Промислові методи одержання армованих волокном пластиків

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Національний університет «Києво-Могилянська академія»

Кафедра хімії

РЕФЕРАТ

З курсу « Хімія та фізична хімія високомолекулярних сполук »

на тему: «Промислові методи одержання армованих волокном пластиків»

Виконала студентка Чорна Єлизавета Олегівна

Викладач к.х.н., доцент Солодка Л.М.

Київ 2012



Зміст

Вступ

I. Технологічний процес одержання армованих волокном пластиків,або полімерних композитних матеріалів(ПКМ)

II. Одержання деяких армуючих волокон і ПКМ

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

У даному рефераті розглянуті основні промислові методи одержання армованих волокном пластиків, або полімерних композитних матеріалів(ПКМ). ПКМ на сьогодні є важливими матеріалами у багатьох галузях промисловості, таких, як автомобіле-, літако-, корабле- та ракетобудування, виробництво спортивного інвентарю. За своїми характеристиками вони не поступаються металам, а в деяких випадках і перевершують їх.

Поетапно описаний технологічний процес, що включає в себе підготовку волокон(наповнювачів) і матриці(в'яжучого), просочування першого другим, формування виробу, затвердіння, видалення оправки.

Розглянуті основні матеріали, що використовуються для реалізації цього процесу. Проаналізована технологічна та економічна доцільність різних способів одержання ПКМ, використання деяких волокон у порівнянні один з одним. Наведені сфери застосування найпоширеніших ПКМ.

Інформація, що міститься у рефераті, може бути поштовхом для нових ідей з приводу впровадження нових, більш ефективних і економічних технологій одержання ПКМ.

I. Технологічний процес одержання армованих волокном пластиків,або полімерних композитних матеріалів(ПКМ)

Специфіка одержання ПКМ полягає у окремому виробництві наповнювачів(волокон, ниток) і матриць(в'яжучих пластиків) з наступним виготовленням виробів.

Для виготовлення полімерних композиційних матеріалів(далі - ПКМ) використовують такі види волокон(наповнювачів):

Поліолефінові волокна

- поліпропіленове: моноволокно, нитка, штапельне;

- поліетиленове

Фторволокна

- політетрафторетиленові

- з ацетонорозчинного фторопласту(фторлону)

Поліефірні волокна

- поліетилентерефталатне(лавсан)

- моноволокно

- текстильна нитка

- технічна нитка

- штапельне

Поліамідні волокна

- капронове

- комплексна нитка

Волокна на основі ароматичних поліамідів

- номекс

- фенілон

- сульфон - Т

- НТ-4

- кевлар

Поліімідні волокна

- арімід ПМ

- арімід - Т

- поліімідні комплексні нитки «Дюпон»

Поліоксадіаольні волокна

- волокна оксалон

Полібензімідазольні волокна

- волокна на основі 3,3' - диамінобензідину і дифенілізофталату

Волокна драбинної будови

- волокно лола зміцнене

Поліамідоімідні волокна

- кермель [1].

Матриця(в'яжуче) - безперервна полімерна фаза, в об'ємі якої розподілені частки наповнювача, що мають чітко виражену межу поділу з полімером [2].

У промисловості використовуються такі види полімерних матриць:

- термореактивні: епоксидні олігомери, ненасичені поліефіри, сечовино- і фенол-формальдегідні системи, олігоіміди;

- епоксидні та поліефірні в'яжучі олігомери;

- поліімідні та поліцианатні в'яжучі;

- термопластичні : полікетони, полісульфіди,полісульфони, полііміди [3].

Схема технологічної послідовності отримання ПКМ і виробів з них представлена на рисунку 1.1.

Хіміків - технологів перш за все цікавлять стадії безпосереднього одержання ПКМ. Нижче всі вони детально розписані.

1. Підготовка арматури. Контроль вихідної арматури включає випробування на відповідність технічним вимогам її механічних характеристик, розмірів, но- меру нитки, щільності тканини або стрічки, вмісту вологи. Скляні і вугільні волокна часто надходять до виробника покритими заоливлювачем, що є необхідним як технологічна добавка, але він зменшує міцність зв'язку між арматурою і матрицею. Оскільки межа поділу між волокном і матрицею є дуже важливою, оскільки це найслабше місце матеріалу і саме тут починається руйнування, спеціально проводять попередню обробку поверхні волокон. Вуглецеві волокна окиснюють, в результаті чого на їх поверхні утворюються гідроксильні, оксидні і інші полярні групи, що добре взаємодіють з полімерною матрицею. Поліетиленові волокна обробляють у плазмі, скляні та інші апретують.

