Получение и использование полимерных композитов

непрерывность обеих фаз характерна только для высокомолекулярных эмульсий и обусловлена их большой вязкостью.

тип коллоидной структуры смеси в основном определяется соотношением концентраций и вязкостей компонентов. размер частиц дисперсной фазы в смесях полимеров определяется межфазным натяжением, соотношением вязкостей компонентов и напряжением сдвига при смешении. размер частиц дисперсной фазы в зависимости от условий смешения колеблется от 0,1 до 5-10 мкм. если смешение ведется при т выше т текучести, наименьший размер частиц достигается, когда вязкости смешиваемых полимеров близки. обычно наилучшие показатели свойств наблюдаются при некотором оптимальном размере частиц.

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

жидкости довольно часто вводятся в полимеры для изменения их механических свойств. многие жидкости обладают ограниченной совместимостью с полимерами, а, следовательно, ограниченной смешиваемостью на молекулярном уровне. при этом образуются эмульсии жидкости в полимерной матрице.

такие системы агрегативно неустойчивы и могут расслаиваться на фазы. это проявляется в миграции жидкости на поверхность полимера. эта миграция обусловлена диффузией жидкости через объем полимера. коэффициент диффузии повышается с увеличением гибкости полимера и растворимости в нем жидкости. если эмульгированная жидкость имеет очень низкую растворимость в полимере, то ее миграция на поверхность идет очень медленно. в жесткоцепных полимерах миграция замедляется еще в большей степени. это используют для капсулирования и эмульгирования жидкостей в полимерах.

получают отверждением стабильных эмульсий, в которых наполнитель является дисперсной фазой, а полимер -- дисперсионной средой.

одним из способов создания полимерных композиционных материалов с жидкими наполнителями является микроинкапсулирование(покрытие маленьких капель жидкости которая плохо совмещается с полимером слоем полимера) полимерные микрокапсулы, содержащие негорючие легколетучие жидкости, вводят в полимеры. при горении такого пкм микрокапсулы с жидкостью взрываются под действием температуры и тушат пламя. таким образом создают полимеры с пониженной горючестью.

инкапсулированный материал может быть освобожден из полимерной оболочки не только при механическом воздействии, но и другими способами. капсулы могут рассасываться с помощью либо физических, либо химических процессов.

иногда капсулы не требуется разрушать, так как они имеют пористую структуру, позволяющую инкапсулированному материалу медленно выделяться наружу. особенно важную роль играет инкапсулирование в фармакологии. горькие лекарства инкапсулируются полимерными материалами. это не только улучшают вкусовые характеристики лекарств и защищает их от окисления кислородом воздуха, но и обеспечивают медленное поступление их в организм человека, то есть человек защищен от передозировки. на этой основе создают лекарства длительного (пролонгированного) действия.

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

пластификация -- это введение в полимеры веществ (пластификаторов), повышающих эластичность и / или пластичность материала в условиях его эксплуатации и / или переработки.

пластификаторы оказывают значительное влияние на структуру и свойства полимеров.

В качестве пластификаторов наибольшее применение нашли простые и сложные эфиры органических и неорганических кислот, а также ряд продуктов природного происхождения (мазут, гудрон) и др. Их применение экономически выгодно, поскольку наряду с сокращением расхода дефицитных смол и отвердителей и снижением стоимости полимерных композиций решаются важные экологические задачи утилизации этих отходов

Одним из наиболее распространенных классов пластификаторов являются эфиры ортофталиевой кислоты (фталаты): диметилфталат, диэтилфталат, дибутилфталат;эфиры ортофосфорной кислоты и различных гидроксилсодержащих соединений.

Фосфаты оказывают пластифицирующее действие на большинство полимеров, одновременно придавая им пониженную горючесть.трикрезилфосфат, триксиленилфосфат,

Эфиры алифатических поликарбоновых кислот менее токсичны, чем фталаты и придают полимерам высокую морозостойкость. ди(2-этилгексил)адипинат (ДОА), ди(2-этилгексил)азелаинат (ДОАз).

Отдельно стоят полиэфирные соединения. Вследствие более высокого молекулярного веса, они менее летучи, мало мигрируют из полимеров и более стойки к экстракции многими растворителями. Однако они характеризуются ограниченной растворимостью во многих полимерах. Полиэфирные пластификаторы применяют для получения бензо- и маслостойких композиций на основе ПВХ. Наиболее распространены полиэфирные пластификаторы на основе себациновой, адипиновой или фталиевой кислот.

основное условие пластификации-- термодинамическая совместимость пластификатора с полимером, то есть образование истинного раствора пластификатора в полимере

совместимость полимера с пластификатором зависит от многих факторов, среди которых:

• природа полимера и пластификатора,

• их соотношение в смеси,

• температура,

• давление,

• присутствие посторонних веществ и др.

молекулярная пластификация осуществляется при неограниченном совмещении пластификатора с полимером. молекулы пластификатора распределяются между макромолекулами полимера и уменьшают взаимодействие между ними. в результате увеличивается подвижность молекулярных цепей и образуемых ими надмолекулярных структур. в результате снижается температура стеклования полимера, расширяется области высокоэластического состояния, эластичность (способность к большим обратимым деформациям) сохраняется при более низких температурах, падают прочность материала и модуль упругости.

