Технологический процесс изготовления стеклотекстолита на основе стекловолокна

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Понятия композиционных материалов

1.2 Классификация композиционных материалов

1.2.1 Классификация по матрице

1.2.1.1 Композиционные материалы с металлической матрицей

1.2.1.2 Композиционные материалы с неметаллической матрицей

1.2.2 Классификация по виду наполнителя

1.3 Методы получения композиционных материалов

1.3.1 Соэкструзия

1.3.2 Экструзионное ламинирование

1.3.3 Склеивание (каширование)

1.3.4 Вакуумная металлизация

1.4 Полимеры

1.4.1 Классификация полимеров

1.4.2 Применение полимеров

1.5 Слоистые пластмассы

1.6 Анализ обзора литературы м постановка цели работы

2. ТЕХНОЛОГИЧЕССКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКНА

2.1 Производство стекловолокна

2.1.1 Типы стеклянных волокон

2.1.2 Сырье для производства стекловолокна

2.1.3 Расчет шихты

2.1.4 Этапы варки стекла

2.1.5 Замасливание, намотка и сушка нитей

2.1.6 Текстильная переработка стеклянного волокна

2.1.7 Подготовка уточной нити

2.1.8 Снование основных стеклянных нитей

2.1.9 Ткачество стеклянной нити

2.2 Технология изготовления стеклотекстолита

3. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ

3.1 Входной контроль

3.2 Контроль качества готовой продукции

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



РЕФЕРАТ

композиционный стеклотекстолит слоистый пластик

Курсовой проект: 55с. 10 рис., 9 источников.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СТЕКЛОВОЛОКНО, СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Цель работы - технологический процесс получения стеклотекстолита на основе стекловолокна.

В процессе работы было выполнено: проведен литературный обзор, разработана технологическая схема, произведен расчет шихты.

Область применения является электротехническая, строительная, машиностроительная промышленность.



ВВЕДЕНИЕ

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы. Композиционный материал - конструкционный материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.



1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Понятия композиционных материалов

Композиционный материал (КМ), композит -- искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а так же прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это -- гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера.

Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат -- один из древнейших композиционных материалов. В нём тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит -- и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр [1].

1.2 Классификация композиционных материалов

1.2.1 Классификация по матрице

Композиционные материалы с металлической матрицей.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60- 80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

1.2.2 Классификация по виду наполнителя

Существует несколько видов классификации полимерных композиционных материалов (ПКМ), в основу которых положены различные признаки. Однако из-за многообразия ПКМ и способов получения единой их классификации не существует. Так как все ПКМ состоят из полимерной матрицы и содержат наполнитель, то можно провести классификацию по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя. Такая классификация (приложение 1) наиболее предпочтительна и с позиции изучения полимерных композиционных материалов.

Согласно этой классификации , наполнители в полимерной матрице могут находиться в твердом, жидком, и газообразном состояниях, и как особый вид состояния наполнителя можно выделить полимерное состояние. Геометрическая форма наполнителя оказывает огромное влияние на свойства ПКМ. Поэтому, используя наполнитель различной формы, или изменяя форму наполнителя путем модифицирования условий получения, можно в широких пределах регулировать многие свойства ПКМ.

Твердые наполнители вводят в полимер для самых различных целей. В большом числе случаев эти наполнители вводят для повышения прочности полимеров. Такое действие наполнителей на полимеры обычно называют усилением. Дисперсными наполнителями усиливают в основном эластомеры, и получают при этом резины.

Одной из важнейших целей введения твердых дисперсных наполнителей является удешевление полимеров. Для этого в полимер вводят большое количество дешевого наполнителя.

Кроме того, большое количество композиций содержит дисперсный наполнитель для придания полимерам самых разнообразных специальных (специфических) свойств. Сюда можно отнести придание полимерам нужного цвета, повышение липкости к металлам и другим веществам, придание электропроводности, улучшение теплопроводности, защита от ультрафиолетового излучения, снижение или повышение коэффициента трения, снижение горючести и регулирование многих других свойств полимеров.

Применение волокнистых и пластинчатых наполнителей позволяет во много раз повысить прочность полимеров. Волокнистые и пластинчатые наполнители используют чаще для усиления жестких реактопластов (стеклопластики, углепластики, прессовочные композиции), и значительно реже - для усиления термопластов и эластомеров.

