Получение и использование полимерных композитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перечень вопросов для проведения комплексной контрольной работы по курсу «Полимерные композиты»

1. проанализируйте преимущества и недостатки термопластичных и термореактивных полимерных матриц

2. охарактеризуйте фенолоформальдегидные смолы как связующие при получении полимерных композитов (свойства, преимущества и недостатки, типы наполнителей, применение)

3. проанализируйте возможность использования фенолоформальдегидных смол в качестве связующих при получении полимерных композитов (методы получения, структура и свойства в зависимости от условий и стадии синтеза)

4. проанализируйте полиэтилен и полипропилен как связующие при получении полимерных композитов

5. сравните полиметилметакрилат и полистирол как связующие при получении полимерных композитов

6. проанализируйте поливинилхлорид как связующее при получении полимерных композитов

7. объясните различия между составом, свойствами и применением винипласта и пластиката в качестве связующих при получении полимерных композитов

8. проанализируйте особенности получения, свойства и применение галогенованих полиолефинов в качестве компонентов при получении полимерных композитов

9. проанализируйте основные требования, предъявляемые к наполнителям и причины, по которым в полимеры вводятся дисперсные наполнители и армирующие элементы

10. оцените параметры, по которым характеризуют дисперсные наполнители, дополняя ответ примерами

11. проанализируйте характерные особенности пяти любых дисперсных наполнителей природного происхождения (особенности строения и применение при получении полимерных композитов)

12. обоснуйте целесообразность введения в полимеры дисперсных наполнителей для получения материалов со специфическими свойствами, дополняя ответ примерами

13. дайте характеристику дисперсных наполнителей, используемых для изменения фрикционных и антифрикционных свойств полимеров

14. обоснуйте целесообразность использования наполнителей растительного и животного происхождения для получения полимерных композитов

15. из приведенных в таблице наполнителей выберите тот, который имеет наибольшую удельную поверхность. ответ обоснуйте. дайте характеристику выбранному наполнителю в качестве компонента для получения полимерных композитов

наповнювач	густина, г/см3	розмір частинок, мкм
крейда	2,9	60
аеросил	2,4	0,04
технічний вуглець	1,8	0,1

16. из приведенных в таблице наполнителей выберите тот, который имеет наименьшую удельную поверхность. ответ обоснуйте. дайте характеристику выбранному наполнителю в качестве компонента для получения полимерных композитов

наповнювач	густина, г/см3	розмір частинок, мкм
крейда	2,9	60
аеросил	2,4	0,04
технічний вуглець	1,8	0,1



17. оцените параметры, по которым характеризуют армирующие волокна, дополняя ответ примерами

18. охарактеризуйте основные виды листовых и объемных армирующих элементов, используемых для получения армированных пластиков

19. охарактеризуйте углеволокно как армирующий элемент для получения полимерных композитов

20. охарактеризуйте стекловолокно как армирующий элемент для получения полимерных композитов

21. проанализируйте основные достоинства стекловолокна как армирующего элемента при получении армированных пластиков по сравнению с другими волокнами

22. обоснуйте целесообразность использования полимерных волокон для получения армированных органопластиков

23. проанализируйте данные, приведенные в таблице, и дайте аргументированный ответ на вопрос, какое из перечисленных волокон будет иметь наибольшее значение удельного модуля упругости. охарактеризуйте возможность использования этих волокон в качестве армирующих элементов при получении полимерных композитов

тип волокна	е, гпа	густина, кг/м3
скляне	100	2900
вуглецеве	500	1900
арамідне	130	1450

24. проанализируйте данные, приведенные в таблице, и дайте аргументированный ответ на вопрос, какое из перечисленных волокон будет иметь самое низкое значение удельного модуля упругости. охарактеризуйте возможность использования этих волокон в качестве армирующих элементов при получении полимерных композитов



тип волокна	е, гпа	густина, кг/м3
скляне	100	2900
вуглецеве	500	1900
арамідне	130	1450

25. оцените целесообразность аппретирования поверхности стекловолокна при получении стеклопластиков

26. дайте оценку основным параметрам, которые определяют взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей композита (адгезии, смачивания, работа адгезии и адгезионная прочность)

27. обоснуйте необходимость формирования прочного адгезионного соединения между наполнителем и матрицей при получении полимерных композитов

28. охарактеризуйте межфазное слой как неотъемлемую составляющую полимерного композита, от которой зависят структура и свойства полученного материала

29. охарактеризуйте основные способы получения газонаполненных полимерных композитов, дополняя ответ примерами

30. проанализируйте особенности структуры и свойств газонаполненных полимерных композитов, дополняя ответ примерами

31. проанализируйте как пенополиуретан полимерный композит (получение, структура, свойства, применение)

32. проанализируйте как пенополистирол полимерный композит (получение, структура, свойства, применение)

33. проанализируйте ударопрочный полистирол как полимерный композит (получение, структура, свойства, применение)

34. проанализируйте особенности структуры и свойств смесей полимеров

35. проанализируйте особенности структуры и свойств смесей полимер-жидкость

36. оцените влияние, которое оказывают пластификаторы на полимеры (виды пластификаторов, особенности их взаимодействия с полимером)

37. проанализируйте изменение структуры и свойств полимера при введении в его состав пластификаторов

38. проанализируйте особенности получения, структуры, свойств и применения полимеров с инкапсулированными жидкостями

39. оцените методы получения и применения композитов типа полимер-жидкость

40. оцените методы получения и применения композитов типа полимер-полимер

41. оцените влияние природы, содержания, дисперсности наполнителя на прочность полимерных композитов

42. оцените влияние степени диспергирования и равномерности распределения дисперсного наполнителя в матрице и адгезии между наполнителем и полимерной матрицей на прочность полимерных композитов

43. сравните основные типы разрушения адгезионного соединения между наполнителем и полимерной матрицей композита и способы, используемые для определения адгезионной прочности

44. проанализируйте основные причины и механизм упрочнения полимеров дисперсными частицами

45. оцените влияние длины и содержания волокна на прочность полимерных композитов



1. Проанализируйте преимущества и недостатки термопластичных и термореактивных полимерных матриц

термореактивные связующие:

отличительная черта: образование структур в процессе утверждения

§ фенолоформальдегидные смолы

§ эпоксидные смолы

§ уретановые смолы

§ полиимидные связующие

достоинства

1. высокая прочность

2. повышенная теплостойкость

3. хорошие технологические свойства: хорошая смачиваемость, низкая вязкость и т.д.