структурная пластификация - пластификатор термодинамически не совместим с полимером. молекулы пластификатора размещаются не среди молекулярных цепей, а на поверхности надмолекулярных структурных образований, образуя слои, играющие роль своеобразной «смазки» между структурными элементами, увеличивая их подвижность.вследствие этого изменяются деформационные свойства материала: повышаются прочность и модуль упругости за счет ориентации надмолекулярных структур под действием нагрузки вдоль оси действия силы.

как правило, прочностные свойства полимеров с увеличением содержания пластификатора ухудшаются, что объясняется ослаблением взаимодействия между макромолекулами и увеличением их подвижности.

повышение подвижности системы вызывает существенное изменение механических свойств полимеров. введение пластификатора приводит к снижению модуля упругостие, твердости н полимеров, их механической прочности у и предела текучести при растяжении у_т. значительное повышение деформации жесткоцепных полимеров при пластификации приводит к увеличению их ударной вязкости.

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

пластификаторы оказывают значительное влияние на структуру и свойства полимеров. с их помощью можно направленно изменять морозостойкость и хрупкость, ударную вязкость и технологичность, тепло-, электрофизические и другие свойства полимеров. введение в полимерную смесь пластификаторов позволяет изменять реологические характеристики композитов, увеличивать срок их службы, интенсифицировать технологический процесс и снижать энергоемкость производства, снижать стоимость материалов, экономить дефицитное сырье за счет вовлечения в производство крупнотоннажных отходов промышленности. однако пластификаторы снижают термостойкость, уменьшают прочность при изгибе, растяжении и сжатии, ухудшают диэлектрические характеристики.

влияние пластификаторов на свойства полимеров

в результате взаимодействия пластификатора с сегментами макромолекул увеличивается подвижность последних и изменяются температуры стеклования и текучести полимера.

изменение температуры стеклования является мерой пластифицирующей способности пластификатора по отношению к данному полимеру. уменьшение температуры стеклования позволяет расширить температурный диапазон высокоэластического состояния полимера, т.е. повысить их морозостойкость, а снижение температуры текучести и вязкости полимерных расплавов облегчает переработку полимеров, улучшает диспергируемость наполнителя и других ингредиентов смеси.

с увеличением содержания пластификатора температура стеклования и температура текучести закономерно снижаются. следовательно, в присутствии пластификатора полимер сохраняет высокоэластические свойства при более низкой температуре, также снижается и температура его переработки. термопластичный органопластик полимер композит

как правило, прочностные свойства полимеров с увеличением содержания пластификатора ухудшаются, что объясняется ослаблением взаимодействия между макромолекулами и увеличением их подвижности.

повышение подвижности молекул и снижение межмакромолекулярного взаимодействия при пластификации полимера приводит и к снижению вязкости системы. это очень важно для облегчения перерабатываемости полимеров в изделия такими методами как экструзия, литье под давлением и др. повышение подвижности системы вызывает существенное изменение механических свойств полимеров. введение пластификатора приводит к снижению модуля упругости е, твердости н полимеров, их механической прочности у и предела текучести при растяжении у_т. значительноеповышение деформации жесткоцепных полимеров при пластификации приводит к увеличению их ударной вязкости.вопрос № 42

одним из способов создания полимерных композиционных материалов с жидкими наполнителями является микроинкапсулирование. микрокапсулы, содержащие чернила, позволили изобрести безуглеродную копировальную бумагу. микрокапсулы приклеиваются к обратной стороне оригинала. когда на лицевой поверхности бумаги пишут, капсулы разрушаются, чернила высвобождаются и попадают на копию.

полимерные микрокапсулы, содержащие негорючие легколетучие жидкости, вводят в полимеры. при горении такого пкм микрокапсулы с жидкостью взрываются под действием температуры и тушат пламя. таким образом создают полимеры с пониженной горючестью.

еще одно применение микрокапсул связано с созданием “самозалечивающихся” полимерных материалов. в полимерный материал вводят капсулы из другого полимера, содержащие клей для первого полимера (раствор или отверждающийся олигомер, форполимер или мономер). при разрушении такого полимерного материала разрушаются и микрокапсулы, и из них вытекает клей. этот клей отверждается под действием кислорода воздуха, либо веществ, специально введенных в массу матричного полимера, и склеивает материал в месте разрушения.

инкапсулированный материал может быть освобожден из полимерной оболочки не только при механическом воздействии, но и другими способами. капсулы могут рассасываться с помощью либо физических, либо химических процессов.

иногда капсулы не требуется разрушать, так как они имеют пористую структуру, позволяющую инкапсулированному материалу медленно выделяться наружу. так, например, некоторые удобрения инкапсулируются и после внесения таких капсул в землю, медленно выделяются в почву. это позволяет предотвращать смыв удобрений дождями в озера и реки.

особенно важную роль играет инкапсулирование в фармакологии. горькие лекарства инкапсулируются полимерными материалами. это не только улучшают вкусовые характеристики лекарств и защищает их от окисления кислородом воздуха, но и обеспечивают медленное поступление их в организм человека, то есть человек защищен от передозировки. на этой основе создают лекарства длительного (пролонгированного) действия.

