Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Композиция не похожа на исходный материал

Армирование превращает полимер в конструкционный материал

Изменение комплекса свойств с помощью комбинации материалов, особенно армирование полимеров волокном, существенно расширило эксплуатационные возможности этих материалов.

Толчком к применению волокна был вывод о том, что дальнейшее существенное увеличение прочности термо- и реактопластов за счет их молекулярного строения невозможно. В среднем прочность этих материалов лежит между 40 и 80 МПа и только в редких случаях превышает 100 МПа, то есть она существенно ниже прочности традиционных конструкционных материалов (см. табл. 8). При комнатной температуре прочностные свойства полимеров зависят от времени нагружения. С возрастанием температуры эта зависимость увеличивается (обычная температура эксплуатации до 120 °С). При применении полимерных материалов для конструкционных деталей нагрузки особенно высоки.

Сегодня почти все полимерные материалы, усиленные волокном, могут удовлетворять широким требованиям ( 54). При этом усиливающее действие достигается только тогда, когда растяжение волокнистого наполнителя равно растяжению полимерного материала или меньше его, а прочность существенно выше. Относительное удлинение должно быть сопоставимо с относительным удлинением полимера иначе комбинированная конструкция будет неработоспособна. Уже при незначительных нагрузках могут образовываться трещины, которые создают благоприятные условия для старения в связи с проникновением влаги или газов в глубинные слои материала.

С помощью армирования (усиления) удается довести механические и физические свойства термопластов до уровня свойств сплавов легких металлов. Вместе с тем они обладают рядом преимуществ: низкая плотность позволяет создавать облегченные конструкции, а легкость обработки создает предпосылки для использования этих материалов в машиностроении.

Конечно, временная и температурная зависимости прочностных свойств усиленных термопластов уступают усиленным реактопластам. Особенно это заметно для области рабочих температур. Однако из множества возможных комбинаций материалов получается широкий спектр применения, отвечающий большинству требований. В качестве усиливающих материалов используют стекловолокно, металлические нити, асбестовое, кварцевое, керамическое, углеродное волокно, а также нитевидные кристаллы.

Наиболее часто и в больших количествах в качестве усиливающего материала используется стекловолокно. При этом отдельные волокна толщиной около 10 мкм (прочность от 1200 до 1800 МПа) перерабатывают в пряжу или ткань. Тогда высокая прочность элементарных нитей используется достаточно полно ( 55). Кратковременная прочность усиленных полимерных материалов достигает даже уровня средне- и высокопрочных сталей (табл. 8). Использование стекловолокна в качестве усиливающего материала позволяет избежать существенного снижения прочности при температурах до  250 °С.

При температурах до 1000 °С находят применение преимущественно кварцевые волокна. Хотя их прочностные свойства хуже, чем у стекловолокна, однако они отличаются чрезвычайно высокой химической стойкостью. В то же время они устойчивы к воздействию влаги и радиации, так что становится возможным их внедрение в технике высоких температур и космонавтике. Пластмассы, усиленные нитевидными монокристаллами (см. гл. «Высокочистые кристаллические материалы»), также вызывают большой интерес. Дело в том, что эти волокна диаметром около 1 мкм и длиной до 2 см обладают сверхвысокой прочностью: модуль эластичности в 10 раз выше, чем у стали, предел прочности при растяжении достигает 28 • 103 МПа, теплостойкость около 1100°С. Такие характеристики соответствуют очень жестким требованиям. В настоящее время наибольшее значение имеют монокристаллы оксида алюминия.

Для сосудов и трубопроводов, которые изготавливают методом обмотки (см.  61), применяется в качестве усиливающего материала металлическая проволока диаметром около 0,25 мм. Армированные ею изделия обладают прочностью 2400 МПа, что в 8-10 раз больше прочности аналогичных изделий из стеклопластиков.

Наряду с высокой предельно допустимой нагрузкой (усталостная прочность 300 МПа), усиливающий материал, кроме того, повышает стойкость к агрессивным средам. Поэтому наиболее перспективным является их использование в химической промышленности. Однако в настоящее время еще не создано экономических предпосылок для широкого внедрения этих материалов.

Влияние наполнителей

Наполнителями называются твердые нелетучие нерастворимые в основном материале вещества, которые имеют задачу улучшить эксплуатационные свойства полимеров и каучуков и снизить расход основного вещества. Как правило, этой цели удовлетворяют дешевые мелкодисперсные вещества, которые не обладают подобно волокну усиливающим действием.