Смешение полимеров используют, прежде всего, для расширения ассортимента полимерных материалов и для придания им нужных свойств. Например, для придания хрупким полумерам повышенной ударной вязкости и морозостойкости, для получения смесевых термоэластопластов, для удешевления дорогостоящих полимеров, для снижения усадки и для многих других целей.,

Введение низкомолекулярных жидкостей в полимеры применяется в основном для пластификации полимеров (снижения температуры стеклования и текучести полимеров) [2].

1.3 Методы получения композиционных материалов

Основные методы производства многослойных пленочных систем: соэкструзия (рукавная и плоскощелевая); экструзионное ламинирование; склеивание (или каширование); нанесение покрытий из растворов и дисперсий; вакуумная металлизация.

1.3.1 Соэкструзия

Этим методом получают только многослойные пленки. Для соэкструзии используют главным образом полиэтилены различной плотности, их сополимеры с винилацетатом и виниловым спиртом, полипропилен и его сополимеры с этиленом, иономеры, сополимеры хлорсодержащих олефинов -- винилхлорида и винилиденхлорида, полиамиды и сополиамиды.

Технологический процесс плоскощелевой соэкструзии изображен на рисунке 1.1.

1 - экструдеры; 2 - соэкструзионная головка; 3 - охлаждающие валки; 4 - узел намотки;

а - соединение слоев после выхода из головки; б - соединение слоев внутри головки; в - соединение слоев до входа в головку

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема плоскощелевой соэкструзии



Преимущества процесса: одностадийность, экономичность, возможность формирования очень тонких слоев и регулирования дины, изменения чередования слоев в материале, использования полимеров, которые нельзя перерабатывать экструзией для выработки однослойных пленок; придание многослойной пленке особых эстетических качеств путем сочетания полимеров, различающихся цветом или фактурой поверхности; наконец, при соэкструзии дорогостоящие добавки (антиоксиданты, ультрафиолетовые стабилизаторы, скользящие, антиблокирующие, антистатические агенты) можно добавлять не во все слои, а в строго определенные.

Недостатки соэкструзии: ограниченный ассортимент пленок, необходимость использования промежуточных адгезионных слоев, невозможность нанесения печати между слоями, затруднения утилизации отходов. Не все полимеры могут подвергаться совместному экструдированию.

Поскольку соэкструзия сводится к перемещению многослойного расплава в ламинарном потоке через экструзионную головку, правильный выбор полимеров с точки зрения их реологических свойств определяет принципиальную возможность получения комплексного материала.

Применяемые полимеры не должны сильно отличаться по вязкости и ее зависимости от температуры, чтобы можно было обеспечить равномерность течения слоев. Не все полимеры должны иметь одинаковую вязкость. Удовлетворительные результаты совместной экструзии можно получить для компонентов, вязкость которых отличается в 3-4 раза.

Если температура экструзии одного полимера превышает температуру деструкции второго, то материалы также не подходят для соэкструзии.

Еще одной важной проблемой, особенно при экструдировании тонких слоев, является нестабильность потока в наружном слое. Иногда ее решают путем уменьшения вязкости наружного слоя, однако это, в свою очередь, может нарушить равномерность потока. Рассогласование по вязкости в ряде случаев можно частично скомпенсировать за счет изменения температуры полимерных расплавов, поступающих в блок соэкструзии.

Обеспечение достаточной межслоевой адгезии -- также важное условие при выборе полимерных материалов. При соэкструзии однородных компонентов, например полиэтиленов, не надо применять дополнительные меры для их совмещения. Но для полимеров, которые в силу своей химической природы несовместимы, необходим промежуточный слой из материала, обладающего хорошей адгезией к обоим составляющим.

Широкое распространение в качестве адгезивов получили иономеры -- производные сополимеров этилена с моно- и дикарбоновыми кислотами. Частичная нейтрализация карбоксильных групп сополимеров (степень нейтрализации до 50--80 %) гидроксидами или солями натрия и цинка приводит к образованию ионной связи. При высоких значениях температуры и напряжения сдвига ионные связи разрушаются, что позволяет перерабатывать расплав, а при охлаждении эти связи восстанавливаются и обеспечивают получение материала повышенной прочности. Натрийсодержащие иономеры отличаются высокими оптическими свойствами, жиростойкостью и липкостью при нагревании. Цинксодержащие иономеры характеризуются высокими адгезионными показателями и хорошей водостойкостью.