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

совместимостью с полимерами, а, следовательно, ограниченной смешиваемостью на молекулярном уровне. при этом образуются эмульсии жидкости в полимерной матрице

такие системы агрегативно неустойчивы и могут расслаиваться на фазы. это проявляется в миграции жидкости на поверхность полимера. эта миграция обусловлена диффузией жидкости через объем полимера. коэффициент диффузии повышается с увеличением гибкости полимера и растворимости в нем жидкости. если эмульгированная жидкость имеет очень низкую растворимость в полимере, то ее миграция на поверхность идет очень медленно. в жесткоцепных полимерах миграция замедляется еще в большей степени. это используют для капсулирования и эмульгирования жидкостей в полимерах.

пластмассы с жидкими наполнителями получают отверждением стабильных эмульсий, в которых наполнитель является дисперсной фазой, а полимер -- дисперсионной средой.

из наполненных жидкостью (вода, минеральные масла, жидкие смазки, ароматизирующие, антисептические и другие вещества) полимеров изготавливают огнезащитные экраны, самосмазывающиеся подшипники, ароматизирующие и другие материалы.

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

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.

взаимная растворимость подавляющего большинства пар полимеров в широком диапазоне температур составляет проценты или доли процентов. даже такие близкие по химическому строению полимеры как полиэтилен и полипропилен или полибутадиен и полиизопрен, или полиметилметакрилат и полибутилметакрилат обладают взаимной растворимостью несколько процентов. отсутствует взаимная растворимость в смесях кристаллических полимеров.

получение

смеси полимеров в промышленности получают смешением различных компонентов, способ которого определяется природой полимеров и требуемым комплексом свойств продукта.

можно смешивать:

1) расплавы полимеров; размер частиц дисперсной фазы составляет 0,5-10 мкм.

2) растворы полимеров; способ используют, когда полимеры подвергаются термичической деструкции в условиях смешения расплавов или получаемые смеси полимеров предназначены быть основой лакокрасочных материалов, клеев, герметиков. подбирают такой растворитель или смесь растворителей, в которых смеси полимеров не должны расслаиваться до начала удаления растворителя. в термодинамически хороших растворителях достигается более высокая концентрация, при которой начинается расслаивание смеси вследствие взаимной нерастворимости полимеров. размер частиц зависит от скорости удаления растворителя и колеблется в пределах 0,1-200 мкм.

3) водные дисперсии полимеров (латексов); смесь коагулирует. размер частиц дисперсной фазы 0,02-0,2 мкм (в зависимости от природы пав в латексах).

4) полимер с мономером или олигомером, два олигомера, два мономера; смеси подвергают гомополимеризации. исходная система однофазна, однако она расслаивается при достижении в результате гомополимеризации определенных значений концентрации полимера и его молекулярной массы. размер частиц определяется вязкостью системы в момент начала расслаивания и может достигать 0,05-0,5 мкм. получаемые таким образом смеси полимеров часто называют взаимопроникающими полимерными сетками. при гомополимеризации может происходить также сополимеризация с образованием привитых и блоксополимеров.



на прочность полимерных композитов значительное влияние оказывает дисперсность наполнителя. основной величиной при этом является доля удельной поверхности наполнителя, приходящаяся на одну его частицу. увеличение размера частиц наполнителя приводит к снижению их поверхностной энергии, а, следовательно, и энергии когезии, что и приводит к снижению прочности композита. с увеличением дисперсности наполнителя прочность повышается. при исследованиях композитов с дисперсным наполнителем, размеры частиц которого близки к размеру кристаллитов матрицы, установлено, что такие частицы вызывают уменьшение прочности. этот эффект объясняется тем, что при взаимодействии трещины с частицами, соизмеряемыми со структурными единицами матрицы, они неспособны создавать протяженные зоны влияния в матрице и тем самым искривлять и увеличивать длину трещин. к тому же, чрезмерно высокая дисперсность наполнителя нежелательна, так как при этом повышается его склонность к агрегированию в сухом виде.

введение высокодисперсного наполнителя повышает прочность полимера. совсем другая ситуация возникает, если размер частиц наполнителя больше критического. введение такого наполнителя в полимер вызывает возникновение крупных трещин и ведет к разрушению материала при меньших нагрузках, чем без наполнителя. чем больше размер частиц наполнителя, тем больше напряжения в матрице около этих частиц, и тем при меньшей нагрузке в полимере возникают крупные трещины, и происходит разрушение материала. таким образом, упрочнение полимеров наполнителем имеет место при размере дисперсных частиц меньше некоторого критического размера. увеличение размера частиц вызывает снижение прочностных свойств композита.

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

понятно, что при размере частиц наполнителя больше критического это вызывает резкое падение прочности композита. если размер частиц наполнителя ниже критического, то адгезия полимер-наполнитель по-другому влияет на прочность композита.

максимальное усиление достигается при оптимальном уровне адгезии между полимером и частицами наполнителя.