Розшліхтування - операція видалення заоливлювача з поверхні волокон перед просоченням їх матрицею. Після розшліхтування деякі типи волокон посилено адсорбують вологу, що погіршує адгезію до них матриці і знижує експлуатаційні характеристики ПКМ в цілому.

Апретування - операція нанесення на поверхню гідрофобних покрить, які підвищують міцність зв'язку волокон з матрицею і знижують водопоглинання ПКМ. Наприклад, на скляні волокна наносять спеціальні речовини - апрети, котрі вступають в хімічні реакції як з поверхнею волокна, так і з матрицею при її затвердженні, утворюючи таким чином хімічний зв'язок між волокном і матрицею. У більшості апретів кремнійорганічна група вступає в реакцію з гідроксильними групами на поверхні скляних волокон:

R-Si-(OCH₃) + HO-Si(пов) > R-Si-O-Si(пов) + CH₃OH.

При затвердженні матриці інша група апрету, наприклад, вінільна, реагує з молекулами матриці:

R*_зв'яз. + CH₂=CR₁R₂ > R з'вяз.-CH₂-C*R₁R₂.

армований пластик полімерний композитний

Снування волокон проводять в тих випадках, коли вони надходять на бобінах, не придатних для намотування або просочення. Це операція перемотування однієї або декількох паралельних ниток, джгутів, стрічок або тканин на одну упаковку з паралельним укладанням суворо в стик. Якщо перемотується тільки одна нитка, то снування називається перемотуванням. При снуванні необхідно забезпечити рівномірний натяг арматури, що перемотується, протягом всієї операції. Перемотуватися повинна така кількість волокон, яка необхідна для виконання повного технологічного переходу і яке забезпечувало б безперервну роботу обладнання протягом заданого часу (години, півзміни, зміни). Для цього кінці стрічок або тканин з'єднують у безперервну арматуру. При снуванні арматура укладається в однонапрямлену смугу - рівницю. Снування часто поєднують з просоченням.

Рис. 1.1 Технологічна послідовність отримання ПКМ і виробів з них.

2. Приготування матриці (в'яжучого).

Крім основного компоненту (смоли), в матрицю залежно від її природи вводять різну кількість затверджувачів, каталізаторів, пластифікаторів і пігментів. Крім того, щоб надати матриці необхідну технологічну в'язкість, вводять розчинники або розбавлювачі.

Розчинники - летючі рідини, що розчиняють смолу та інші компоненти матриці. До формування розчинники видаляють з матриці, тому арматуру перед намотуванням сушать при 30-170 ° С. У більшості випадків матриці з летючими розчинниками застосовують для «сухого» формування. Практично всі розчинники (ацетон, бензен, толуен, дихлоретан, чотирихлористий вуглець, метанол і ін.) токсичні і легкозаймисті, тому при роботі з ними вимагають ретельного дотримання правил техніки безпеки.

Розбавлювачі - нелеткі рідини, які сприяють отриманню необхідної технологічної в'язкості матриці та залишаються в ній після затвердіння. Розбавлювачі одночасно виконують і роль пластифікатора, підвищуючи пластичність затверділих матриць. Наприклад, як розбавлювач високов'язких епоксидних смол використовують низьков'язкі епоксидні смоли. Матриці з розбавлювачами зазвичай використовують при «мокрому» формуванні.

Суміш всіх компонентів, що входять до складу матриці, називається компаундом. Важливою технологічною характеристикою матриці є її життєздатність - здатність зберігати певний час (від кількох хвилин до декількох діб) технологічну в'язкість в заданих межах. З плином часу з матриці випаровуються розчинники, що збільшує в'язкість компаунда, погіршує його просочувальні характеристики і, як наслідок, змінює співвідношення матриці і наповнювача в остаточному продукті. Якщо розчинники випаровуються повільно, то компаунд має високу життєздатність, проте істотно збільшується час сушіння. Може навіть вийти так, що час повного видалення розчинника перевищить час затвердіння матриці. В цьому випадку в затверділому полімері буде багато пор і газових бульбашок. Застосування сильно летючих розчинників різко зменшує життєздатність матриці, що є небажаним. Тому найчастіше використовують розчинники середньої летючості. В процесі доставки матриця може бути дуже в'язкою, навіть твердою. При транспортуванні і зберіганні в неї іноді потрапляє волога. Тому перед застосуванням смолу розігрівають у спеціальних металевих ємностях до 100-140 ° С і після видалення води розводять розчинниками або розбавлювачами.

