Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Г. Ф. Джурка Полімерні композиційні

Г. Ф. Джурка Полімерні композиційні




Сторінка1/4
Дата конвертації10.06.2017
Розмір0.55 Mb.
  1   2   3   4


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.Г.КОРОЛЕНКА

Кафедра хімії та методики викладання хімії
Г.Ф.

Мето́дика (від грец. μέθοδος - «шлях через») навчання окремої навчальної дисципліни (предмета) - галузь педагогічної науки, що являє собою окрему теорію навчання (приватну дидактику).
Джурка

Полімерні композиційні

матеріали

Полтава 2008


УДК66-3(447.53):371.233 ББК35

Рекомендовано до друку Вченою радою Полтавського державного педагогічного університету імені В.Г. Короленка, протокол

від 5 березня 2008 року
Г.Ф. Джурка - кандидат хімічних наук, доцент кафедри хімії та методики викладання хімії ПДПУ імені В.Г. Короленка, відмінник освіти України;

РЕЦЕНЗЕНТИ:

Крикунова В.Ю. - кандидат хімічних наук, доцент, завідувач кафедри хімії Полтавської державної аграрної академії

Магда В.І.

Ка́федра - базовий структурний підрозділ вищого навчального закладу (його філій, інститутів, факультетів), що проводить навчально-виховну і методичну діяльність з однієї або кількох споріднених спеціальностей, спеціалізацій чи навчальних дисциплін і здійснює наукову, науково-дослідну та науково-технічну діяльність за певним напрямом.
Хі́мія - одна з наук про природу, яка вивчає молекулярно-атомні перетворення речовин, тобто, при яких молекули одних речовин руйнуються, а на їх місці утворюються молекули інших речовин з новими властивостями.
Полта́вська держа́вна агра́рна акаде́мія - вищий навчальний заклад аграрної освіти у Полтаві. Його історія розпочалася 1 вересня 1920 року з факультету садівництва та городництва при Вищій робітничій школі.
- кандидат хімічних наук, доцент кафедри хімії та методики викладання хімії ПДПУ імені В.Г. Короленка.

Комп'ютерне забезпечення. Галицька. М.А

Джурка Г.Ф., Полімерні композиційні матеріали - Полтава, 2008 – 58 с.


У посібнику розглянута структура композиційних полімерних матеріалів та компонентів, що входять до їх складу.
Компози́тний матеріа́л (КМ), або компози́т - гетерофазний матеріал, окремі фази якого виконують специфічні функції, забезпечуючи йому властивості, яких не має жодний з компонентів окремо. Зазвичай отримують поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються.
Поліме́ри (грец. πολύ- - багато (poli); μέρος - частина (meres) - «складається з багатьох частин») - природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги.
Наведена класифікація та основні характеристики і властивості композитів, а також технологія їх переробки у вироби

Видання адресоване учителям хімії, студентам, учням класів хіміко біологічного профілю загальноосвітніх шкіл, а також всім, хто цікавиться виробництвами рідного краю.




© Джурка Г.Ф., 2008.
ЗМІСТ

Вступ


Структура полімерних композитів

  1. Полімерна матриця

    1. Термореактивні матриці

  1. Епоксидні смоли.

      1. Фенолоформальдегідні смоли (ФФС) та аміно формальдегідні смоли

      2. Поліефірні реактопласти

      3. Олігоциклічні в’яжучі.

      4. Кремнійорганічні смоли.

      5. Синтезовані в’яжучі типу ТРАВП, ролівсани

    1. Термопластичні матриці.

      1. Поліетилен

      2. Поліпропілен

      3. Політетрафторетилен

      4. Поліацеталі, складні ефіри

1.2.5. Полібутилентерефталат

      1. Полікарбонати

      2. Поліаміди

  1. Наповнювачі

    1. Нумільні (дисперсні) наповнювачі

    2. Одномірні наповнювачі.