4. хорошая адгезия к большинству наполнителей

5. стойкость в различных средах

6. свойства можно регулировать в большом диапазоне путем варьирования компонентов

недостатки

1. хрупкость, низкая трещиностойкость

2. невозможность вторичной переработки

3. длительность циклов формования

4. значительная химическая усадка в большинстве случаев

5. ограниченное время жизни

6. применение растворителей

7. относительно высокая пористость получаемых материалов

термопластические связующие

линейные полимеры, которые перерабатываются выше температуры плавления

достоинства

1. высокая ударная вязкость и трещиностойкость

2. отсутствие растворителей

3. возможность утилизации отходов и вторичная переработка

4. облегчение ремонта изделий

5. сокращение цикла формования изделий за счет исключения необходимости отверждения связующего

6. неограниченная жизнеспособность сырья и полуфабрикатов

7. надежность изделий за счет низкого уровня остаточных напряжений

недостатки

1. средняя и низкая прочность и термостойкость

2. высокая вязкость расплавов/растворов(работа при высоких температурах и давлениях, вопросы адгезии и равномерной пропитки материалов)

2. Охарактеризуйте фенолоформальдегидные смолы как связующие при получении полимерных композитов (свойства, преимущества и недостатки, типы наполнителей, применение)

фенолформальдегидные смолы получают путём реакции поликонденсации одноатомного фенола и формальдегида. в зависимости от условий протекания реакции образования фенолоспирта (мономера в реакции поликонденсации), возможно образование двух видов мономеров, из которых в последующем можно получить различные виды фенолформальдегидных смол:

1. если реакция идёт при избытке фенола в кислой среде при обычном нагревании, то образуется термопластичная новолбчная смола (новолбк):

термопластичные полимеры - это полимеры, которые при нагревании меняют свои физические свойства, но при последующем охлаждении вновь восстанавливают свои свойства.

новолачные смолы не содержат дополнительных метиленовых групп (-сн₂-), поэтому не образуют разветвлённой пространственной структуры и имеют линейное строение. используются для производства лаков, клея и др.

2. если реакция идёт при избытке формальдегида в присутствии щелочного катализатора при более сильном нагревании, то образуется термореактивная резьльная смола (резьлы):

резольная смола

термореактивные полимеры - это полимеры, которые после нагревания с последующим охлаждением свои физические свойства не восстанавливают.

резольные смолы (резолы) содержат дополнительные метиленовые группы (-сн₂-), поэтому могут вступать в дальнейшие реакции поликонденсации, что приводит к получению полимера пространственной структуры - резита. смолы в стадии резита неплавки. резольные смолы вырабатывают в виде пластиков (слоистых, литых), пресс-порошков, лаков, клея бф.



3. Проанализируйте возможность использования фенолоформальдегидных смол в качестве связующих при получении полимерных композитов (методы получения, структура и свойства в зависимости от условий и стадии синтеза)

фенолформальдегидные смолы получают путём реакции поликонденсации одноатомного фенола и формальдегида. в зависимости от условий протекания реакции образования фенолоспирта (мономера в реакции поликонденсации), возможно образование двух видов мономеров, из которых в последующем можно получить различные виды фенолформальдегидных смол:

1. если реакция идёт при избытке фенола в кислой среде при обычном нагревании, то образуется термопластичная новолбчная смола (новолбк)

2. если реакция идёт при избытке формальдегида в присутствии щелочного катализатора при более сильном нагревании, то образуется термореактивная резьльная смола (резьлы):

свойства полимерных композитов на основе ффп

1. высокая прочность

2. теплостойкость

3. устойчивость к воздействию кислот

4. электроизоляционные свойства

недостатки

1. пористость

2. усадка при отверждении

применение

применяются для получения пластических масс (отвержденные смолы называют резитами, отвержденные в присутствии нефтяных сульфокислот -- карболитами, молочной кислоты -- неолейкоритами), синтетических клеев, лаков, выключателей, тормозных накладок, подшипников, так же широко используется в изготовлении шаров для бильярда. из карболита изготавливались корпуса советских мультиметров различных моделей.

используются для получения в качестве связующего компонента в производстве наполненных пресс-композиций с различными наполнителями (целлюлоза, стекловолокно, древесная мука), древесно - волокнистых и древесно-стружечных плит, клеев, пропиточных и заливочных композиций (для фанеры, тканых и наполненных волокном материалов).

4. Проанализируйте полиэтилен и полипропилен как связующие при получении полимерных композитов

полиэтилен хорошо выдерживает ударные нагрузки без разрушения. хороший диэлектрик. температура эксплуатации от - 80 с до + 60с. при температурах ниже - 80с полиэтилен хрупок, а при температурах выше + 60с он размягчается. пэ устойчив к действию воды, водяных паров, органических растворителей, минеральных кислот и щелочей. растворяется преимущественно при нагревании в хлорированных углеводородах (дихлорэтан, хлороформ), в ароматических углеводородах (толуол, бензол). медленно окисляется на воздухе. промышленность в основном выпускает два вида полиэтилена: пэ высокого давления (пэвд), который иначе называют пэ низкой плотности (пэнп) и пэ низкого или среднего давления (пэнд), который иначе называют пэ высокой плотности (пэвп). эксплуатационные свойства и структура пэ зависят от способа получения.

