Волокниты, текстолиты, гетинаксы – их состав, получение, применение

ВОЛОКНИТЫ - пресс-материалы, состоящие из коротких волокон (наполнителя), пропитанных полимерным связующим. В состав волокнита может входить также порошкообразный наполнитель, напр. тальк. В зависимости от природы наполнителя различают: собственно волокниты, наполнителем для к-рых служит целлюлозное, гл. обр. хлопковое волокно; асбоволокниты (наполнитель - асбестовое волокно; см. Асбопластики); стекловолокниты (наполнитель - стекловолокно); органоволокниты (наполнитель - синтетич. волокно); углеродоволокниты (наполнитель - углеродное волокно). В кач-ве связующего для волокнитов применяют чаще всего феноло-формальдегидные, анилино-феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорг. полимеры. Содержание связующего 30-45% по массе. Волокниты представляют собой рыхлую массу из пропитанных отрезков нитей (т. наз. путанка) или сыпучий материал в виде гранул. Технол. схема получения первых включает пропитку волокон дл. 40-70 мм связующим в лопастных смесителях, сушку и распушение; гранулиров. материал готовят пропиткой прядей из нитей или жгутов на спец. оборудовании, к-рые затем сушат и разрезают на гранулы диам. 0,5-8 мм и дл. 5-6, 10, 20 или 30 мм. Волокниты в виде рыхлой массы перерабатывают в изделия прямым прессованием под давл. 5-50 МПа, в виде гранул-прямым и литьевым прессованием под давл. 20-200 МПа; т-ра переработки 130-200°С в зависимости от типа связующего. Св-ва материалов из волокнитов зависят от природы и длины волокна, типа и содержания связующего, метода и режимов переработки. Изделия из волокнитов устойчивы к действию воды и орг. р-рителей, минер.масел, бензина. Стекловолокниты на основе модифицированной феноло-формальдегидной смолы работоспособны от — 196 до 200 °С, на основе кремнийорг. связующего - до 400 °С. Вследствие электропроводности углеродных волокон углеродоволокниты не являются диэлектриками. Волокниты применяют в произ-ве корпусов и крышек приборов, втулок, шестерен и др.; стекловолокниты - как конструкционный, радио- и электротехн. материал для изготовления мелких и средних по размерам деталей. Органо- и углеродоволокниты еще не получили широкого распространения.

Текстолит по существу представляет собой композиционный прессованный материал сделанный на основе специальных фенолоформальдегидных смол, армированных в значительной степени хлопчатобумажными тканями. Текстолиты выпускаются в виде стержней и листов и подразделяются на 2 основных типа: конструкционный (марка ПТК, ПТ) и электротехнический (марка А и Б).На поверхности листа допускается неравномерность глянца или цвета. Лист текстолита в соответствии с гостом может иметь цветовую гамму от светлого оттенка желтого цвета до темно-коричневого. Также на поверхности листа могут быть царапины, раковины или неровности, которые по госту не должны превышать половины допуска по своей толщине листа текстолита для высшего сорта, и не больше одного допуска для первого сорта. Поверхность листа текстолита вполне может иметь незначительную засоренность хлопковыми частицами, дефекты, которые допускаются нормативно-технической документацией на составляющей основу текстолита ткань. При визуальном контроле особое внимание стоит обратить на торцы листа, так как они должны быть обрезаны и не должны иметь трещин, расслоений, осмоления или каких-либо еще посторонних включений.Основой для текстолита могут выступать различные материалы, например, если основа асбестовая ткань, такой текстолит называется асботекстолит. Цена асбеста не высока, поэтому продукция получается доступной.Области применения текстолита.Листовой текстолит (марка А и Б) в электротехнике применяется для изготовления различных изоляционных деталей, электрических машин, пазовых клиньев, шестерен, шкивов, вкладышей подшипников и т.п. В случае применения данного материала вместо гетинакса, подвергают лакировке детали электроизоляционного назначения (скажем, колодки).Благодаря тому, что у текстолита высокие физические и механические свойства, а также отличная устойчивость к маслам, к действию бензина и воды, в машиностроении текстолит (марка ПТК) применяется для изготовления автомобильных вкладышей и подшипников, прокладочных шайб, шкивов и бесшумных шестерен.Химическая стойкость материала не сильно высока, но, в условиях воздействия низкой и средней концентрации кислот текстолит, однако, может быть применен в химической промышленности (дополнительно защищая бакелитовым лаком).Основные преимущества текстолита.В сравнении с обычными пластмассами у текстолита более высокие механическими свойствами и отличной теплостойкостью, и в то же время поддается легко любой механической обработке: будь то распиловка, сверление, точение, шлифовка и так далее. А в сравнении с металлами он гораздо эластичнее, обладает стойкостью к истиранию и как следствие имеет увеличенный срок службы. Если основа текстолита стеклоткань в промышленности получают стеклотекстолит.