    3. Двохмірні наповнювачі

  1. Волокна

    1. Скляні волокна

    2. Поліамідні волокна

    3. Поліефірні волокна

    4. Вуглецеві волокна

  2. Гібридні композити

ВСТУП

Протягом багатьох десятиліть як основні конструкційні матеріали використовувались матеріали на полікристалічній основі (метали, сплави) і це зрозуміло, бо матеріалознавський розвиток почався саме з них, хоча у навколишній природі матеріали на композиційній основі зустрічаються дуже часто, зокрема, людське тіло, де ми маємо кістковий армуючий матеріал та м'язову тканину - в'яжуче.

Людське тіло - фізична структура людини, людський організм. Тіло людини утворено клітинами різних типів, характерним чином організується в тканини, які формують органи, заповнюють простір між ними або покривають зовні.
Конструкці́йні матеріа́ли (англ. constructional materials, engineering materials, structural materials) - це матеріали, з яких виготовляють деталі конструкцій (машин та споруд), що зазнають силових впливів (навантажень).
Бамбук, наприклад, являє собою композит на основі целюлозної м'якої матриці, зміцненої оксидом кремнію. Вельми досконалу композицію являють собою кістки: з'єднання та орієнтація кристалів апатиту настільки досконалі, що кістки міцніші не тільки за колаген, в який включено апатит, але й за сам чистий апатит.

Ідея створення й застосування композитів існує з того часу, як люди почали мати справу з матеріалами: суднобудування на Середньому сході ( ≈ 5000 років до н.е.) - папірус, просочений смолою; саркофаги єгипетських мумій; фанера, що використовувалась при будівництві стародавніх Фів ( ≈ 1500 років до н.е.); кераміка стародавніх майя; зміцнення льоду мохом у ескімосів при будівництві будинків тощо.

З самого початку мета створення композитів полягала в тому, щоб досягти комбінації властивостей, не притаманних кожному з вихідних матеріалів окремо. Яскравий приклад - цемент, армований лугостійким скловолокном, - дві крихкі від природи тверді речовини, сполучені разом, дають квазіеластичний матеріал у широкому діапазоні навантажень.

Інтерес до композитів, пов'язаний, з одного боку - з обмеженістю сировинних ресурсів для високоякісних сплавів, з другого - з набором унікальних властивостей ПКМ, що дозволяє вирішити ряд технічних завдань, які недосяжні у металічному виконанні, підвищити службові характеристики машин і, з третього боку - з можливістю керувати властивостями матеріалу, з новими ступенями вільності при оптимізації матеріалу - конструкції, з пізнанням фундаментальних законів міцності і надійності штучних і біологічних композитів.

Сту́пені ві́льності або ступені свободи - кількість незалежних змінних, які однозначно описують стан фізичної системи.
Техні́чне завдання́ (ТЗ) (англ. scope statements та англ. statement of work; SOW) - документ, що встановлює основне призначення, показники якості, техніко- економічні та спеціальні вимоги до виробу, обсягу, стадії розроблення та складу конструкторської документації.


СТРУКТУРА ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ
Що ж таке композиційні матеріали? Слово "composite" у даному контексті трактується не тільки як "складний, неоднорідний", а,передусім, як матеріал штучно виготовлений, спеціально сконструйований для забезпечення певних властивостей. Тому до класу конструкційних композитів слід відносити, суворо кажучи, тільки штучно створені неоднорідні матеріали, які допускають керування властивостями на рівні структурної неоднорідності, на рівні сполучення різних та розподілених фаз: матриця та наповнювач (на відміну, від чистих полімерів, наприклад, де зміна властивостями відбувається на молекулярному рівні, або металів - рівень зернистої структури), які під навантаженням працюють сумісно.
Композиційними називають матеріали, в яких:

  1. можна виділити матрицю і наповнювач, що мають різні функції і розподілені виразною границею розподілу;

  2. структура армування забезпечує спеціальні властивості, які не є результатом простого підсумовування характеристик компонентів;

  3. виявляється масштабний ефект міцності, тобто відбувається її підвищення за рахунок малого діаметру наповнювача, та особлива роль границі розподілу.