Однако иономеры -- дорогостоящие адгезивы. Более дешевыми являются многофункциональные сополимеры этилена с различными сомономерами, содержащими ангидридные группы. Другой тип адгезивов получают сополимеризацией этилена и акриловой кислоты. Фирма Dow Chemical (США) выпускает его под торговой маркой «Примакор».

1.3.2 Экструзионное ламинирование

Экструзионно-ламинаторный способ получения многослойных и комбинированных материалов заключается в нанесении расплава полимера на другие полимерные пленки, бумагу, фольгу или ткань. В качестве основы обычно применяют предварительно ориентированные пленки, что обеспечивает хорошие прочностные показатели многослойных и комбинированных материалов. Принципиальная схема процесса изображена на рисунке 1.2.

1 -- узел размотки основы; 2 -- экструдер с плоскощелевой головкой; 3 -- прессующий валик; 4 -- охлаждающий цилиндр; 5 -- узел намотки

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема процесса экструзионного ламинирования

Экструзионное ламинирование обеспечивает высокую производительность процесса, но большая скорость протяжки основы часто приводит к снижению сопротивления пленок расслаиванию, которые к тому же имеют тенденции к скручиванию.

Для достижения хороших адгезионных показателей покрытие наносят на основу при высокой температуре, которая может быть более 300°С. Кроме того, поверхность основы обрабатывают праймерами, представляющими собой очень тонкие слои адгезивов. Подобная технология ограничивает области использования пленок, например для упаковывания пищевых продуктов.

При экструзионном ламинировании расплавом полимера можно соединять две (или больше) пленочные основы, а покрытия наносить с помощью соэкструзионной головки, что существенно расширяет ассортимент пленок и сферу их применения. В качестве основы служат различные типы бумаги и картона, двуосно-ориентированные полиэтилентерефталатные, полиамидные, полипропиленовые пленки, целлофан, алюминиевая фольга, ткани и нетканые материалы. Для покрытия и соединения слоев обычно применяют полиэтилен низкой плотности, полипропилен и их сополимеры.

Ассортимент пленок: материалы для упаковывания молока и молочных продуктов на основе бумаги, алюминиевой фольги и полиэтилена, а также пленки для сухих сыпучих продуктов на основе полиэтилентерефталата, полиамида, целлофана, полиэтилена и алюминиевой фольги.

1.3.3 Склеивание (каширование)

Этот метод получения многослойных пленочных систем осуществляется по нескольким технологическим схемам (мокрое, сухое склеивание) и является наиболее универсальным. Он позволяет получать почти любое сочетание и чередование слоев. Минимальные величины толщины слоев определяются возможностью формования исходных пленок и протяжки их по тракту технологической линии при склеивании.

При мокром кашировании осуществляется склеивание (ламинация) клеем на водной основе. Предусмотрены следующие операции: нанесение раствора или дисперсии адгезива на поверхность одной из пленок; соединение пленок в узле ламинирования; удаление растворителя или дисперсионной среды в сушильной камере; намотка полученного материала в рулон.

Принципиальная схема получения пленок методом мокрого каширования представлена на рисунке 1.3.



1, 3 - узлы размотки; 2 - узел нанесения адгезива; 4 - сушильная камера; 5 - узел намотки.

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема получения пленок методом мокрого каширования

При мокром склеивании удаление летучих компонентов происходит через слой пленочного материала. Поэтому хотя бы один слоев должен быть пористым либо иметь высокую проницаемость для удаляемого вещества. Обычно этим методом получают ламинированные пленочные материалы на основе бумаги с фольгой, а в качестве адгезива используют водные эмульсии на основе поливинилацетата.

Метод сухого каширования более универсален и позволяет получить практически весь спектр комбинированных и многослойных материалов. После нанесения на поверхность пленки раствора или дисперсии адгезива проводят сушку и только после - ламинирование. Второе название этого способа - сольвентная ламинация. Принципиальная схема метода сухого кэширования представлена на рисунке 1.4.