при слишком низкой адгезии полимера к наполнителю работа, затрачиваемая на образование новой поверхности между полимером и наполнителем, невелика. это ведет к образованию большого количества отслаиваний и трещин уже при небольшой нагрузке на материал. поэтому наполнитель с низкой адгезией к матрице снижает ее прочность. такое наблюдается, например, при наполнении диеновых резин высокодисперсными частицами политетрафторэтилена. при слишком высокой адгезии наполнителя к полимеру образование трещин в матрице, по-видимому, происходит раньше, чем отслаивание матрицы от поверхности частиц наполнителя. в этом случае затрат энергии на отслаивание полимера от наполнителя нет. таким образом, при слишком высокой адгезии полимера к наполнителю наполнитель в меньшей степени упрочняет полимер, чем при оптимальной величине этой адгезии. например, высокодисперсные частицы полистирола сильнее упрочняют резину на основе бутадиен-стирольного эластомера, чем такие же по размеру частицы сополимера стирола с небольшим количеством бутадиена, хотя частицы последнего характеризуются большей адгезией к данной матрице.

качество диспергирования и распределения наполнителя. агломераты являются довольно крупными образованиями наполнителя и поэтому при деформировании композита вызывают образование в его матрице крупных трещин, снижающих прочность материала. кроме того, агломераты являются непрочными образованиями, и сами являются источником роста трещин. поэтому ухудшение качества диспергирования наполнителя снижает прочность композита.

неравномерное распределение наполнителя вызывает разброс прочности по объему композита и наличие в нем менее прочных мест. разрушение материала начинается с менее прочных участков, поэтому менее равномерное распределение наполнителя означает и пониженные прочностные свойства.

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

любая система адгезив-субстрат характеризуется не только адгезионной прочностью, но и типом нарушения связи между контактами, то есть характером разрушения. вопрос о характере разрушения имеет и теоретическое, и большое практическое значение: только зная слабое место системы, можно искать пути повышения ее работоспособности. общепринятой является следующая классификация видов разрушений: адгезионное (адгезив целиком отделяется от субстрата), когезионное (разрыв происходит по массиву адгезива или субстрата), смешанное (наблюдается частичное отделение адгезива от субстрата, частичное разрушение субстрата и частичное разрушение адгезива).

учитывая влияние субстрата на структуру прилегающего слоя адгезива, можно представить себе адгезив стостоящим по крайней мере из трех частей: тончайшего модифицированного слоя на поверхности субстрата, промежуточного слоя, в котором влияние силового поля поверхности субстрата оказывается значительно ослабленным, и , наконец, основной массы адгезива, где влияние поверхности субстрата не ощущается. рассматривая пленку клея, заключенную между двумя поверхностями, можно выделить пять слоев: два внешних, модифицированных, примыкающих к субстратам, два промежуточных и один основной в центре.

адгезионным следует считать такое разрушение, которое происходит в модифицированном слое адгезива вблизи поверхности субстрата

. межфазная поверхность в гетерогенной системе наиболее ослаблена из-за концентрации механических напряжений. поэтому, при отсутствии достаточно прочных молекулярных связей на границе раздела адгезив-субстрат граница не является местом проростания магистральной трещины.

для пористых субстратов вопрос о характере разрушения формально снимается, поскольку разрушение системы всегда сопровождается разрушением соединяемых материалов, то есть имеет когезионный характер.

. часто удается наблюдать, что с повышением скорости деформации когезионный характер разрушение сменяется смешанным, а затем адгезионным. это связано с релаксационными процессами. при медленном разрушении, когда успевают произойти процессы релаксации, адгезив испытывает значительные деформации, что и приводит к когезионному разрушению по адгезиву. при быстром разрушении релаксация не успевает произойти, и адгезив ведет себя как твердое тело с высоким модулем упругости. слабым местом оказывается граница раздела адгезив-субстрат, так как именно на этой поверхности возникают наиболее неоднородные напряжения.



34. Проанализируйте особенности структуры и свойств смесей полимеров

· дефекты, присущие структуре матрицы,

· частице наполнителя,

· расстояние между частицами.

если частицы наполнителя по размерам превосходят структурные дефекты матрицы, и, особенно, если частицы имеют нерегулярную форму, то они могут стать наиболее опасными дефектами наполненных композиций. в композите частицы наполнителя практически не деформируются вместе с полимерной матрицей из-за большой разницы в модулях упругости компонентов. следовательно, в процессе деформирования на границе полимер - наполнитель возникают перенапряжения, способствующие появлению трещин в матрице. кроме того, в случае невысокой адгезии между компонентами может происходить отслаивание полимера от наполнителя при деформировании пкм. таким образом, при деформировании материала частицы наполнителя являются источником дефектов и трещин в полимере. размер этих трещин и отслоений пропорционален размеру дисперсных частиц. если размер частиц наполнителя меньше критического, то образующиеся трещины или отслоения также меньше критического и не вызывают разрушения материала. вместе с тем, на отслоение полимера от наполнителя и образование микротрещин тратится приложенная к образцу энергия. в результате диссипации энергии в объеме композиции её прочность повышается. поэтому введение высокодисперсного наполнителя повышает прочность полимера. совсем другая ситуация возникает, если размер частиц наполнителя больше критического. введение такого наполнителя в полимер вызывает возникновение крупных трещин и ведет к разрушению материала при меньших нагрузках, чем без наполнителя. чем больше размер частиц наполнителя, тем больше напряжения в матрице около этих частиц, и тем при меньшей нагрузке в полимере возникают крупные трещины, и происходит разрушение материала. таким образом, упрочнение полимеров наполнителем имеет место при размере дисперсных частиц меньше некоторого критического размера. увеличение размера частиц вызывает снижение прочностных свойств композита. степень упрочнения высокодисперсными наполнителями зависит от физического состояния полимерной матрицы. наибольшее упрочнение наблюдается для сшитых полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии (в 5 - 10 раз). в значительно меньшей степени усиливаются стеклообразные полимеры и кристаллические полимеры (в 1,2 - 2 раза). такое влияние температуры (а точнее физического состояния полимера) объясняют различной степенью воздействия наполнителя на подвижность адсорбированных макромолекул. снижение подвижности макромолекул при их адсорбции на поверхности частиц наполнителя ведет к повышению прочности полимера. в полимерах, находящихся в высокоэластическом состоянии, адсорбция макромолекул на поверхности наполнителя вызывает более существенное снижение их подвижности, чем в стеклообразных или кристаллических полимерах . таким образом, основными причинами упрочнения полимеров частицами высокодисперсного наполнителя являются:

