Технологии

Все виды ПВКМ условно можно подразделить по различным признакам: по волокнистому составу АВН, по видам применяемых матриц, по назначению и др. Исторически ВПКМ производились на основе природных волокон (хлопка, древесных волокон) и асбеста с реактопластами в качестве матриц - это различного состава пресс-волокниты, гетинаксы, текстолиты и другие ставшие уже традиционными выпускные формы. Со временем к ним добавились ВПКМ на основе стекловолокон и несколько позже - на основе различных специально созданных армирующих химических волокон. В качестве матриц стали широко применяться также термопласты.

В настоящее время для армирования ВПКМ широко используются АВН из химических органических и неорганических волокон. Они входят в состав композита в виде коротких (резаных) волокон, нитей, лент, жгутов, тканей, нетканых материалов и войлоков и других волокнистых структур. В качестве матрицы применяются термопласты (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и др.) и реактопласты (фенопласты - фенолформальдегидные или фенольные; аминопласты - меламино- и мочевиноформальдегидные; эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные и др. полимерные связующие).

Волокнистые ПКМ имеют значительно меньшую плотность и более высокие удельные (на единицу массы) механические характеристики, менее теплоемки и теплопроводны, чем многие другие виды материалов. Большинство являются диэлектриками, обладают высокой эксплуатационной стойкостью при действии активных сред и других внешних воздействий. ВПКМ на основе природных и стекловолокон достаточно полно отражены в литературе, в то время как композиты на основе химических волокон - в гораздо меньшей степени, особенно в отечественной литературе, издание которой за последние 20 лет почти прекратилось. Именно поэтому данная публикация ставит своей целью обобщение информации о современных видах ВПКМ на основе химических волокон и полимерных матриц.

Основные виды волокнистых ПКМ

Полимерные материалы конструкционного назначения по составу можно (несколько условно) подразделить на следующие основные группы: ненаполненные пластики (в основном термопласты); дисперсно- наполненные пластики (композиты); волокнистые полимерные композиты (ВКПМ) (армированные пластики); гибридные композиты, армированные нитями и волокнами различного вида; комбинированные композиты, включающие в свой состав одновременно волокнистый и дисперсный наполнители (табл. 1).

БН - без наполнителя; ДН - дисперсный наполнитель; АВН - армирующий волокнистый наполнитель; ТП - термопласт; АТП - ароматический термопласт; РП - реактопласт; ТРП - термостойкий трудногорючий реактопласт.

В качестве ненаполненых пластиков используются в основном термопласты - полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и в очень редких случаях реактопласты.

В дисперсно-наполненых пластиках используются органические и неорганические наполнители с частицами размером значительно меньше критического, включая короткие волокна, матрицами служат термо- и реактопласты. Близкими к дисперсно-наполненым также могут считаться волокнистые композиты, в которых волокна имеют механические свойства более низкие, чем у матрицы, и не являются армирующими компонентами. В ряде случаев это позволяет придавать материалу другие специфические функциональные свойства, например, антифрикционные.

В состав ВПКМ входят АВН из волокон с размером выше критического и, как указывалось выше, полимерные матрицы - теромопласты или реактопласты. Волокна армирующего наполнителя воспринимают механические напряжения, определяя основные механические свойства ВПКМ: прочность, деформативность, жесткость. Матрица (связующее), находящаяся в межволоконном пространстве, служит для распределения механических напряжений между волокнами, тоже частично воспринимает эти механические напряжения, и, что очень важно, определяет монолитность материала.

Кроме того, в состав композитов могут входить компоненты, придающие им другие специфические свойства: пигменты, антипирены и др.

Взаимосвязь свойств исходных компонентов ВПКМ и их взаимовлияние

Свойства волокнистых композитов существенно зависят от свойств, состава и взаимного расположения компонентов, особенностей их взаимодействия на межфазной границе, а в некоторых случаях диффузии компонентов матрицы в волокна. Таким образом, между волокнами и матрицей должно выдерживаться определенное соотношение свойств, и их выбор не может быть произвольным.