1, 5 -- узлы размотки; 2 -- узел нанесения адгезива; 3 -- сушильная камера;

4 -- ламинатор; 6 -- узел намотки

Рисунок 1.4 - Принципиальная схема метода сухого каширования

Сухим кашированием можно соединять почти любые пленочные материалы с высоким и стабильным уровнем адгезионной прочности. Ограничения метода определяются возможностью протяжки тонких пленок по тракту машины и деформации пленок с низкой теплостойкостью в сушильной камере. Кроме того, при использовании в качестве основы рыхлых материалов с повышенным впитыванием раствора адгезива могут возникнуть затруднения при удалении растворителя, а также увеличиться расход клея.

В качестве адгезива чаще всего пользуются двухкомпонентными отверждающимися полиуретановыми клеями. Растворителем обычно служит этилацетат.

К недостаткам сухого склеивания можно отнести экологические проблемы, связанные с наличием отходов в виде паров органических растворителей. Количество паров не так велико, чтобы было экономически целесообразно проводить рециркуляцию растворителя или предусматривать индивидуальную установку для сжигания. Поэтому пары часто просто выбрасывают в атмосферу. Кроме того, при повышенном содержании остаточного растворителя в пленках ухудшаются их санитарно-гигиенические показатели.

Быстро развивается производство пленок методом склеивания без растворителя - бессольвентная ламинация. Простота технологии, небольшие энергозатраты, малые габариты машины и короткий тракт протяжки основы обеспечивают преимущества по сравнению с другими методами производства многослойных пленок.

Принципиальная схема метода склеивания без растворителя представлена на рисунке 1.5.

1, 3 - узлы размотки; 2 - узел нанесения адгезива; 4 - ламинатор; 5 - узел намотки.

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема метода склеивания без растворителя

Этот метод позволяет склеивать очень тонкие и неустойчивые при нагревании пленки. В качестве адгезива используют полиуретановые клеи. Основной недостаток метода заключается в том, что по уровню достигаемой адгезионной прочности и стабильности в условиях эксплуатации он уступает сухому кашированию.

Если исключить стадию ламинирования пленки или использовать антиадгезионный промежуточный слой, то по такой схеме можно получить пленки с покрытиями, а также весь ассортимент пленок с липким слоем. Первые обычно вырабатывают на основе винилиденхлорида и его сополимеров, сополимеров винилацетата.

1.3.4 Вакуумная металлизация

В последнее время прослеживается устойчивая тенденция в упаковочной отрасли к замене пленочных материалов со слоем алюминиевой фольги металлизированными пленками. Напыление позволяет экономить до 98--99 % металла, использовать более безопасные в экологическом отношении технологии и при этом иногда выигрывать в качестве пленок. Металлизированные пленки по сравнению с фольгированными имеют более эстетичный внешний вид, высокий глянец металлизированной поверхности, печать на них выглядит ярче и красочнее.

Казалось бы, что большая толщина слоя металла в фольгированных пленках должна обеспечивать улучшенные барьерные характеристики. Однако зачастую металлизированные пленки не уступают фольгированным по защитным функциям. Наиболее распространено термическое напыление алюминия с декоративной целью и для повышения барьерных свойств пленок. В последнее время развивается метод распыления с помощью магнетрона. Это позволяет наносить слои даже из высокоплавких металлов и их сплавов, а также химические соединения металлов, например нитриды или оксиды.

Металлизацию пленок осуществляют в вакуумных камерах, при высоком разрежении испаряют металл и осаждают его на поверхность полимера, перематываемого с одного рулона на другой - рисунок 1.6.



Рисунок 1.6 - Принципиальная схема вакуумного напыления металла на пленки

Процесс металлизации осуществляется в условиях глубокого вакуума, создаваемого с помощью специальных вакуумных насосов, тип которых зависит от размеров оборудования. В условиях высокого вакуума металл (обычно алюминий или реже -- бронза) испаряется и в виде очень тонкого слоя (0,01--0,3 мкм) оседает на непрерывно движущуюся подложку. Подложка в виде разматываемого с бобины полотна пленки или бумаги направляется в вакуумную камеру и после металлизации наматывается на бобину, проходя через ряд валков.

Металлизация пленочных материалов создает огромную экономию дорогого и дефицитного металла, производство которого требует больших затрат электроэнергии, так как наиболее употребляемая алюминиевая фольга имеет толщину от 7 до 12 мкм. Для повышения механической прочности полимерные пленки перед металлизацией подвергают двуосной ориентации. Наиболее эффективны для упаковки пленки из трех слоев: полимер/металл/полимер с различным сочетанием термопластов.

Более сложным является процесс метализации бумаги, картона, обладающих меньшей гладкостью и большей шероховатостью по сравнению с полимерными пленками. По этой причине одну сторону бумаги перед металлизацией покрывают лаком, который обеспечивает высокую адгезионную прочность слоя наносимого металла к бумаге. Расход алюминия составляет от 30 до 100 г/м³.[3]

1.4 Полимеры

Полимеры (от греч. polymeres -- состоящий из многих частей, многообразный), химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

1.4.1 Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный);

цепи с разветвлением (разветвленные полимеры., например амилопектин);

трёхмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы).

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определённой периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных полимеров. -- полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров. образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

Свойства и важнейшие характеристики. Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации -- регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах. возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимеров менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой -- пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С -- эластичный материал, который при температуре -- 60°С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20°С -- твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100°С. Целлюлоза -- полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол -- кристаллическое вещество с температурой плавления около 235°С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80°С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (т. е. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т. е. полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров. с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимеров. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимеры из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров -- химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Получение. Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод-углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных). Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод-элемент (например, С = О, С = N, N = С = О) или непрочные гетероциклические группировки (например, в окисях олефинов, лактамах).

1.4.2 Применение полимеров

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов -- пластические массы, резины, волокна (см. Волокна текстильные, Волокна химические), лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности [4].



1.5 Слоистые пластмассы

Слоистые пластмассы - это материалы, изготовленные прессованием термореактивной смолы с листовыми наполнителями, В зависимости от наполнителя различаются текстолиты, асбестотекстолиты, гетинаксы, стеклотекстолиты и древеснослоистые пластики.

Пресс-материалы с листовым наполнителем имеют слоистую структуру с чередующимися слоями наполнителя и связующего, поэтому материалы этого типа называют слоистыми пластиками.

1.6 Анализ обзора литературы и постановка цели работы

В первой главе проведен обзор литературы в области композиционных полимерных материалов.

Дано подробное описание понятий композиционных материалов, приведена их классификация по матрице и виду наполнителя. Приведены методы получения композиционных материалов и их описание. Дано понятие о полимерах, рассмотрена их классификация и области их применения. Изучено понятие о слоистых пластмассах.

В соответствии с приведенным обзором литературы можно сделать вывод, что композиционные материалы являются актуальным направлением для исследования.

Целью данного курсового проекта является разработка технологического процесса получения стеклотекстолита на основе стекловолокна.



2. ТЕХНОЛОГИЧЕССКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКНА

2.1 Производство стекловолокна

В настоящее время для получения непрерывного стекловолокна применяют два подхода - одностадийный и двухстадийный. Двухстадийный (наиболее распространенный) способ получения волокна включает в себя стадию подготовки шихты, варки стекла, выработки эрклеза (кусочки оплавленного стекла), стеклошариков или штабиков и стадию плавления эрклеза и стеклошариков в плавильном сосуде и вытягивания волокна.

Вторая стадия получения волокна состоит из следующих операций:

* подготовка и подача стеклянных шариков или эрклеза в стеклоплавильный сосуд;

* плавление шариков и эрклеза и подготовка стекломассы к формованию;

* заправка грубых волокон (при использовании штабиков);

* формование волокон;

* охлаждение волокон;

* нанесение на волокна замасливателя и соединение их в нить;

* раскладка и намотка нити.

Одностадийная технология значительно опережает двухстадийную по соотношению цена/качество конечного продукта. Он является более современным, поэтому к настоящему времени не все производства смогли его внедрить. При применении этого подхода волокна вытягивают из стекломассы, поступающей в выработку сразу из стекловаренной печи, питаемой шихтой, т.е. исключается промежуточная стадия выработки эрклеза и стеклянных шариков, при этом расход энергии сокращается практически в два раза. Вместо нее осуществляется операция распределения потока стекла в распределителе стеклоплавильной печи по отдельным фильерным питателям. Надо отметить, что при этом качество стекловолокна может быть несколько хуже, чем при изготовлении по первой технологии, что связано с меньшей гомогенизацией расплава.