Гетинакспредставляет собой слоистый пластик, получаемый на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. Гетинаксустойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов. Обладает высокими электроизолирующими свойствами, особенно хорош в условиях повышенной влажности атмосферы.По назначению гетинакс подразделяют на электротехнический и декоративный. Гетинакс электротехнический листовой ГОСТ 2718-74 представляет собой слоистый материал, полученный методом горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивным связующим на основе фенолформальдегидных или эпоксидных смол.В качестве связующих для производства гетинакса в основном применяют феноло- и крезолоформальдегидные, эпоксидные, эпоксиднофенольные и меламиноформальдегидные водно-спиртовые смолы, иногда феноланилинформальдегидные.Фенолоформальдегидные и крезолоформальдегидные связующие.Для изготовления этих смол применяют главным образом различные фенолы и формальдегид в виде формалина. Если для изготовления смолы применен фенол то смолу называют фенолформальдегидной или фенольной. Если применяют смесь резолов, то смолу называют крезолоформальдегидной или крезольной. Наибольшее применение находят фенол и трикрезол

18.Стеклопластики – комп. материалы состоящие из стеклонаполнителей из синтетич-го полимерного связующего.

Наполнителем служат стекл. в-на в виде нитей,жгутов. Для стеклопластов характерно сочетание высоких прочностных диэлектрич. свойств в сравнении с низкой плотности тв.поверх-ти, высокие показатели атмосферо-,водо-,хемостойкойсти.

Механические св-ва стеклопластиков опр-ся преимущ-но хар-кой наполнителя и прочностью связи его со связующим. Наиб. проч-ю и жесткостью обладающ. стеклопластики подраздел –т на однонаправленные и перекрестные. У первых в-на расположены параллельно , у 2-ых –под заданным углом др.к др. постоянно постоянно или переменно по изделию.

Изменяя ориентацию в-н можно в широких пределах регулировать мех. свойства стеклопластика.

19.углепластики( карбопластики, углеродопластики)- это пластмассы,содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Обладают уникальными свойствами:высоким значением прочности и жесткости, низкой плотностью, химической инертностью, тепло- и электропроводности, высокой усталостной прочностью, низкой ползучестью, низким значением коэф. лин.термич.расширения, высокой радиационной тонкостью.Важным фактором определяющим перспективность углепластиков- хорошая технологичность,позволяющ. перерабатывать углепласти в изд. на станд. технолог. оборудовании с миним. труд. и энергетич. затратами.

В зависимости от вида армирующ.наполнителя, геом.размеров и текстурной формы разделяют:

углеволокниты, углетекстолиты и углепрессоволокниты. Углепластики на основе непрерывн. ориентирован. углеродных нитей и жгутов и ровниц сост. гр углеволокнитов. Углетекстолиты –в качестве армирующего наполнителя исп. тканые ленты и ткани разл. текстурныхформ. Углепластики на основе дискретных в-н составляют гр. углепрессволокнитов.

углеродн. в-на обладают высоким уровнем прочностных и упргуих хар-к: предел прочности при растяжении от 1100 до 1500 МПа, при сжатии от 800 до 1200 МПа.

Полимерная матрицаопределяет эксплуатац. и технологич. свойства углепластика.з термореактивынх матриц наиб. распр. получили эпоксиные, фенольные и модифицированные эпоксидные связующие. Применение эпоксидных матриц обеспечитвает получение углепластиков с высок. проночтн. хар-ми, водо- и хим. стойкостью, хорошей эксплуатац. надежностью и ресурсом.

фИз= хим. св-ва.

Плотность сост. 1,4 – 1,54 кг/ м3, прочность при растяжении вдоль в-на 730-1500 МПа,предел прочности при сжатии 400-1200 МПа.свойства углепластиков сущ. зависят от степени армирования.Для углеволокнитов оптим. значения объемного содерж. армир. в-н 60%,для углетекстолитов 52%. с увелич. армирования растет кратковременная прочность и модуль упругости при расяж.в-н.Для углепластиков показатель анизотропии почти всех мех. и тепло- электрофиз. хар-к превосходят чем у других композитов в 2-3 р.по сравнению с др. ПКМ углепластики облад. меньшей удельн. ударной вязкостью,трещиностойкостьюи остаточной проночтью при наличии дефектов.

в зав-ти от формы и геом. размеров детали в переработке применяются формов-е:прессование, автоклавное формов-е, намотка, экструзия и др.

Применяют в создании авиац. конструкций- позв.уменьшить вес на 20-40 %(корпуса ракетных двигателей, микроволновые антенны,ферменные конструкц.), в судостроительной пром-ти(корпуса морск.и речных судов,в панелях, глубоководн.аппаратов и др), в хим. машиностроении( т реакторы,трубопроводы), нейтронное оборудование и др.

20. Методы измерения адгезионной прочности соединения «волокно-

связующее»

Существующие методы определения τо можно условно разделить на макро- и микромеханические. Объектами исследования макромеханических методов являются реальные ПКМ – слоистые пластики, механические испытания которых проводят при различных видах нагружения. Если адгезив

и субстрат находятся в твердом состоянии, τо определяется напряжением (сдвиг, отрыв, кручение), необходимым для разрушения адгезионного 59соединения. Если компоненты соединения находятся в высокоэластическомсостоянии, τо определяется усилием отслаивания адгезива от субстрата.

Объекты микромеханических методов − волокна вместе с прилегающим к ним слоем связующего − представляют собой элементарную ячейку волокнистого композита. Чтобы максимально приблизиться к реальным ПКМ, необходимо измерять адгезионную прочность именно в такой ячейке,

поскольку для большинства волокон, используемых в настоящее время, невозможно приготовить образцы в виде пластин с поверхностью, идентичной поверхности волокон. Таким образом, микромеханические тесты являются единственным прямым способом определения прочности сцепления связующего с наполнителем и обладают высокой чувствительностью к ее изменению. Образцы для микромеханических

испытаний отличаются от других адгезионных соединений формой иразмерами

Несомненным достоинством микромеханических испытаний является то,

что для изготовления экспериментальных образцов не требуется большого количества компонентов, что очень существенно при определении τо образцов с новыми синтезированными связующими или волокнами новых составов. При определении адгезионной прочности полимеров с волокнами из всех

видов механических испытаний можно осуществить только сдвиг или кручение. В настоящее время для измерения τо в системах «волокно- матрица», как правило, применяются различные варианты метода

выдергивания (pull-out), метод фрагментации, метод выталкивания т.е. методы, использующие разрушение адгезионного соединения при сдвиге Подготовка экспериментальных образцов и стандартизация условий измерения τо требует особой тщательности и четкости при стандартизации условий, поскольку адгезионная прочность зависит от целого ряда факторов. В их числе: размеры и предыстория адгезионного соединения, толщина слоя адгезива, полнота контакта поверхностей волокна и связующего. Основная проблема при изготовлении соединений с волокнами заключается в обеспечении оптимальной площади контакта адгезива с субстратом. При слишком большой площади контакта силы адгезии волокна к связующему будут преобладать над силами когезии волокна. При сдвиговой нагрузке это приведет к обрыву волокна, а не к выдергиванию его из адгезива. В любом

случае волокно должно быть погружено в полимер на участке достаточно малой длины. Эта длина зависит от природы волокна и связующего, диаметра и состояния поверхности волокна, то есть, в конечном счете – от соотношения прочности волокна и самой величины τо и может меняться от десятков или сотен микрометров до нескольких миллиметров. Для изготовления адгезионных соединений с малой длиной погружения волокна в адгезив существует ряд методик. Каждая из них пригодна для волокон с

диаметром d, принадлежащем конкретному диапазону: «толстых» d > 100 мкм, «средних» 40< d <100мкм и «тонких» 7 < d <40 мкм. При выборе методики также нужно учитывать, к какой группе относится связующее: пленкообразующих, литьевых, с растворителем или без него и т. д. Поскольку τо - статистическая величина, для получения корректных результатов для любой пары волокно – адгезив необходимо испытывать несколько десятков образцов. При разрушении измеряют силу F, необходимую для выдергивания (или выталкивания) волокна из слоя адгезива, и площадь адгезионного соединения S. Адгезионную прочность i- образца рассчитывают по формуле

τi= Fi/Si

Для строгого выполнения формулы необходимо соблюдение

нескольких условий:

- круглое сечение волокна;

- постоянство диаметра волокна, погруженного в слой адгезива;

- равномерное распределение адгезива по поверхности волокна;

- равенство видимой и истинной площадей контакта волокна и связующего;

- равномерное распределение касательных напряжений на поверхности

раздела контактирующих фаз. Выполнение первых четырех условий зависит от способа получения

волокон, от морфологии их поверхности и от того, насколько хорошо волокна смачиваются адгезивом. Предположение о равномерном распределении напряжений в соединениях полимеров с волокнами, как

правило, не выполняется. Измеряемые значения адгезионной прочности зависит от формы и размеров соединений с волокнами. Если для измерений используются волокна одного диаметра, значения τо монотонно снижаются при увеличении S. Причина такой зависимости – неоднородное распределение касательных напряжений на границе волокно-полимер. Эта неоднородность в первую очередь связана с термическими остаточными напряжениями, действующими на границе раздела, которые близки к нулю в

середине адгезионного соединения и максимальны на его концах; при этом максимальные значения термических остаточных напряжений зависят от размера соединения, увеличиваясь с ростом его длины (т.е. площади контакта «волокно-связующее»). Методы, определяющие остаточные напряжения

непосредственно в элементарной ячейке «волокно-связующее», пока еще не созданы. При приложении нагрузки часть образцов разрушается когезионно (по волокну). Поэтому неотъемлемой частью микромеханических испытаний является контроль характера разрушения, чаще всего – методом оптической

микроскопии. Чем выше τо, тем больше при прочих равных условиях доля образцов, в которых волокно не удается выдернуть из элементарной ячейки композита. В опытах с конкурирующими механизмами разрушения (адгезионный, когезионный) для расчета адгезионной прочности используют

выражения: τо = τ + ∆τ и τ = 1/n ∑- τ , τ i

где τ - среднее арифметическое прочности всех адгезионно разрушившихся

образцов, τi

– адгезионная прочность i-образца, рассчитанная по формуле

(∆τ – поправка, учитывающая наличие соединений, разрушившихся

когезионно (по волокну). Алгоритм расчета ∆τ сложен; эта величина зависит от адгезионной прочности, прочности волокна и дисперсий этих величин. При увеличении прочности границы раздела (например, за счет поверхностной обработки волокна) может возникнуть необходимость уменьшения площади контакта для предотвращения когезионного разрушения при измерении τо. Таким образом, для интерпретации

полученных результатов, требуется сравнение значений τо, полученных для различных . Одним из вариантом такого сравнения служит сопоставление значений адгезионной прочности в координатах τ

τо = f(l/d), где l – длина, на

которую волокно диаметра d погружено в адгезив.

Одной из разновидностей метода pull-out является метод вырывания нити из узла. Для изготовления образцов для механических испытаний по этой методике наилучшим образом подходят нити синтетических волокон: единичные волокна, а также многие нити из минеральных волокон являются слишком хрупкими. Для расчета адгезионной прочности в этом случае используют выражение:

τо = F/T ,

где [F] = Н – усилие, необходимое для выдергивания нити из узла, скрепленного отвержденным связующим, [T] = текс линейная плотность комплексной нити (жгута); длина жгута. Такая нормировка усилия обусловлена невозможностью точного измерения площади контакта волокна и связующего. Этот метод, в отличие от классического метода pull out, характеризуется хорошее воспроизводимостью результатов. Однако к сравнению Метод фрагментации основан на определении критической длины волокна и последующем расчете τ_о. Адгезионная прочность связана с прочностью

волокна σв его диаметром d_в и критической длиной l_кр формулой Келли- Тайсона:

τо=σв*dв/2lкр

Главной проблемой такого расчета является определение критической длины

волокна. Как правило, эта проблема решается измерением длины волокна

после разрушения армированного пластика методом сканирующей электронной микроскопии или путем установления с помощью акустической эмиссии количества разорванных волокон при разрушении образца. Также lкр может быть определена графически: пересечение зависимостей Fа = f(l) и Fв

= f(l) соответствует lкр/2; Fа и Fв – силы, необходимые для разрушения адгезионного соединения и волокна соответственно. Метод фрагментации получил широкое распространение, однако необходимо помнить о некоторых «слабых местах» метода. Поскольку прочность элементарных волокон изменяется в широких пределах, длина фрагментов волокон отражает эти колебания. Кроме того, из-за образования магистральной трещины механизм дробления волокон на практике не реализуется полностью. Несмотря на эффективность микромеханических методов в прогнозировании прочности реальных ПКМ, серьезный недостаток существующих микромеханических методов измерения адгезионной прочности заключается в сложности, а порой и в невозможности сравнения значений τо, полученных различными методами, или полученных даже в рамках одного метода.

22. Адгезия — образование связей через поверхность раздела между двумя приве­денными в контакт разнородными конденсированными телами. В результате на по­верхности раздела образуется адгезионное соединение. В полимерных волокнистых композитах адгезионное соединение возникает на поверхности раздела между на­полнителем (волокном) и связующим. При этом тот компонент взаимодействующей пары, который находится в твердом состоянии, называется субстратом или подлож­кой; компонент, находящийся в жидком состоянии — связующим или адгезивом.

При получении композитов на основе реактопластов адгезив наносят на волокна в виде многокомпонентных жидкостей, содержащих олигомеры, отвердители, ак­тивные разбавители, растворители, наполнители и т. п.; при изготовлении компо­зитов на основе термопластов — в виде расплавов или растворов полимеров. По­сле изготовления композита и связующее, и наполнитель находятся в твердом (или высокоэластическом) состоянии. Соответственно, сформированное адгезионное соединение представляет собой твердое тело с более или менее четко выраженной границей раздела фаз.

Известно несколько теорий адгезии. Каждая из них была разработана для объяснения конкретных результатов физико-химических экспериментов по измерению адгезионной прочности соединения «адгезив-субстрат» на макрообразцах и изучению влияния на τо различных факторов.

Механическая (микрореологическая) теория адгезии Основателем механической теории адгезии является Мак-Бен. Согласно этой теории, адгезия осуществляется за счет затекания адгезива в поры или трещины на поверхности субстрата с последующим затвердеванием. При

этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата (включая форму пор) и прочностью пленки адгезива.

Механическое сцепление адгезива и субстрата, безусловно, играет существенную роль в обеспечении прочности адгезионного соединения, особенно если субстрат пронизан сеткой сквозных пор (ткань). Тем не менее, эта теория не объясняет адгезию непористых тел с гладкими поверхностями и не учитывает химическую природу и физико-химические свойства адгезива

и субстрата. Основной вывод механической теории адгезии состоит в том, что увеличение площади контакта адгезива и субстрата приводит к увеличению прочности адгезионного соединения.