- затраты внешней энергии на образование большого числа микротрещин около частиц наполнителя;

- ограничение роста микротрещин и их ветвление при встрече с частицами наполнителя;

- повышение модуля упругости матрицы из-за ограничения подвижности части адсорбированных на наполнителе макромолекул.

35. Проанализируйте особенности структуры и свойств смесей полимер-жидкость

влияние содержания наполнителя. при невысоком содержании волокна в полимере зависимость механических свойств композита с одноосно-ориентированными непрерывными волокнами в продольном направлении меняются по пропорциональной зависимости:

,

,

где у_f - прочность волокон, у'_m - напряжения в матрице в момент разрушения волокон, v_f - объёмная доля волокон.

однако при большом содержании наполнителя эта зависимость неверна. с приближением концентрации волокна к ц_mах продольная прочность композита все сильнее отличается от прочности, рассчитанной из закона пропорциональности. при концентрации волокна выше ц_mах прочность композита резко падает,

рассмотрим механизм передачи напряжений от матрицы к наполнителю. в простейшем варианте, когда полимер армирован однонаправленными непрерывными волокнами и подвергается растяжению в направлении их ориентации, деформация компонентов одинакова и возникающие в них напряжения пропорциональны модулю упругости волокон и матрицы. если в этой же модели волокна будут дискретными, то распределение напряжений оказывается неоднородным по длине волокна. напряжение на концах волокна отсутствует, но возникают касательные напряжения на границе волокно-матрица, которые постепенно вовлекает волокно в работу. рост растягивающих напряжений в волокне продолжается до тех пор, пока они не достигнут среднего уровня напряжений, наблюдающихся в непрерывном волокне. соответственно длину, на которой это происходит, называют «неэффективной». с увеличением деформации «неэффективная» длина растет и достигает максимального значения при напряжении, соответствующем прочности волокна. в этом случае «неэффективную» длину называют «критической». она является важной характеристикой взаимодействия композитов и может быть рассчитана по формуле:

lкр/dвол = у_вол/2у_ф(мат) (1),

где dвол и увол - диаметр и прочность волокна; у_ф(мат) - предел текучести матрицы или адгезионная прочность системы.

чем короче армирующее волокно, тем меньше его эффективность. при l< lкр матрица ни при каких обстоятельствах не может передать волокну напряжение, достаточное для его разрушения. из этого следует, что армирующая способность коротких волокон весьма невысока. особенно если учесть ориентацию волокон, которая в таких материалах не бывает идеальной. структура материалов на основе коротких волокон скорее хаотичная. преимущество коротковолокнистых наполнителей определяется возможностью высокоскоростной переработки материалов в изделия.

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

волокно - это форма материала, имеющая высокое отношение продольных размеров к поперечным (не менее 10 -100) при небольших поперечных размерах (менее 0,25 мм).

для получения из волокна монолитного материала отдельные волокна необходимо соединить или склеить. наиболее подходящим материалом для такого склеивания волокон является полимерное связующее. таким образом, связующее в волокните обеспечивает монолитность материала, а волокна несут основную нагрузку при деформировании и обеспечивают его прочность.

влияние адгезии между полимером и наполнителем на прочность композитов: при размере частиц наполнителя больше критического -резкое падение прочности композита. если размер частиц наполнителя ниже критического, то адгезия полимер-наполнитель по-другому влияет на прочность композита.

максимальное усиление достигается при оптимальном уровне адгезии между полимером и частицами наполнителя.

при слишком низкой адгезии полимера к наполнителю работа, затрачиваемая на образование новой поверхности между полимером и наполнителем, невелика. это ведет к образованию большого количества отслаиваний и трещин уже при небольшой нагрузке на материал. поэтому наполнитель с низкой адгезией к матрице снижает ее прочность. такое наблюдается, например, при наполнении диеновых резин высокодисперсными частицами политетрафторэтилена. при слишком высокой адгезии наполнителя к полимеру образование трещин в матрице, по-видимому, происходит раньше, чем отслаивание матрицы от поверхности частиц наполнителя. в этом случае затрат энергии на отслаивание полимера от наполнителя нет. таким образом, при слишком высокой адгезии полимера к наполнителю наполнитель в меньшей степени упрочняет полимер, чем при оптимальной величине этой адгезии. например, высокодисперсные частицы полистирола сильнее упрочняют резину на основе бутадиен-стирольного эластомера, чем такие же по размеру частицы сополимера стирола с небольшим количеством бутадиена, хотя частицы последнего характеризуются большей адгезией к данной матрице.