наиболее широко полиэтилен применяют для производства пленок технического и бытового назначения. из пэ с наполнителями и без наполнителей изготовляют емкости для хранения агрессивных сред, конструкционные детали, арматуру, вентиляционные установки, гальванические ванны, струйные насосы, детали автомашин, протезы внутренних органов, электроизоляцию, высокопрочное волокно, пенополиэтилен, предметы домашнего обихода и др полипропилен пп - хороший диэлектрик. температура эксплуатации от - 5 ч - 15с до + 120 ч140с. морозостойкость пп хуже, чему пэ, т.к. уже при температурах около - 5с полипропилен теряет прочностные свойства и становится хрупким. морозостойкость пп повышают путем введения в полимер добавок морозоустойчивого полибутадиенового каучука или благодаря совместной полимеризации с морозостойким полиэтиленом. пп - преимущественно упорядоченный кристаллический полимер со степенью кристалличности 75 - 80 %.

полипропилен также как и пэ устойчив к действию воды, органических растворителей, минеральных кислот и щелочей. растворяется при нагревании в хлорированных углеводородах (дихлорэтан, хлороформ), в ароматическихуглеводородах (толуол, бензол). медленно окисляется на воздухе. пленки изпп немного пропускают пары воды и газов.

полипропилен имеет самую высокую прочность при изгибе среди всех термопластов. основными областями применения пп является производство пленок, волокон и нитей для технических и бытовых целей, автомобильная промышленность, изготовление деталей бытовой электроаппаратуры и конструкционных слабонагруженных изделий.

5. Сравните полиметилметакрилат и полистирол как связующие при получении полимерных композитов

полистирол (ps)- термопластичный аморфный полимер: [-сн₂-с(с₆н₅)н-]_n достоинства: высокая диэлектрическая проницаемость, оптическая прозрачность, водо- и хемостойкость.

недостатки: низкая теплостойкость (до 70?с), низкая ударная вязкость, хрупкость.

виды: ударопрочный полистирол, абс-сополимеры, пенополистирол.



полиметилметакрилат (pmna)(плексиглас, оргстекло) - [-ch₂-c(ch₃)(cooch₃)-]_n достоинства: высокая прозрачность, твердость, атмосферостойкость - температура эксплуатации -40 - +90?с.

недостатки: склонность к повышенному растеканию, чувствительность механических характеристик к концентраторам напряжений.

6. Проанализируйте поливинилхлорид как связующее при получении полимерных композитов

поливинилхлорид (пвх) - это твердое белое вещество, представляющие из себя сыпучий, капиллярный, пористый, хорошо перерабатывающийся порошок (частицы размером 100-200 мкм), который получают с помощью полимеризации винилхлорида в массе, эмульсии или суспензии.

поливинилхлорид (пвх) вырабатывается двух видов:

· твердый, не пластифицированный (pvc-u) - винипласт (без пластификаторов)

· мягкий, пластифицированный (pvc-p) -- пластикат (с пластификаторами)

поливинилхлорид (пвх) - универсальный термопластик, получаемый из этилена и хлорида натрия путем полимеризации винилхлорида. производство поливинилхлорида является одним из самых наукоемких и сложных.

достоинства:

1. универсальность. поливинилхлорид имеет привлекательный внешний вид, может быть как жестким, так и гибким, легко подвергается резке, сварке, формованию, склеиванию.

2. долговечность. материалы из пвх могут служить более ста лет.

3. огнезащищенность. из-за наличия в молекуле хлора , пвх является трудновоспламеняемым материалом, благодаря чему изделия из него не поддерживают горения.

4. экологичность.

5. возможность вторичной переработки. пвх больше, чем остальные полимеры, подходит для вторичной переработки

6. безопасность. поливинилхлорид совершенно безопасный материал и это доказано скрупулезными научными исследованиями.

7. высокая водо- и хемостойкость.

8. возможность эксплуатации при низких температурах до -50?с.

недостатки:

1. трудность переработки.

2. невысокая температура эксплуатации -15 - +65?с

3. стабилизаторами являются соединения свинца, соли жирных кислот.

7. Объясните различия между составом, свойствами и применением винипласта и пластиката в качестве связующих при получении полимерных композитов

винипласт -- это жесткий, не пластифицированный листовой поливинилхлорид, содержащий смазывающие добавки (для облегчения переработки) и стабилизаторы (для предотвращения разрушения при эксплуатации и переработке). изредка в состав винипласта вводятся модификаторы (улучшающие некоторые физические свойства), наполнители (снижающие стоимость; изменяющие физико-механические свойства) и красители (для получения цветных изделий).

винипласт получают путем смешения в смесителях различного типа составляющих частей. после этого смесь или сразу перерабатывают в изделия или сначала получают из нее полуфабрикаты -- таблетки, гранулы или в виде листов.

винипласт прекрасный диэлектрик, имеет высокую химическую стойкость и в промышленности используется для транспортировки и хранения агрессивных газов и жидкостей, для обеспечения защиты металлической аппаратуры (электролизных ванн), для производства воздуховодов, вентиляторов, лабораторной и химической аппаратуры. винипласт, благодаря своим высоким физическим свойствам, является конструкционным материалом, который широко применяется в строительстве (стеклопакеты, трубы, фитинги, погонаж и др.) и машиностроении. винипласт не растворяется в этиловом, метиловом спирте, глицерине, высших и алифатических многочисленных алкоголях, растительных и смазочных маслах, алифотических углеводородах.

пластикат -- это эластичный поливинилхлорид, содержащий до пятидесяти процентов пластификатора (себацинаты, фталаты, трикрезилфосфат и др.), а это значительно упрощает его переработку в различные изделия и делает шире диапазон его практического применения (пленка, клеенка, шланги, линолеум, искусственная кожа и др.).

как правило пластикат содержит (в массовых долях): полимер- 100, пластификатор - 5-20, стабилизатор -2-5 и иногда краситель - 0,1-3. окрашенный или неокрашенный, он выпускается в виде пленок, лент, гранул, листов и т.д.