3. Просочування - операція суміщення наповнювача з матрицею шляхом нанесення компаунда на поверхню арматури і заповнення ним об'єму між волокнами. Вироби з ПКМ отримують в основному двома способами просочування - «мокрим» і «сухим».

При мокрому способі волокна просочуються рідкою матрицею безпосередньо перед намотуванням, тобто просочування технологічно поєднане з формуванням виробу. При сухому способі просочування виділене як самостійна операція, в результаті якої з арматури і матриці отримують препреги.

Препреги - це нитки, джгути, стрічки і тканини, які після просочення підсушені і частково затверділі. Просочення і підсушування виконуються на спеціалізованих заводах окремо від намотування, що дозволяє розширити діапазон застосовуваних полімерних матриць за рахунок використання різних розчинників (ацетону, спирту, толуену та ін.). Матриці з розчинниками мають низьку технологічну в'язкість, а це дозволяє досягти високої якості і рівномірності просочення. В частково затверділому стані препреги можуть перебувати від кількох днів до кількох місяців в залежності від температури навколишнього середовища. Сухе намотування є більш ефективним, ніж мокре. Недоліки мокрого намотування зводяться до наступного:

1)Вибір матриць для мокрого намотування обмежений тими смолами, які можна використовувати в рідкому вигляді, наприклад, епоксидними або поліефірними. 2)Щоб відрегулювати в'язкість в потрібних межах, розчинники застосовувати не рекомендується, оскільки летючі речовини, видаляючись при затвердінні намотаного виробу, призводять до утворення пор, бульбашок, погіршують монолітність і міцність. Застосування розчинників при мокрому намотуванні допускається тільки для виготовлення невідповідальних деталей. 3)Використання рідких матриць погіршує санітарні умови на робочому місці, забруднює його.

4)Продуктивність мокрого намотування обмежена швидкістю просочення ниток матрицею. Якщо ж нитку протягувати занадто швидко, вона не покриється достатнім шаром смоли.

5) Застосування підігріву для зменшення технологічної в'язкості смоли зменшує життєздатність матриці, прискорює процес полімеризації і погіршує просочувальні властивості смоли.

6)При мокрому намотуванні важко точно відрегулювати концентрацію компонентів у виробі, оскільки зміна діаметра намотуваної деталі змінює зусилля натягу і, як наслідок, вміст смоли по товщині виробу. Частина смоли при мокрому методі пропадає як надлишок, знятий з виробу, або як залишок в просочувальній ванні. Сухе намотування препрегами позбавлене всіх перерахованих недоліків. Його відрізняє: 1)Висока продуктивність, оскільки швидкість намотування не лімітується швидкістю просочення і цілком залежить від можливостей намотувального устаткування. 2)Можливість використання широкого ряду смол.

3)Рівномірний розподіл матриці у всьому об'ємі виробу.

4)Мінімальні відходи матеріалів.

5) Можливість отримання виробів складної форми.

6) Підвищена герметичність і низька пористість отриманих виробів. До числа основних недоліків сухого намотування належать його підвищена (у 2-3 рази) вартість у порівнянні з мокрим, необхідність застосовувати спеціальне технологічне обладнання. При мокрому намотуванні потрібні менші зусилля натягу, оскільки опір ущільненню рідкої матриці порівняно невеликий. Як відомо, арматурою для ПКМ можуть служити як окремі волокна (бору, карбіду кремнію, металів тощо), так і нитки (кручені і некручені), джгути, мата і тканини. Арматуру з окремих волокон просочують, наносячи шари матриці на їх поверхню і склеюючи сусідні волокна один з одним. При цьому всі волокна в шарі укладені в одному напрямку і утворюють шпон. Наприклад, при виробництві анізотропного матеріалу Сваму (скловолокнистий анізотропний матеріал), в якому наповнювачами є елементарні скляні волокна, одночасно з витягуванням волокон з фільєр та їх намотуванням на обертовий барабан на них наноситься матриця (найчастіше методом напилення), яка швидко висихає при кімнатній температурі. При цьому розчинник повинен бути високолетючим. Окремі волокна з бору, карбіду кремнію і металів просочують також або пропускаючи їх через ванну з рідкою матрицею. Основне завдання при цьому - забезпечити необхідну товщину компаунда на волокнах, щоб в кінці отримати необхідне співвідношення наповнювача і матриці. Просочення ниток, джгутів і тканин, крім нанесення рідкої матриці на поверхню волокон, повинне включати і проникнення її вглиб арматури. Розрізняють такі методи просочення: - протягування арматури через рідку матрицю;

- роликом, що купається;

- напилення;

- примусове просочення.

