Классификация и общая характеристика основных типов полуфабрикатов полимерных материалов

Многообразие типов полуфабрикатов ИМ определило существование нескольких типов их классификаций, поскольку при классификации полуфабрикатов можно использовать различные признаки и, как правило, объединить классификации в одну общую не удается.

В работе [ 1 ] предложено в основу классификаций положить следующие важнейшие признаки:

  • • агрегатное состояние полуфабриката при нормальной температуре;
  • • характер изменения агрегатного состояния полуфабриката под действием технологических факторов вследствие протекающих в них физических и химических процессов;
  • • характер изменения в пространстве физических свойств материала в изделии, изготовленном из полуфабриката.

В соответствии с первым признаком полуфабрикаты классифицируют:

По агрегатному состоянию полуфабриката:

  • - твердые;
  • - жидкие.

В соответствии со вторым признаком можно предложить следующие типы классификации.

Но физическому состоянию при формовании:

  • - вязкотекучие;
  • - пластично-вязкие;
  • - эластичные.

По поведению связующего при формовании:

  • - термопластичные;
  • - термореактивные.

В соответствии с третьим признаком авторы [1] предлагают выделить полуфабрикаты, которые образуют изотропные, квазиизотропныс и анизотропные структуры полимерного материала после формования.

Изотропные 11М имеют в микро- и макрообъемах одинаковые свойства во всех направлениях. Их получают из ненаполненных полуфабрикатов на основе мономеров, олигомеров или полимеров.

Квазиизотропные ИМ изотропны в макрообъемах, но обладают ярко выраженной микроанизотропией, так как содержат мелкие дисперсные частицы наполнителя, термоупругие свойства которых резко различаются от соответствующих свойств матрицы. Это справедливо для частиц наполнителя, имеющих анизометричную форму (удлиненную или пластинчатую, например, коротковолокнистый наполнитель, чешуйчатый графит, слюда и т. и.), которые в процессе формования могут преимущественно ориентироваться по направлению течения расплава, что и приводит к некоторой макроанизотропии свойств материала в изделии. При использовании порошкообразных наполнителей или наполнителей в виде частиц неопределенной формы макроанизотропия, связанная с ориентацией частиц наполнителя, практически не наблюдается и структура материала в изделии остается изотропна в макрообъеме.

Свойства анизотропных ИМ зависят от направления, в котором они рассматриваются. Выделяют [ 1] следующие виды анизотропии: транвереальная, орто- тропная, криволинейная. Транвсрсально-изотропныс ИМ имеют одну ось упругой симметрии и плоскость изотропии свойств. Ортотропным ИМ свойственны три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии свойств. Криволинейная анизотропия может быть цилиндрической или сферической. Такого рода материалы обладают какой-либо симметрией, но оси симметрии в различных точках имеют разные направления.

Данный тин классификации в большей степени учитывает структуру, получаемую в ИМ уже после формования, а не геометрическую форму полуфабриката. Очевидно, что при классификации полуфабрикатов более удобно (е точки зрения описания полуфабриката, характеристики его технологических свойств и применимости конкретных методов формования) использовать геометрический признак.

По геометрической форме частиц твердых полуфабрикатов различают:

  • - порошки, крошку (сферические, порошки неопределенной формы, крошка);
  • - гранулированные (типы гранул — игольчатые или цилиндрические конечной длины, эллипсовидные, кубики, шарообразные плотные и пористые);
  • - листовые: листы на основе термопластов; листы на основе отвержденных тскстолитов, гетинакс, древесные слоистые материалы; листы на основе нетканых волокнистых наполнителей (маты, прессованная вата, штапельные волокна);
  • - препреги на основе длинномерных волокнистых наполнителей и их текстильных форм (жгутов, ровингов, лент, тканей);
  • - пленочные (полимерные ненаполненные, наполненные пленки, одинарные и комбинированные пленки);
  • - неопределенной формы (неориентированные на основе волокнистых наполнителей — имеющие форму ваты, или волокниты, премиксы).

В этот тип классификации включены листовые и пленочные полуфабрикаты, которые могут использоваться как готовые изделия (листы и пленки) и тогда к категории «полуфабрикатов» они не относятся, и как заготовки для последующего формования изделий («переформовки»), например, методами штамповки, выдувания.