пластикаты листовые служат для защиты промышленных помещений и химических объектов, для покрытия транспорта, спец. оборудования и сооружений, связанных с радиацией (свалки, полигоны для отходов, аэс, транспорт); для защиты от коррозии конструкций из металла, электролизных травильных ванн. также пластикат используется как прокладочный и трудногорючий материал. он - влагонепроницаемый; атмосферо-, масло-, бензо- и огнестойкий; не реагирует на действие щелочей и кислот. толщина от 1 до 6мм.

винипласт и пластикат, по химическому составу, являются термопластами и при повышении температуры обладают быстрым снижением своих механических свойств. это обусловлено тем, что их молекулярное строение - линейное и молекулы друг с другом имеют малую связь, которая снижается при нагревании. поливинилхлорид подлежит пятикратной переработке и при этом не теряет своих эксплуатационных качеств.



8. Проанализируйте особенности получения, свойства и применение галогенованих полиолефинов в качестве компонентов при получении полимерных композитов

поливинилхлорид (пвх) - это твердое белое вещество, представляющие из себя сыпучий, капиллярный, пористый, хорошо перерабатывающийся порошок (частицы размером 100-200 мкм), который получают с помощью полимеризации винилхлорида в массе, эмульсии или суспензии. достоинства:

1. универсальность. поливинилхлорид имеет привлекательный внешний вид, может быть как жестким, так и гибким, легко подвергается резке, сварке, формованию, склеиванию.

2. долговечность. материалы из пвх могут служить более ста лет.

3. огнезащищенность. из-за наличия в молекуле хлора , пвх является трудновоспламеняемым материалом, благодаря чему изделия из него не поддерживают горения.

4. экологичность.

5. возможность вторичной переработки. пвх больше, чем остальные полимеры, подходит для вторичной переработки

6. безопасность. поливинилхлорид совершенно безопасный материал и это доказано скрупулезными научными исследованиями.

7. высокая водо- и хемостойкость.

8. возможность эксплуатации при низких температурах до -50?с.

недостатки:1.трудность переработки.2. невысокая температура эксплуатации -15 - +65?с 3. стабилизаторами являются соединения свинца, соли жирных кислот.

фторопласты

полимеризационные полимеры на основе тетрафторэтилена и его сополимеров с диеновыми соединениями различного строения наиболее известны под названием «фторопласты>>. получаются методами суспензионной или эмульсионной полимеризации на перекисных инициаторах или с использованием радиационного облучения.

фторопласты характеризуются чрезвычайно высокими химической стойкостью и диэлектрическими характеристиками, широким диапазоном эксплуатации(от -260 до 350 °с), очень низкими значениями коэффициента трения.

недостатками фторопласта-4 являются склонность к ползучести под нагрузкой и низкая радиационная стойкость.

имеется ряд наполненных материалов на основе фторопластов, содержащих графит, кокс, двусернистый молибден, металлические порошки, стеклянное волокно и другие наполнители.

9. Проанализируйте основные требования, предъявляемые к наполнителям и причины, по которым в полимеры вводятся дисперсные наполнители и армирующие элементы

общими требованиями к наполнителям являются: способность совмещаться с полимером или диспергировать в нем с образованием однородных композиций: хорошая смачиваемость расплавами или растворами полимеров или олигомеров; стабильность свойств при хранении, при переработке и эксплуатации.желательно также, чтобы наполнители были доступны, дешевы, нетоксичны, негорючи, не вызывали абразивного износа перерабатывающего оборудования.

помимо общих требований, различный характер процессов, протекающих при получении изделий из термо- и реактопластов, обусловливает некоторые отличия в требованиях к наполнителям для этих полимеров.

наполнители для реактопластов могут быть более грубодисперсными и менее однородными по размеру частиц, чем наполнители для термопластов; не должны ускорять или замедлять процессы отверждения. желательно, чтобы наполнители содержали функциональные группы, способные участвовать в образовании химических связей со связующим.

частицы наполнителей для термопластов должны иметь шероховатую поверхность, для обеспечения сцепления с поверхностью полимера, быть более дисперсными и менее полидисперсными.

для пластифицированных матриц наполнители выбирают с меньшей пористостью, чтобы предотвратить поглощение пластификатора наполнителем.

требования к идеальному наполнителю (трудно сочетать в одном)

- высокая прочность и высокий уровень физико-химических свойств

- низкое водопоглащение

- хорошая смачиваемость, хорошая диспергированность

- низкая стоимость

- высокая хим и термостойкость

- негорючесть

- доступность придания заданной формы и размера частиц

- неизменность свойств при хранении, переработке и эксплуатации

цель введения компонентов в полимеры

1) повышение механической прочности и твердости полимера

2) снижение себестоимости полимерных материалов

3)придание полимеру специальных свойств

10. Оцените параметры, по которым характеризуют дисперсные наполнители, дополняя ответ примерами

реальные наполнители всегда характеризуются кривой распределения частиц по размерам, по которой определяется соединение от нескольких процентов до 70-80%.

для оценки свойств дисперсных наполнителей известны свыше 40 различных показателей, включающих физико-механические, электрические, теплофизические, оптические характеристики.

основными свойствами являются: форма частиц, гранулометрический состав (дисперсность и полидисперсность), удельная поверхность, пористость, насыпная и истинная плотности (нас и ист), максимальная объемная доля (_maх), рн поверхности.

гранулометрический состав - это размеры частиц (дисперсность) и распределение по размерам (полидисперсность).оптимальным считается наполнитель с размерами частиц от 70 до 400 мкм.

удельная поверхность частиц наполнителя (sуд) является мерой площади поверхности 1 г дисперсного наполнителя и имеет размерность м2/г, зависит от размеров частиц наполнителей и их пористости. удельная поверхность пропорциональна дисперсности или обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.

к основным параметрам наполнителя относят истинную (_ист) и насыпную (_нас) плотности.