Для ПКМ з дуже жорсткою арматурою (високомодульні, графітові, борні та ін. волокна), яка не допускає малих радіусів перегину, використовують метод просочення роликом, що купається (рис. 1.2).

Рис.1.2 Схема просочення роликом, що купається : 1 - ролик; 2 - волокна; 3 - рідка матриця.



При обертанні ролик 1 захоплює на свою поверхню матрицю 3 і переносить її на волокно. Найпростіше в реалізації - механічне примусове просочування. На Рис. 1.3 наведена схема механічного примусового просочення в клиновий камері.

Рис. 1.3 Схема механічного примусового просочення в клиновий камері.

В клиновий камері компаунд захоплюється рухливою арматурою в клинову порожнину. В клиновій порожнині за рахунок зменшення перетину каналу камери зростає тиск, що призводить до заповнення простору між волокнами.

4. Формування - операція надання виробу потрібної форми і розмірів. Формування здійснюють на пресах, литтєвим пресуванням, литтям під тиском,екструзією, контактним, вакуумним, автоклавним методами і намотуванням. Оскільки більшість методів формування споріднені з методами переробки полімерів, то не будемо детально зупинятися на них, а розглянемо тільки метод намотування. В цьому випадку просочена матрицею арматура з натягом намотується на оправку. Намотування дозволяє підвищити продуктивність праці, автоматизувати процес формування і програмувати анізотропію властивостей кінцевого продукту. Найбільш широко намотування використовують для виготовлення виробів, що мають форму тіл обертання (циліндри, сфери, конуси, тороїди та ін.). Арматура, що використовується при намотуванні, - це елементарні волокна, рівниці, нитки, джгути, стрічки, тканини. В залежності від заданих характеристик виробу, ступеня його анізотропії, типу смоли і арматури застосовують сухий або мокрий способи. За кінематичною ознакою розрізняють токарну, шліфувальну і обмотувальну схеми намотування. Вибір намотувального обладнання визначається кінематичною схемою намотування і типом арматури.

Рис. 1.4 Токарна(а) і обмотувальна(б) схеми намотування труб: 1 - оправка, 2 - пакування; 3 - арматура, 4 спрямовуючий палець.

При токарній схемі (Рис. 1.4, а) головним рухом служить обертання оправки 1, а рух подачі здійснює пакування 2 з арматурою 3 паралельно осі виробу. Цей тип намотування дозволяє використовувати модернізовані токарні верстати.

Шліфувальна схема передбачає передачу руху подачі оправці, що обертається. При обмотувальній схемі (Рис. 1.4, б) пакування 2 з арматурою 3 встановлюють на вертлюзі, обертання якого служить головним рухом, а рух подачі зазвичай здійснюється поздовжнім переміщенням оправки 1. Зі зменшенням діаметра пакування змінюється положення намотуваної стрічки, що призводить до зміни зусилля натягу та контактного тиску. Це не дозволяє досягти однорідності структури ПКМ. Щоб поліпшити якість намотування, застосовують спрямовуючі ролики або пальці. При намотуванні зі спрямовуючим пальцем 4 зміна діаметра пакування на величину натягу арматури не впливає. За типом укладання армуючих волокон в намотаному виробі розрізняють окружне, спіральне і поздовжнє намотування. Можливі також різні комбінації цих намотувань.

Окружне намотування (Рис. 1.5) здійснюють під кутом близько 90 ° до осі виробу і поєднують з поздовжнім армуванням. Якщо ширина намотуваної стрічки менше довжини виробу, то оправка отримує дуже незначну подачу вздовж осі.

Рис. 1.5 Схеми окружного намотування стрічками

Цей тип намотування дозволяє отримувати вироби з конусністю не більше 20 ° при мокрому способі, і не більше 30 ° при сухому. Спіральне намотування (Рис. 1.6) виконують, укладаючи нитки під кутом менше 80-85 ° до осі обертання оправки. Змінюючи кут намотування (в залежності від відношення швидкостей обертання оправки і подачі), можна створити різні співвідношення поздовжньої і поперечної міцностей намотаного виробу. Арматурою служать нитки, джгути і стрічки.



Рис.1.6 Схеми окружного намотування стрічками: а - полярне намотування ниткою; б - перехресне намотування ниткою; в - намотування широкою ниткою.