Выбор основных компонентов ВПКМ определяется необходимыми функциональными требованиями, эксплуатационной надежностью композитов, совместимостью компонентов, технологичностью переработки, доступностью и стоимостью. Эти требования предусматривают прежде всего определенное соотношение между механическими и термическими свойствами армирующих волокон и матрицы: модуль упругости при растяжении и сдвиге волокон должен быть больше чем матрицы и/или связующего; прочность волокон должна быть больше чем матрицы и/или связующего; удлинение при разрыве волокон должно быть несколько меньше чем матрицы и/или связующего; коэффициенты Пуассона для волокон и матрицы желательно иметь достаточно близкими, чтобы при деформации композита на границе волокно-матрица не возникало напряжений, отрывающих их друг от друга и тем самым снижающих адгезию; термические характеристики волокон (температуры плавления или разложения) должны быть выше температур переработки термопластов и отверждения реактопластов.

Механические свойства ВПКМ определяются как свойствами исходных компонентов (волокон и матрицы), так и расположением волокон, т. е. структурой волокнистого армирующего наполнителя (нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых материалов, трикотажа, бумаги и др.). Длина и расположение волокон должны соответствовать возможности оптимизации механических характеристик ВПКМ.

Взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую реализацию механических свойств волокон в армированном материале и его монолитность. Для этого необходимы: хорошая смачиваемость волокон матрицей и/или связующим; высокая адгезия между волокном и матрицей, характеризуемая сдвиговой прочностью на границе раздела волокно-матрица; высокая адгезия должна долговременно сохраняться в условиях эксплуатации композита при активных внешних воздействиях, в том числе влаги; сохранение или минимальное изменение свойств волокон под влиянием компонентов матрицы; релаксация внутренних напряжений в элементарном объеме волокно-матрица при термообработке или под влиянием компонентов связующего и других факторов.

Другие физические, физико-химические и специальные функциональные свойства ВПКМ также определяются свойствами компонентов и их взаимодействием на границе раздела.

Основные виды армирующих химических волокон

Для получения волокнистых ПКМ применяются различные виды органических химических армирующих волокон, нитей и волокнистых материалов на их основе: технические нити - полиэфирные (лавсан), поливинилспиртовые и др.; параарамидные высокопрочные и высокомодульные волокна и нити (армос, русар, тварон, кевлар); метаарамидные термостойкие волокна (фенилон, номекс, конекс) для некоторых видов термостойких ВПКМ; полиоксадиазольные волокна и нити (арселон) для некоторых видов термостойких и фрикционных ВПКМ; волокна общего назначения (полиамидные, полиэфирные, вискозные и др.); углеродные волокна, нити и углеволокнистые материалы различных типов - карбонизованные и графитированные (табл. 2)

 ПЛ - плотность; МУ - модуль упругости; ПР - прочность; УР - удлинение при разрыве; ПТЭ - предельная температура эксплуатации; ВЛ - влажность при относительной влажности воздуха 65% и температуре 20 0С.

Основные выпускные формы органических АВН: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, плетеные и вязаные структуры, холсты и нетканые материалы.

Для специальных видов композитов используются термостойкие ароматические волокна (метаарамидные, полиоксадиазольные и др.). В небольших количествах используются акриловые (нитрон), поливинилспиртовые (винол) и некоторые другие волокна.

Используемые для армирования углеродные волокна (УВ) изготовляют на основе трех видов волокон-прекурсоров: полиакрилонитрильных, вискозных и пековых (из нефтяных и каменноугольных пеков). Из-за высокой хрупкости УВ их текстильная переработка в АВН затруднена. Поэтому необходимые для армирования текстильные структуры изготовляются из волокон-прекурсоров и в таком виде уже подвергаются высокотеммпературной термической обработке и превращению в углеродные волокнистые материалы (УВМ), основные характеристики которых сведены в табл.3.

 ПЛ - плотность; МУ - модуль упругости; ПР - прочность; УР - удлинение при разрыве; ПТЭ - предельная температура эксплуатации; УОС - удельное объемное сопротивление.

УВ и УВМ являются термостойкими, трудногорючими и химостойкими материалами. Они обладают электропроводностью, зависящей от условий их получения и введения легирующих добавок. Основные выпускные формы УВМ: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

В состав неорганических армирующих волокон и волокнистых наполнителей входят помимо силикатных (стеклянных и базальтовых) несколько других видов, получаемых на основе некоторых элементов (например, B), их оксидов (SiO2, Al2O3), карбидов (SiC и др.), нитридов и др., а также игольчатые монокристаллы (нитевидные кристаллы или «усы»). Однако основным видом неорганических армирующих волокон являются стекловолокна и стеклонити, изготовляемые из различных видов стекол. Наиболее распространены следующие их типы: А - щелочное, С - химостойкое, E - электроизоляционное, S - высокопрочное.