для пористых и агрегирующих наполнителей насыпная плотность ниже, чем для непористых частиц. значения _ист и _нас используют для расчета навесок материала, определения объемов бункеров перерабатывающего оборудования, емкостей хранения и определения максимальной объемной доли (_mах) наполнителя.

существенно влияние рн наполнителя на смачивание, сорбцию, кинетику и полноту отверждения и на комплекс эксплуатационных свойств.



11. Проанализируйте характерные особенности пяти любых дисперсных наполнителей природного происхождения (особенности строения и применение при получении полимерных композитов)

карбонат кальция (мел, сасо₃,) -- один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. к преимуществам этого наполнителя относится белый цвет, низкая твердость, широкий интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в широком интервале температур. в качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе пвх (в жестких и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препреги).

каолин ( белая глина. получение: измельчение минералов каолина. применение: повышение вязкости, упругости при растяжении. производство: пластмасс, медицина, косметика.

тальк (гидролитированный силикат). особенности: придает повышенную жесткость. применение: наполнитель термостатов, в резиновой, лакокрасочной промышленности.

аэросил (алитрофная форма). получается в процессе гидролиза тетрахлорида кремния в токе кислородно-водородного пламени. широко используется в качестве наполнителя; характеризуется выраженным загущающим и тиксотропным эффектом, пониженной склонностью к расслаиванию в композициях.

сажа ( технический углерод). особенности: черного цвета, светостабилизатор, электропроводные свойства. наполняют: пэвд, пвх, пэно, пп, ффп, эс.

древесная мука - дешевый наполнитель широко применяется для получения фенольных и мочевиноформальдегидных пресс-порошков общего назначения. недостатки древесной муки (особенно из древесины лиственных пород) - низкие тепло-, влаго-, химстойкость.

при введении в связующие древесной муки уменьшаются усадка и стоимость, повышаются модуль упругости и жесткость. из наполненных полиолефинов и пвх изготавливают плитки, паркетные полы, оконные рамы.

12. Обоснуйте целесообразность введения в полимеры дисперсных наполнителей для получения материалов со специфическими свойствами, дополняя ответ примерами

особую группу составляют наполнители, используемые для придания полимерным материалам магнитных свойств. основную массу таких наполнителей составляют оксидные изотропные ферриты бария и стронция, к которым б последнее время добавились также порошки из легированных сплавов редкоземельных металлои с железом и бором. для получения необходимых магнитных характеристик содержание магнитных наполнителей в полимерных магнитах достигает 88-92 массовых%.все применяемые магнитные наполнители характеризуются достаточно высокой твердостью, и их измельчение до требуемых размеров сопряжено со значительными трудностями. наибольшей эффективностью обладают частицы продолговатой формы, обеспечивающие более высокий уровень намагничивания.

в ряде случаев для повышения некоторых характеристик наполненных материалов (в первую очередь химостойкости) в качестве наполнителей находят применение порошкообразные полимеры, такие как пвх, пэ, полиформальдегид, политетрафторэтилен и др. в сочетании с другими порошкообразными и волокнистыми наполнителями они могут способствовать улучшению таких характеристик, как износостойкость, коэффициент трения, диэлектрические характеристики. их эффективность повышается, если в процессе получения и переработки наполненного материала температура не превышает их температуру плавления и они сохраняются в виде частиц самостоятельной фазы.

к дисперсным наполнителям относятся также ряд веществ, вводимых в полимерные материалы в целях снижения их горючести. наиболее широкое применение в качестве антипирена находят оксид сурьмы, однако, как правило, он используется не в чистом виде, а в сочетании с органическими галогенсодержащими соединениями. для этих целей находит широкое применение также гидроксида алюминия а1(он)₃, однако разложение при температуре выше 220 "с ограничивает его применение в термопластах с относительно высокой температурой переработки. поэтому он применяется главным образом для наполнения реактопластов.

13. Дайте характеристику дисперсных наполнителей, используемых для изменения фрикционных и антифрикционных свойств полимеров

для получения материалов с высокими фрикционными свойствами в полимерную композицию добавляют оксиды металлов, металлические порошки и проволоку, асбестовые, углеродные и базальтовые волокна. волокна предназначены для повышения теплостойкости и прочности композиции, металлические наполнители улучшают отвод тепла от полимерной композиции.

чаще для изготовления деталей, работающих в узлах трения, используют полимерные композиционные материалы, в состав которых введены специальные наполнители, обладающие способностью снижать коэффициент трения. как правило, эти наполнители имеют слоистую структуру. к ним относятся графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и др.

дисульфид молибдена (моs₂) обладает низкой твердостью, применяется в высокодисперсном виде (размер частиц менее 1мкм) для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости.

нитрид бора (вn₃) используется в виде частиц графитоподобной

а-модификации. придает наполненным материалам способность работать без смазки, существенно увеличивает теплопроводность. хорошо диспергируется в расплавах и пастообразных композициях.

в качестве наполнителя используется аморфный графит в тонкоизмельченном виде (коллоидный графит). основное преимущество графита в качестве наполнителя -- снижение коэффициента трения благодаря присущей ему слоистой структуре.

14. Обоснуйте целесообразность использования наполнителей растительного и животного происхождения для получения полимерных композитов

из материалов растительного происхождения для наполнения пластмасс используется измельченная лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, стебли сахарного тростника и другие виды отходов сельского хозяйства, как правило, после сушки и измельчения. их применение представляет особый интерес в связи с проблемой утилизации использованных полимеров, носящей глобальный характер. применение растительных отходов позволяет получать биодеструктируемые материалы, которые постепенно разлагаются и усваиваются при контакте с микроорганизмами и бактериями почвы. это послужило причиной повышенного интереса к применению в качестве наполнителей пластмасс крахмала - важнейшего компонента в большинстве зерновых культур и картофеля, а также хитина -- материала скорлупы большинства ракообразных, добываемых ежегодно в количестве нескольких миллионов тонн.

древесная мука. представляет собой тонкоизмельченную и высушенную древесину, содержащую целлюлозу и лигнин.

она имеет волокнистую структуру. изготавливается преимущественно из мягкой древесины (сосны, канадской пихты), но получают также из лиственных деревьев. получают размолом опилок, щепы, стружки на жерновой мельнице. используются частицы размером 150-350 мкм. этот дешевый наполнитель широко применяется для получения фенольных и мочевиноформальдегидных пресс-порошков общего назначения. недостатки древесной муки (особенно из древесины лиственных пород) - низкие тепло-, влаго-, химстойкость.

при введении в связующие древесной муки уменьшаются усадка и стоимость, повышаются модуль упругости и жесткость. из наполненных полиолефинов и пвх изготавливают плитки, паркетные полы, оконные рамы.

за рубежом применяют муку из скорлупы орехов, введение которой повышает прочностные и электроизоляционные свойства.

15. Из приведенных в таблице наполнителей выберите тот, который имеет наибольшую удельную поверхность. ответ обоснуйте. дайте характеристику выбранному наполнителю в качестве компонента для получения полимерных композитов

удельная поверхность - усреднённая характеристика частиц раздробленной фазы дисперсной системы. удельную поверхность выражают отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе. удельная поверхность пропорциональна дисперсности или обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.

поэтому найбольшая удельная поверхность будет у наполнителя с найменьшим размером частиц - у аэросила.

аэросил -- пирогенетический диоксид кремния -- аморфная форма sio₂имеющая вид сферических частиц коллоидных размеров (3-10 им). характеризуется максимальной удельной поверхностью из всех порошкообразных наполнителей,величина которой достигает 380 м²/г. получается в процессе гидролиза тетрахлорида кремния в токе кислородно-водородного пламени. широко используется в качестве наполнителя; характеризуется выраженным загущающим и тиксотропным эффектом, пониженной склонностью к расслаиванию в композициях. имеющиеся на поверхности частиц аэросила силанольные группы способствуют образованию системы водородных связей между частицами. кроме того, силанольные группы обеспечивают возможность эффективной модификации поверхности путем использования разнообразных аппретов силанового ряда и гидрофобизаторов. широко применяется для регулирования реологических свойств материалов на основе эпоксидных, полиэфирных, силоксановых смол. недостатком аэросила является его высокая стоимость.

16. Из приведенных в таблице наполнителей выберите тот, который имеет наименьшую удельную поверхность. ответ обоснуйте. дайте характеристику выбранному наполнителю в качестве компонента для получения полимерных композитов

удельная поверхность - усреднённая характеристика частиц раздробленной фазы дисперсной системы. удельную поверхность выражают отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе. удельная поверхность пропорциональна дисперсности или обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.

поэтому найменьшая удельная поверхность будет у наполнителя с найбольшим размером частиц - у мела.

карбонат кальция (мел, сасо₃,) -- один из наиболее дешевых и распространенных видов дисперсных наполнителей. основной источник -- природный известняк, подвергнутый измельчению, флотации для удаления примесей и фракционированию с получением частиц размерами 1-10 мкм. к преимуществам этого наполнителя относится белый цвет, низкая твердость, широкий интервал возможного размера частиц, стабильность свойств в широком интервале температур. для улучшения реологических свойств и смачивания поверхность мела часто обрабатывают стеариновой кислотой, стеаратом кальция или аппретами, что способствует также лучшему распределению частиц мела в матрице полимера. в качестве наполнителя находит широкое применение в материалах на основе пвх (в жестких и пластифицированных рецептурах), полипропилена, полистирола и его сополимеров, в полиэфирных стеклопластиках (премиксы, препреги).

17. Оцените параметры, по которым характеризуют армирующие волокна, дополняя ответ примерами

18. Охарактеризуйте основные виды листовых и объемных армирующих элементов, используемых для получения армированных пластиков

стекловолокна применяются в производстве стеклопластиков и характеризуются высокой прочностью, теплостойкостью и хемостойкостью, не сорбируют влагу, характеризуются низкой теплопроводностью, негорючи. промышленность выпускает стекломатериалы в виде: непрерывной нити (ткани) и штапельного волокна (маты, холсты). получают вытяжкой из расплава.

сырье: кварцевый песок, известняк, глина, уголь, шпат, борная кислота. перемешивают в смесителях и плавят в высокотемпературных печах. тпл для различного ассортимента различная, но в среднем 1260^ос.

при одностадийном процессе из расплава получают сразу нить, при двухстадийном - вначале расплав перерабатывают в стеклосферы (сами могут быть наполнителем), которые затем поступают в плавильные печи.

.стекло является аморфным материалом. химически состоит в основном из кремнеземной основы (siо₂), но чистые кварцевые волокна, содержащие 91-99% siо₂, можно получить вытягиванием стержней, так как кварц даже при температуре 2200^ос имеет очень высокую вязкость, что делает невозможным формование из расплава через фильеру.

19. Охарактеризуйте углеволокно как армирующий элемент для получения полимерных композитов

адгезия -- образование связей через поверхность раздела между двумя приведенными в контакт разнородными конденсированными телами. в результате на поверхности раздела образуется адгезионное соединение. б полимерных волокнистых композитах адгезионное соединение возникает на поверхности раздела между наполнителем (волокном) и связующим

в композитах прочность сцепления компонентов определяет эффективностьпередачи напряжений через границу раздела. в пластиках, армированных волокнами, от межфазной прочности в значительной степени зависит то, насколько полно может быть использована в композите исходная прочность волокон, и то, как будет происходить разрушение материала. чтобы создавать волокнистые композиционные материалы с заданными свойствами и уметь прогнозировать изменение этих свойств в условиях эксплуатации. необходимо знать, как именно свойства композита зависят от адгезионной прочности соединений волокно-матрица.

