде суспензии или отдельных агломератов; б – диспергирование агломератов при нагреве до 60 ⁰С; в – набухание частиц ПВХ; г – полная сквозная пропитка пластификатором при 100 ⁰С; д – плавление ПВХ при 160 ⁰С, за счет чего границы контакта набухших частиц размываются запас перед раклей поддерживается постоянным. Большое влияние на процесс нанесения покрытий оказывает скорость сдвига в зазоре между раклей и основой: чем меньше толщина покрытия, тем выше скорость сдвига.

При помощи валков реализуется принцип мокрого способа нанесения покрытий и возможность нанесения покрытий разнообразны. Принцип мокрого способа заключается в том, что дозирование количество пасты полностью или частично, но регулярно наносится на материал основы. Для промазки применяется один или несколько валков.

На рис. 6.17 показан один из вариантов нанесения покрытий валковым способом. Лента – основа проходит вместе с металлической транспортной лентой. Промазочный валок гуммирован.

При нанесении полимерных покрытий на каландрах полимер находится в пластичном или эластичном состоянии, благодаря чему он не только обладает хорошей адгезией к материалу основы, но также образует механическую связь с покрываемым материалом (вследствие возможности заполнения пор). Поэтому возможно нанесение с помощью каландров односторонних и многослойных покрытий рис. 6.18.

Нанесение двухсторонних или многослойных покрытий осуществляется многократным его пропусканием через каландр.

Технические варианты нанесения покрытий каландровым методом показаны на рис. 6.11 при производстве основного линолеума и на рис. 6.18 -- 6.20. На рис. 6.18 показан валковый агрегат для нанесения покрытий из расплавов полимеров, а на рис. 6.19 – двухсторонне нанесение покрытий, когда покрывной полимерный материал применяется в виде пленки.

На рис. 6.21 показан кашировальный агрегат при получении клеенки (вариант “д” схемы, рис. 6.9). На рис. 6.22 показана одна из применяемых схем агрегатов производства текстовинита.

Технологический процесс производства текстовинита на основе пластизолей ПВХ состоит из нескольких операций. Хлопчатобумажная ткань (молескин, бязь, миткаль, палатка башмачная и др.), предварительно сшитая на швейной машине “зиг-заг” и подсушенная до остаточной влажности 5 %, проходит все операции на текстовинитовом агрегате непрерывного действия.

Агрегат включает следующие устройства:

• 
  натяжной барабан;
  
• 
  накладочный стол с раклей, на котором на движущуюся ткань накладывается слой пластизоля заданной толщины;
  
• 
  две термокамеры с плитами обогрева (нагрев теплоизлучением), в которой происходит последовательно оплавление и сплавление ПВХ-пасты в пленку;
  
• 
  два уплотнительных вала с электрообогревом, служащие для уплотнения и калибрования покрытия;
  
• 
  тиснительно-закаточный станок для завершающих операций – нанесение рисунка тиснения (мереи) на пленку, охлаждение текстовинита (закрепление рисунка) и закатку в рулон.
  

Пористые текстовиниты и искусственная замша перед намоткой в рулон направляются на промывку и сушку. При изготовлении искусственной замши на поверхность размягченного ПВХ-слоя насыпают слой Na₂SO₄. Осевшие в покрытии мелкие кристаллы соли после промывки горячей водой вымываются, образуя замшевидную пористую поверхность. Промывка пористого текстовинита (для обуви), полученного путем нанесения пасты, содержащей глицерин или CaCl₂, а также имеющего на поверхности Na₂SO₄, производится в ванной.

Тема Т8 Формование изделий из полимерных композиционных материалов

1. 
   Армирующие наполнители волокнистой структуры для полимерных композитов
   

7.2 Армирующие наполнители волокнистой структуры для полимерных композитов

7.2.1 Армирующие волокна

Почему, именно при создании композиционных материалов было обращено внимание на материалы волокнистого строения, как в качестве наполнителя?

Прежде всего тем, что практическая прочность очень тонких нитевидных материалов из различных веществ значительно выше прочности массивных. Высокая прочность волокон органического происхождения, а также неорганических волокон (например, асбест) объясняется:

Высокой степенью ориентации цепочечных межмолекулярных образований и упорядоченностью их структуры. Такая структура являются следствием процессов или вытяжки, или ориентации при получении.