Выпускные формы стекловолокнистых материалов: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

В качестве АВН используются также полые стекловолокна и полые микросферы, что позволяет снизить эффективную плотность, а значит, и массу изделия. По ряду свойств к стекловолокнам близки волокна на основе природного силиката - базальта, им присуща более высокая химостойкость.

Основные свойства неорганических волокон сведены в табл.4.

 Д - диаметр; ПЛ - плотность; Тпл - температура плавления; МУ - модуль упругости; ПР - прочность; * волокна применяемые для теплоизоляции, имеют более низкие показатели.
Использование неорганических волокон для получения высокопрочных или высокотермостойких ВПКМ обусловлено их высокой жаростойкостью и огнестойкостью. Они устойчивы ко многим агрессивным средам, негигроскопичны. В окислительной среде наиболее стойки оксидные и карбидные волокна. Карбидные волокна являются полупроводниками, их электропроводность возрастает с повышением температуры.

Основные виды полимерных матриц (связующих)

К ним относятся термопластичные матрицы (термопласты) и отверждающиеся (реактопласты), которые являются полимерными (или полимерообразующими) реакционными системами.

Выбор и соотношение исходных компонентов в процессах получения матриц на основе реактопластов зависит от вида и условий получения ВПКМ, способа их термической обработки, возможности сочетания с определенными наполнителями.

Как уже говорилось, в ВПКМ матрица (связующее) служит для передачи и перераспределения механических усилий между отдельными частицами дисперсной фазы, защиты наполнителя от внешних воздействий, создания монолитности материала. Все эти функции связующего зависят от его взаимодействия с наполнителем в процессе получения и эксплуатации композита - соотношения свойств компонентов, смачивания, адгезии, изменения свойств при взаимодействии компонентов.

Матрица (связующее) в виде расплавов, растворов, дисперсий (порошков, эмульсий, суспензий), волокон или пленок сочетается с армирующими волокнистыми наполнителями при получении армированных волокнистых полуфабрикатов (премиксов, препрегов, прессовочных, заливочных и других композиций) или в процессах формования заготовок и изделий методами смешения, пропитки, напыления, механического соединения. Важное значение при этом имеет равномерное распределение матрицы (связующего) между частицами наполнителя или армирующего компонента. Оно зависит от смачиваемости компонентов, вязкости связующего и его поверхностной энергии. На стадиях переработки полуфабрикатов вид, количество и распределение связующего определяют технологичность материала - формуемость, объемную усадку и другие характеристики.

Термопласты представляют собой линейные или разветвленные карбоцепные или гетероцепные полимеры, сополимеры и их смеси. При нагревании они обратимо переходят в размягченное или расплавленное состояние.

Наиболее распространены термопласты на основе карбоцепных полимеров - полиэтилена высокой и низкой плотности (ПЭВП, ПЭНП), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), полистирола, полиакрилатов и др. Они доступны, дешевы, но имеют невысокие термические характеристики. Особое место среди карбоцепных полимеров занимают фторопласты (фторполимеры и сополимеры), имеющие высокую температуру плавления, термостойкость, химостойкость, негорючесть, антифрикционные свойства.

Широко используются термопластичные гетероцепные полимеры: полиамиды (ПА) и сополиамиды (поликапроамид - капрони найлон 6, полигексаметиленадипамид - аниди найлон 66, полиамиды 68, 10, 610, 12, 612 и др.), а также сложные полиэфиры (полиэтилентерефталат) и линейные полиуретаны, которые обладают более высоким комплексом функциональных свойств, но сложнее в переработке и дороже. Большинство термопластов являются материалами с умеренными термическими характеристиками. В термопласты часто вводятся различные добавки: минеральные порошкообразные наполнители, короткорезаные волокна и др.

В состав термостойких термопластов входят различные ароматические полимеры: поликарбонаты, ароматические полиамиды (полиметафениленизофталамид), ароматические полиэфиры, полисульфоны, полифениленоксиды, ароматические поликетоны и некоторые другие. Они обладают высокой тепло- и термостойкостью, устойчивы к эксплуатационным воздействиям, однако сравнительно дороги и в ряде случаев трудно перерабатываются.

К реактопластам относятся материалы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров, отверждаемых при повышенной температуре и/или в присутствии специально добавляемых в композицию веществ - отвердителей. При этом вследствие протекания химических реакций образуется сетчатая структура.