Спіральне намотування можна виконувати на деяких ділянках виробу, забезпечуючи конструктивні потовщення, ним можна отримувати вироби змінного перерізу. Полярне намотування (Рис. 1.6, а) здійснюють на спеціальних намотувальних машинах.

Поздовжнє намотування (Рис.1.7) відповідає розташуванню арматури в напрямку, паралельному осі виробу, і виконується на спеціальних машинах. Під час руху каретки з волокнами (тут використовуються тільки нитки і джгути) оправка залишається нерухомою, а коли каретка зупиняється, повертається на 180 °. При цьому необхідно дуже чітко фіксувати положення нитки і оправки, інакше арматура може зіслизнути з оправки, особливо при мокрому намотуванні.

Рис.1.7 Схема поздовжнього намотування.

Крім розглянутих типів намотування і їх комбінацій, є спеціальні види намотувань: конічне, при якому потрібно криволінійний рух каретки з ниткою; сферична і близька до неї овальна, які виконуються на верстатах з програмним управлінням, що дозволяє забезпечити однакову товщину стінок і однакову міцність у всіх перетинах кулі; комбінована, яка вимагає складного запрограмованого руху нитки вздовж кількох осей, та ін. В останні роки створені автоматичні установки з програмним управлінням для отримання намотуванням виробів квадратного або прямокутного перерізу (типу паралелепіпедів) з покриттям ниткою всіх шести граней такого виробу. Застосування того чи іншого типу намотування визначають призначення і конструкція виробу, його розміри, маса, склад матеріалу і т. п. Для власне формування виробу при намотуванні потрібно забезпечити певний контактний тиск формування, яке зазвичай створюється або натягом арматури, або притискними роликами.

Рис.1.8 Схеми формування методом локального притиску: а - з одним роликом, б - з двома роликами; в - з трьома роликами.

Формування за допомогою притискних роликів - метод локального притиску (Рис. 1.8) - дозволяє ущільнювати при намотуванні товстостінні вироби. Якість виробу при такому формуванні залежить від правильного вибору діаметра притискних роликів, напрямів обертання і зусилля притиску N. Для виробів малого діаметра застосовують локальний притиск одним роликом (Рис. 1.8, а), зі збільшенням діаметра намотуваного виробу можуть використовуватися дво- ( Рис. 1.8, б) і трьохроликові (Рис. 1.8, в) притиски. Формування за допомогою притискних роликів застосовують спільно з натягом арматури в тих випадках, коли для забезпечення монолітності ПКМ зусилля натягу виявляється недостатнім. Метод намотування широко використовується і для виробництва листових ПКМ з діагональним переплетенням волокон (Рис. 1.9). Спосіб полягає в пропущенні волокна 4 через ванну з матрицею 6 з подальшим намотуванням на оправку 10 за заданою схемою. Після досягнення необхідної товщини (? 9,6 мм на оправці діаметром 762 мм) матеріал покривають захисною плівкою, розрізають уздовж твірної оправки, знімають і розрівнюють. Для надання матеріалу заданих властивостей в різних напрямках варіюють кут нахилу волокна (найбільш часто він становить 85 ?), а для збільшення міцності в поперечному напрямку додають коротке рубане волокно (до 60% від загальної кількості волокна).

Рис.1.9 Схема установки фірми «ППГ Індастріз» для діагонального переплетення волокон

1 - формуюча рамка, що качає; 2 - пакування (360 шт.); 3 - нитководій, 4 - поодинокі нитки скловолокна; 5 - джгутороздільна рама, 6 - ванна з матрицею; 7 - фільєри; 8 - розпірна планка; 9 - рубальна установка; 10 - оправка.

5. Затвердіння. В процесі затвердіння матриці створюється кінцева структура ПКМ, формуються його властивості і фіксується форма виробу. Основні технологічні параметри затвердіння - температура, час і ступінь затвердіння. Необхідно суворо витримувати параметри, розроблені для кожної комбінації матриці і арматури. Затвердіння виконують при кімнатній температурі (холодне затвердіння), при підвищених температурах (гаряче затвердіння) в електричних або індукційних печах з автоматичним регулюванням температури або радіаційним способом. При затвердінні спостерігаються дві характерні стадії, через які послідовно проходить термореактивна матриця:

- початкова - до виникнення полімерної сітки;

- кінцева - в процесі формування полімерної сітки.