Для электрической изоляции применяется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для стеклопластиков неответственного назначения можно употреблять и щелочесодержащее стекловолокно. Механические характеристики стекловолокон напрямую зависят от метода производства, химического состава стекла, температуры и окружающей среды. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.

2.1.1 Типы стеклянных волокон

Все стеклянные волокна условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е. Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов - это волокна специального назначения. Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:

Е (electrical) - низкой электрической проводимости;

S (strength) - высокой прочности;

C (chemical) - высокой химической стойкости;

M (modulus) - высокой упругости;

А (alkali) -высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;

D (dielectric) - низкая диэлектрическая проницаемость;

AR (alkali resistant) - высокая щелочестойкость.

2.1.2 Сырье для производства стекловолокна

Применяемое в производстве стекла сырье подразделяют на основное и вспомогательное. Основным сырьем являются стеклообразующие материалы; вспомогательным - материалы, применяемые для осветления, обесцвечивания, окрашивания стекла и регулирования режима варки.

К основным материалам относятся кварцевый песок, борный ангидрид, сода, сульфат натрия, поташ, известняк, доломит, магнезит, глинозем, окислы свинца и др.

Кварцевый песок -- основной материал для производства стекла. Содержит 99 - 99,5% кремнезема и около 1% примесей окислов железа, хрома, ванадия и др. Чем меньше примесей в песке, тем выше его качество.

Окислы железа придают стеклу желто-зеленоватый оттенок, снижают его светопрозрачность. Поэтому в песке для стекломассы, используемой в производстве столовой посуды, допускается не более 0,025% окислов железа, а для хрусталя - не более 0,012%. Неравномерный по величине зерен песок также способствует появлению дефектов.

Соду (углекислый натрий) Na₂CO₃ природную или искусственную применяют для введения в стекломассу окиси натрия. В основном используют кальцинированную (безводную) соду. Содержание окиси натрия в стекле ускоряет стеклообразование, но снижает термостойкость и повышает коэффициент расширения стекла.

Известняк, реже мел и мрамор обогащают стекло окисью кальция, которая повышает его химическую стойкость, способствует осветлению и ускоряет варку.

Доломит CaCO₃·MgCO₃ - природная двойная соль кальция и магния, которую добавляют для введения в состав стекла окиси кальция вместе с окисью магния, повышающей химическую устойчивость и механическую прочность стекла и улучшающей его структуру (снижает тенденцию стекла к кристаллизации).

Магнезит MgCO₃ - природный или искусственный карбонат магния; применяют для обогащения сортового и других видов стекла окисью магния за счет соответствующего уменьшения окиси кальция.

Глинозем А1₂O₃ - техническая окись алюминия; повышает термостойкость, вязкость, механическую прочность и химическую стойкость стекломассы, снижает ее кристаллизационную способность.

В шихту глинозем вводят в основном в виде полевого шпата К₂O·Al₂O₃·6SiO₂, каолина глины, пегматита, сиенитов и других минералов, богатых соединениями алюминия. В обычном стекле содержится до 1,5 - 3 % глинозема, в жароупорном - до 7 % [6].

2.1.3 Расчет шихты

Сырье для стекловолокна (моль % ): SiO₂- 60.9, Al₂O₃ - 9.7, B₂O₃ - 9.9, MgO - 6.7, CaO - 7.9, Na₂O - 0.8, F₂ - 4.1.

А) Перевод молярных процентов в массовые части:

SiO₂: (60,9 * 60) / 100 = 36,54

Al₂O₃: (9,7 * 102) / 100 = 9,894

B₂O₃: (9,9*67) / 100 = 6,633

MgO: (6,7*40) / 100 = 2,68

CaO: (7,9*56) / 100 = 4,424

Na₂O: (0,8*62) / 100 = 0,496

F₂: (4,1*38) / 100 = 1,558

Сумма массовых частей: 36,54 + 9,864 + 6,633 + 2,68 + 4,424 + 0,496 + 1,558 = 62,225.