По виду реакционноспособных компонентов реактопласты подразделяют на следующие группы: фенопласты (на основе фенолоформальдегидных смол; аминопласты (на основе меламино- и мочевиноформальдегидных смол); полиэфирные смолы (на основе ненасыщенных полиэфиров, отверждаемых путем сшивки стиролом, акриловыми мономерами, полиалкиленгликольмалеинатом и полиалкиленгликольфумаратом); эпоксидные (эпоксидиановые) смолы, отверждаемые многофункциональными спиртами, аминами, карбоновыми кислотами. Часто для эпоксидных смол горячего отверждения используется триэтаноламинтитанат (ТЭАТ), а для смол холодного отверждения - полиэтиленполиамин (ПЭПА).

Наряду с указанными видами базовых связующих смол часто используются модифицированные их виды, в частности, эпоксифенольные. Процессы получения и переработки этих связующих весьма различны.

Все виды матриц (связующих) имеют свои особенности применения. Фенольные и близкие к ним смолы постепенно выделяют вредные компоненты, особенно при повышенных температурах, поэтому, как правило, их не рекомендуется использовать для изделий бытового назначения. Для таких изделий целесообразнее использовать меламиновые смолы, поскольку они не образуют заметных количеств вредных выделений. Полиэфирные смолы также малотоксичны в отвержденном состоянии, но обладают наиболее низкими механическими и термическими свойствами.

Наибольшая прочность и высокая адгезия к армирующим волокнам среди реактопластов присуща эпоксидным смолам, поэтому их предпочтительно использовать для изготовления более нагруженных изделий. Они также достаточно термостойки. При модификации этих смол фенольными связующими их показатели заметно улучшаются. Однако эпоксидные смолы относятся к весьма дорогим среди указанных реактопластов. Кроме того, они могут выделять в небольших количествах токсичные вещества.

При получении композитов со специальными свойствами применяются особые виды матриц (связующих), в том числе с высокой температурой размягчения и высокой термостойкостью, являющиеся высококачественными диэлектриками: термопласты (фторполимеры, ароматические метаполиамиды, например фенилон и номекс, поликарбонаты, полифениленоксид, полисульфоны, ароматичекие поликетоны), реактопласты (например, полиимиды).

В качестве матрицы с высокими электроизоляционными свойствами и высокочастотного диэлектрика применяется также ПЭВП, однако его термические характеристики невысоки.

Армирующие волокнистые наполнители (АВН)

Для конструкционных композитов общего назначения широко используются АВН на основе волокон с умеренными характеристиками механических свойств (стеклянных и других наиболее доступных и относительно дешевых волокон). Композиты со специфическими физическими и другими свойствами получают, используя АВН на основе соответствующих видов волокон и волокнистых структур.

Композиты с высоким уровнем механических свойств получают с использованием АВН на основе высокопрочных, а также сверхпрочных и высокомодульных волокон и нитей: параарамидных, стеклянных, углеродных, оксидных, карбидных, борных и др.

Получение термостойких композитов требует использования АВН на основе высокотермостойких ароматических, углеродных, специальных стеклянных, а также других неорганических волокон и нитей.

Для электроизоляционных конструкционных композитов используются АВН на основе полиэфирных волокон и специальных видов стеклонитей с высокими электроизолирующими свойствами (особенно для высокочастотных диэлектриков).

Видом волокнистого наполнителя во многом определяются заданные физические характеристики, а также устойчивость к эксплуатационным воздействиям (температуры, окружающей среды и др.). В ряде случаев выбор АВН может диктоваться экономическими причинами - их стоимостью как сырья.

Направление использования композитов требует соответствующего выбора полимерных матриц (связующих), обеспечивающих высокую степень реализации функциональных свойств армирующих волокон и АВН в готовом композиционном материале и изделии. Перечислим наиболее важные виды композиционных материалов в зависимости от волокнистого состава АВН: органопластики (содержащие различные органические волокна или нити); арамидопластики, армированные арамидными волокнами или нитями; стеклопластики (со стеклянными волокнами или нитями); углепластики (содержащие углеродные волокна или нити); боропластики и др.

Степень армирования и расположение волокон в АВН и ВПКМ

Как уже указывалось, свойства ВПКМ определяются не только характеристиками исходных компонентов, но также размером частиц наполнителя или армирующего компонента, их взаимным расположением и объемным содержанием.

Принципиальное отличие волокнистых ПКМ от текстильного материала то, что основным армирующим элементом в них является каждое отдельное волокно, окруженное матрицей и/или связующим, независимо от вида армирующего волокнистого наполнителя.

