Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология

ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: структура, свойства, технология




под общей редакцией академика Берлина А. А.






Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология переработки пластических масс и эластомеров»






    Санкт-Петербург

    2008

УДК 66.022
ББК 35.719
П49

Авторы: Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С., Горбаткина Ю. А., Крыжановский В. К., Куперман А. М., Симонов-Емельянов И. Д., Халиулин В. И., Бунаков В. А.


П49 Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб, пособие / М. Л. Кербер, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др.; под ред. А.А. Берлина. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с., ил.



ISBN 978-5-93913-130-8



       В книге впервые с единых позиций рассмотрен комплекс проблем, связанный с разработкой композиционных полимерных материалов. Описаны основные виды связующих, приведены характеристики важнейших видов наполнителей и армирующих элементов. Обсуждены особенности физико-химических процессов при взаимодействии матриц и наполнителей различной природы.
       В отдельных разделах рассмотрены технологии получения наполненных и армированных материалов, а также заготовок и полуфабрикатов из них. Приведены сведения об особенностях формования различных видов изделий из наполненных пластмасс и армированных пластиков.
       Благодаря обширному справочному материала книга представляет большой интерес как справочное пособие при разработке новых видов ПКМ, конструировании и расчете изделий из них, при выборе оптимальных материалов для решения конкретных задач технического характера.
       Издание — первое пособие такого рода. В настоящее время книги такого содержания в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют.



УДК 66.022
ББК 35.719



Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.



ISBN 978-5-93913-130-8

             © Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С., Горбаткина Ю. А.,Крыжановский В. К., Куперман А. М., Симонов-Емельянов И. Д., Халиулин В. И., Бунаков В. А., 2008

                                     © Изд-во «Профессия», 2008

            ОГЛАВЛЕНИЕ



1. ВВЕДЕНИЕ....................................................9
1.1. Определения и классификация полимерных композитов........11
1.2. Микромеханические аспекты взаимодействия компонентов ПКМ.14
1.3. Упругопрочностные свойства композитов....................19
Литература....................................................23
2. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
    ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПКМ)..........................................24
2.1. КМ с высоким содержанием волокон.........................24
2.2. Гибридные и градиентные армированные пластики (ГАП)
    с регулируемыми механическими свойствами..................26
2.3. «Интеллектуальные» композиты.............................30
Литература....................................................31
3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВЯЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ
    КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................32
3.1. Термореактивные связующие (олигомеры)....................33
    3.1.1. Фенолформальдегидные полимеры......................33
    3.1.2. Фурановые полимеры.................................36
    3.1.3. Кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны).37
    3.1.4. Ненасыщенные олигоэфиры............................39
    3.1.5. Эпоксидные олигомеры...............................42
    3.1.6. Полиимиды..........................................47
3.2. Термопластичные связующие (полимеры).....................54
    3.2.1. Полиолефины........................................54

1. Введение

     3.2.2. Поливинилхлорид (-СН₂-СНС1)п.....................56
     3.2.3. Полистирольные пластики-[СН₂-СН(С₆Н₃)]л-.........57
     3.2.4. Полимстилмстакрилат [СН₂-СН₃(СОСН₃)]п............57
     3.2.5. Полиамиды........................................58
     3.2.6. Полиформальдегид (СН₂О)п.........................59
     3.2.7. Ароматические полиэфиры..........................60
     3.2.8. Полиимиды........................................62
     3.2.9. Ароматические полиамиды..........................64
     3.2.10. Полисульфон.....................................65
     3.2.11. Фторполимеры....................................66
     3.2.12. Полифениленсульфид..............................67
     3.2.13. Полиэфиркетоны..................................68
     3.2.14. Полифениленоксид................................68
3.3. Модифицированные матричные полимеры.....................69
     Литература:.............................................72