Б) Перевод массовых частей в массовые проценты:

SiO₂: 100 * 36.54 / 62.225 = 58.72;

Al₂O₃: 100 * 9.894 / 62.225 = 15.9;

B₂O₃: 100 * 6.633 / 62.225 = 10.66;

MgO: 100 * 2.68 / 62.225 = 4.3;

CaO: 100 * 4.424 / 62.225 = 7.12;

Na₂O: 100 * 0.496 / 62.225 = 0.797;

F₂: 100 * 1.558 / 62.225 = 2.5;

В) Подбор сырья:

Кварцевый песок: 1,02 * 58,72 = 59,89 г;

Глинозем: 1.02 * 15.9 = 16.218 г;

Борная кислота: 2 * 10.66 = 21.32 г;

Карбонат магния: 2.1 * 4.3 = 9.03 г;

Негашёная известь: 1.787 * 7.12 = 12.7 г;

2.1.4 Этапы варки стекла

В стекловаренной печи при высокой температуре в шихте происходят различные процессы и разнообразные превращения. При сравнительно небольших температурах (около 400°С) между материалами шихты начинаются химические реакции, ведущие к образованию силикатов. По мере дальнейшего нагре­вания шихта превращается в расплав различных солей. Образовавшиеся силикаты и остатки непрореагировавших компонентов спекаются в плотную массу. Это первая стадия варки стекла - силикатообразование (температурный режим - 800 - 900 °С).

При последующем повышении температуры силикаты расплавляются и растворяются. Образуется пенистый и непрозрачный расплав, пронизанный частицами материалов шихты и пузырьками газов, выделяющихся во время реакций.

Постепенно твердые остатки шихты растворяются в расплаве, пена исчезает, образуется прозрачная стекломасса. Это вторая стадия стекловарения - стеклообразование (протекает при температуре 1150--1200 °С).

Полученная масса содержит в себе газообразные включения различных размеров и неоднородна по химическому составу. Поэтому она пока еще непригодна для выработки изделий.

Процесс удаления из стекломассы пузырей (дегазация) называется осветлением (температура 1400 - 1500 °С). Заключается оно в выделении газообразных включений из стекломассы при дальнейшем ее нагреве за счет снижения вязкости последней. Для ускорения процесса через стекломассу могут пропускать сжатый воздух или пары воды (барботирование), добавлять осветлители. Принцип ускорения процесса в том, чтобы насытить стекломассу крупными газообразными включениями. Такие пузыри сравнительно легко поднимаются к поверхности. По пути они захватывают мелкие пузыри, которые самостоятельно поднимаются очень медленно или не поднимаются вовсе по причине довольно высокой вязкости стекломассы.

Процесс выравнивания химического состава полученной массы называется гомогенизацией. Она представляет собой длительную выдержку стекломассы при высоких температурах (около 1500°С). При этом в результате диффузии расплава стекломасса становится химически однородной.

Полученная однородная масса охлаждается до вязкости, необходимой для формования из нее изделий (обычно до температуры около 1200°С). Данный процесс называется студкой.

Таким образом, в процессе варки стекла можно условно выделить пять основных этапов: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. На практике только первая и последняя стадии протекают неодновременно и в разных местах ванной печи. Вторая, третья четвертая стадии начинаются практически в одно и то же время. Затем стеклооб­разование прекращается, а осветление и гомогенизация про­должаются вплоть до этапа студки [7].

2.1.5 Замасливание, намотка и сушка нитей

Замасливатели в зависимости от назначения непрерывных волокон делятся на технологические (или текстильные) и гидрофобно-адгезионные (или прямые). Первые защищают нити от истирания и разрушения при ее переработке в текстильные изделия (ткани, геосетки, прошивной материал). Назначения прямых замасливателей (аппретов) - улучшение адгезии поверхности стекловолокна с полимерами в композиционных материалах и стеклопластиках. Волокна могут обрабатываться прямыми замасливателями либо в процессе их получения, либо после термохимического удаления с поверхности волокон текстильного замасливателя.

Величина и равномерность содержания замасливателя на волокне существенно влияет на физико-механические, электрические свойства волокна и способность их к дальнейшей обработке. Недостаточное количество замасливателя, нанесенное на волокно, приводит к малому увлажнению, повышенному трению и обрывности нити. Избыточное нанесение замасливателя на нити приводит к неравномерной намотке паковок и сползанию с них волокон.

Общие требования, предъявляемые к замасливателям, следующие:

* обеспечение склейки множества отдельных элементарных волокон друг с другом, т.е. образование первичной нити, одновременно не допуская склеивания нитей друг с другом на бобине;

* облегчение процесса размотки и кручения первичных нитей;

* обеспечение защиты первичной нити от истирания и механических повреждений при прохождении ее через многочисленные направляющие органы текстильных машин;

* препятствование накоплению статического электрического трения;

* создавать на нити прочную, эластичную и устойчивую к истиранию пленку, равномерно распределенную по диаметру элементарной нити и ее длине.