Структура применяемого АВН важна, как средство достижения заданного расположения и ориентации волокон по отношению к направлению действующих усилий в композите или композитном изделии.

Основные варианты расположения волокон в АВН и соответственно в получаемых на их основе композитах приведены на рисунке.

Исходя из изложенного, желательно добиваться более плотной упаковки волокнистого наполнителя. Предельную степень наполнения, или армирования Х можно рассчитать, исходя из плотной геометрической укладки шаров или цилиндров. Ниже приведены ее значения: для плотной укладки шаров Х = 0, 524; для плотной укладки цилиндров по треугольнику (гексагональная упаковка) Х = 0,907; при укладке цилиндров по квадрату Х = 0,785; при перекрестной слоевой укладке цилиндров Х = 0,785; при плотной трехмерной укладке цилиндров Х = 0,59.

Однако самая теоретически плотная укладка волокон невозможна и даже вредна, так как необходимо, чтобы каждое волокно было окружено слоем матрицы (связующего) для обеспечения наиболее высокой адгезии волокон, передачи механических усилий между армирующими волокнами и достижения максимальной монолитности композита и изделия.

Так, например, при заполнении межволоконного пространства однонаправленных ВПКМ выше критического значения (0,65...0,75) нарушается монолитность композита, что приводит к появлению в нем неравномерности напряжений, а поэтому к разрушению при меньших механических напряжениях, чем для монолитных образцов.

Существуют методы повышения объемной степени армирования. Один из них - применение смеси наполнителей с частицами различного размера, более плотно заполняющими объем. В случае однонаправленных АВН - это армирование нитями, жгутами или лентами с элементарными нитями различных поперечных размеров (диаметров). Для органических нитей предложено их профилирование путем вальцевания или протяжки через специальные волоки и/или фильеры при нагревании, вследствие чего их профиль приближается к многограннику (близкому к правильному шестиграннику), заметно увеличивая долю волокон в композите.

Анизотропия расположения и длина волокон в АВН и ВПКМ

Выше уже говорилось, что расположение волокон в ВПКМ связано с направлением действия нагрузок, причем оно задается как исходной структурой волокнистого наполнителя, так и условиями получения композита с целью наиболее полной реализации механических свойств волокон в готовом материале или изделии. Поскольку в армированных пластиках (волокнистых композитах) фактически «работают» отдельные волокна, находящиеся в матрице, то для армирования используются самые различные виды и структуры АВН.

Таким образом, армированные волокнами и волокнистыми структурами ПКМ с требуемым запасом механических характеристик обычно анизотропны, что зависит от расположения армирующего компонента и анизотропии самих волокон. Наибольшей анизотропией обладают 1-D (однонаправленные) и 2-D (двунаправленные) АВН и композиты на их основе, перекрестно-армированные или намотанные однонаправленными волокнистыми структурами: нитями, жгутами, лентами, тканями. Слоистые ком¬позиты на основе нетканых материалов, волокниcтых слоев (холстов), бумаг обычно мало анизотропны в плоскости армирования, но существенно анизотропны по отношению к нормальному к слоям направлению. 3-D АВН и композиты. Хаотически армированные в трех направлениях композиты обычно достаточно изотропны.

Некоторые армирующие волокна, например параарамидные, сами имеют высокую анизотропию механических и физических свойств, что определяет низкую прочность на сжатие и сдвиг однонаправленных и двунаправленных ВПКМ на их основе, а также двунаправленных композитов, например текстолитов. Для повышения этих свойств используют гибридные армирующие волокнистые наполнители, состоящие из различных видов волокон или нитей. В качестве второго компонента обычно используют мало анизотропные углеродные волокна (нити) или практически изотропные стекловолокна. В межволоконное пространство ПКМ могут вводиться также короткие волокна или нитевидные кристаллы, повышающие «поперечные» механические свойства.

Влияние длины волокон на свойства композитов существенно только до длины, составляющей несколько критических размеров. В готовых композитах критическая длина волокон, составляющая доли миллиметра, определяется значительными по величине силами адгезии между волокнами и матрицей. Таким образом, достижение необходимых механических свойств композитов при длине волокон в несколько миллиметров преимущественно зависит от их механических свойств и расположения в материале и уже относительно мало зависит от длины волокон.