Наполнители используют в композициях для покрытий, в связующих для слоистых пластиков, в литьевых смолах и конструкционных материалах. Например, графит и дисульфид молибдена придают полиамиду и политетрафторэтилену улучшенные антифрикционные свойства и меньшую истираемость. Добавка металлических порошков на основе бронзы, меди, нержавеющей стали повышает теплопроводность полимерных материалов. При добавлении наполнителей существенно снижается коэффициент термического расширения, который у полимеров значительно выше, чем у металлических конструкционных материалов. Это свойство одновременно увеличивает возможности комбинирования металлических и высокополимерных материалов в конструкционных деталях, подвергающихся воздействию высоких температур. С другой стороны, при добавке наполнителя (чаще всего до 30%) можно уменьшить усадку полимерных материалов, возникающую при переработке их в изделия. Для литьевых смол, применяемых в электротехнике, особенно важна малая усадка для получения деталей с малыми внутренними напряжениями.

Введение кварцевой пыли и карбида кремния в литьевые смолы, из которых изготавливают детали насосов, делает возможным перекачивание сред, содержащих твердые вещества, так как при этом увеличивается жесткость, износостойкость и коррозионная стойкость материала. С помощью наполнителей можно также направленно влиять на горючесть полимерного материала. Кроме того, в зависимости от вида и количества наполнителя можно изменять электрические характеристики материала. Неэлектропроводным наполнителям, например кварцевой пыли, слюде, фарфоровой пыли отдается предпочтение при изготовлении из литьевых смол деталей, которые подвержены воздействию высокого электрического напряжения. С другой стороны, для увеличения электропроводимости материала могут быть использованы добавки графита или металлических порошков. Таким образом, возможности изменить свойства материалов, вводя наполнители, весьма многообразны. В то же время следует учитывать, что при этом можно улучшить одни характеристики, но и ухудшить другие. Например, с возрастанием доли наполнителя уменьшается пластичность и механическая прочность материала.

Открываются новые области внедрения

Комбинируя полимеры с металлами или с другими полимерами, удается расширить эксплуатационные возможности полимерных композиций (табл. 9).

До настоящего времени чаще всего применяют комбинации термопластов со стеклопластиками на полиэфирной основе. Благодаря этому химическая стойкость, присущая первым, дополняется прочностными и деформационными свойствами вторых. Например, трубы из такого слоистого материала выдерживают большие давления и надежны при действии агрессивных сред и температуры. Построенные по указанному принципу «слоистые трубы» состоят из слоя термопласта толщиной 3-4 мм и намотанного на него слоя полиэфирного стеклопластика ( 56).

Применяя описанные комбинированные материалы в производстве различных емкостей, можно значительно увеличить их размеры, что имеет значение прежде всего для изготовления транспортных цистерн. В этом секторе промышленности особенно полезна высокая стойкость полимерных материалов к восприятию динамических нагрузок.

Применение так называемых сандвич-конструкций с использованием вспененных полимеров позволило улучшить их защитные свойства. Пористые материалы обеспечивают термоизоляцию, а также делают возможным хранение или транспортировку систем, чувствительных к воздействию температуры.

Внедрение комбинаций термопластичного материала со стеклопластиком на полиэфирной основе заметно способствует экономии материалов. Они заменяют дорогие легированные стали. Так, при объеме резервуара до 6 м3 соотношение материальных затрат между комбинированным материалом ПВХ-стеклопластик и высоколегированными сталями составляет 1:4, издержки производства находятся в соотношении 1:3.

Новейшие разработки связаны с идеей использования в качестве подложки металлических материалов, а также стекла и керамики для увеличения температурной области эксплуатации. Рабочая температура в этом случае достигает 180 °С, в то время как при применении термопластичной подложки она ограничена 80 °С. Металлические материалы (речь идет о высоколегированных сталях) в виде тонкой фольги обеспечивают требуемую химическую стойкость, а прочностные свойства определяются стеклопластиками.

Комбинирование полимеров с металлами целесообразно и с другой точки зрения. Подкупают возможности, которые представляют полимеры при работе в агрессивных средах. При этом металлические материалы обеспечивают прочность конструкции. Преимущество таких комбинаций состоит в том, что при этом возможно применение дешевых нелегированных сталей. Наибольшее значение имеют комбинации материалов (например, полимер-металл) для изготовления трубопроводов. Особую роль при этом играют поливинилхлорид, полиэтилен и политетрафторэтилен. Они могут использоваться также для облицовки металлических резервуаров. Наиболее известным примером является цистерна для транспортирования агрессивных сред ( 57).