Нитевидные материалы имеют меньший объем и поверхность по сравнению с объемными изделиями. Следовательно, содержат меньшее количество дефектов, микротрещин и других неоднородностей в своей структуре.

Согласно статистической природы прочности материалов прочность определяется количеством структурных дефектов, особенно поверхностных. Так, прочность органических волокон в десятки раз выше прочности массивных образцов, а прочность очень тонких стеклянных и кварцевых волокон на 2÷3 порядка выше массивных материалов (таблица 7.4).

Стеклянные волокна являются армирующим наполнителем наиболее распространенного композиционного материала конструкционного назначения – стеклопластиков.

Наша отечественная промышленность производит стеклянные наполнители в виде элементарного непрерывного или штапельного волокна Ø2÷40 мкм и более, стеклонитей, стекложгутов различной толщины, стеклотканей разнообразного плетения – плоских и объемных, стекломатов и стеклохолстов различной толщины и плотности. Это дает возможность изготовлять детали и узлы конструкций из стеклопластиков с оптимальными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Непрерывное стеклянное волокно изготовляют из расплавленной стекломассы путем быстрого вытягивания струи на выходе из фильеры. Короткие волокна получают либо разрезкой непрерывных волокон (рубленное волокно), либо распылением расплавленной стекломассы на выходе из фильеры струей пара, воздуха или горячих газов (штапельное волокно). Непрерывное стеклянные волокна обладают значительно большей прочностью, чем штапельное, и чаще применяются в производстве изделий, предназначенных для высоконагруженных конструкций.

Свойства стеклянных волокон во многом определяются их составом. В зависимости от основного назначения стеклянные волокна получают следующих составов: алюмоборсиликатные, алюмосиликатные, магнийалюмосиликатные (высокопрочные), алюмоциркониевые, свинцовые (для радиационной защиты), кремнеземные, кварцевые. Вышеперечисленные волокна почти полностью утрачивают прочность при 700 ⁰С. Для стеклопластиков, эксплуатируемых выше 400÷500 ⁰С, получают из SiO₂ и бинарных систем, в которых помимо оксида кремния SiO₂ содержатся оксиды HfO₂, GeO₂, TiO₂ или Al₂O₃.

Для более широкого варьирования свойств стеклопластиков выпускаются непрерывные стеклянные волокна не только по форме круглого цилиндра, но и других геометрических форм. Непрерывные стеклянные волокна, имеющие любую форму. кроме цилиндрической, принято называть профильными волокнами.

Выпускаются профильные волокна, как показано на рис. 7.1, следующих форм: сплошные и полые.

Применение профильных стеклянных волокон в качестве наполнителя дает возможность в случае полых волокон снизить плотность стеклопластиков, увеличить их удельную жесткость при изгибе и прочность при сжатии, улучшить диэлектрические и теплоизоляционные свойства. В случае волокон гексагональной, эллиптической, прямоугольной или гофрированной формой сечения – повысить плотность упаковки волокон в композиции, увеличить прочность и жесткость пластика, особенно в поперечном направлении. В случае стеклянной микроленты – снизить газопроницаемость пластика.

Углеродные волокна (карбоволокна) являются основным армирующим наполнителем в полимерных композиционных материалах как углепластики (карбопластики). Углеродные волокна получают высокотемпературным пиролизом в инертной среде.

Производство углеродных волокон сложный многостадийный процесс и состоит из четырех этапов:

-получение полимерного волокна;

-стабилизация на воздухе при 200÷300 ⁰С (глубокая термическая деструкция и циклизация);

-карбонизация при температурах до 1500 ⁰С в атмосфере азота с малыми примесями кислорода (до 0,00025 %) для повышения прочности волокна;

-высокотемпературная обработка (графитизация) при температурах до 3000 ⁰С в атмосфере азота или аргона, идет кристаллизация графитоподобных образований.

Свойства углепластиков зависят от свойств углеродных волокон, которые в свою очередь определяются условиями пиролиза органических волокон. Существует следующая классификация углеродных волокон по физико-механическим свойствам:

низкомодульные – (Е_р ≤ 10·10⁴ МПа);

среднемодульные – (Е_р 20÷32·10⁴ МПа);

высокомодульные – (Е_р ≥ 35·10⁴ МПа);

ультравысокомодульные – (Е_р ≥ 45·10⁴ МПа);

Одним из главных факторов, определяющих свойства углеродного волокна, является степень ориентационной вытяжки, которую можно проводить на различных этапах многостадийного процесса превращения органического волокна в карбоволокно. Пиролиз органических волокон сопровождается увеличением их пористости. Высокомодульные карбоволокна имеют поры вытянутой формы и отличаются от низкомодульных ориентацией бороздок и трещин вдоль оси волокна и их меньшей концентрацией на поверхности. При вытяжке происходит сглаживание части поверхностных дефектов, особенно при высокотемпературной обработке волокон (2200÷2500 ⁰С).