4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ             МАТЕРИАЛОВ........................73
4.1. Классификация наполнителей..............................73
     4.1.1. Дисперсные наполнители...........................74
     4.1.2. Волокнистые наполнители..........................83
     4.1.3. Слоистые наполнители.............................91
     4.1.4. Зернистые наполнители............................94
4.2. Классификация армирующих элементов......................98
     4.2.1. Стекловолокнистые армирующие элементы...........104
     4.2.2. Углеволокнистые армирующие элементы.............141
     4.2.3. Органоволокнистые армирующие элементы...........147
     4.2.4. Бороволокнистые армирующие элементы.............153
     4.2.5. Базальтоволокнистые армирующие элементы........ 155
     4.2.6. Керамиковолокнистые армирующие элементы.........156
Литература...................................................159
5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
     НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА МАТРИЦА-НАПОЛНИТЕЛЬ ...................................160
5.1. Физико-химия формирования поверхности раздела..........160
     5.1.1. Смачивание и адгезия............................160
     5.1.2. Диффузия полимеров в волокна....................164
     5.1.3. Адгезионная прочность и остаточные напряжения...165

1.1. Определения и классификация полимерных композитов

5

     5.1.4. Корреляционные диаграммы прочность композита- прочность сцепления компонентов.......................................172
5.2. Композиты со стекловолокнистым наполнителем.................172
     5.2.1. Влияние природы и состава матрицы....................173
     5.2.2. Модифицирование поверхности наполнителя............. 180
     5.2.3. Связь прочности стеклопластиков с прочностью границы раздела............................................ 183
5.3. Композиты с углеволокнистым наполнителем....................188
     5.3.1. Влияние природы и состава связующего.................188
     5.3.2. Влияние обработки поверхности волокон................192
     5.3.3. Связь прочности углепластиков с прочностью границы раздела ... 194
5.4. Композиты на основе борных волокон..........................195
     5.4.1. Влияние природы и состава матрицы....................195
     5.4.2. Влияние обработки поверхности волокон................198
     5.4.3. Оценка критической длины волокна из данных адгезионных измерений...................................................201
     5.4.4. Связь прочности боропластиков с прочностью границы раздела. .. 202
5.5. Композиты с органоволокнистым наполнителем..................204
     5.1.2. Влияние природы и состава матрицы....................204
     5.5.2. Особенности разрушения соединений жесткоцепное органическое волокно-связующее...........................................207
     5.5.3. Связь прочности органопластиков с прочностью границы раздела. 209
5.6. Влияние модифицирования матричных полимеров па адгезионную
     прочность...................................................211
Литература.......................................................221
6. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПКМ .... 222
6.1. Структура наполненных ПМ в зависимости от состава, размера и формы частиц наполнителя.......................................223
     6. 1.1. Связующие и их роль в формировании свойств ПКМ. Физико-химические, реологические и технологические характеристики связующих....................................227
     6. 1. 2. Наполнители и их роль в формировании свойств ПКМ...235
6.2. Разработка непрерывно армированных пластиков с заданными свойствами...........................................239
     6.2.1. Общие понятия и представления........................239
     6.2.2. Разработка конструкционных армированных пластиков....250
          6.2.2.1. Определение состава конструкционных АП........251
          6.2.2.2. Определение рациональной структуры армирования конструкционных АП.....................................281
     6.2.3. Разработка АП функционального назначения.............300

