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: 8 из 8

7.5 Полимерные матрицы для полимерных композитов

Полимерная матрица (связующее) является важнейшим компонентом композиционного материала, определяющим его технологические и эксплуатационные свойства. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость. Температурное поведение, ударная прочность, водо- и атмосферостойкость, химическая стойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства, монолитность, долговечность при эксплуатации в различных условиях и другие показатели ПКМ решающим образом определяются полимерной матрицей и свойствами раздела фаз (межфазного слоя). При структурообразовании в процессе формования необратимо фиксируется форма изделия. Поэтому тип матрицы и процессы, протекающие при структурообразовании, определяют условия образования композита и формования изделий из них и свойства изделий.

В полимерном композите матрица должна отвечать выше перечисленным требованиям, предъявляемым к свойствам композиционного материала в готовом изделии. Важную роль играет матрица в распределении напряжений по объему материала, обеспечении равномерной нагрузки на армирующий наполнитель, перераспределении нагрузки при разрушении частиц наполнителя. Кроме того, она должна удовлетворять требованиям, связанным с технологией ее совмещения с наполнителем и технологией формования изделия. Это – требования по вязкости, температуре и скорости структурообразования, усадке, содержанию летучих веществ, выделяющихся при отверждении, продолжительности пребывания в вязко-текучем состоянии и жизнеспособности и т.д.

Требования к матрицам можно разделить на три группы (таблица 7.6).

Таблица 7.6 - Требования к полимерным матрицам

Свойства ПКМ

Свойства полимерной матрицы

Теплостойкость Водо- и атмосферостойкость Прочность при растяжении вдоль волокон Прочность при сжатии вдоль волокон Трансверсальная (поперек волокон) прочность, сдвиг Ударная вязкость Технологичность

Высокая температура размягчения (стеклования) Низкое водопоглощение, слабое изменение свойств при водопоглощении Оптимальная прочность, высокая вязкость при разрушении Высокая прочность и жесткость, высокая вязкость разрушения, оптимальная адгезия Хорошая адгезия, высокая прочность, большие удлинения Высокая ударная вязкость, оптимальная адгезия Низкая вязкость связующего, повышенная жизнеспособность, нетоксичность, пониженная температура отверждения (переработки)

К одной группе можно отнести прочность, жесткость, теплостойкость полимерной матрицы, к другой – пластичность, вязкость разрушения, трещиностойкость, ударную вязкость; к третьей – перерабатываемость, технологичность связующего.

При модификации, изменении условий структуробразования, химической структуры, степени химической сшивки (отверждения) и т.п., стремление улучшить свойства одной группы, автоматически ухудшает другие.

Таким образом, выбор полимерной матрицы (связующего) для полимерных композитов является важной задачей, правильное решение которой способствует созданию материала с оптимальными технологическими и эксплуатационными свойствами.

При конструировании полимерного композиционного материала применяют два основных класса полимерных связующих: термореактивные и термопластичные.

Наибольшее распространение в производстве изделий из полимерных композитов получили следующие термореактивные связующие:

* На основе ненасыщенных полиэфирных смол (полиэфирмалиенатов и полиэфиракрилатов). Для их отверждения применяют органические перекиси в смеси со стиролом. В качестве ускорителей отверждения обычно применяют нафтенат или линолеат кобальта и нафтенат марганца, ванадиевый ускоритель.

* На основе эпоксидных смол различной модификации и составов. Они в отличие от ненасыщенных полиэфиров не обладают явно выраженным периодом жизнеспособности. После введения отвердителей практически сразу же начинается нарастание вязкости, что учитывается в технологическом процессе при применении отвердителей холодного отверждения.

* На основе кремнийорганических, модифицированных фенолоформальдегидных и гетероциклических, полиимидных смол изготовляются теплостойкие композиционные материалы. Отверждение этих связующих идет при повышенной температуре 140÷200 ⁰С. Модификацию этих смол проводят с целью улучшения физико-механических свойств, а, в основном, технологических.

Главные достоинства и недостатки термореактивных связующих заключаются в следующем:

Достоинства

Недостатки

1. Хорошие технологические свойства: низкая вязкость связующего, хорошая смачиваемость и пропитываемость армирующего наполнителя, сравнительно низкие температуры отверждения; 2. Хорошая адгезия к большинству волокон; 3. Повышенная теплостойкость; 4. Стойкость в различных средах: химическая, водо- и атмосферостойкость, низкая проницаемость для жидкостей и газов. 5. Свойства можно регулировать в широком диапазоне путем варьирования компонентов, добавления модификаторов, катализаторов и изменения условий отверждения.

1. Хрупкость, низкие вязкость разрушения и ударная прочность (усугубляется для высокотеплостойких матриц). 2. Невозможность вторичной переработки. 3. Длительное время отверждения из-за необходимости проведения экзотермической химической реакции в мягком режиме (без значительных перегревов). 4. Ограниченное время жизни исходной полимерной композиции (препрега). 5. Значительная химическая усадка в большинстве случаев.

Термопластичные полимеры, армированные волокнами, относятся к перспективным композиционным материалам ввиду очевидных технологических и экологических преимуществ перед композитами на основе термореактивных связующих. Среди многих типов армированных термопластов перспективны однонаправленные материалы с непрерывными волокнами, отличающиеся высокой прочностью и жесткостью, что позволяет им успешно конкурировать с металлами и сплавами, а также с композитами на основе термореактивных связующих. Например, термопласты, армированные длинными и непрерывными стеклянными волокнами с высокой степенью наполнения (более 40%) имеют высокие механические характеристики и, соответственно, широкие перспективы использования в качестве конструкционных материалов в различных отраслях техники.

В настоящее время высокие темпы роста объемов промышленного производства изделий из армированных термопластов отражают общую мировую тенденцию повышения производительности технологических процессов, снижения их энергоемкости, улучшения экологических показателей.

В качестве матричных термопластов широко применяют полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен (бален, каплен), полиамид-6, -66 (первичные и вторичные), АБС-пластики и др

В последние годы началось широкое применение термопластичных высокотеплостойких полимеров в качестве матриц для волокнистых ПКМ. Прежде всего, это объясняется следующими причинами.

1. Для данного класса суперконструкционных термопластов (полиэфирсульфон, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон) характерно сочетание высокой прочности и теплостойкости с высокой ударной прочностью, трещиностойкостью. Кроме того, образование специфических трещин, крейзов, позволяет термопласту растягиваться в одном направлении без сжатия в других (коэффициент Пуассона близок к нулю). Это облегчает работу полимера в сложнонапряженном состоянии в качестве матрицы в композитах. Эти свойства термопластов определяют повышенную ударную прочность композитов на их основе, стойкость к распространению трещин, как при статических, так и при циклических усталостных и динамических нагрузках, повышенные постударные характеристики.

2. Возможность вторичной переработки.

3. Облегчение ремонта изделий.

4. Более эффективные интенсивные методы переработки, формование деталей менее энергоемко, возможно формование более крупных, сложной конфигурации деталей, более высокая производительность.

5. Практически бесконечная жизнеспособность препрегов – время между его изготовлением и переработкой в изделие.

6. Пониженные горючесть, дымовыделение при горении, токсичность продуктов горения, высокая стойкость к излучению.

С другой стороны, замена термореактивных связующих на термопластичные требует решения ряда сложных технологических задач. Из-за большой вязкости расплавов полимеров приходится работать при высоких температурах и давлениях.

5. 
   Намотка оболочковых изделий
   

7.6.6 Намотка оболочковых изделий

Метод намотки применим только для оболочковых изделий, причем предпочтительно для имеющих форму тел вращения. Наибольшее применение намотка нашла в авиа- и ракетостроении для формования корпусов ракет и ракетных двигателей, элементов фюзеляжей самолетов .

Для химической промышленности изделия, получаемые намоткой (реакционные аппараты, емкости, трубопроводы и т.п.), могут иметь весьма большие размеры, например железнодорожные цистерны объемом 60 м³ и более, газоотводящие стволы дымовых труб диаметром до 8000 мм, а химические емкости от 1 до 200 м³ (рис. 7.28).

При намотке изделий создается ориентированная структура наполнителя с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей нитей, жгутов, лент обеспечивает максимальную прочность изделий. Намотка может производиться по “мокрому” и “сухому” методам. Сущность мокрого метода заключается в намотке на вращающуюся оправку непрерывного наполнителя, пропитанного в ванне связующим. Ориентация наполнителя определяется соотношением скоростей вращения оправки и возвратно-поступательного перемещения раскладчика наполнителя. Роль складчика выполняют отжимные валки, одновременно регулирующие содержание связующего на непрерывном наполнителе.

В отличие от мокрого метода сухая намотка состоит в использовании предварительно пропитанного наполнителя. Для мокрой намотки используются полиэфирные и эпоксидные смолы, для сухой – фенолоформальдегидные смолы. Сухая намотка проводится при повышенных температурах. Методом намотки могут быть получены изделия, содержащие до 90 % (объемных) наполнителя.

Давление на оправку, а, следовательно, и уплотнение наполнителя при намотке определяется его натяжением, геометрией формы изделия и жесткостью оправки. При намотке толстостенных оболочек на жестких оправках технологическое натяжение сохраняется в намотанных структурах и, следовательно, определяет степень уплотнения наполнителя. Для толстостенных оболочек, особенно при формовании их на нежестких оправках, остаточное натяжение в структуре наполнителя может быть существенно ниже технологического. Остаточное натяжение наполнителя в структуре изделия определяется по формуле:

, (7.6)

где F_о и F_ост - технологическое и остаточное натяжение; G_н и G_ф - жесткость наматываемого наполнителя и материала оправки.

Рекомендуемая величина технологического натяжения должна составлять 30÷50 % от прочности при растяжении материала наполнителя. Дополнительное уплотнение наполнителя обеспечивается специальным прикатывающим роликом. Заготовка может быть уплотнена дополнительно с помощью вакуумного или надувного мешка, как при контактном формовании, при термообработке. Обязательная стадия технологического процесса – отверждение намотанной на оправку заготовки, осуществляемая при термообработке, как в термокамерах, так и за счет нагревателей, расположенных в самой оправке, токами высокой частоты.

Технологические установки производства цилиндрических оболочек. Для производства цилиндрических оболочек применяются установки периодического и непрерывного действия. В периодических - оправка неподвижна, а раскладчик движется по спирали. В непрерывных установках оправка движется поступательно, а раскладчик в кольцевом направлении по окружности.

При формовании цилиндрических оболочек из пропитанных связующим тканей или бумаги применяется наиболее простая в технологическом отношении прямая намотка (способ тангенциальной или окружной намотки) (рис. 7.30).

Контактное давление формования определяется весом оправки и усилием верхнего подвижного прижимного валика. Опорные валики снабжены обогревом для перевода связующего наматываемых слоев материала. Отверждение проводят в термокамере, куда помещается оправка с намотанной и уплотненной заготовкой. Далее изделия лакируют и снова термообрабатывают.

Цилиндрические крупногабаритные оболочки с продольно-поперечным армированием кордными лентами получают на установке, показанной на рис. 7.31.

На оправку укладывается продольные ленты с катушек при помощи захватов, установленных на подвижной каретке и направляющих. Продольные ленты фиксируются на концах оправки зажимами. Затем с вращающейся планшайбы, установленной на каретке, производится радиальная намотка стекло- или углеволокнистой ленты с катушки. С помощью механизма поворота оправка поворачивается на некоторый угол, и цикл повторяется.

Установка вертикального типа для производства труб продольно-поперечной намоткой (фирма “Ганал, Бекон и Грант”, США) (рис. 7.32) позволяют упростить пропитку наполнителя связующим и исключить деформацию оправки под влиянием собственного веса. Здесь сочетается спиральная перекрестная намотка стеклоленты и жгутов с продольной укладкой жгутов.

При непрерывном процессе намотка осуществляется на движущуюся снизу вверх оправку из составных 6-метровых стальных полированных труб (высота установки 23 м). Оправка (1) движется с помощью подающих (2) и приемных (15) валиков через четыре стола, на которых находятся ванны со связующим, и два стола без ванн. При прохождении оправки через стол-ванну (3) она покрывается раствором связующего, и при одновременном вращении стола (3) на оправку спирально наматывается стеклолента (4). На втором столе-ванне (5) после отжима излишек связующего диафрагмой (6) наматывается стекложгут (7), пропитанный в ванне (5). Аналогичный процесс происходит на третьем столе-ванне (8), но вращается в противоположную сторону. На четвертом столе-ванне (9) происходит укладка продольной арматуры. Направляющее устройство (10) обеспечивает равномерное распределение жгута вокруг трубы. На пятом столе (11) наматывается наружный слой стеклоленты как на первом столе (3), но в противоположном направлении. На шестом столе (12) с помощью деревянных лопаток (13) снимаются натеки смолы, и происходит намотка целлофановой ленты (14). Неотвержденная труба разрезается в местах стыка оправок и направляется в вертикальные паровые сушилки для отверждения.

Более просты по устройству установки непрерывного действия (рис. 7.33) с планетарной намоткой на оправку (2).

Осевое перемещение формуемой трубы без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря использованию продольных лент из стеклоткани (3), на которые наносится связующее из форсунок (4). С вращающихся планшайб (5) производится спиральная намотка стеклоленты (8) с бобин (6). Форсунки (7) наносят связующее на первый слой стеклоленты. Особенностью этой установки является использование токов высокой частоты от генератора (1). Высокочастотное электрическое поле в отвержденном материале создается между оправкой (2) и формующими роликами-электродами (9).

Аналогичным образом осуществляется производство труб большого диаметра на установке, показанной на рис. 7.34, у которой отверждение связующего происходит в термокамере.

Широкое распространение получило производство бипластмассовых труб, когда выходящая из экструдера термопластовая труба после охлаждения служит движущейся оправкой для намотки наружных слоев стеклопластика. Таким методом выпускаются трубы диаметром до 1000 мм.

Конструкции оправок для получения намоточных изделий весьма разнообразны: от простых стержней-труб до чрезвычайно сложных разборных, предназначенных для намотки нецилиндрических оболочек с поперечными размерами до 10 м.

В зависимости от способа снятия готового изделия оправки делятся на следующие типы: неразборные, разборные, разрушаемые, эластичные, выплавляемые и растворимые или сочетающие элементы выше указанных типов (рис. 7.35)