Кроме того, замасливатель не должен обладать неприятным запахом и вызывать кожные заболевания.

Последние, так называемые «прямые» замасливатели, не подлежат удалению и улучшают свойства волокна и изделий на их основе, с помощью химических связей они обеспечивают хорошую адгезию, как с поверхностью волокна, так и со связующим.

Наиболее распространенным текстильным замасливателем является «парафиновая эмульсия» (далее - ПЭ), представляющая собой многокомпонентную водоэмульсионную 40 дисперсию содержащую парафин, стеарин, вазелин, трансформаторное масло, препарат ОС- 20, закрепитель ДЦУ и воду.

В качестве прямых замасливателей в зависимости от дальнейшего назначения НБВ могут применяться замасливатели № 76, 4С, 4П, 4Э и др., представляющие собой многокомпонентную малоконцентрированную водоэмульсионную дисперсию, характеризующуюся содержанием кремнийорганических соединений аппретов (ГВС-9, АГМ-9 и т.п.) и водную дисперсию ПВА (для 4С, 4П, 4Э).

Замасливатели марок 4”Э”, 4”П”, 76 и A-4I разработаны ВНИИСПВ с целью применения их при выработке стеклянного волокна в качестве склеивающего, предохраняющего от истирания и разрушения материала и для модифицирования его поверхности.

Прямые замасливатели предупреждают взаимное истирание волокон, склеивают их в нить, защищают поверхность нитей от разрушения при текстильной переработке, способствуют прочной связи поверхности стеклянных волокон с полимерными связующими.

Замасливатели применяются при выработке комплексных нитей из стекол различных составов, предназначенных для получения различных армирующих материалов.

В процессе приготовления замасливателя основными опасными и вредными факторами являются физические и химические факторы.

К физическим относятся поражение электротоком, термические ожоги.

К химическим факторам относятся возможность интоксикации в случае превышения ПДК применяемых веществ и при длительном контакте кожных покровов с ними.

Перед началом ведения технологического процесса необходимо включить приточно- вытяжную вентиляцию, проверить заземление оборудования, наличие и исправность средств индивидуальной защити.

После нитесборника комплексную нить оператор заправляет на бобину наматывающего станка, который осуществляет намотку готового пучка волокон с линейной скоростью вытяжки в пределах 2400-2500 мм/мин. В современных конструкциях наматывающих станков поддержание необходимых параметров вытяжки нити осуществляется автоматически, что повышает качество продукции в целом.

После снятия паковки с наматывающего станка необходимо удалить избыточную влагу, попавшую на нить при нанесении замасливателя. Исходная влажность комплексной нити в паковке составляет 11-13%. Данный показатель для дальнейшей переработки нити необходимо довести до 1-2%. Для этого паковки с комплексной нитью помещают в сушильную камеру (как правило с электронагревателями - ТЭН и с системой регулирования температуры) и удаляют излишнюю влагу, соблюдая при этом режим сушки необходимый для различного вида замасливателя для избежания его выгорания.

2.1.6 Текстильная переработка стеклянного волокна

После получения первичной нити далее происходит ее переработка в соответствующий вид материала. Наиболее широко на рынке востребованы следующие виды материалов: ровинг из непрерывной нити, стеклянные ткани, стеклохолсты, маты из рубленого волокна, нити для текстильной переработки.

В результате процесса вытяжки получается непрерывное волокно в виде готового к продаже продукта - директ-ровинга или такого же директ-ровинга, но намотанного на специальную картонную гильзу - кег. Ровинг на кеге является полуфабрикатом для дальнейшей переработки, в том числе, трощения.

Директ-ровинг, предназначенный для трощения, называется комплексной нитью. Очевидно, что комплексная нить состоит из количества монофиламентов, соответствующего количеству фильер в питателе. Таким образом, текс комплексной нити зависит от: текса монофиламента, определяемого его диаметром; количества монофиламентов в комплексной нити.

Зная требуемый текс комплексной нити и количество фильер в питателе можно легко посчитать диаметр монофиламента, который необходимо получить:

...