Ці дві стадії відокремлені одна від одної так званою точкою гелеутворення. Точка гелеутворення відповідає тому моменту, коли матриця втрачає здатність переходити в текучий стан і розчинятися, тобто втрачає свою життєздатність і технологічні якості. Це одна з найбільш важливих технологічних характеристик процесу затвердіння. В певній області температур в'язкість матриці збільшується до рівня, відповідного в'язкості твердого тіла. Всі властивості матриці різко змінюються: зменшується питомий об'єм, збільшується твердість, зростає опір деформації. Рідка матриця переходить в склоподібний стан. Ці зміни відбуваються в деякому інтервалі температур, що охоплює 10-20 ° С. Ступінь затвердіння термореактивних матриць контролюють методами диференціальних термічного і скануючого калориметричного аналізів за зміною кількості матриці, що розчиняється в киплячому розчиннику (метод екстракції), а також за частотою хімічних вузлів в полімерній сітці, яка визначається опосередковано на основі вимірювання деформаційних або пружних властивостей полімеру.

До повного вичерпання реакційноздатних груп реакція затвердіння може протікати тільки в тому випадку, коли температура затвердіння вище температури склування повністю затверділої матриці Т_с?. При температурі нижче Т_с? повного затвердіння досягти неможливо, в полімері залишаються реакційноздатні групи, але їх здатність до з'єднання з іншими групами дуже мала, оскільки в результаті склування втрачена рухливість. При експлуатації ПКМ з не повністю затверділою матрицею при підвищених температурах затвердіння продовжується, що призводить до зміни форми і розмірів виробу, появи додаткових внутрішніх напружень. Якщо реакція затвердіння супроводжується екзотермічним ефектом і температура навколишнього середовища низька, усередині матеріалу температура може виявитися вище Т_с? і матриця затвердіє повністю. На цьому принципі засновано холодне затвердіння термореактивних матриць. Однак, для відповідальних виробів у більшості випадків застосовують гаряче затвердіння термореактивних полімерів. Воно більш технологічне і дозволяє одержувати вищі механічні властивості ПКМ.

6. Видалення оправки. Після намотування і затвердіння виробу демонтують оправку. До оправки висувають такі вимоги:

- достатня жорсткість і міцність, необхідні для того, щоб витримати напруги, що виникають при формуванні виробу;

- висока чистота поверхні і точність розмірів;

- стійкість до впливу підвищених температур, необхідних для затвердіння матриці; - можливість вилучення оправки після затвердіння.

За конструкцією оправки ділять на суцільні, розбірні, надувні і руйнівні. Суцільні оправки застосовують при формуванні виробів, з яких оправку можна витягти повністю (циліндри, конуси, півсфери і т. п.). У цих випадках витяг оправки з виробу не представляє принципових труднощів, якщо на її поверхню попередньо нанесено антиадгезійне покриття. Для полегшення демонтажу поверхню циліндричних оправок виконують з невеликим технологічним конусом. Суцільні оправки виготовляють з конструкційних сплавів (сталі, Al, Ti), пластика або кераміки (в основному гіпсу). Вибір матеріалу оправки визначається розміром виробів, їх точністю і масштабом виробництва.

Розбірні оправки виконують із конструкційних сплавів або пластиків і використовують при формуванні виробів, з яких суцільні оправки витягти не можна(сферичні деталі з кутом охвату понад 180°, комбінації сферичних і циліндричних частин та ін.).

У цих же випадках використовують і надувні оправки. Вони зручні, але не забезпечують високої точності, тому застосовують їх тільки для невідповідальних виробів.

Якщо контур деталі замкнутий або близький до такого, то застосовують руйнівні оправки. Їх виготовляють з розчинного або механічно руйнівного гіпсу, евтектичних сплавів. Після формування виробу оправку або руйнують механічно, або розчиняють у воді, або розплавляють нагріванням і видаляють через спеціальні отвори.

Після виконання усіх вищезазначених операцій вирів передається для контролю якості [1].

Процедура виготовлення армованих волокном пластиків сама по собі є складною і включає в себе багато стадій. Вибір конкретного способу роботи з матеріалом серед такого різноманіття можливих на кожній стадії визначається такими факторами: хімічним складом волокна і матриці, розмірами і формою виробу, інтервалом робочих температур, ступенем відповідальності ролі виробу, наявністю відповідного устаткування і програмного забезпечення.

Виявлено, що сухе просочування, а відповідно і намотування, є більш технологічно вигідним за мокре. Гаряче затвердіння є більш технологічним за холодне і дозволяє одержувати вищі механічні властивості ПКМ.