Коло створених і перспективних композиційних матеріалів надзвичайно широке в зв'язку з можливістю варіювати компоненти, структуру, технологію. Це робить необхідною хоча б умовну систематику композитів, бо їх об'єднують лише деякі принципи створення та оптимізації, а відрізнятися вони можуть між собою більше, ніж деревина від сталі.

Така систематика може бути проведена на різних рівнях та за різними принципами:


  • за хімічним складом компонентів,

  • формою армуючих елементів,

  • схемою армування,

  • за технологією виробництва або конструкційним призначенням і т. д.
    Хімічний склад, також Склад речовини - термін хімії - частка вмісту окремих хімічних елементів у речовині, матеріалі, сплаві, породі тощо.


Нижче наведені варіанти різних рівнів систематики композиційних матеріалів:
І. За хімічним складом матриці:

Полімерна - термореактивна (поліефірна, епоксидна, фенолоформальдегідна, кремнійорганічна, поліімідна та інше);

- термопластична (полікарбонат, поліамід, поліпропілен, полібутилентерефталат, співполімер акрилонітрилу-бутадієну-стиролу-АБС, поліетиленсульфонамід, поліімідсульфон, поліефірімід, поліефірсульфон, поліфеніленсульфід, поліарилат, поліефірефір-кетон та інше).



Металічна - алюміній, магній, нікель, літій, сталь, кобальт, порошкові метали.

Керамічна - на основі оксидів, карбідів, нітридів, боридів, германідів та інше. Наприклад, оксид алюмінію, нітрид кремнію, борид титану.
Окси́д алюмі́нію (рос. алюминия оксид, англ. aluminium oxide, нім. Aluminiumoxyd) - неорганічна сполука Алюмінію з Оксигеном складу Al2O3. Являє собою білі кристали, хімічно дуже стійкі, температура плавлення 2050 °C.


Вуглецева - у жаростійких матеріалах класу вуглець-вуглецеві.

Цементна – різних модифікацій, для армування скляними, базальтовими, сталевими волокнами.
II. За хімічним складом армуючих елементів:

Волокна - скляні (Е-скло, S-скло, кварцеве скло), вуглецеві, борні, органічні (поліамідні аліфатичні та ароматичні, поліефірні, поліпропіленові та інше), базальтові, металічні (стальні), керамічні (карбід, нітрид кремнію і т.д.), сапфірові та інші.

Плівки - вуглецеві, оксидні, металічні, аморфних сплавів тощо.
III. За формою армуючих елементів:

Волокна - неперервні, короткі, порожнисті, профільовані (для підвищення об'ємного вмісту волокна), з сторонньою серцевиною, із захисним покриттям.

Вуси (віскери) направлено виражені монокристали.

Віскеризація нанесення частинок або вусів на поверхню волокон для покращення зчеплення з матрицею.

Диперсні частинки (каолін, тальк, крейда і т. п.).

наповнювачі

Стрічки, фольги,

плівки, тканини, - плоскі або скручені.

сітки, стільникові

елементи
IV. За типом напівфабрикату:

  • хаотичне армування короткими волокнами;

  • мати з рубленої пряжі;

  • джгути, пасма, ровинг;

  • тканини різного плетіння (сатинове, штапельне, атласне і т. д.);

  • тривимірні тканини, багатонаправлене армування, сплетені заготовки.


V. За технологією виготовлення:

Для волокнистих композитів на основі тканин з полімерною матрицею:


намотка, викладка, пресування у пресформі, автоклавне пресування (з використанням вакуумного мішка), пултрузія (протяжка просоченого джгута крізь профільовані філь’єри з одночасною полімеризацією), екструзія (видавлювання крізь фільєри), інжекційне пресування (заповнення форми під тиском з подальшим пресуванням) та інше.