Оглавление

     6.2.4. Технологическое обеспечение заданных свойств АП.....308
Литература......................................................313
7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС...................................314
7.1. Стадия подготовки исходных компонентов наполнителей и полимерных связующих).........................................316
     7.1.1. Оценка основных характеристик дисперсных наполнителей.317
     7.1.2. Подготовка полимерных связующих.....................323
7.2. Смешение — основной процесс получения дисперсно-наполненных пластических масс...............................................325
     7.2.1. Смешение и структурные параметры дисперсно-наполненных систем.....................................................326
     7.2.2. Критерии эффективности и оценка качества смешения...328
     7.2.3. Смешение сыпучих материалов и аппаратурное оформление процесса...................................................331
     7.2.4. Смешение низковязких жидкостей с твердыми дисперсными наполнителями и аппаратурное оформление процесса...........336
     7.2.5. Смешение высоковязких полимеров и жидкостей с твердыми наполнителями..............................................339
     7.2.6. Непрерывное смешение высоковязких полимеров с наполнителями............................................342
7.3. Гранулирование пластмасс ..................................346
7.4. Основные технологические схемы получения диснерсио-панолпеппых пластических масс...............................................348
7.5. Полимеризациоппое и поликопдепсациоппое наполнение полимеров ... 351
Литература......................................................353
8. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ . . 354
8.1. Полуфабрикаты наполненных пластмасс........................354
     8.1.1. Получение премиксов.................................354
     8.1.2. Получение препрегов.................................355
     8.1.3. Получение волокнитов................................358
8.2. Технология получения полуфабрикатов армированных пластиков.362
     8.2.1. Виды полуфабрикатов.................................362
     8.2.2. Технологический процесс получения полуфабрикатов АП жидкофазным совмещением компонентов........................363
          Пропитка волокнистых наполнителей под давлением ......374
     8.2.3 Технология изготовления полуфабрикатов АП твердофазным совмещением компонентов....................................378
Литература......................................................388

Оглавление

7

9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ....................................................389
9.1. Формование изделий из наполненных пластмасс..................389
     9.1.1. Прессование и литьевое прессование.....................390
          9.1.1.1. Основные параметры прессования и литьевого прессования..............................................398
          9.1.1.2. Основное оборудование и оснастка................401
          9.1.1.3. Технологические расчеты.........................405
     9.1.2. Литье под давлением....................................407
          9.1.2.1. Основное оборудование...........................408
          9.1.2.2. Литьевые формы..................................415
          9.1.2.3. Основы технологии литья под давлением...........419
          9.1.2.4. Технология производства.........................421
     9.1.3. Экструзия и соэкструзия................................427
          9.1.3.1. Одношнековые экструдеры.........................427
          9.1.3.2. Двухшпековые экструдеры.........................432
          9.1.3.3. Дисковые и поршневые экструдеры.................433
          9.1.3.4. Принципиальное устройство экструзионных головок.434
          9.1.3.5. Теоретическая производительность одношнскового экструдера и экструзионного агрегата...................437
          9.1.3.6. Сведения о соэкструзионной технологии...........439
          9.1.3.7. Технология производства экструзионных изделий...442
     9.1.4. Штамповка..............................................466
     9.1.5. Переработка фторопластов...............................468
          9.1.5.1. Основные разновидности фторопластов.............468
          9.1.5.2. Переработка Ф-4 и Ф-4-НТД.......................470
9.2. Формирование заготовок из армированных пластиков..............472
     9.2.1. Выкладка в форме.......................................473
     9.2.2. Выкладка сухих пакетов.................................477
     9.2.3. Пултрузия и роллтрузия.................................479
     9.2.4. Напыление волокна и связующего.........................482
     9.2.5. Формирование геометрии и структуры плетением...........483
     9.2.6. Намотка................................................490
9.3. Формование изделий из армированных пластиков..................504
     9.3.1. Контактное формование..................................506
     9.3.2. Прессовое формование...................................510
     9.3.3. Пневмогидрокомпрессионное формование...................513
     9.3.4. Термокомпрессионное формование.........................517
     9.3.5. Магнитоимпульсное формование...........................517
     9.3.6. Пропитка заготовок.....................................519
     9.3.7. Выбор метода формования из условий нагруженности деталей.... 521

Оглавление

     9.3.8. Температурный режим формования..................524
Литература..................................................528
10.  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ.............................................532

11.  ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..................................544
Ракетно-космические системы................................544
Авиационные системы........................................547
Наземный транспорт.........................................549
Судостроение...............................................550
Элсктрорадиотсхника........................................551
Строительство..............................................552
Химическая промышленность..................................554
Военное дело и средства безопасности.......................555
Композиты для спорта и отдыха..............................556
Литература.................................................557

                1.ВВЕДЕНИЕ




  Куперман А. М.



Материалы, которыми пользовался человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век. Конечно, сейчас круг материалов, созданных и используемых в быту и технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с некоторой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров и композиционных материалов.
  В настоящем пособии рассматриваются научные основы создания полимерных композитов. Идеологией разработки этих материалов является сочетание разнородных компонентов, что препятствует распространению трещин или предлагает им иной более длинный путь развития. Тем самым создается компромисс между прочностью и пластичностью материалов.
  Непрерывной фазой в композите является полимерная матрица, которую наполняют частицами различной формы и дисперсности (субстратом). Между матрицей и наполнителем создается адгезионное взаимодействие, величина которого может регулироваться введением аппретов. Обычно наполнитель по сравнению с матрицей является более жестким и прочным материалом. Добавление дискретных частиц кубической или шарообразной формы приводит к увеличению модуля упругости композита и снижению его деформативности, что повышает формоустойчивость материала и изделий. Наибольший интерес представляет наполнитель в виде волокон, обладающих весьма высокими упругопрочностными характеристиками. Та или иная ориентация их в полимерной матрице придает материалу анизотропные свойства, которые можно варьировать в соответствии с распределением технологических и эксплуатационных напряжений. Таким образом, создание материала и изделия зачастую осуществляется в одном процессе.

1. Введение

  Говоря об армированных пластиках, часто предлагается иной подход, впервые высказанный А. К. Буровым. Композит рассматривается как система ориентированных волокон, склеенных полимерной матрицей с целью обеспечить совместную деформацию волокон и реализовать их высокие упругопрочностные характеристики в объемном материале. При нагружении такой системы возникает несколько альтернативных механизмов разрушения, некоторые из которых — дробление волокон, отслоение матрицы, потеря устойчивости волокон в матрице — предполагают значительную диссипацию энергии и, соответственно, высокую прочность материала. Реализовать эти механизмы разрушения можно путем оптимизации упругопрочностных и деформативных свойств матрицы. Решающая роль полимерного связующего проявляется также в процессе изготовления композита, при пропитке волокнистого материала и при его отверждении или охлаждении (для термопласта). От вязкости связующего в значительной мере зависит объемное содержание волокон. Ударо-, трещино-, тепло- и хемостойкость матрицы также определяют эксплуатационные свойства композитов.
  Научные основы создания полимерных композитов, вопросы их физикохимии, механики и технологии разрабатываются относительно недавно, Однако эти материалы в реальном воплощении имеют долгую и богатую историю. В живой природе они преобладают. В качестве примеров можно привести древесину, стебли растений, кости и мышцы животных.
  История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Первые упоминания о саманных кирпичах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных лодок и тральщиков из стеклопластиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки ткани, пропитанной смолой. В Древней Индии деревянные стволы пушек обматывали лианами и также пропитывали смолами, которые отверждались месяцами, однако дальность и точность стрельбы из такого орудия, легкость его транспортирования давали неоспоримое преимущество. Ярким примером эффективного применения композитов уже в средние века является использование в войсках Чингисхана (а позднее — в Европе) двухслойных конструкций лука, наружная и внутренняя части которого были изготовлены из различных пород древесины и затем склеены.
  Е1астоящий бум в современном композиционном материаловедении возник в первой половине XX в., когда появилось промышленное производство высококачественных стекловолокнистых материалов и фенолоформальдегидных смол. Потом были созданы органические, углеродные, борные, карбидокремниевые и другие волокна с уникальными свойствами, а также широкий набор разнообразных полимерных связующих, разработаны промышленные методы изготовления полимерных композитов и изделий. Главное их достоинство заключается в сочетании высоких упругопрочностных характеристик с малым весом. Удельная прочность однонаправленных армированных пластиков ст/р достигает 200 км, а удельный модуль упругости Е/р — 10 000 км, что в несколько раз выше по сравнению с традиционными металлами. Помимо этого, армированные пластики дают возможность создавать