II. Одержання деяких армуючих волокон і ПКМ

Розглянемо одержання деяких конкретних волокон і їх застосування у виробництві ПКМ.

1. Високомодульне поліетиленове волокно(ВВПЕ). ВВПЕ отримують багаторазовим витягуванням з гелю надвисокомолекулярного поліетилену (НВМПЕ) в середовищі адсорбційно-активної рідини, в якій проявляється ефект Ребіндера, що сприяє появі у волокні поперечних тріщин, так званих крейзів (crazes).

У вихідному стані ВВПЕ є хімічно інертним, має низьку поверхневу енергію і погано сполучається з полімерною матрицею. Активація нерівноважною низькотемпературною плазмою підвищує поверхневу енергію волокна і таким чином, підвищує механічні властивості таких КМ. Активацію проводять в плазмі аргону в умовах, що запобігають окисленню волокон і утворенню на їх поверхні нових хімічних сполук. В якості матриці використовується композиція з епоксидної смоли Епікот-828 з 10% вмістом затверджувача поліетиленполіаміну і 7,5% ацетону. Кільцеві зразки однонапрямленого КМ отримували і випробовували відомим методом NOLRing (стандарт США ASTM D2291-67). На розсувну сталеву кільцеву оправку у вигляді двох напівдисків намотують просочене матрицею волокно і, після витримки при кімнатній температурі протягом доби повністю затверділий ПКМ разом з оправкою піддавали термообробці при температурі 90 ° С протягом 3 годин. Були отримані зразки однонапрямленого композиту діаметром 150 мм, товщиною 1,5 мм і шириною 10 мм з об'ємною часткою волокна V_в = 40-43% [4].

Застосування: виготовлення частин корпусів автомобілей, літаків, ракет, катерів, яхт [5].

2. Скляні волокна - найпоширеніші і дешеві з армуючих волокон, мають велику щільність і низький модуль пружності. Скляні волокна витягують з розплавленої, спеціально приготованої суміші оксиду кремнію з оксидами різних металів. Великі витрати енергії - на розплавлення і гомогенізацію суміші. від якості гомогенізації в значній мірі залежить міцність волокна [6]. Виготовляються безперервні і штапельні скловолокна. Безперервні волокна одержують витягуванням розплавленої скломаси через фільєри діаметром 0,8...3,0 мм і подальшим швидким витягуванням до діаметра 3...19 мкм. Штапельні волокна отримують витягуванням безперервного скловолокна та розривом його на відрізки певної довжини або поділом розплавленого скла на окремі частини, які потім розтягують (роздувають) на короткі волокна відцентровим або комбінованим способом. Виготовляються в основному кварцеві, кремнеземні і алюмоборосилікатні волокна та деякі інші. Кварцеві волокна в основному отримують з природних кварцевих стрижнів витягуванням. Кремнеземні волокна, що містять 94...99% SiО₂, отримують вилуговуванням з силікатних стекол оксидів алюмінію, бору, кальцію, магнію. Найширше застосовуються вилужені алюмоборосилікатні волокна і волокна з високоміцного скла [7], [8] .

Застосування: корпуси мінних тральників, у радіопрозорих елементах, в будівництві, побуті, суднобудуванні, у тому числі підводному, в наземному транспорті, у спортивному інвентарі [6].

3. Вуглепластики. На основі вуглецевих волокон роблять найбільш теплостійкий композиційний матеріал - вуглепластик, в якому матрицею, що склеює вуглецеві волокна, служить також практично чистий вуглець. Вуглецеві волокна просочують, наприклад, фенолформальдегідною матрицею, яку затверджують, а потім карбонізують при високій температурі (до 2000 ° С і вище). Оскільки при цьому матеріал стає пористим, його ще раз просочують матрицею і знову карбонізують. Цю операцію повторюють кілька разів. Інший спосіб - хімічне осадження вуглецю з газової фази при високих температурах і тиску. Перспективний і комбінований метод - спочатку просочування матрицею і карбонізація, а потім осадження вуглецю з газової фази. Одержаний матеріал може працювати при температурах до 3000 ° С, якщо його поверхню захистити від окислення. Застосування: в авіації, автомобіле- та ракетобудуванні(носові обтічники ракет, гальмівні колодки і диски для швидкісних літаків, космічних кораблів багаторазової дії "Шаттл" і гоночних автомобілів); при виготовленні спортивного інвентарю(велосипедів, тенісних ракеток, вудочок і т.п.); у космічних телескопах або інших аналогічних елементах космічної техніки [6], [9], [10].