влияние адгезии между фазами. для реализации высокой прочности волокнита необходима высокая адгезия между волокном и связующим. в противном случае нагрузка между волокнами будет передаваться плохо из-за проскальзывания волокон в матрице, и вся нагрузка, приложенная к образцу, приходится лишь на часть волокон, что ведет к разрушению этих волокон и всего композита при малых нагрузках.

в большинстве случаев адгезия между волокном и полимером недостаточна для реализации максимальных прочностных возможностей композита. поэтому для улучшения связи между полимером и волокном применяется аппретирование поверхности волокна. аппретирование - это обработка поверхности наполнителя веществом, называемым аппретом, которая повышает прочность адгезионной связи между твердым наполнителем и полимерной матрицей.

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

влияние ориентации волокон. рассмотрим, как меняется прочность композита с одноосно-ориентированными бесконечными волокнами при изменении направления приложения нагрузки.видно, что с отклонением направления приложения нагрузки от направления ориентации волокон прочность композита резко падает, и при значении и около 45° прочность композита становится равной прочности полимерной матрицы. а в поперечном направлении волокна не только не усиливают полимер, но даже его несколько ослабляют. наблюдается сильно выраженная анизотропия механических свойств. это в подавляющем большинстве случаев очень отрицательное качество волокнитов, и это их существенный недостаток.

зависимость относительной прочности композита с одноосно-ориентированными бесконечными волокнами от угла приложения нагрузки.можно снизить анизотропию свойств волокнонаполненных композитов путем ориентации волокон в различных направлениях. можно расположить волокна в композите так, чтобы они были ориентированы в двух, трех или большем числе направлений. но при этом не удается получить такие высокие значения прочности и модуля упругости как у композита с одноосной ориентацией в продольном направлении.

отношение прочности композита с многоосной ориентацией волокон к теоретическому значению прочности композита с однонаправленными волокнами, называется коэффициентом эффективности упрочнения (к_у). значения ку при различной ориентации волокон приведено на рис. чем больше осей ориентации, тем меньше анизотропия свойств композита, но ниже и коэффициент эффективности упрочнения.

влияние соотношения модулей упругости волокна и связующего. модуль упругости волокна почти всегда больше модуля упругости полимера. именно такое соотношение модулей упругости компонентов позволяет реализовать высокие прочностные свойства пкм, наполненного волокнами. если модуль упругости связующего слишком низок, то прочностные возможности композита будут реализовываться далеко не в полной степени. это обусловлено невозможностью передачи большой нагрузки от волокна другому волокну через матрицу с низким модулем упругости. наиболее оптимальное соотношение е₁/е₂ около 10.

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

для формования изделий и/или получения волокнистых полимерных композитов на основе термо- и реактопластов применяются различные исходные материалы и составы:

* порошкообразные и гранулированные термопласты, листовые и стержневые заготовки на их основе;

* порошкообразные и волокнистые наполнители, матрицы (связующие) в виде расплавов или жидких композиций (растворов и эмульсий, компаундов, содержащих исходные мономеры или олигомеры);

* премиксы (на основе эпоксидных, полиэфирных или других связующих) в виде паст, порошков, рыхловолокнистых смесей гранул и таблеток;

* препреги (на основе нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых матов и холстов, бумаг, пропитанных связующим) и другие.

основные параметры процессов получения армированных полимерных материалов -- 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 (реакции отверждения и сшивки) процессов. кроме того, время процесса зависит от скорости прогрева и охлаждения перерабатываемого материала, что определяет выравнивание температуры по его толщине.

в процессах переработки термопластов и армированных термопластов они переводятся в высокоэластическое или вязкотекучее состояние и затем затвердевают при снижении температуры. в расплавленном или текучем состоянии происходит деформирование материала и придание материалу формы детали или изделия. при выдержке термопластов перед охлаждением, кристаллизации и релаксации (снятия внутренних напряжений) необходимо время для обеспечения стабильности размеров и формы получаемых изделий.

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

экструзия - метод формования на поршневых и винтовых машинах (экструдерах) изделий или полуфабрикатов неограниченной длины продавливанием расплава полимера через формующую головку с каналами необходимого профиля.

экструдеры - шнековые, или червячные.

применяют для формования из термо- и реактопластов разл. длинномерных изделий-волокон, пленок, листов, труб, профилей разнообразного поперечного сечения.

производство изделий осуществляется путем подготовки расплава в экструдере и придания экструдату той или иной формы посредством продавливания его через формующие головки соответствующей конструкции с последующими охлаждением, калиброванием и т. д.

выходящее из головки изделие охлаждается, отводится тянущим устройством и сматывается (или разрезается на отрезки). методом экструзии можно также наносить на провода и кабели полимерную изоляцию.

основным оборудованием для переработки пластмасс методом экструзии служат шнековые машины (червячные прессы). иногда применяются бесшнековые, или дисковые экструдеры (когда необходимо получить улучшенное смешение компонентов смеси). давление формования низкое, поэтому такие экструдеры применяются для получения изделий с невысокими механическими характеристиками и небольшой точностью геометрических размеров.

