Получение полимерных композиционных материалов
Особенности формования полимерных композиционных материалов
Путем различных комбинаций связующих и наполнителей получают полимерные композиционные материалы (ПКМ) с необходимыми физико-механическими и физическими характеристиками для эксплуатации в различных условиях. Зачастую получение полимерных композиционных материалов и формование изделий из них совмещены в один процесс, что позволяет существенно снизить себестоимость изделий из полимерных композитов.
Оптимальный метод формования для каждого конкретного изделия из ПКМ определяется большим числом факторов, таких как:
- конструктивные особенности изделия;
- предназначение получаемого изделия (и соответствующие требования –чистота поверхности, точность размеров и т.д.);
- свойства и технологические возможности связующего компонента;
- структура наполнителя;
- экономические факторы (стоимость, производительность и сроки эксплуатации оборудования, трудоемкость и т.д.)
Особенности формования полимерных композитов на основе термопластов
Производительность методов получения и переработки полимерных композитов на основе термопластов в основном определяется скоростью происходящих в связующем полимере физических и физико-химических процессов при переработке:
- плавления;
- кристаллизации;
- нагрева;
- охлаждения;
- релаксации и т.д.
Полнота и характер протекания этих процессов являются во многом определяющими факторами для качества готового изделия. Кроме того на качество готовых изделий влияют и деструктивные процессы в полимере, протекающие с повышенной скоростью в результате термических и механических воздействий на материал со стороны рабочих органов машин в процессе переработки.
Необходимую форму изделию из термопласта можно придать путем развития высокоэластической или пластической деформации. Из-за высокой вязкости материала, скорость протекания процессов деформации низкая. В зависимости от физического состояния полимера в момент формования, в готовом изделии достигается различная степень неравновесности из-за неполной релаксации внутренних напряжений. Это накладывает определенные ограничения на температурный интервал эксплуатации изделий, полученных различными методами. Увеличение доли высокоэластической составляющей деформации ведет к снижению верхнего температурного предела вплоть до температуры стеклования полимера.
Особенности формования полимерных композиционных материалов на основе реактопластов
Особенность методов получения полимерных композиционных материалов на основе реактопластов состоит в сочетании физических процессов собственно формования с химическими реакциями образования трехмерных полимеров (отверждением), причем свойства изделий определяются скоростью и полнотой отверждения. Неполное отверждение обусловливает нестабильность свойств изделий из реактопластов во времени, а также протекание деструктивных процессов в готовых изделиях.
В зависимости от метода переработки, отверждение совмещается с формованием изделия (в случае прессования реактопластов, происходит после оформления изделия в полости формы (литьевое прессование, литье под давлением реактопластов) или при термической обработке сформованной заготовки (при формовании крупногабаритных изделий). Достижение необходимой полноты отверждения некоторых типов олигомеров даже в присутствии катализаторов и при повышенных температурах требует значительного времени (до нескольких часов). При этом окончательное отверждение может проводиться уже вне формующей оснастки, так как устойчивость формы приобретается задолго до полного окончания процесса отверждения.
Некоторые проблемы производства полимерных композиционных материалов
Наличие при переработке температурных перепадов по сечению изделия ведет к возрастанию структурной неоднородности и появлению дополнительных напряжений, связанных с различием в скоростях охлаждения, кристаллизации, релаксации в различных частях, а также с различной степенью отверждения (в случае реактопластов). Это обусловливает неоднородность свойств материала в изделии, что не всегда допустимо, и является причиной многих видов брака (коробления, растрескивания и др.). Существование внутренних напряжений, в первую очередь ориентационных, ограничивает также температурный интервал эксплуатации. Некоторого повышения неоднородности надмолекулярной структуры и снижения внутренних напряжений удается достигнуть благодаря термической обработке готового изделия, однако более эффективно использование методов направленного регулирования структур в процессе переработки.
При формовании изделий из полимерных композитов возможно значительное изменение структуры, а следовательно, и свойств полимера. Поэтому полученные на основе одного и того же полимера материалы и изделия могут значительно отличаться по характеристикам, если технологии у них разные. Важнейшими факторами, влияющими на структуру и свойства ПКМ, являются параметры процесса переработки:
- температура,
- давление,
- режимы нагрева и охлаждения и т.д.
Правильный учет и подбор всех технологических параметров позволяет достигнуть в готовом изделии:
- однородной структуры,
- минимального уровня остаточных напряжений (структурных, усадочных, термических),
- высокой степени завершенности процессов отверждения, кристаллизации,
чтобы получить высококачественные изделия.
Методы получения и переработки полимерных композиционных материалов
- Прессование (прямое, литьевое, профильное);
- Литье под давлением (инжекция, интрузия, центробежное литье, литье автоклавным методом)
- Экструзия;
- Пултрузия;
- Контактное формование;
- Намотка;
- Вакуумформование;
- Пневматическое формование;
- Спекание;
- Штампование;
- Напыление;
Автор: Вишняков Л.Р
Источник: Справочник: Композиционные материалы, Вишняков Л.Р., Грудина Т.В., Кадыров В.Х., Карпинос Д.М. и другие, 1985
Дата в источнике: 1985 год