Для композитів з металічною матрицею:


зварювання вибухом, порошкова технологія, плазмове напилення, електронно-променеве випаровування у вакуумі, пресування з фольги, осадження з газової фази, просочення розплавленими металами.


VI. За способом гібридизації - створення різних комбінацій волокон:

  • сполучення моноволокон всередині джгута, сполучення різних ниток та джгутів у складі стрічок та тканин, комбінування шарів з різних тканин або однонаправлених препрегів у шаруватих пластиках.


VII. За конструкційним призначенням:

  • конструкційні (несучі, високоміцні);

  • фрикційні та антифрикційні, зносостійкі, самозмащувальні;

  • жаростійкі, теплостійкі, морозостійкі;

  • антикорозійні, хімічно стійкі;

  • прозорі, світлопроникні стекла, армовані плівки;

  • декоративні та облицювальні, забарвлені у масі;

  • ударостійкі, броньові;

  • функціональні (електротехнічні, радіопрозорі, радіаційнозахисні та інші).


1. ПОЛІМЕРНА МАТРИЦЯ
У полімерних композиційних матеріалах роль безперервної фази - матриці, в якій розміщується наповнювач, виконують полімери. Полімерна матриця служить для передачі навантажень каркасу з волокон, який зміцнює матеріал для збереження форми конструкції. Від складу і властивостей полімерної матриці залежать такі експлуатаційні та технологічні властивості ПКМ, як термостійкість, тривала міцність, здатність деформуватися в умовах статичних та динамічних навантажень, хімічна стійкість, здатність до переробки у вироби.
Трива́ла мі́цність (англ. longtime strength) - властивість матеріалу протидіяти руйнуванню при довгочасній дії статичного навантаження та високої температури.

Пластмаси відповідно до поведінки при нагріванні можна поділити на два великих класи - термопласти та реактопласти.

Термопласти, або термопластичні полімери, при нагріванні розм’якшуються, а при охолодженні тверднуть без зміни властивостей.

Термопласти - полімерні матеріали, здатні оборотно переходити при нагріванні у високоеластичний або в'язкотекучий стан.
Здатність формуватися зберігається у них і при повторних переробках. Молекули термопластів мають лінійну або розгалужену форму.

Реактопласти, або термореактивні полімери, при нагріванні спочатку набувають пластичності або плавляться, а потім стверджуються, переходячи у твердий нерозчинний і неплавкий стан. Процес ствердження реактопластів незворотний, тобто при повторному нагріванні вони не здатні до подальшої переробки і залишаються твердими аж до температури руйнування. Це пояснюється тим, що при нагріванні відбувається "зшивання" молекул полімеру з утворенням сітчастої просторової (тривимірної) структури.

За методом синтезу синтетичні полімери (смоли) можна поділити на полімеризаційні (одержані методом полімеризації) і поліконденсаційні (одержані методом поліконденсації).

Полімеризація - це реакція утворення високомолекулярних сполук з вихідних речовин (мономерів), яка не супроводжується виділенням побічних продуктів (наприклад, за рахунок розкриття кратних зв’язків у молекулах мономеру).

Високомолекуля́рні сполу́ки (скорочено ВМС) - хімічні сполуки, що мають молекулярну масу від декількох тисяч до кількох мільйонів а.о.м. Молекули таких сполук називають макромолекулами.

Поліконденсація - це реакція утворення високомолекулярних сполук, яка відбувається між двома вихідними речовинами, що мають не менше 2-х функціональних груп, і супроводиться утворенням низькомолекулярних побічних продуктів (води, альдегідів, кислот тощо).

Типовими полімеризаційними термопластичними полімерами є поліетилен та полівінілхлорид, які одержують полімеризацією відповідно етилену та вінілхлориду. Типовими поліконденсаційними термореактивними полімерами є амінопласти та фенопласти, які одержують поліконденсацією відповідно карбаміду (сечовини) або фенолу з формальдегідом.