комбинированные экструдеры имеют шнековую и дисковую части, и называются червячно-дисковыми. применяются для обеспечения хорошего смесительного эффекта, особенно при переработке композитов. на них перерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточно высокую эластичность.

винтовой экструдер: 1 - бункер для материала; 2 - каналы охлаждения; 3 - нагревательные элементы; 4-винт (шнек); 5-сетка; 6 - формообразующая головка; 7-изделие; 8-станина экструдера; 9-узел подшипников; 10-редуктор; 11 -электродвигатель привода; 12-форсунка для охлаждения изделия; 13-тянущее устройство.

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

технология пултрузии - технология производства конструкционных профильных изделий из одноосно-ориентированных волокнистых пластиков непрерывным способом. методом пултрузии производятся профильные изделия с постоянным поперечным сечением из соответствующего материала.

основными узлами пултрузионной установки являются секция подачи стеклонаполнителя, пропиточная секция, фильера, тянущий узел, гидромаслостанция, пила и контрольный узел, который включает в себя блок питания, блок управления нагревательными элементами и блок управления тянущим узлом.

этим методом можно получать изделия с любым профилем (стержни, трубки, профили разл. поперечного сечения и др.). процесс осуществляют по непрерывной схеме: армирующий наполнитель, совмещенный со связующим, собирают в пучок и протягивают через систему формообразующих головок (фильер), в которых осуществляется формование изделия и частичное отверждение связующего. окончат. отверждение происходит в термокамере или высокочастотной установке. метод характеризуется высокой производительностью, экономичностью, поддается автоматизации.

в современных пултрузионных установках нагревание осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты, что позволяет осуществлять практически мгновенный нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. использование высокочастотного нагрева позволяет изготавливать способом пултрузии толстостенные изделия с высокой производительностью, достигающей 6 м/мин.

основные преимущества:

· это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.

· автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.

· недорогие материалы.

· хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

· закрытый процесс пропитки волокна.

основные недостатки:

· ограниченная номенклатура изделий.

· дорогое оборудование.

·

1 - шпулярник; 2 - пропиточная ванна; 3 - формующая матрица; 4 - камера термообработки 5 - камера охлаждения; 6 - тянущееустройство; 7 - дисковая пила; 8 - станина; 9 - пульт управления

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

при изготовлении цилиндрических изделий из армированных полимеров используют технологию намотки. по этой технологии на вращающуюся оправку наматывается волокно, пропитанное связующим. пропитка осуществляется в ванне со связующим, через которую проходит непрерывное волокно или жгут. этим способом производят трубы большого диаметра (до 5 м), цистерны для перевозки химических продуктов, корпуса ракет и другие изделия.

процесс намотки производится в автоматическом режиме с помощью программного управления.

метод намотки волокном: армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку (для уменьшения анизотропии - послойно). специальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. угол намотки может изменяться от очень малого - продольного до большого - окружного, т.е. около 90^o относительно оси оправки, включая любые углы спирали в этом интервале. материал можно обертывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. последовательные слои наносятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина.

содержание волокнистого наполнителя в пластиках - 60--85%, - высокие показатели прочности.

основными материалами для матрицы служат эпоксидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. при "мокрой" намотке смола наносится в процессе самой намотки. "сухая" намотка основана на использовании ровинга, предварительно пропитанного смолой.

основные преимущества:

· очень быстрый. экономически выгодный метод укладки материала.

· регулируемое соотношение смола/волокно.

· высокая прочность при малом собственном весе.

· неподверженность коррозии и гниению.

· недорогие материалы.

· хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание армирующего материала.

основные недостатки:

· ограниченная номенклатура изделий.

· дорогое оборудование.

· волокно трудно точно положить по длине сердечника.

· высокие затраты на сердечник для больших изделий.

· рельефная лицевая поверхность.

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

при изготовлении заготовок изделия методом напыления в качестве наполнителей используют короткие волокна (30-60 мм), которые с помощью спец. установок напыляют потоком воздуха совместно со связующим на форму до достижения требуемой толщины. этим методом производят крупногабаритные изделия, напр. корпуса лодок и катеров, элементы легковых и грузовых автомобилей, контейнеры различного назначения, плавательные бассейны, покрытия полов, облицовки бетонных конструкций.

1 - форма; 2 - ламинат; 3 - режущее устройство; 4 - напылительный пистолет; 5 - бобина ровинга



смешение смолы и катализатора отверждения происходит вне напыляющего пистолета, т.е. в потоке воздуха, транспортирующего и перемешивающего все три компонента (смолу, катализатор отверждения и рубленое стекловолокно). такая конструкция позволяет избежать отверждения полимерной композиции внутри смесительной камеры и в подающих шлангах при внутреннем смешении компонентов. поток воздуха перемешивает компоненты и транспортирует смесь к матрице.

как и при послойной ручной укладке пропитанной смолой ткани, напыленный на матрицу слой композиции прикатывается валиком с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха. для хорошей пропитки волокна связующим его содержание при такой технологии не должно превышать 33-35% по массе.