В качестве исходного сырья для получения углеродных волокон используются вискозные (гидратцеллюлозные) и полиакрилнитрильные волокна (ПАН), а также нефтяные и каменноугольные смолы (пеки).

Углеродные волокна из вискозных нитей в основном для изготовления композитов, не отличающихся высокими физико-механическими свойствами, но обеспечивающих хорошие теплоизоляционные и эрозионные свойства. В частности, эти волокна используются для изготовления узлов и блоков ракетных двигателей. Однако с ликвидацией производства вискозных нитей из-за дороговизны и сложности эксплуатации производства при обеспечении их экологической чистоты выпуск углеродных волокон из вискозных нитей сокращается. В конечном итоге все это привело к широкому использованию ПАН-нитей для получения углеродных волокон. Вследствие этого наибольший прогресс был достигнут в области высокопрочных высокомодульных углеродных волокон на основе ПАН-нитей, обеспечивающих выпуск более 80 % всех углепластиков. Данные углеродные волокна используются прежде всего в композитах для силового каркаса самолетов и ракетно-космической техники.

Большое значение придается получению углеродных волокон на базе нефтяных и каменноугольных пеков. Преимуществом пека для получения углеродных волокон является дешевизна исходного сырья, эластичность, значительно меньший расход на единицу готовой продукции. Так, на базе вискозных нитей используется 20÷25 % исходного сырья, на базе ПАН-нитей – 50÷55 %, а на базе пека – 70÷75 %. Большое значение придается выпуску карбоволокон на базе каменноугольных пеков, как перспективному направлению. Это объясняется, во-первых, большими запасами каменного угля; во-вторых, можно достичь высоких физико-механических свойств карбоволокон, сопоставимыми с углеродными волокнами из ПАН-нитей. Углеродные волокна из пеков используют в качестве наполнителя для термо- и реактопластов (литьевых и прессовочных).

Борные волокна являются фактически единственными среди металлических волокон, которые можно использовать в качестве наполнителей композиционных материалов. Волокна бора обладают наиболее высокими показателями удельной прочности и жесткости, поскольку их плотность в 3 раза ниже плотности стали. Исключение составляют бериллиевые волокна, но токсичность осложняет их использование в производстве композитов.

Волокна бора получают восстановлением водородом треххлористого бора (BCl₃) или разложением бороводородов (BH₃) одновременным осаждением образующегося металлического бора на нагретую подложку – металлическую проволоку (обычно вольфрамовую), углеродную или кварцевую нить с токопроводящим покрытием. В промышленности при производстве непрерывного бороволокна нагретую до 950÷1200⁰С вольфрамовую проволоку Ø12 мкм с натяжением протягивают в трубчатом реакторе. Электрический ток подводится к проволоке с помощью ртутных контактов, которые одновременно служат и гидрозатворами газовых камер реактора. Сначала проволока проходит камеру очистки в среде водорода, где нагревается до 1000 ⁰С, а затем реакционные камеры осаждения, насыщенные смесью Н₂ и BCl₃. По выходе из реактора волокна очищаются от ртути и продуктов побочных реакций. Волокна длиной 3000 м сматывают на бобины Ø200 мм. Диаметр стандартных борных волокон колеблется в пределах 90÷100 мкм. Волокна имеют гетерогенную структуру: наружная оболочка из металлического бора микрокристаллической структуры, а сердечник из кристаллических боридов вольфрама переменного состава.

Высокопрочные синтетические волокна. Первоначально производство органопластиков на синтетических волокнах базировалось на использовании ПЭТФ-волокон (лавсана) и полиамидных волокон (капрона). Значительно реже применяют волокна из ПП, ПАН (нитрон) и поливинилового спирта (винол). Существенный недостаток данных полимерных волокон заключается в резком уменьшении прочности и деформационной устойчивости с повышением температуры, а также низких температурах стеклования и деструкции. В настоящее время интенсивно расширяется производство и применение синтетических волокон, отличающихся повышенными тепло- и термостойкостью.