В отличие от ВПКМ в текстильных материалах, образованных нитями (тканях, вязаных, плетеных и др.) основным структурным элементом является нить в целом, но не отдельное волокно. И именно она воспринимает прилагаемые к материалу механические усилия. Распределение этих усилий в текстиле происходит благодаря действию сил трения между волокнами и нитями, что приводит к большим критическим длинам. Так, критические длины волокон и нитей в текстиле составляют несколько миллиметров и более, а в ВПКМ они составляют только десятые доли миллиметра и менее.

При нагружении композитов расположение волокон изменяется незначительно, хотя они деформируются вместе с матрицей вплоть до разрушения композита. Следует отметить, что в отличие от композитов в текстильных материалах вследствие лабильности их структуры волокна и нити существенно изменяют свое расположение, ориентируясь в направлении действия максимальных нагрузок. В технологии получения композитов и изделий из них длина волокон в АВН в несколько раз превышает критическую, что важно для обеспечения «податливости» волокнистой структуры без ее разрыва и в результате - нужного расположения волокон. Это играет важную роль при использовании АВН в сложных по форме ПКМ и изделиях, поскольку при их получении изменение раскладки АВН позволяет переориентировать нити заданным образом.

Таким образом, используя различные виды АВН и технологические приемы, можно оптимизировать расположение армирующих волокон в готовом композите или изделии и добиться наиболее рационального варианта, при котором большая часть волокон расположена в направлении главных действующих механических напряжений в условиях эксплуатации.

Основные виды армирующих волокнистых наполнителей

Свойства волокнистых ПКМ, особенно механические, как отмечено выше, определяются, прежде всего, видом, свойствами, размерами и расположением армирующих волокон, т.е. строением АВН. Кратко рассмотрим основные виды армирующих волокнистых наполнителей - волокнистых структур.

Для изготовления высокопрочных жестких однонаправленных композитов применяются нити, жгутики (ровинги), жгуты и ленты, являющиеся однонаправленными АВН. Они также используются для получения слоистых пластиков путем выкладки слоев во взаимно перпендикулярных направлениях и под различными углами. Послойное расположение наполнителя особенно важно в случае прессования композитов на основе хрупких нитей, при котором наличие перегибов в текстильных структурах приводит к снижению степени реализации механических свойств волокон (нитей) или их разрушению при прессовании.

В случае использования углеродных АВН применяются тканые ленты, где армирующие нити являются основой, а редко расположенный уток служит в основном для фиксации нитей и сохранения структуры лент при получении композитов или изделий.

Высокомодульные нити, жгуты и ленты, предназначенные для изготовления особо прочных однонаправленных и намотанных изделий, должны уже в технологии их получения наматываться на патроны большого диаметра во избежание появления наведенной разнодлинности между отдельными элементарными или комплексными нитями. Например, для параарамидных и углеродных нитей линейной плотностью 100 текс и более наружный диаметр патрона желательно иметь не менее 80...100 мм.

Наиболее распространенными текстильными материалами, используемыми для получения слоистых пластиков типа текстолитов в виде листовых, намотанных и формованных изделий, являются ткани. Они применяются и для изготовления прессованных изделий с умеренным радиусом кривизны.

Для получения текстолитов применяют ткани полотняного, саржевого, сатинового и других простых переплетений, причем наличие в раппорте длинных перекрытий способствует получению композитов с более высоким уровнем механических свойств. Для изготовления текстолитов используются ткани различной поверхностной плотности - легкие (до 150 г/м2), средние (до 300 г/м2) и тяжелые (более 300 г/м2).

Для производства текстолитов все большее применение находят плоские плетеные текстильные структуры с заданным углом расположения наполнителей и раппортом переплетений, обеспечивающим максимально высокие механические характеристики в направлении действия внешних нагрузок. Раппорт с достаточно длинными перекрытиями нитей обеспечивает достижение большей прочности и жесткости структуры в заданном направлении. Использование же плетеных лент и шнуров диктуется особенностями профиля и механических свойств композиционных деталей и изделий. В большинстве случаев плетеные структуры изготовляют на основе оптимизационных расчетов по целевым заказам.

Сравнительно недавно в качестве АВН стали использовать трикотажные (вязаные) полотна и другие структуры. Возможности создания структур с заданным расположением нитей, необходимым для наиболее ответственных видов деталей и изделий, несущих высокие нагрузки, имеет определенные преимущества. Трикотажные полотна вследствие высокой податливости позволяют получать детали и изделия с малыми радиусами кривизны. Для достижения более высокого уровня свойств в направлении расположения слоев применяются переплетения с длинными прямыми участками петель. Трикотажные полотна имеют важные преимущества при изготовлении деталей и изделий с расположением наполнителя в виде вязаных объемных форм с различной плотностью вязания и заданной толщиной материала. Благодаря поперечному расположению нитей они обеспечивают получение материалов большой толщины, что необходимо для выработки малоанизотропных композиционных изделий с заданной анизотропией механических характеристик.

При изготовлении деталей и изделий, несущих высокую механическую нагрузку, широко применяются трехмерные тканые, вязаные и плетеные структуры. Эти АВН изготовляют обычно на основе высокопрочных и/или высокомодульных нитей: параарамидных, углеродных или неорганических. Получаемым объемным структурам придается внешняя форма изготовляемых деталей или изделий, причем нити в них располагаются таким образом, чтобы они были ориентированы в направлении действия наибольших механических напряжений.

Для получения листовых текстолитов с умеренными механическими характеристиками чаще всего используются нетканые материалы и другие волокнистые слои (холсты) на основе волокон. Они широко используются при изготовлении изделий методами прессования и контактного формования (выкладки), поскольку более податливы, чем тканые и другие структуры из нитей вследствие подвижности отдельных волокон. Благодаря этому обеспечивается возможность изготовления изделий со сравнительно малым радиусом изгиба при сохранении целостности и с незначительным утонением волокнистого слоя при прессовании. Нетканые полотна предпочтительнее для получения формованных изделий сложной формы.

Для обеспечения заданных механических характеристик ПКМ применяются гибридные волокнистые наполнители. К ним относятся сверхпрочные органические волокна и нити, имеющие высокие удельные механические характеристики при растяжении, но высокую анизотропию свойств, а значит недостаточный уровень прочности в поперечном направлении и при сдвиге. Последнее вызывает необходимость повышения поперечных свойств в анизотропных композитах - слоистых пластиках и других однонаправленных структурах.

Повышение поперечных свойств композитов особенно важно при армировании параарамидными волокнами, нитями и АВН на их основе. В этом случае в качестве второго компонента используются углеродные, стеклянные или другие неорганические волокна и нити. При этом возможно как получение гибридных АВН (лент, жгутов, тканей и других видов полотен), так и совместное их применение в процессе послойной выкладки при получения композитов. Гибридные АВН могут иметь вид волокнистых слоев, тканей, плетеных структур, вязаных (трикотажных) материалов.

Еще одной целью применения гибридных АВМ является придание им некоторых дополнительных физических или других свойств. Так, для получения электропроводных композитов и изделий из них в АВН вводят элетропроводящие углеродные волокна или нити. Таким путем создаются композиты с заданной электропроводностью или обладающие антистатическими свойствами.

Важным случаем является изготовление гибридных АВН, где второй компонент несет вспомогательные функции и затем удаляется либо входит в состав матрицы при получении композита. Примером этого является получение тканых или вязаных АВН из жестких и хрупких углеродных нитей или тонких проволок тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама и др.). В качестве нити-спутника используется хлопчатобумажная пряжа (которая затем либо удаляется выжиганием или кислотным травлением, либо остается в составе композита), а также нить из растворимых, например, поливинилспиртовых волокон (которая либо удаляется растворением водой, либо набухает и входит в состав почти любого термореактивного связующего).

При получении слоистых (листовых) бумажных пластиков - гетинаксов, а также сотовых конструкций используются бумаги на основе химических волокон, в частности, арамидных теромостойких волокон, либо бумаги, содержащие коротко резаные углеродные волокна.

Основные методы и стадии получения композитов и изделий

Для получения композитов и/или формования изделий из наполненных и армированных термопластов и реактопластов применяются различные исходные составы: порошкообразные и волокнистые наполнители; матрицы (связующие) в виде расплавов или жидких композиций (растворов и эмульсий, компаундов, содержащих исходные мономеры или олигомеры), премиксов (на основе эпоксидных, полиэфирных или других связующих), паст, порошков, гранул и таблеток, рыхловолокнистых смесей, препрегов (на основе нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых матов и холстов, бумаг, пропитанных связующим) и др.

Стадии получения волокнистых композитов и изделий из них в зависимости от вида матрицы (связующего), представлены в табл. 5.

 * Часто стадия фиксации материала или изделия осуществляется непосредственно после формования

Основные параметры процессов получения композитов - это давление, температура и время. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий заданной формы. Температурно-временные режимы получения деталей и изделий определяются протеканием в материале физических (кристаллизация, релаксация) и химических (отверждение и сшивка) процессов. Кроме того, продолжительность технологического процесса зависит от скорости прогрева или охлаждения перерабатываемого материала, что определяет выравнивание температуры по его толщине.

Промежуточной стадией получения армированных волокнистых полуфабрикатов в технологическом процессе получения композиционных материалов или изделий является пропитка волокнистых наполнителей. Для этого используют расплавы термопластов и растворы, жидкие олигомеры или дисперсии исходных компонентов для реактопластов. Пропитку ведут на машинах периодического или непрерывного действия, затем следует сушка (при пропитке растворами или дисперсиями) и охлаждение пропитанного наполнителя.

В процессах переработки термопласты, в том числе наполненные, переводятся в высокоэластическое или вязкотекучее состояние и при снижении температуры затвердевают. В расплавленном или текучем состоянии материал деформируется, приобретая форму детали или изделия. При охлаждении термопластов происходят процессы кристаллизации и релаксации (снятия внутренних напряжений), что необходимо для придания изделию стабильности размеров и формы.

При переработке реактопластов на первой стадии материал также плавится или размягчается, деформируется и приобретает необходимую форму. На второй стадии протекают реакции образования химических сшивок и сетчатой структуры полимера. Часто при отверждении реактопластов с выделением тепла происходит разогрев материала, вызывая его деструкцию. Поэтому в цикле формования может появиться необходимость отвода выделяющегося тепла.

После процесса формования изделий происходит их усадка как вследствие уменьшения объема при охлаждении и кристаллизации, так и особенно при отверждении реактопластов. Неполнота этих процессов может приводить к последующим усадочным явлениям и короблению готовых изделий.

При использовании исходных материалов, содержащих растворители, а также при отверждении реактопластов для сохранения монолитности композита низкомолекулярные продукты реакции должны быть удалены. Получению монолитного материала способствует также применение давления, поскольку остаточная часть низкомолекулярных компонентов, выделившаяся в виде газовой фазы (пузырей), под давлением может быть растворена со временем и уже не препятствует нормальному процессу формования изделий.

Армированные волокнистые полуфабрикаты (АВП) являются промежуточными материалами, содержащими заданное количество волокнистого наполнителя и полимерной матрицы. АВП являются удобной выпускной формой полуфабрикатов. На их основе различными методами переработки получают композиционные материалы и изделия самой различной формы. Основные виды АВП зависят от вида используемого АВН: премиксы и волокниты, препреги, АВП с термопластичными матрицами (полиэтиленом, полипропиленом, полиамидами и пр.) и заранее добавленными красителями или другими компонентами могут храниться до их переработки в композиты практически неограниченное время.

АВП с термореактивными матрицами изготовляют на основе олигомеров термореактивных смол, не полностью отвержденных и потому текучих при нагревании (фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и др.) с добавлением порошкообразных наполнителей, красителей, смазывающих веществ (для исключения прилипания к пресс-формам). Срок хранения таких АВП определяется техническими условиями, поскольку даже при комнатной температуре происходит медленное отверждение связующего. Часто рекомендуется их хранение при пониженной температуре.

Готовыми к применению АВП являются пресс-волокниты, изготовляемые на основе коротко резаных волокон как дисперсных наполнителей с применением термореактивных связующих. Их выпускная форма - таблетки или частицы неправильной формы. Такие АВП перерабатываются в изделия обычно методом горячего прессования.

Методы получения изделий из волокнистых полимерных композитов

Для формования изделий из наполненных полимеров и термопластичных АВП применяются следующие методы: литье под давлением; литьевое прессование; прямое прессование высоковязких термопластов; прокатка; экструзия; каландрование; вакуум- и пневмоформование; метод окунания и напыления; метод ротационного формования; метод штамповки из листов и др.

Особенностью изготовления изделий из армированных полимерных материалов на основе реактопластов является во многих случаях образование материала в процессе изготовления изделия. Применяются следующие основные методы: прессование; послойная выкладка на макете; пултрузия; прокатка; напыление; формование в стягиваемой форме и термокомпрессионное формование; намотка и обмотка тел вращения; пропитка армирующего наполнителя в разъемной форме; вакуумный и вакуумно-автоклавный методы; пресс-камерный метод и др.

Для соединения деталей из волокнистых полимерных материалов применяются процессы сварки, склеивания, механической сборки.

Для заключительной обработки изделий из волокнистых полимерных материалов применяются: термическая стабилизация (релаксация), радиационная и лазерная обработка, механическая обработка и другие методы.