Химия и химические технологии / 1. Пластмассы, полимерные и синтетические ма­те­риалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство

К.т.н. Чигвинцева О.П.

Днепропетровский государственный аграрно-экономический  университет, Украина

НОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭФИРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ

 

В настоящее время наибольший удельный вес в общем объеме производства приходится на термопластичные полимеры и композиционные материалы на их основе [1-5]. Термопласты отличаются от термореактивных полимерных связующих меньшей продолжительностью технологического цикла, возможностью вторичной переработки, повышенной вязкостью разрушения и меньшей чувствительностью к повреждениям, а также неограниченным сроком хранения. Подбирая термопласты разной химической структуры с заданным модулем упругости и деформативностью, изменяя тип и содержание наполнителей можно максимально расширить марочный ассортимент композиционных материалов: по областям применения – деформационно-конструкционные, высокопроч-ные, высокомодульные, пожаробезопасные, химически и водостойкие, электротехнические, антифрикционные и т.д., и по переработке – литьем под давлением, экструзией, пултрузией, вакуум- и пневмоформованием, обтяжкой, штамповкой давлением, сваркой и др. [6-8].

Более 50 % общего объема производства термопластов приходится на крупнотоннажные полимеры общего назначения (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол), остальное составляют конструкционные пластмассы (полипропилен, алифатические полиамиды, полиэфиры, полиуретаны, полиметилакрилаты, поликарбонаты) и полимеры с особыми физическими или специальными свойствами [9-11]. Верхняя температура длительной эксплуатации крупнотоннажных полимеров лежит ниже 373К, а путем их модификации можно лишь незначительно повысить эту температуру. Верхнюю температуру длительной эксплуатации около 423К имеют лишь некоторые представители конструкционных пластмасс, такие как поликарбонат, ненасыщенные полиэфиры, сетчатые полиуретаны, полиамиды [9, 10].

Известно, что современные машины и аппараты работают в весьма интенсивных эксплуатационных режимах (при высоких скоростях и больших нагрузках), причем такая тенденция характерна не только для новых областей техники, но и для таких традиционных отраслей промышленности как автомобилестроение, сельскохозяйственное машиностроение, производство бытовой и медицинской техники [12-15]. Поэтому для улучшения основных эксплуатационных характеристик термопластичных связующих  с целью повышения их срока работоспособности в жестких режимах эксплуатации довольно часто используют метод армирования их дискретными волокнистыми наполнителями.

К числу перспективных армирующих наполнителей полимерных матриц следует отнести арамидное волокно марки терлон. Данное органическое волокно способно эксплуатироваться в широком температурном интервале (от 23 до      548 К), имеет высокие устойчивость к многократной деформации, химическую стойкость, низкую термическую усадку и ряд других ценных свойств [16].

С целью создания новых полимерных композиционных материалов термопластичные связующие [сложные ароматические полиэфиры полиарилат (ПАР) и поликарбонат (ПКР), простой полиэфир пентапласт (ПТ)] армировали волокном терлон в количестве 5-35 мас. % [17-19].

Результаты комплексных исследований основных теплофизических и физико-механических характеристик разработанных полимерных композитов свидетельствуют о том, что они существенным образом зависят как от природы полимерного связующего, так и от содержания дискретного волокна.

В частности, установлено, что максимальную среднюю теплоемкость при температурах 298-498 К имели органопластики (ОП) на основе ПАР             (1,64 кДж/кг × К), а минимальную – на основе ПТ (1,40 кДж/кг × К). Температурные удельной теплоемкости кривые исследованных ОП имели аналогичный характер: при температурах 298-398 К  наблюдалось линейное  увеличение теплоемкости; в области перехода ОП из стеклообразного в высокоэластическое состояние  (423-473 К) происходил ее интенсивный рост, после обнаружено резкое падение. Высокие значения коэффициента теплопроводности имели ОП на основе ПТ (0,43-0,47) и ПКР (0,33-0,39), в то время как для ОП на основе ПАР он находился в пределах 0,29-0,33 Вт/м × К [20].

Учитывая то, что ПАР относится к числу теплостойких полимерных материц, вполне закономерным является тот факт, что ОП на его основе также имели самую высокую теплостойкость по ВИКа по сравнению с другими исследованными полиэфирами (табл. 1).

Таблица 1. Влияние содержания волокна терлон на теплостойкость

по ВИКа полиэфиров

 

Полиэфирные связующие

Содержание волокна терлон, мас. %

–

5

15

25

Полиарилат

473

475

477

483

Поликарбонат

425

427

431

435

Пентапласт

427

430

437

440

 

Обращает на себя внимание также тот факт, что все разработанные ОП имели более низкий по сравнению с полиэфирами (в среднем в 4-6 раз) температурный коэффициент линейного расширения.