Наибольший практический интерес представляют волокна на основе ароматических полиамидов и полиимидов, длительно устойчивые до 300 ⁰С и сохраняющие достаточно высокие показатели механических свойств при 400÷500 ⁰С. Это волокна:

полимеллитимидные (арамид);

полиоксадиазольные;

политриазольные;

полибис-бензимидазобензофенантрольные.

К числу наиболее высокомодульных высокопрочных волокон относятся арамидные волокна типа “Кевлар”, состоящие из ароматических (бензольных) ядер, соединенных амидными связями. Производство и применение арамидных волокон по объему превышает остальные синтетические волокна, в том числе и углеродные. Арамидные волокна отличаются также высокой стабильностью размеров (не имеют усадки до 160 ⁰С), хорошими термическими характеристиками (от – 200 до 180 ⁰С), в обычных условиях негорючи, химически устойчивы (кислоты, щелочи, органические растворители). В России выпускаются арамидные волокна марок СВМ, “Армос”, “Терлон С”, “Терлон СД”, “Терлон СБК”.

В настоящее время наряду с арамидными волокнами созданы и применяются другие перспективные высокопрочные органические волокна. К их числу относят полиэтиленовые (“Спектра”), а также на основе ароматического полиэфира и жидкокристаллических полимеров.

К преимуществам высокопрочных ПЭ-волокон “Спектра”, по сравнению с арамидными можно отнести достаточно высокую прочность в узле, стойкость к истиранию, свето- и хемстойкость, низкую плотность, но они имеют большую ползучесть, низкую температуру размягчения и горючи. Данные волокна обладают антибаллистическими свойствами (на 25 % выше арамидных). Поэтому используются в композитах для армейских касок и бронежилетов. Они также применяются для изготовления радарных оптекателей в самолетах, т.к. меньше отражают радиолокационное излучение (радиопрозрачность), чем стеклопластики.

К принципиально новым высокопрочным высокомодульным волокнам относятся нити, получаемые на базе термо- и лиотропных жидкокристаллических полимеров. К числу первых относятся волокна на основе ароматических полиэфиров, к числу вторых – так называемые PBZ-волокна. Преимущества термотропных ароматических полиэфирных волокон заключается в низкой плотности, эластичности, химстойкости, гидрофорбности, устойчивости к радиации и светопогоде. Лиотропные PBZ-волокна получают на основе поли-п-фениленбензобистиозолов (ПБТ) и поли-п-фениленбензобисоксазолов. Эти волокна интересны тем, что наряду с высокой прочностью и модулем упругости обладают исключительно высокой для органических волокон термостойкостью.

Рассматривая вопрос развития армирующих материалов для композиционных материалов, необходимо отметить, что в настоящее время центр интересов потребителей сдвинулся в сторону термопластичных композитов. В этой ситуации заметную роль должны сыграть новые, с достаточно высокой температурой эксплуатации термопластичные волокна: полиэфиримидные, полифениленсульфидные, полиэфирэфиркетонные, особенно с высокопрочными органическими и углеродными волокнами.

Базальтовые волокна имеют практически все положительные свойства стеклянных волокон, но отличаются рядом преимуществ. Для них характерны более высокие тепло- и щелочестойкость, более прочное адгезионное сцепление по границе раздела волокно – связующее. Они значительно дешевле всех известных специальных щелочестойких стеклянных волокон, но нестабильны по свойствам. Непрерывные базальтовые волокна получают по технологии стеклянных.

Керамические оксидные волокна получают из оксидов алюминия, бора, циркония, кремния. Кроме главного достоинства – термостойкости (1400÷1650 ⁰С), эти волокна обладают повышенным модулем упругости и высокой прочностью при сжатии. Они имеют высокую химическую стойкость, гибкость и способны легко перерабатываться в жгуты и ткани.

Нитевидные монокристаллы (“усы”) выращивают в специальных условиях на основе Al₂O₃ (сапфир)_, BeО, MgO, SiC, AlN, Be₃N₂, BN и других оксидов и нитридов. Вследствие малого диаметра они практически лишены дефектов, которые имеются в более крупных кристаллах. Усы отличаются высокой однородностью (рис. 7.2а и б). Их прочность приближается к теоретической прочности и эквивалента прочности межатомной связи.

По нанотехнологии получен новый тип ультратонких пуатинообразных нитевидных монокристаллов диаметром около 18,0 нм (рис. 7.2в), прочность которых приближается к теоретической порядка 350 ГПа. Эти волокна настолько тонки, что невидимы в лучших световых микроскопах (видны при увеличении 200 000 раз). Невооруженному глазу в результате светорассеяния они представляются в виде голубого облака.

Особый интерес представляет применение так называемых вискеризованных волокон (биволокон), т.е. волокон из различных материалов, главным образом углеродных, на поверхности которых создан (выращен) слой усов (рис. 7.2г). Вискеризация изменяет химическую структуру поверхности углеродных волокон и значительно повышает адгезию углеродных волокон к полимерной матрице.

2. 
   Классификация армирующих элементов
   

7.2.2 Классификация армирующих элементов

По структуре волокнистые наполнители классифицируются на четыре группы: однонаправленные непрерывные, тканные, объемного плетения и нетканные.

1. Однонаправленные размещенные в ПКМ непрерывные волокнистые наполнители могут быть в виде первичной нити, филаментой нити, ровинга, лент и жгутов.

Филаментые (крученые комплексные) нити получают круткой и сложением непрерывных комплексных нитей.

Ровинги представляют собой непрерывную прядь, состоящую из определенного числа параллельных первичных комплексных нитей.

Ленты могут быть как нетканые, так и тканные. Нетканные ленты представляют собой рулонированный материал из хаотично расположенных штапельных волокон, пропитанных связующим и армированных в продольном направлении комплексными нитями.

Жгуты – это переплетения комплексных нитей с образованием сечения, близкого к окружности.

2. Тканные волокнистые элементы, предназначаемые для создания слоистых армированных пластиков (текстолитов), изготовляют на ткацких станках переплетением продольных (основы) и поперечных (утковых) нитей. Строение тканей характеризуется толщиной нити, видом переплетения, плотностью, а также извитостью (прогнутостью) нитей основы и утка, характером поверхности. Различают четыре вида плетения: полотняное, сатиновое, саржевое и трикотажное.

Полотняное (или гарнитурное) плетение – наиболее простое, когда каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху, а затем снизу пересекающей ее нити основы (рис. 7.4а).

Ткани сатинового плетения имеют длинные перекрытия нитей основы (рис. 7.4б), поэтому они имеют большую прочность и жесткость вдоль основы и меньшую в направлении утка.

Ткани саржевого плетения отличаются тем, что каждая нить основы и утка проходят поочередно сверху и снизу двух или более пересекающих ее нитей (рис. 7.4в). Поэтому эти ткани отличаются большой податливостью волокон в плоскости ткани, что обеспечивает им высокую технологичность при изготовлении из АП изделий со сложной конструкцией.

Ткани трикотажного плетения изготовляют вязанием, при котором петли с сильным искривлением нитей взаимно зацепляются (рис. 7.4г).

Волокнистные элементы объемного плетения образуются переплетением нитей (жгутов), в том числе их системой в количестве от трех и более, жестких стержней с различной архитектурно достигаемой конфигурацией. На рис 7.5 показаны примеры многонаправленных пространственных схем армирования, образуемых жгутами в виде индивидуальных стержней (а-е), и объемные плетеные конструкции (ж-и). Такие схемы получили название пространственных армирующих структур (ПАС), а составляющие их компоненты – элементов пространственных армирующих структур (ЭПАС).

Нетканые волокнистые элементы, образующие четвертую классификационную группу (рис 7.3), представляют собой различные варианты хаотически расположенных волокон, соединенные между собой одним из трех способов – обычным фрикционным сцеплением, прошивкой полотна текстильной нитью или склеиванием. Примеры фиксации волокон в нетканых наполнителях представлены на рис 7.6. Благодаря низкой стоимости, по сравнению с тканными, нетканые волокнистые наполнители нашли широкое применение в ряде областей использования АП. Это дает возможность перерабатывать более грубые волокна (с диаметрами в десятки мкм), но не менее важно имеется возможность сокращать трудоемкость и стоимость их изготовления.

3. 
   Особенности формования изделий из полимерных композитов
   

7.3 Особенности формования изделий из полимерных композитов

Как мы рассмотрели выше, армирование полимеров высокопрочными волокнами позволяет в значительной степени повысить прочностные и деформационные свойства этих материалов, увеличить их теплостойкость и изменить в нужном направлении другие эксплуатационные свойства.

Прочностные и деформационные свойства армированных пластиков определяются не только соотношением полимера и наполнителя в композите, но и ориентацией последнего.

По макроструктуре волокнистого наполнителя армированные пластики разделяются на три основных вида (рис 7.7):

изотропные материалы характеризуются произвольным расположением армирующих волокон и равенством физико-механических свойств во всех направлениях (рис 7.7а);

трансверсально-изотропные материалы, в которых волокно имеет преимущественно плоскостную ориентацию, и показатели свойств практически равноценны по всем направлениям в плоскости расположения волокон (рис 7.7б);

анизотропные материалы: для них характерна строгая ориентация волокна в одном или двух направлениях, и свойства композита существенно отличаются по трем осям симметрии (рис. 7.7в и г).

Вы уже представляете, что волокнистый наполнитель в полимерных композиционных материалах может использоваться в виде непрерывных волокон, нитей, жгутов, рубленного и штапельного волокна длиной до 100 мм и, наконец, в виде тканей, холстов, ровницы, и объемных заготовок. Механикой полимерных композитов установлена взаимосвязь между структурными параметрами композиции (т.е. содержанием, размерами и ориентацией наполнителя) и ее физико-механическими характеристиками. Последние зависят от взаимосвязи параметров технологического процесса производства изделий со структурными параметрами композиций.

Все существующие методы формования изделий из полимерных композитов можно разделить на две большие группы.

К первой группе относятся методы, близкие к традиционным методам переработки пластмасс. В этих методах происходит совместное движение связующего и волокнистого наполнителя в каналах и рабочих органах машин и полостях формующего инструмента. К таким методам относятся прессование, литье под давлением и экструзия композитов с коротковолокнистыми наполнителями. В изделиях материалы имеют почти изотропную структуру. Подход к решению технологических задач фактически такой же, как при переработке обычных реактопластов.

Ко второй группе относятся специфические методы формования изделий из полимерных композитов. Материал в изделии характеризуется анизотропной или трансверсально-изотропной структурой. Особенностью этих методов является ограниченная подвижность наполнителя на стадии совмещения его с связующим. Здесь определяющей операцией является пропитка волокнистого наполнителя связующим. Другой особенностью этих методов формования является формирование необходимой макроструктуры волокнистого наполнителя (рис 7.6) с целью достижения заданных физико-механических показателей материала. Технологические приемы и методы формирования макроструктуры зависят от вида наполнителя и от геометрической формы и размеров изделий.

Из полимерных композитов второй группой методов формуются изделия самых различных размеров и формы: трубопроводы и реакционная аппаратура, строительные панели и кровля, корпуса и элементы конструкций автомобилей и судов, самолетов, ракет и космических аппаратов, некоторые виды вооружения, спортинвентаря и многие другие виды изделий. Полимерные композиты, как конструкционный материал, особенно пригодны для формования изделий, имеющих форму оболочек.

Содержание волокнистого наполнителя в композиции является одним из существенных факторов, определяющего свойства материала. Объемное содержание волокнистого наполнителя определяется следующим выражением:

, (7.1)

где V_н – объемное содержание наполнителя; G_н – масса волокна, приходящаяся на единицу поверхности изделия; ρ – плотность материала волокна; δ – толщина стенки изделия.

Качество материала в перечисленных видах изделий существенно зависит от точности введения наполнителя, технологического и аппаратурного оформления процесса. С наибольшей точностью толщина стенки изделия выдерживается в таких методах формования, где обе поверхности изделия оформляются в контакте с жесткой формой. В этом случае качество изделия определяется точностью изготовления формы и системы ее замыкания, а также качеством сборки волокнистой заготовки на поверхности формы. При использовании рулонных наполнителей (тканей, холстов и т.п.) необходимо учитывать их уплотнение в процессе драпировки на поверхностях двойной кривизны.

Пропитка волокнистого наполнителя при производстве изделий из полимерных композитов осуществляется на разных стадиях процесса:

-предварительная пропитка тканей, холстов, жгутов или нитей до контакта наполнителя с поверхностью формы;

-пропитка наполнителя всех видов при контакте их с поверхностью формы;

-пропитка наполнителя после контакта его с поверхностью формы, т.е. фактически после формирования макроструктуры наполнителя в изделии.

В зависимости от типа связующего, вида наполнителя, формы и размеров изделия, и необходимой точности структурных параметров материала, перечисленные варианты пропитки реализуются в различных методах формования изделий.

4. 
   Полимерные матрицы для полимерных композитов