Современная промышленность ИМ располагает десятками тысяч полуфабрикатов, отличающихся друг от друга прежде всего составом, поэтому целесообразно использовать классификацию, учитывающую состав полуфабриката, который, кроме обеспечения необходимых эксплуатационных свойств, в значительной степени определяет его технологическое поведение.

По составу полуфабриката:

  • - ненаполненные (порошкообразные, гранулированные, листовые);
  • - наполненные:
  • • дисперсно-наполненные (жидкие компаунды, пресс-порошки, пресс- материалы или дозирующиеся волокиты);
  • • с длинномерным волокнистым наполнителем (с ориентированным в пространстве расположением волокнистого наполнителя — препреги, листы; с неориентированным в пространстве расположением волокнистого наполнителя — премиксы, волокиты).

В зависимости от методов переработки, получения необходимых эксплуатационных свойств готового изделия и технологических свойств полуфабрикатов выделяют несколько наиболее распространенных типов полуфабрикатов полимерных материалов. Например:

  • - для ненаполненных ИМ: порошки, гранулы (правильной и неправильной формы), листы;
  • - для наполненных ИМ: пресс-порошки, пресс-материалы, волокиты, премиксы, препреги, листовые материалы.

Порошки — мелко- или крупнодисперсные порошкообразные материалы на основе ненаполненных термопластов. 11рименяются для изготовления изделий с изотропной структурой, сложной конфигурации, небольших габаритных размеров, стержней, труб, профилей, листов не конструкционного назначения. Перерабатываются методами прессования, литья под давлением, экструзией.

Листы, полученные из порошкообразных ненаполненных термопластов, могут использоваться в качестве полуфабрикатов при получении изделий методами вакуумного или пневматического формования, штамповкой, т. е. методами, в которых используются эластические деформации при формообразовании изделий.

Гранулы — сыпучий материал. Гранулы могут иметь правильную шарообразную, эллипсовидную, цилиндрическую форму (в виде стержней) или быть неопределенной формы. Перерабатываются методами прессования, литья иодда- вл ени ем, экструзи ей.

Гранулы шарообразной, эллипсовидной формы получают на основе нена- полненных или наполненных мелкодисперсным порошкообразным или коротковолокнистым наполнителем (хаотично распределенным в объеме гранулы) термопластов. Размеры гранул колеблются от 1 до 10 мм. Степень наполнения колеблется в пределах от 5 до 80 %масс. [2]. Маркируются: ТМКВ — термопластичный материал на основе коротковолокнистого наполнителя, длина волокон / = 0,2-7 мм. Области применения аналогичны порошкообразным термопластам.

Гранулированные материалы в виде стержней (игольчатая форма) получают на основе волокнистого наполнителя (отрезки нитей, жгутов, ровингов длиной от 10 до 20 мм), покрытого оболочкой термопластичного связующего с частичным проникновением его в межволоконное пространство. Это сыпучие, легко дозируемые материалы. Маркируются: ТМДВ — термопластичный материал на основе длинноволокнистого наполнителя, длина волокон / = 10-20 мм, степень наполнения фи = 40-45 %масс.

Гранулированные наполненные термопласты получают [2] на основе полиамидов (11А), полипропилена (ПП), поликарбоната (ПК), полиэтилентерефта- лата (ПЭТ), полибутилентерефталата (ПБТ), полифениленсульфида (ПФС), полисульфона (ПС-Н), полифениленоксида (ПФО).

  • 1 Іаполненньїе волокнами термопластичные материалы (ТМ КВ и ТМДВ) характеризуются повышенным уровнем прочностных свойств но сравнению с не- наполненными или наполненными порошкообразными наполнителями термопластами. Эксплуатационные свойства волокнонаполненных конструкционных термопластов зависят не только от природы термопласта и волокнистого наполнителя, но и от технологии введения волокна, способа обработки поверхности волокна, длительности контакта расплава термопласта с волокном, влияния природы волокна на механизмы образования надмолекулярной структуры термопластичного полимера, особенно это характерно для кристаллизующихся полимеров.
  • 1 Іаиболее значительно влияние волокнистого наполнителя проявляется для термопластов, имеющих низкую вязкость расплава, так как низковязкий расплав достаточно хорошо пропитывает волокнистый наполнитель при совмещении, образуется малонапряженная граница раздела фаз, что и приводит к повышению механических показателей. Так, при наполнении алифатического НА стекловолокном (фм = 50 %масс.) прочность при растяжении увеличивается в 3 раза, а модуль упругости при растяжении в 8 раз.