4. Борні волокна отримують методом хімічного осадження з газової фази реакцією: BCl₃ + H₂ >Bv + HСl. Осадження ведеться на тонкий (діаметром кілька мікрон) вольфрамовий дріт. Оскільки сама технологія складна, то і її вартість висока. Застосування: у військовій аерокосмічній техніці для виготовлення деталей, невеликих глибоководних апаратів [6].

Висновок: ВВПЕ перед армуванням через свою хімічну інертність потребує активації нерівноважною низькотемпературною плазмою, що підвищує міцність зв'язування волокна з матрицею. Скловолокна - найпоширеніші і дешеві. Виготовляються двох видів: безперервні і штапельні. Вуглепластики - найтермостійкіші ПКМ(витримують до 3000 ° С). Одержують звичайним просоченням і карбонізацією або хімічним осадженням вуглецю . Борні волокна отримують методом хімічного осадження з газової фази. Технологія складна, її вартість висока.

Висновки

1. Процедура виготовлення армованих волокном пластиків сама по собі є складною і включає в себе багато стадій,таких як підготовка волокон і матриці, просочування, формування, затвердіння, видалення оправки і з'єднання з іншими деталями конструкції.

2. Вибір конкретного способу роботи з матеріалом серед такого різноманіття можливих на кожній стадії визначається такими факторами: хімічним складом волокна і матриці, розмірами і формою виробу, інтервалом робочих температур, ступенем відповідальності ролі виробу, наявністю відповідного устаткування і програмного забезпечення.

3. Міжфазова поверхня між волокном і матрицею є дуже важливою частиною ПКМ, тому вимагає особливої підготовки обох складових перед просоченням. Способи підготовки дуже варіюють, але усі вони збільшують міцність як механічного, так і хімічного(на рівні функціональних груп) зв'язку між волокном і матрицею.

4. Виявлено, що сухе просочування, а відповідно і намотування, є більш технологічно вигідним за мокре. Гаряче затвердіння є більш технологічним за холодне і дозволяє одержувати вищі механічні властивості ПКМ.

5. ВВПЕ перед армуванням через свою хімічну інертність потребує активації нерівноважною низькотемпературною плазмою, що підвищує міцність зв'язування волокна з матрицею.

6. Скловолокна - найпоширеніші і дешеві. Виготовляються двох видів: безперервні і штапельні.

7. Вуглепластики - найтермостійкіші ПКМ. Одержують звичайним просоченням і карбонізацією або хімічним осадженням вуглецю .

8. Борні волокна отримують методом хімічного осадження з газової фази. Технологія складна, її вартість висока.

Список використаних джерел

Композиционные материалы/[Юскаев В.Б.].- Учебное пособие СумГУ, 2006.-199 с.

Армированные пластики - современные конструкционные материалы /[ Э.С. Зеленский, А. М. Куперман, Ю. А. Горбаткина, В. Г. Иванова-Мумжиева, А. А. Берлин].- Российский химический журнал общества им. Д.И. Менделеева, 2001.-т. XLV, № 2.- 56-74 сс.

Образование прочного соединения между волокном и матрицей в компо-зиционном материале полиэтиленпластике/[ В.В.Кудинов, И.К.Крылов, И.Ш.Абдуллин,Н.В.Корнеева, В.И.Мамонов, М.В.Геров].- Физика и xимия обработки материалов, 2010.- №5.- 57-60 сс.

http://www.ngpedia.ru/id334417p2.html Большая Энциклопедия Нефти Газа. Стаття «Производство - армированный пластик».

Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) /[ Берлин А.А.].- Соросовский образовательный журнал, 2000.- №1.- 57-65 сс.

Основы производства ЛА и АД. Конструкции их композиционных материалов /[ Макин Ю.Н.].- 2010.- 15 с.

Методы получения высокопрочных ориентированных стеклопластиков из элементарных волокон в процессе их вытягивания из фильер стеклоплавильного сосуда. Нереализованные возможности/[Куперман А.М.]. - Композиты и наноструктуры, 2010.- №1.- 47- 63 сс.

Теплопроводность углепластиков на основе термостабильных армированных структур для прецизионных конструкций/[ Климакова Л.А., Половый А.О.]. -Механика композиционных материалов и конструкций, 2009.- Т. 15,№3.- 319-326 сс.

Полимерные композиционные материалы(армированные пластики,ВКПМ) /[Михайлин Ю.А.]. - 2007.- 39 с.

Размещено на Allbest.ru