преимущества:

* отпадает необходимость в разрезании и укладке армирующих материалов (стеклоткань, стеклоровинг);

* можно перерабатывать большое количество полимерных композиций;

* упрощается изготовление слоистых пластиков и облицовок (процесс изготовления, как правило, более экономичен);

* упрощается формование слоистых пластиков на поверхностях, расположенных вертикально и вверху, точнее говоря, подобное формование может быть осуществлено только таким способом.

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

при этом способе формования пропитанные связующим слои наполнителя уплотняют путем прижатия кистью или прикатки роликом. отверждение материала производится без приложения постоянного давления в основном при температуре цеха

схема контактного формования:

1 - форма; 2 - ламинат; 3 - прикаточный ролик

ламинат 2, представляющий собой армирующий материал, пропитанный полимерной композицией, укладывается на специальную негативную форму 1 (матрицу), затем тщательно прикатывается валиком 3 с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха, после чего полимерная композиция отверждается. поверхность готового изделия является зеркальным отражением поверхности использованной формы и полностью воспроизводит ее фактуру.

при больших толщинах будущего изделия нанесение ламината проводят в несколько стадий, давая возможность каждому слою отвердиться и охладиться. это связано с тем, что отверждение смолы происходит с выделением значительного количества тепла. в результате происходит перегрев отверждающейся композиции, появляются значительные внутренние напряжения, приводящие к деформациям, короблению и растрескиванию готовых изделий.



44. Проанализируйте основные причины и механизм упрочнения полимеров дисперсными частицами

препреги- реактопласты, представляющие собой волокнистые наполнители, пропитанные термореактивной смолой (связующим). п.-- незаменимый материал для изготовления крупногабаритных изделий относительно простой конфигурации. области применения: производство спортинвентаря, аэро-и самолетостроение.

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

пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала. в зависимости от вида наполнителя п. подразделяют на три группы:

1) на основе тканей и бумаги; такие п. предназначены для изготовления изделий простой конфигурации («листовые нерастекающиеся п.»);

2) на основе матов из рубленого волокна; из этих п., способных течь под давлением при нагревании, изготавливают более сложные по конфигурации, но менее прочные изделия («листовые растекающиеся п.»);

3) на основе ориентированных нитей, жгутов, лент; их используют для формования изделий, имеющих контур тел вращения.

первой и третьей групп изготавливают пропиткой наполнителя р-ром или расплавом связующего с последующей термообработкой для удаления растворителя и частичного отверждения связующего. последняя операция производится для получения материала, к-рый удобно хранить и транспортировать, а также для максимального сокращения продолжительности отверждения при последующей переработке.

при производстве листовых нерастекающихся п. ткань или бумагу с рулона (одного или нескольких) протягивают через ванну со связующим, снабженную валками для отжима избытка связующего, и затем -- через печь для термообработки. после этого п. охлаждается на специальном валке и наматывается на приемный барабан. для предотвращения слипания между отдельными слоями п. в рулоне прокладывается защитная пленка, к-рую перед формованием изделия отделяют от вырезанной (вырубленной) из листа заготовки. в качестве связующих для п. первой и третьей групп используют эпоксидные, феноло-формальдегидные, полиэфирные, кремнийорганич., меламино-формальдегидные и полиимидные смолы в количестве 18--50% (от общей массы). наполнителями служат бумага или стеклянные, асбестовые, хлопковые, кварцевые, полиамидные, углеродные, борные нити либо ткани.

основные преимущества:

· могут быть получены ламинаты с высоким содержанием армирующего волокна и с минимальным содержанием пустот.

· хорошие условия труда и окружающая среда. нет большого выброса вредных веществ.

· возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

основные недостатки:

· высокая стоимость материалов.

· для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий

вальцевание- переработка полимерных материалов на вальцах. в.осуществляется на валковых машинах (вальцах), оснащённых двумя параллельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами (валками) . в. можно проводить с подогревом или охлаждением, с одинаковой или различной частотой вращения валков. это периодический или непрерывный процесс многоразового перехода полимерного материала через зазор. в зависимости от аппаратурного оформления метода материал с вальцов может сниматься в виде листа или узкой непрерывной ленты.

процесс вальцевания заключается в многократном пропускании массы через зазор между валками, в результате чего на материал передаётся интенсивное силовое воздействие, сопровождающееся протеканием комплекса физических и химических процессов, приводящих к его разогреву, перемешиванию, гомогенизации. в. служит не только для получения однородной массы материала или перевода его в состояние, облегчающее дальнейшую переработку (подогрев, пластикация). в. может проводиться также с целью получения из полимеров листов или плёнки, охлаждения материала, выходящего из смесителя, и придания ему формы, удобной для последующей переработки (введения наполнителей в связующее под давлением, дробления, размола и рафинирования сырья).

в.широко используется в технологии производства разнообразных композитов, например, для смешивания компонентов сырых резиновых смесей и пластических масс на стадии их приготовления. кроме того этот метод применяется для пластификации каучука, смешивания полимеров с разными ингредиентами (наполнителями, красителями, пластификаторами, антипиренами), совмещения резин с вулканизирующими агентами и другими компонентами, грубого дробления резины для регенерации, тонкого дробления твёрдых сыпучих материалов, для переработки пресс-порошков, улучшения технологических свойств полимерного материала перед формованием изделий. а также для изготовления полуфабрикатов (листов, плёнки).

Размещено на Allbest.ru

...