метод определения адгезионной прочности зависит от нагрузки, которой подвергается адгезионное соединение.

20. Охарактеризуйте стекловолокно как армирующий элемент для получения полимерных композитов

получение любого гп включает в себя две стадии:

• получение пены (наполнение жидкого полимера пузырьками газа);

• фиксация полученной пены

способы получения пены можно разделить на две группы, принципиально различающиеся по механизму образования газовых пузырьков в полимере:

• механическое диспергирование газа в полимере (взбивание пены);

• вспенивание полимера пузырьками газа, образующимися непосредственно в объеме композиции

источники газа, вспенивающие полимер:

• газ, растворенный в вязкотекучем полимере (олигомере) под давлением (газ выделяется при сбросе давления);

• растворенная в полимере легкокипящая жидкость, которая при нагревании превращается в пар;

• вводимые в полимер твердые вещества - химические газообразователи, разлагающиеся при нагревании с выделением газообразных продуктов;

• газообразные продукты, выделяющиеся при смешении компонентов полимерной композиции вследствие взаимодействия последних

перевод короткоживущей системы «жидкость - газ» в «безгранично долго живущую» систему «твердое тело - газ» осуществляется по одному принципу - увеличением вязкости жидкой матрицы вплоть до потери текучести

методы фиксации ячеистой структуры:

1. физические: охлаждение расплава термопласта;

2. химические:

• «сшивание» макромолекул под действием различных факторов;

• синтез полимерной матрицы из олигомеров или форполимеров в процессе вспенивания

21. Проанализируйте основные достоинства стекловолокна как армирующего элемента при получении армированных пластиков по сравнению с другими волокнами

основные структурные параметры:

- степень вспенивания;

- количество газовых ячеек (пузырьков) в единице объема;

- размер (диаметр) газовых ячеек;

- доля открытых ячеек или непрерывность газовой фазы (пена или губка)

механические, теплоизолирующие и звукоизолирующие свойства определяются в основном степенью вспенивания

увеличение степени вспенивания:

• снижение прочности при сжатии и при растяжении, модуля упругости

• повышение доли открытых газовых ячеек, а это ведет к росту поглощающей способности и проницаемости

размер ячеек:

с увеличением размера пузырьков прочностные свойства снижаются и уменьшается величина предельной деформации при разрыве

чем больше доля открытых ячеек, тем выше проницаемость и поглощение различных жидкостей и газов

отличительные характеристики и особенности: малый удельный вес, низкая теплопроводность, хорошие звукоизоляционные свойства, высокая жесткость конструкций при их относительно малом весе, вспененные резины - мягкость.

• для теплоизоляции зданий, помещений, транспорта, холодильных шкафов, приборов, термосов и других изделий;

• для звукоизоляции;

• как всевозможные плавучие средства (плоты, лодки, поплавки, средства спасения на воде и т.д.);

• жесткие пенопласты - при изготовлении мебели, рекламы, декораций, игрушек, малонагруженных (декоративных) конструкций зданий;

• мягкие губки - для изготовления мягких изделий, мягкой мебели, матрасов, сидений в транспорте, мягких игрушек и т.д.

для заполнения пустотелых конструкций.

22. Обоснуйте целесообразность использования полимерных волокон для получения армированных органопластиков

пенополиуретан

составизоцианаты, гидроксилсодержащие олигомеры, вода, катализаторы, эмульгаторы, наполнители, красители, антипирены

производство

• вспенивание композиции газами, выделяющимися в результате реакций между компонентами исходной смеси,

• или с помощью легкокипящих жидкостей

первый метод - изготовление изделий небольшой толщины (выделяется значительное количество тепла, внутренние слои крупногабаритных изделий могут обугливаться)

во втором методе выделяющееся тепло затрачивается на испарение легкокипящей жидкости, что позволяет предотвратить местные нагревы и обугливание пенопу

процесс производства

• одностадийный

• двухстадийный

1. диизоцианат, гидроксилсодержащий олигомер, воду или амин и др. компоненты композиции подают в смеситель одновременно. взаимодействие компонентов происходит сразу же, причем подъем пены начинается приблизительно через 10 секунд и заканчивается через 1 - 2 мин. после смешения. окончательное отверждение пены продолжается от нескольких часов до нескольких суток

2. при двухстадийном (форполимерном) способе сначала проводят реакцию диизоционата с олигоэфиром, а полученный форполимер затем превращают в пенополиуретан при смешении с водой или амином

свойства

пенопу обладают хорошей атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и окислителей. на свету темнеют, но другие свойства заметно не ухудшаются. физиологически инертны и хорошо совмещаются с бактерицидными добавками.

жесткие пенопу можно пилить, обтачивать, обрабатывать на токарном станке, эластичные можно резать

их моют мылом или синтетическими моющими средствами, на них не действуют бактерии, их не ест моль

применение

эластичные - производство мягкой мебели, одежды, подошв для обуви, ковров, губок, щеток; упаковочный, звуко- и теплоизоляционный материал

жесткие - электроизоляционный, теплоизоляционный, упаковочный материал, заполнение полых конструкций в строительство

23. Проанализируйте данные, приведенные в таблице, и дайте аргументированный ответ на вопрос, какое из перечисленных волокон будет иметь наибольшее значение удельного модуля упругости. охарактеризуйте возможность использования этих волокон в качестве армирующих элементов при получении полимерных композитов

чаще всего пс (другое сырье - полимонохлорстирол, полидихлорстирол, а также сополимеры стирола с другими мономерами)

вспенивающие агенты: легкокипящие углеводороды (пентан, изопентан, петролейный эфир, дихлорметан) или газообразователи (диаминобензол, нитрат аммония, азобисизобутиронитрил)

в состав пенопс входят антипирены, красители, пластификаторы и различные наполнители

способы получения

значительная доля - вспенивание материала парами низкокипящих жидкостей

для этого используется процесс суспензионной полимеризации в присутствии жидкости, которая способна растворяться в исходном стироле и нерастворима в пс, напр., пентана, изопентана и их смеси. при этом образуются гранулы, которые далее подвергают нагреванию паром, водой или воздухом, в результате чего они значительно увеличиваются в размерах -- в 10-30 раз.

получившиеся объемные гранулы спекают с одновременным формованием изделий

свойства структура:

пенопс, полученный методом вспенивания легкокипящей жидкости, представляет собой материал, состоящий из тонкоячеистых гранул, спекшихся между собой. внутри гранул есть микропоры, между гранулами -- пустоты

пенопс, полученный в присутствии газообразователя, имеет преимущественно закрытую структуру ячеек

качественный: равномерный материал с гранулами одинакового размера

некачественный: излом идет по зоне контакта шариков разного размера

механические свойства материала определяются его кажущейся плотностью: чем она выше, тем больше прочность и ниже водопоглощение, гигроскопичность, паро- и воздухопроницаемость

свойства

пенопс способен поглощать воду при непосредственном контакте. водопоглощение экструзионного пенополистирола даже через 10 суток нахождения в воде не превышает 0,4 % (по объёму), что обусловливает его широкое применение как утеплителя для подземных и заглубленных сооружений (дороги, фундаменты)

химстойкость, устойчивость к термоокислительному воздействию, световому облучению определяются свойствами исходного полимера

легко растворяется в исходном стироле, ароматических углеводородах, хлорированных углеводородах

основной недостаток - низкая термостабильность и повышенная горючесть

применение: теплоизоляционный и конструкционный материал в строительстве, судо-, вагоно- и авиастроении, упаковочный материал



24. Проанализируйте данные, приведенные в таблице, и дайте аргументированный ответ на вопрос, какое из перечисленных волокон будет иметь самое низкое значение удельного модуля упругости. охарактеризуйте возможность использования этих волокон в качестве армирующих элементов при получении полимерных композитов

полистирол-- продукт полимеризации стирола ,термопластичный полимер линейной структуры.

ударопрочный полистирол - это модифицированный полистирол - продукт сополимеризации стирола с каучуком.

производитсяударопрочный полистирол(модифицированный полистирол) путем добавления к хрупкому полистиролу до 15 % каучука, который, не совмещаясь с ним, образует дисперсную фазу и тем самым придает композиционному материалу новые свойства. композиция обладает несколько меньшей прочностью, чем исходный полимер, но, обладает существенно более высокой ударной вязкостью и более низкой твердостью, что позволяет использовать ее для изготовления многих изделий и деталей, к которым предъявляются требования по ударной прочности и хрупкости.

свойства (последствия модификаций):

повышенная ударопрочность ,слабая чувствительность к надрезам,снижаются электроизоляционные свойства, несущественно - прочность на растяжение и теплостойкость,легкость, морозостойкость до -40°с ,влагостойкость, отличная формуемость,легкость в обработке , химическая стойкость к кислотам и щелочам

влияние каучука на свойства полистирола

на рис. показано влияние деформации растяжения на возникающие в материалах напряжения и прочность при разрыве.ударопрочный полистирол обладает способностью к значительным удлинениям без разрушения, хотя предельная прочность у него и ниже, чем у исходного полистирола.



диаграммы одноосного растяжения обычного (1) и ударопрочного (2) полистирола

ударная нагрузка рассеивается благодаря диспергированным частицам каучука, предотвращая разрушение материала. вследствие этого работа, необходимая для разрушения композита, существенно возрастает по сравнению с работой разрушения исходного полистирола. такой эффект достигается благодаря тому, что частицы эластомера находятся в высокоэластическом состоянии и успевают снижать концентрацию напряжения в композиционном материале.

ударопрочный полистирол широко используется в промышленности, в том числе для изготовления деталей внутренней облицовки бытовых холодильников.

26. Дайте оценку основным параметрам, которые определяют взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей композита (адгезии, смачивания, работа адгезии и адгезионная прочность)

под смесями полимеров понимаются системы, полученные смешением двух или большего числа полимеров в условиях, при которых смешиваемые компоненты могут необратимо деформироваться. эти условия включают смешение при температурах выше температуры стеклования или плавления, смешение в растворе с последующим удалением растворителя, смешение олигомеров с последующим повышением их молекулярной массы.

свойства полимерных композиций зависят от структуры дисперсии, свойств составляющих дисперсию фаз и взаимодействия между фазами на границе их раздела. степень взаимодействия между фазами определяет величину промежуточного или переходного слоя на границе их раздела, в котором сегменты макромолекул несовместимых, но смешанных полимеров, взаимно растворяются. толщина промежуточного слоя составляет 2-20 нм и зависит от степени сродства полимеров. она может быть рассчитана и измерена. свойства материала в межфазном слое отличаются от свойств смешанных материалов.

промежуточный слой имеет свою температуру стеклования, т.е. смесь двух несовместимых полимеров проявляет три температуры стеклования: одну - дисперсной фазы, вторую - дисперсионной среды, третью - промежуточного слоя.

адгезия между полимерами и способы ее повышения

большое число полимеров обладает низкой взаимной адгезией. существенно снижают межфазное натяжение и повышают адгезионную прочность между полимерами только высокомолекулярные пав(привитые или блок-сополимеры, различные блоки которых идентичны по химическому строению каждому из полимеров смеси.) адгезионную прочность между фазами полимеров могут повысить твердые частицы высокодисперсного наполнителя при условии, что эти частицы находятся на границе фаз и смочены обеими фазами.

структура гетерогенных смесей полимеров

все двухфазные смеси полимеров по коллоидной структуре можно разделить на два типа: обычные дисперсии (или эмульсии, что один из полимеров образует дисперсионную среду, а второй полимер является дисперсной фазой) и смеси с двумя непрерывными фазами (матричная структура, матричная структура характеризуется тем, что обе фазы смеси являются непрерывными и «взаимопереплетенными»).

...