Высокие физико-механические показатели имели ОП на основе ПТ: предел прочности при сжатии для них по сравнению с исходным полимером возрастал на 26-124 МПа, в то время как для ОП на основе ПКР он увеличился на 5-69 МПа. Для ОП на основе ПТ обнаружено существенное (на 70 МПа) повышение твердости по Бринеллю; для ОП на основе ПАР это повышение составило всего 26 МПа.

Вследствие недостаточной адгезионной связи волокнистого наполнителя с полимерной матрицей армирование исходных полиэфиров дискретним волокном не позволило создать пластики с высокой ударной вязкостью. Однако, учитывая то, что ПКР относится к числу наиболее ударостойчных термопластичных матриц, образцы из него имели самую высокую по сравнению с другими исследованными полиэфирами ударопрочность (95-20 кДж/м2).

Анализ концентрационных зависимостей изученных характеристик показал, что наиболее оптимальный комплекс свойств имели образцы, содержащие не более 25 мас. % терлона.

В целом, результаты исследований позволяют  заключить, что армирование  полиэфирных связующих арамидным волокном терлон позволяет создать новые полимерные композиты с улучшенным комплексом свойств, что создаст возможность их использования в широком температурном интервале и в более жестких условия эксплуатации [21-22].

Литература:

1. Perspektiven technischer Kunststoffe // Konstruktionspraxis.- №6.-1992.- P.10-11.

2. Karandikar H.M., Mistree F. Tailoring composite materials though optimal selectoin of their constituents // Trans. ASME J. Mech. Des. – 114. - № 3.- 1992. - Р. 451-458.

3. Archibald D.A., Schwarz J.W., Wanamaher J.L. Reducing the cost of  thermoplastic composite structures //  Proc. Amer. Soc. Compos.: 4th Techn. Conf., Bracksburg, Oct. 3-5, 1989, Basce. - 1989. -  Р. 593-601.

4. Steady growth for plastics in electronics // New Mater. Int. - № 47. - 1990. - Р. 7-8.

5. Chang Ike Y. Thermoplastic matrix composites development update // 37th Int. SAMPE Symp. And Exhib. “Mater. Work. For You 21st Cent.”, Anaheim, Calif., March 9-12, Covina (Calif.). - 1992. - Р. 1276-1290.

6. Langfaserverstarkte Thermoplaste fur hochste mechanische Beanspruchungen // Techn. Rept. - 20. - № 5. - 1993. - Р. 28-29.

7. Muhlhaupt Rolf. Die Zukunft der Polymeren // Plastverarbeiter. - 45. - № 12. - 1994. - Р. 96-98.

8. Бэйдер Э.Я. Термопластичные композиционные материалы // Композиционные материалы в конструкциях глубоководных технических средств: Тезисы докладов межвузов. науч.-техн. конференции - Николаев. - 1991. - С. 8-9.

9. Бюллер К.У. Тепло- и термостойкие полимеры : Пер. с нем. - М. Химия, 1984. - 1056 с.

10. Standardkunststoffe, technische Kunststoffe and Spezialitaten // Plasverrarbeiter. - 43. - № 11. - 1992. - Р. 226-231.

11. Введение к новым материалам. Пластики с уникальными свойствами / Коба М. // Puranto enjinia = Plast. Eng. - 25. -  № 1. - 1993. - Р. 63-68.

12. Соколов Л.Б. Термостойкие и высокопрочные полимерные материалы. - М.: Знание, 1984. - 64 с.

13. Есида Харуо Конструкционные пластмассы // JETI : Jap. Energy and Technol. Intell. - 39. - № 1. - 1991. - Р. 167-170.

14. Koba Michio. Современные конструкционные пластмассы //  Puranto enjinia = Plant. Eng. -  25. - № 2. - 1993. - Р. 69-75.

15. Neue Polyarylate fűr Hochleistungsanwendungen // Kunststoffe. -  84. - № 8. - 1994. - Р. 1015-1019.

16. Таблица-вклейка. Термостойкие и жаростойкие волокна  // Химические волокна. - 1975. - № 3.

17. Аскадский А.А. Физико-химия полиарилатов. - М.: Химия. - 1968. - 216 с.

18. Смирнова О.В., Ярофеева С.Б. Поликарбонаты. М.: Химия. - 1975. - 288 с.

19. Мулин Ю.А., