Тепло, термо и огнестойкость полимерных материалов
 Скачать 4.94 Mb.
|
|
3 σ + , ГПа Е + , ГПа σ + / ρ, ГПа/(г/см 3 ) Е + / ρ, ГПа/(г/см 3 ) CFC 1,5–1,6 0,7–1,3 75–130 0,5–1 50–100 GFC 2,1 0,75 25 0,35 Титан 0,9 110 0,21 Алюминий 0,35 75 0,17 Сталь 0,6–1,2 210 0,1–0,2 27 40% производимого ПФС используется в электронной и электротехнической промышленности (рис. 4.33–4.35, 4.39, 4.40), 35% в автомобилестроении (рис. 4.36–4.38), 20% в машиностроении, в том числе в изделиях точной механики ив прочих отраслях (антиадгезионная обработка оборудования пищевой промышленности, посуды, ПФС отвечает экологическим нормам № 1212621 Управления по пищевым продуктами лекарственным препаратам США). Фирма Powerton (США) изготавливает из полифениленсульфидных пластиков щеткодержатели для двигателей постоянного тока. Щеткодержатели имеют различные размеры и исполнение их длина колеблется от 25 до 75 мм, а форма — от простой плоской до сложной кольцевидной. Конструкция из ПФС изолирует катушку и служит как несущий элемент для обмотки катушки и щетки. Благодаря применению ПФС двигатель может длительно работать при температурах допри этом конструкция сохраняет свою форму, а материал, из которого она сделана, диэлектрические свойства. На металлические контакты концевых колодок реле стеклона- полненный ПФС наносят заливкой. Такая конструкция обеспечивает устойчивость к высоким температурам, имеющим место при автоматической сварке. Пленки из по- лифениленсульфида имеют деформационную теплостойкость ≥ 200 °C, коэффициент термического расширения ≤ 30⋅10 –6 , усадку при нагревании при температуре 200 °C в течение 5 мини их используют в качестве диэлектрических подложек при изготовлении гибких печатных плат. Низковязкие ПФС-композиции используют для заливки электроизоляционным слоем интегральных схем. Полифениленсульфид, наполненный магнитными компонентами с требуемой точкой Кюри, имеет высокий коэффициент потерь при перемагничивании, что позволяет получать изделия, обеспечивающие контролируемое включение и отключение тока при работе электронагревателей. Литьевые токопроводящие композиции на основе полифениленсульфида, наполненные графитизированными волокнами и чешуйками никеля (соответственно 15 и 1,4 масс) и графитизированными и стальными волокнами (соответственно 10 и 1,15 масс, имеют плотность до 1,98 г/см 3 , водопоглощение менее 1 масс 0,6 Ом ⋅см и экранируют ЭМИ диапазона 80–300 МГц до уровня 80 дБ (табл. 4.23, 4.24). Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.33. Соединительные штекеры (1, 2), подложки микросхем (3, 4) из литьевых стеклонапол- ненных композиций Fortron фирмы Ticona [54, 134, 302, 329] 1) 2) 3) 4) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.34. Изделия различного назначения из литьевых композиций Fortron [54, 134, 302, 329]: 1 — деталь считывающего устройства 2 — противоскользящий элемент цепи конвейера 3 — корпус для соединения бортовых коммуникаций в самолете 4 — подставка для автомобильного плеера 5 — решетка вентилятора для охлаждения микросхем компьютеров 6 — негорючая деталь интерьера самолета Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.35. Корпусные детали различного назначения из литьевых композиций Fortron [54, 302]: 1 — корпус мотора вытяжки каминного газа из Fortron 1140 L4; 2 — водяная помпа системы охлаждения двигателя автомобиля из Fortron 1140 L6, 6165 A6 1) 2) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.36. Детали из композиций на основе полифениленсульфида Fortron фирмы Ticona, используемые в конструкциях автомобиля 1 — корпус электрического тормозного устройства [54]; 2 — элемент системы охлаждения ходовой части [54]; 3 — корпус электрического водяного насоса [320]; 4 — фланец картера [330]; 5 — элемент системы смешения газов автомобилей, работающих на газовых смесях (спирт, пропан, водород, природный газ) [329] 2) 1) 3) 4) 5) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.37. Детали из ПФС Fortron, используемые в автомобилестроении [54, 302]: 1 — детали топливной рампы из Fortron 1140L4 (снижение массы на 40%); 2 — щеткодержатели бензинового насоса из Fortron 1140L4; 3 — держатель кабеля 4 — корпус сенсора, размещаемого в подкапот- ном объеме Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.38. Изделия из ПФС Fortron фирмы Ticona [54, 302, 329]: 1 — потолочный светильник (Fortron 6165A4, покрытие эмалью 2 — рама автомобильной раздвижной крыши (Fortron 1140L6); 3 — решетка вентилятора микроскопа (1140L4); 4 — бачок радиатора салона автомобиля (1140L4) 1) 2) 3) 4) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.39. ПФС Fortron в изделиях бытового назначения [54, 302, 329]: 1 — штифт-защелка в паровом приборе для завивки 2 — головка электробритвы 3 — деталь системы сушки посудомоечной машины (устойчивость к воде и чистящим средствам, низкий коэффициент трения 4 — адаптер галогенной лампы из Fortron 6165A4, 1140L4 (рабочая температура до 180 °C, огнестойкость по UL94-V0); 5 — корпус насоса для безалкогольных напитков 6 — кольцо поворотного механизма микроволновой печи (Fortron устойчив к СВЧ, нет нагрева поворотной тарелки Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.40. Изделия различного назначения из ПФС Fortron: 1 — гибкие шланги для транспортировки различных жидких сред под давлением (оплетка нитями из ПФС) [320, 330, 331]; 2 — корпус кофеварки фирмы DeLongi Пластики из Fortron имеют высокую химическую стойкость к действию кислот и углеводородов. Внутренняя облицовка трубопроводов из полифениленсульфида Fortron является значительным прогрессом в газодобыче, так как позволяет заметно повысить производительность транспортировки. Трубопроводы с такой внутренней облицовкой имеют враз более гладкую поверхность, что предотвращает налипание на нее парафинов. Системы трубопроводов, использующихся в настоящее время и выполненных из стали, необходимо регулярно подвергать профилактическим чисткам для удаления парафиновых отложений. Стальные трубопроводы выдерживают в таких жестких условиях эксплуатации максимум 4 года. Корпорация Polyflow разработала трубы марки Termoflex, которые значительно легче и гибче стальных, не подвержены окислительным реакциями имеют длительный срок службы. Вовремя эксплуатации новые трубопроводы с внутренней облицовкой из Fortron продемонстрировали повышенную безопасность. Чрезвычайно низкий коэффициент трения значительно снижает опасность потери давления в трубопро- воде. ПФС используются в химическом машиностроении, в других отраслях машиностроения для изготовления деталей насосов, компрессоров (роторы, поршни, стартеры, запорная аппаратура, корпусные детали). Высокопрочные комплексные нити из ПФС Diofort (фирмы Diolen) используют для упрочнения шлангов гидросистем рулевых приводов с сервомеханизмом, систем подачи воздуха для дизельных двигателей с турбонадувом, для изготовления фильтров в системах газоулавливания (рис. 4.41) Высокая химическая стойкость, теплостойкость, твердость, прочность, размерная стабильность, малые ползучесть и водопоглощение позволяет пластикам на основе 1) 2) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.41. Материалы из полифениленсульфидных волокон [326, 331]: 1 — иглопробивные фильтры из штапельных волокон Fortron; 2 — фильтрация отработанных газов электростанций с использованием химически стойких сетчатых фильтров из Fortron; 3 — монофиламенты и мультифиламен- ты (аи конвейерные ленты из них (б) с высокой термоустойчивостью, гидролитической устойчивостью, прочностью 1) 2) 3) а б Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость полифениленсульфида эффективно заменять металлы и термореактивные пластики при производстве деталей подкапотного пространства двигателей в автомобилестроении (детали насосов, работающих в агрессивных средах клапанов, трубопроводов, электронных схем, конденсаторов, корпусов вентиляторов, термостатов системы охлаждения, корпусов галогеновых ламп (температура в фарах автомобиля достигает С) (рис. 4.34–4.40). Полифениленсульфид Fortron, наполненный 40% стекловолокон ( σ + 195 МПа, σ ви 285 МПа, водопоглощение ≤ 0,02%, показатели более высокие по сравнению с ПЭЭК и стеклонаполненными полиамидами, является оптимальным материалом для хирургических зажимов, щипцов и другого аналогичного инструментария, испытывающего при хирургических операциях весьма сложные физические напряжения (на кручение, сжатие, изгиб и другие. Он имеет высокие диэлектрические и электроизоляционные свойства, антистатические характеристики, что важно при использовании инструмента в электрохирургических операциях. Полимер выдерживает автоклавирование и другие методы стерилизации, устойчив к ползучести, имеет легкий веси хорошие эргономические свойства. Опыты по вдыханию через дыхательные пути значительных количеств ПФС доказали безвредность ПФС, который приводит только к едва заметному раздражению глаз и кожного покрова. Опыты по ингаляции показали, что пыль ПФС инертна и вдыхание пыли в течение продолжительного времени не является опасным для здоровья. Согласно нормам Организации по гигиене и технике безопасности США, концентрация пыли не должна превышать в среднем 5 мг/м 3 , а предельно допустимая концентрация пыли составляет 10 мг/м 3 . По нормам № 1212621 Управления по пищевым продуктами лекарственным препаратам США покрытия из ПФС могут контактировать с продуктами питания. Национальная организация по санитарным исследованиям США разрешает применение ПФС в контакте с питьевой водой как в виде покрытий, таки в виде деталей, изготовленных полностью из ПФС. ВПКМ на основе полифениленсульфидной матрицы и непрерывных армирующих волокон (и текстильных форм из них) предназначены для эффективного использования в авиакосмической технике. При объемном содержании армирующих волокон 60–65% они имеют σ + до 0,7–1,3 ГПа, σ ви 0,8–1,4 ГПа, Е 120–130 ГПа, а к по Изоду 0,6–0,7 (с надрезом, 1,2–1,3 кДж/м 2 (без надреза, трещиностойкость с МДж/м 2 при ρ = 1,4–1,6 г/см 2 Среди термопластичных полимеров для производства ВПКМ авиационного назначения ПФС в полной мере отвечают современным требованиям (сохранение высоких конструкционных свойств до 200–220 °C; огнестойкость по UL-94V-0, КИ более 30, малое дымовыделение и токсичность продуктов горения низкое равновесное водопоглощение; высокая трещиностойкость. Рекомендованы для серийного производства обшивки на истребителе F/A-18 Hornet из ПКМ на основе полифениленсульфида, наполненного стекломатами. Использование ПКМ в конструкциях Airbus с 8% (1980 г, А, 15% (2000 г, А 500/600), 20% (2004 г, А, 50% (А) доведено в 2010 г. до 40–60% с использованием в качестве связующего в углепластиках полифениленсульфида и полиэфиримида). Первое применение полифениленсульфидных углепластиков реализовано в 1997 г. в самолете Fokker 50. Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Из термопластичных ПКМ в самолете Dreamliner изготовлено 860 структур, в А — 500. В бизнес-самолете Gulfstream G650 использовано 20% полифенилен- сульфидных углепластиков (рис. 4.42) Датская фирма Fokker Special Products разработала технологию изготовления агрегатов несущей части крыла (между фюзеляжем и двигателем) для Аи А на основе полифениленсульфида Fortron фирмы Ticona. Для конструкций Airbus A-380 используют термопластичные стекло (GFC)- и угле- (CFC) пластики с использованием пленочного полифениленсульфида Fortron С (табл. 4.37, рис. 4.43). Изделия для А из термопластичных пластиков Cetex на основе Fortron С (элероны, киль, элементы крыла длиной дом, передняя кромка крыла) прессуют при 300 °C на заводах Fokker Industries и используют при сборке Airbus на предприятиях Aerospatiale Airbus Рис. 4.42. Использование полифениленсульфидных углепластиков в оболочках передних и задних кромок вертикального стабилизатора бизнес-самолета Gulfstream G650 [363] Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.43. Полифениленсульфидные ВПКМ Cetex GFC ив конструкции Airbus A380 [317, 331]: а — несущая плоскость крыла с кромками из Cetex (использованы препреги фирмы TenCate, Нидерланды б — детали (более 1000 виз полифениленсульфидных материалов а) б) Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Термопластичные ПКМ на основе ПФС перспективны для изготовления баллонов для хранения криогенных жидкостей (жидкий водород, силовых деталей, ферм солнечных батарей, обшивок крыльев крылатых ракет, панелей люков, обтекателей, деталей сопла, деталей интерьера самолетов, перегородок, половых панелей, корпусов приборов, экранирующих ЭМИ защитных экранов. Для изготовления покрытий на металлических деталях для их защиты от коррозии при повышенных температурах используют порошки ПФС (напыление с последующим оплавлением при 285 Си суспензии (вводе, толуоле, этилен- и про- пиленгликоле, сушка при 370 °C в течение 45 мин при толщине покрытия 25–30 мкм, 2 ч — при толщине 250 мкм. Перед нанесением покрытий кроме пескоструения и обезжиривания поверхности деталей не требуется особая обработка. При изготовлении покрытий в электронике используют очищенный от примесей ПФС, получаемый промывкой порошка растворителями и несколько раз деионизи- рованной водой с электропроводностью менее 1 мкОм/см при 25 °С. При добавлении к ПФС политетрафторэтилена получают антиадгезионные твердые износостойкие покрытия, некоторые составы используют для нанесения защитных и антипригарных покрытий кухонной посуды, поверхности форм для вулканизации в шинной промышленности (покрытие выдерживает 8000 операций, кремнийорганическое — Введение стеклянных дисперсных (диаметр 10 мкм, длина 40 мкм) наполнителей в пленкообразующую композицию ПТФЭ+ПФС снижает коэффициент трения в 2 раза и повышает износостойкость покрытия враз даже при содержании 2 масс. ПФС. ПФС-покрытия оптимальны для защиты нефтепроводов, вентилей, фитингов, муфт, емкостей для агрессивных жидкостей (например, для термоэлектрических элементов. Детали из углеродистой стали с ПФС-покрытиями заменяют изделия из коррозиестойких сплавов. Ароматические полиамиды Ароматические полиамиды (полиарамиды, АПА) позволили решить проблему получения легких, высокопрочных, высокомодульных, термоустойчивых, огнестойких волокон и большого ассортимента полимерных материалов (пластики для формованных изделий, лаки, клеи, бумага, полимерные сотопласты, органопластики, многослойные металлополимерные супергибридные материалы (Алор, Arall), полимерные броневые материалы для защиты от высокоскоростного инденторного воздействия) [134, 302, Переход от алифатических полиамидов к АПА резко повышает термоустойчи- вость представителей этого класса термопластичных линейных полимеров (табл. 4.38, 4.39). АПА имеют температурный индекс 180–200 °C (алифатические полиамиды, по- лиацетали, полиуретаны 105–155 °C, ПЭИ Ultem — 180 °C, ПАИ Torlon — 200–220 °С). Температура плавления АПА в первую очередь определяется ориентацией фени- леновых циклов в их цепях. АПА с фениленовыми циклами, соединенными преимущественно в параположении (Kevlar, СВМ, Терлон), имеют Т пл до 500 С. Наличие в структуре метафениленовых циклов (фенилон, Nomex) и особенно ортофенилено- Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость вых (Amodel, Т пл 310 С, полифталамиды U-2, J-2, Т с 150–160 С) приводит к снижению Т пл и Т с из-за низкой концентрации и нерегулярности водородных связей. АПА для формованных изделий АПА смета, орто, частично с парафениленовыми циклами вцепи используются как для изготовления формованных изделий (Фенилон ФС1, ФС2, ФС3, ФС4, ФСА, ФП, САТ, Россия Nomex, Zytel, Amodel, США, Европа, таки в производстве волокон, тканей, войлоков, бумаги, из бумаги — полимерных сотопластов. В Европе АПА производят фирмы Solvay, Schulman, Biesterfeld Plastic, в США — фирмы Du Pont (аморфно-кристаллические АПА, Т с 80–140 °C, Т пл 256–310 °C, не- наполненные Zytel HTN 18502, стеклонаполненные Zytel HTN 51-54, GL, GBL HDT/A 245–288 °C, HDT/B 276–300 °C, И 23–24, σ + 170–260 МПа, Е 9000–17 600 МПа, литье под давлением при 320–335 С, Amoco (Amodel, HDT/A 285 °C, σ + 220 МПа, Е 11,5 ГПа: свыше 20 марок, около 10 евро/кг, цена на декабрь 2005 г литьевые композиции IXEF) [302, Изделия с высокой стабильностью размеров и антифрикционными свойствами коэффициент трения 0,0044–0,0182), но со значительным влагопоглощением (зач до 0,5 масс) из Фенилона П ( σ + 120 МПа, Е 4,0 ГПа, Т в 270 Спрессуют при давлении 35–50 МПа и 315–325 °С. |