У виробництві ПКМ використовують практично всі види полімерів. В наш час як полімерну матрицю для ПКМ використовують і термопластичні і термореактивні полімери
1.1. Термореактивні матриці

Для створення сучасних ПКМ конструкційного призначення велике значення мають термореактивні в'яжучі, які являють собою низько в’язкі або легкорозчинні олігомерні продукти (полімери з невеликим ступенем полімеризації), щo здатні перетворюватися під дією тепла, випромінювання, каталізаторів, ініціаторів отвердження, отверджувачів у полімери сітчастої структури.

Переваги реактопластів - стійкість до плавлення, висока термічна витривалість, висока хімічна стійкість, жорсткість, поверхнева твердість, стабільність розмірів, слабка займистість. Високу температуру, яку витримують реактопласти, не витримують ані технічні термопласти (поліамід, поліацеталь, термопластичний поліефір), ані більш дорогі сучасні термопласти (полісульфон, поліефірімід, поліефірефіркетон). Порівняння властивостей (теплостійкості, модуля пружності при вигині, ударної в'язкості, вартості) конструкційних термопластів, що найбільш широко використовуються (наприклад, склонаповнений поліефірефіркетон, поліефірамід, поліарилат, поліацеталь, полісульфон та інші) з термореактивними пластиками, такими як, наприклад, фенольні смоли, армовані скловолокном і без наповнювача, показало, що практично при будь-яких робочих температурах реактопласти здатні замінювати дорогі термопласти.

Модуль пружності - величина, що характеризує пружні властивості матеріалу при малих деформаціях. Дорівнює відношенню напруженості і викликаної нею пружної відносної деформації. Розрізняють такі модулі пружності: - при осьовому розтягу-стиску (модуль Юнга, або модуль нормальної (поздовжньої) пружності); - при зсуві (модуль зсуву); - при об'ємному стиску (модуль об'ємної пружності).



      1. Епоксидні смоли.

Епоксидні полімери, відкриті більше ніж півсторіччя тому, стали в наш час важливою, а часто просто незамінною частиною в загальному обсязі синтетичних полімерних матеріалів. Сьогодні епоксидні в'яжучі лідирують серед інших відомих типів в'яжучих, що використовуються у виробництві ПКМ.

Стійке, випереджаюче зростання виробництва епоксидних в'яжучих пояснюється:

1) доступністю сировинних ресурсів для їх виробництва;

2) винятковою гнучкістю цього класу полімерів, які здатні задовольнити різноманітні та складні вимоги до технології переробки їх у вироби і разом з тим забезпечити високий рівень експлуатаційних характеристик (фізико-механічних властивостей у широкому діапазоні температур, хімічної стійкості, діелектричних, оптичних властивостей та інше). Епоксидні матриці мають низьку усадку (менше 2%), високу адгезію, яка перевищує адгезію більшості інших полімерів до наповнювача, високу водо-, радіаційну стійкість тощо і, нарешті,

3) неперервним ростом потреб, пов'язаних з розвитком багатьох галузей сучасної техніки та технології, високоміцних композитів.

Епоксидними в’яжучими - називають термореактивні композиції, що містять у своєму складі реакційно здатні олігомери з епоксидними кінцевими або середніми групами, які здатні тверднути під дією різних сполук. Найбільшого розповсюдження серед епоксидних олігомерів набули олігомери, синтезовані на основі епіхлоргідрину (гліцидилу). В такому випадку епоксидну групу називають гліцидиловою:

Епоксидні олігомери, що містять в молекулі гліцидилові групи, синтезують з епіхлоргідрину та сполук, які мають активний атом водню (спиртів, фенолів, тіоспиртів, тіофенолів, кислот, амінів, амідів, похідних гідразину та інше).

Найбільшого розповсюдження набули епоксидні олігомери на основі дифенілолпропану (бісфенолу А) - діанові епоксидні смоли.

А́том во́дню (Гідроген) - найпростіший із атомів хімічних елементів.
Епокси́дні смо́ли (також поліепокси́дні смо́ли - коректніша назва) - загальний термін на позначення синтетичних термореактивних смол, що являють собою пластикові маси (композиції) епоксиду, полімеризація молекул яких відбувається при додаванні каталізатора (отверджувач), в результаті чого маса необоротно твердне (зшивання полімерів).
В загальному обсязі виробництва епоксидних смол випуск діанових олігомерів складає більше 90%. Це олігомерні продукти з молекулярною масою від 300 до 800, які мають формулу:



Нині існує широкий асортимент діанових епоксидних смол, їх аналогів, які здатні задовольнити різноманітніші експлуатаційні та технологічні вимоги (ЕД- -24;
Молекуля́рна (фо́рмульна) ма́са (молекулярна вага) - маса молекули, виражена в атомних одиницях маси. Дорівнює сумі мас усіх атомів, що входять в дану молекулу. За молекулярну масу часто беруть середню масу молекули з урахуванням ізотопного складу всіх елементів, що утворюють хімічну сполуку.
ЕД-22; ЕД-20; ЕД-2 (СНД); ЕР-332; DER-652 (США); Epicote 834 (Англія); YD-134; YD-014; YD-017 (Японія) та інше.

Епоксидні смоли у переважній більшості випадків набувають технічно важливих властивостей лише в результаті перетворення у сітчастий полімер. Властивості сітчастого полімеру визначаються його структурою (хімічною, топологічною, надмолекулярною), яка у свою чергу залежить від хімічної природи та будови молекул олігомеру та отверджувача, співвідношення компонентів, умов проведення реакції ствердження.

Всі численні отверджувачі - зшивальні агенти, - можна поділити на дві групи:

1) стверджувані нуклеофільного типу (первинні, вторинні аміни, гідразини, карбонові кислоти та їх похідні- ефіри, аміди, ангідриди, спирти, феноли)

2) отверджувачі електрофільного (кислотного) типу (іони Н*, Ме ).

Карбо́нові кисло́ти - органічні сполуки, що містять одну або декілька карбоксильних груп COOH. За кількістю цих груп розрізняють одноосновні (бензойна, оцтова кислота), двоосновні (щавлева, малонова, фталева, азелаїнова кислота) та багатоосновні (лимонна кислота).
ХН- сполуки з рухливим атомом водню.
Для ствердження епоксидних смол також використовують різні смоли, наприклад, фенолоформальдегідні, аміноформальдегідні.

Отверджувач змішують з епоксидною смолою у розплаві. Якщо в'язкість розплаву велика або дуже висока температура плавлення одного з компонентів, то змішування проводять з використанням інертних розчинників, наприклад ацетону, який потім ретельно видаляють, або активного розріджувача - низьков'язкої смоли (ДЕГ, ТЕГ та інше).

Температу́ра плáвлення і затверді́ння - температура, при якій тверде кристалічне тіло здійснює перехід у рідкий стан і навпаки. За іншим визначенням - температура, за якої тверда фаза речовини знаходиться в рівновазі з рідкою.

Кількість отверджувача (у масових частках на 100 масових часток смоли) розраховують за формулою:

  1   2   3   4



  • Полімерні композиційні матеріали
  • ВСТУП
  • СТРУКТУРА ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ Що ж таке композиційні матеріали
  • І. За хімічним складом матриці: Полімерна
  • Металічна
  • Вуглецева
  • II. За хімічним складом армуючих елементів: Волокна
  • Плівки
  • Вуси (віскери)
  • Диперсні
  • V. За технологією виготовлення
  • Для композитів з металічною матрицею
  • VI. За способом гібридизації - створення різних комбінацій волокон
  • VII. За конструкційним призначенням
  • Полімеризація
  • 1.1. Термореактивні матриці