Влияние природы волокнистого наполнителя можно проиллюстрировать на примере влияния углеродного волокна при введении его в ПК. Поверхность углеродного волокна способствует кристаллизации ПК. При объемной доле углеродного волокна, равной 20%, температура стеклования поликарбоната увеличивается со 150 до 164 °С, модуль упругости при растяжении увеличивается в 11,5 раз, прочность при растяжении увеличивается в 2 раза, относительное удлинение уменьшается в 2,8 раза. Стекловолокно при той же объемной доле не влияет на кристалличность ПК и на температуру стеклования, а модуль упругости при растяжении увеличивается в 3 раза, прочность при растяжении увеличивается в 1,2 раза, относительное удлинение уменьшается в 2,8 раза.

Пресс-норошки, пресс-крошка — порошкообразный или крошкообразный материал, состоящий из частиц порошка (или агломератов частиц) или крошки наполнителя, покрытого (пропитанного) пленкой связующего (обычно, термо- реактивного); сухой, сыпучий материал [3]. В качестве порошкообразного наполнителя может использоваться коротковолокнистый дисперсный наполнитель с длиной волокна не более 1 мм. Такой вид волокнистого наполнителя по свойствам напоминает поведение порошка, например, микроасбест, тонко измельченная древесина, стеклопорошок (СПА). В зависимости от размеров частиц порошкообразного наполнителя и их поверхностных свойств индивидуальные частицы наполнителя или их агрегаты имеют оболочку из связующего. Степень наполнения колеблется в широких пределах: от 5 до 95 %масс. В зависимости от состава и технологии получения пресс-порошки могут выпускаться в виде гранул размерами не более 1-3 мм. Применяются для изготовления изделий сложной конфигурации, небольших габаритных размеров методами прессования, литья под давлением, экструзией.

Пресс-порошки имеют невысокие значения насыпной плотности (т. е. требуют загрузочные камеры больших размеров), «пылят» при дозировании, неравномерно прогреваются в формующей полости оснастки. Для устранения указанных недостатков пресс-порошки, как правило, перед формованием таблетируют.

Пресс-порошки имеют широкий марочный ассортимент, для их получения используют различные марки фенольных, эпоксидных, кремнийорганических, фурановых и т. и. связующих [3].

Пресс-крошка — материалы на основе кусочков, например, хлопчатобумажной ткани, пропитанной связующим. Степень наполнения составляет 43-58%. Предназначены для деталей сложной конфигурации средних размеров, работающих на изгиб и кручение. К крошкообразным материалам относят древесные массы (МДП) — частицы древесины, пропитанные связующими со специальными добавками (смазывающие вещества, скрытокристаллический графит, масло, алюминиевая пыль и т. и.). Степень наполнения — 75-80%. Предназначены для изготовления срсдненагруженных, сложной конфигурации, средних размеров деталей различного функционального назначения [3]. Пресс-крошки, в основном, перерабатываются методами прессования.

Пресс-материалы — материалы на основе волокнистых наполнителей (во- локниты), представляют собой отрезки волокнистых наполнителей в виде нитей, жгутов, ровингов, лент ограниченной длины, пропитанные связующим. Применяется для изготовления изделий сложной конфигурации, средних габаритных размеров, с повышенными механическими свойствами методами прессования, литья под давлением.

Волокиты [3]:

  • — неориентированные волокиты на основе спутанного волокна (нитей), пропитанного термореактивным связующим;
  • - дозирующиеся волокиты — гранулы длиной от 6 до 40 мм; получают на основе термореактивных и термопластичных связующих, сыпучий материал.

Неориентированные волокиты представляют собой спутанные волокна, пропитанные связующим (как правило термореактивным). Выпускаются в видебрикетови небрикетированные. Небрикетированныенеориентированные волокиты являются несыпучими материалами, их сложно дозировать. Типичный представитель — материал АГ-4В (ГОСТ 10087-62) на основе спутанного стекловолокна НСО-6/200 и НСО-6/ЗОО и модифицированной бу- тиралем резольной фенолоформальдегидной смолы Р-2М, содержание связующего 38 %масс. Предназначен для изготовления прямым и литьевым прессованием изделий конструкционного (общеинженерного) и электротехнического назначения [3].

Дозирующиеся волокиты представляют собой игольчатые гранулы на основе отрезков нитей, жгутов, ровингов, лент длиной от5до40 мм, пропитанные связующим и подсушенные для предотвращения слипания гранул. Связующее (термореактивное или термопластичное) распределено в межволоконном пространстве и образует оболочку вокруг волокнистого наполнителя. Длина гранул определяется длиной отрезков волокнистого наполнителя. Степень наполнения колеблется от 40 до 70 %масс.

Типичные представители на основе стеклянных волокон [3]: ДСВ-2, ДСВ-4, на основе смолы Р-2М и комплексных стеклянных нитей линейной плотностью 42 текс в два и четыре сложения. Длина гранул 6-20 мм (в зависимости от марки). ДСВ-К-1 на основе эпоксирезорциноноволачного связующего и аналогичного ДСВ-2 наполнителя, ДСВ-Щ-3 на основе эпоксирезорциноноволачного связующего и стеклянных нитей линейной плотностью 84 и 168 текс. ГСП аналогичен ДСВ-2(4), но используется большее число сложений комплексных стеклянных нитей (8, 16, 24, 32, 400 сложений). СГ — на основе резольного связующего Р-2Ц-2 (Р-2, модифицированное эфирами целлюлозы) и комплексных стеклонитей линейной плотностью 42 текс с числом сложений нитей 2, 4, 8, 16, 24,32. ДВ11М — на основе кремнийорганических смол К-9 и К-81 и комплексных стеклонитей линейной плотностью 84 текс. На основе углеродных волокон [4]: ВИМУ-1 — связующее Р-2М, наполнитель углеродный жгутВМН-3 или ВМН-4. Характеризуются более высоким модулем упругости и прочностью, повышенной стабильностью размеров, влаго- и химстойкостью по сравнению со стеклонаполненными, тепло- и электропроводны.

Дозирующиеся волокниты предназначены для изготовления деталей конструкционного, электро-, трибо-, радиотехнического назначения прямым и литьевым прессованием.

Для пресс-материалов (волокнитов) характерна некоторая неоднородность механических свойств [3]: коэффициент вариации для неориентированных волокнитов составляет 20-30%, для дозирующихся — 10-20% из-за преимущественной ориентации частиц наполнителя в процессе течения при формовании но направлению течения. Но материал в изделии после формования характеризуется изотропной (квазиизотропной) структурой, так как волокна в материале после формования имеют статистическое распределение в единице объема.

Пористые гранулы (размерами от 1 до 10 мм) на основе термореактивных связующих представляют собой пористые (распушенные) структуры, полученные из неориентированных (спутанных) волокнистых наполнителей небольшой длины, в которых практически каждое элементарное волокно покрыто оболочкой связующего. Материал достаточно легко дозируется при формовании.

Премиксы — предварительно смешанные композиции. Представляют собой готовую к переработке пастообразную массу, полученную путем смешения волокна конечной длины с жидким связующим. Длина волокна колеблется от 20 до 60 мм. В обозначении: ИСК — предварительно смешанная композиция. В основном премиксы изготавливаются на основе олигоэфирных связующих. 1Гредназна- ченыдля получения прямым и литьевым прессованием деталей конструкционного и электротехнического назначения. При переработке премиксов применяются значительно меньшие давления, чем для дозирующихся волокнитов на основе фенольных, эпоксифенольных и кремнийорганических связующих [5].

Типичные представители: ПСК-1, НКС-2(211), ПСК-З(ЗН), ПСК-5(5Н,5Т), ПСК-5Н-Т на основе стеклоровинга РБР10-42х60-3, нарубленного на отрезки длиной 25 мм [3].

Преиреги — предварительно пропитанные материалы. Представляют собой организованную определенным образом систему волокнистых наполнителей, совмещенных с полимерными связующими [6]. Для получения препрегов используют различные по природе (стеклянные, базальтовые, углеродные, органические), но текстильной форме (нити, жгуты, ровинги, уложенные в ленту или в начальном виде, ленты, ткани) н но пространственной ориентации (однонаправленные и с различной схемой переплетения) волокнистые наполнители.

Из препрегов вручную или механизированными способами (выкладкой, намоткой) собирают (формируют) заготовки (пакеты) с заданной конструктором схемой ориентации волокнистого наполнителя, имеющие близкую к будущей детали конфигурацию, которые затем формуют в детали прессованием, вакуумным, пневматическим, автоклавным, термокомпрессионным формованием, пултрузи- ей, ролтрузией и т. и. Это анизотропные, армированные материалы. Характеризуются существенной неоднородностью свойств, определяемой заданным законом распределения волокнистого наполнителя в пространстве.

Представляют собой рулоны непрерывных волокнистых наполнителей в виде нитей, жгутов, ровингов, лент, тканей, сеток, матов или плетеных нитей, жгутов, покрытых связующими. При получении препрегов используются методы жидко- или твердофазного совмещения. При жидкофазном совмещении за счет использования растворной или расплавной технологий наполнитель пропитан связующим. При твердофазном совмещении процесс пропитки проходит при формовании деталей. В таких полуфабрикатах связующее используется в виде плавких (матричных) волокон (волоконная технология совмещения), в виде порошка с последующим оплавлением для удержания порошка связующего на поверхности волокнистого наполнителя или без оплавления (в этом случае порошинки связующего удерживаются на поверхности наполнителя за счет электростатических сил или сил тяжести — порошковая технология совмещения), в виде пленки (пленочная технология совмещения) [6].

Препреги предназначены для получения крупногабаритных, оболочковых или толстостенных изделий с различной кривизной, протяженных (погонажных) изделий (стержней, труб, профилей и т. и.). Полуфабрикаты в виде препрегов обеспечивают повышенные механические свойства изделиям конструкционного назначения. Перерабатываются методами прямого прессования, вакуумного, автоклавного, термокомпрессионного формования, пултрузией, роллтрузи- ей, намоткой и т. п.

Типичные представители: однонаправленные ленты из ориентированных крученых или некрученых стеклянных нитей, пропитанных фенольным Р-2М (АГ-4С), эпоксифснолофурфурольным (27-63С), эпоксиуретановым (33-18С) связующими [3]. Предназначены для изготовления средне- и крупногабаритных, сложной конфигурации и оболочковых, а также имеющих форму тел вращения изделий конструкционного, электротехнического, радиотехнического назначения методами прямого и литьевого прессования, намотки с последующей термообработкой, механической обработкой предварительно отпрессованных плит. Из мелко нарезанных лент таких материалов получают:

  • • пресс-крошку;
  • • препреги на основе пропитанного мата, например, АП-70-151, ППМ-5М, ППМ-6 на основе олигоэфирных связующих и стеклянного мата марки МБС 0-620-3/С-230. Выпускаются в виде рулонов, предназначены для изготовления крупногабаритных изделий (например, в автомобильной промышленности) методом прямого прессования [3];
  • • препреги на основе пропитанных нитей, жгутов, ровингов, намотанных на бобины;
  • • препреги на основе жгутов, ровингов, уложенных в ленту (без использования уточной нити), получаемые по растворной технологии или по так называемой технологии «керпластик» — укладкой непрерывного волокнистого наполнителя в расплав связующего на подложке;
  • • препреги на основе углеродных лент и различного типа термореактивных (олигоэфирных, эпоксидных, эпоксифснольных, имидных и т. п.) и термопластичных связующих (полиамидных, полипропиленовых, полисуль- фоновых), например, препреги КМ У [7-10];
  • • разнообразные по составам препреги на основе тканых волокнистых наполнителей [3,8,9]: стеклотканей, углеродных тканей, органотканей, базальтовых тканей и т. п. Такого типа материалы носят название текстолиты.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >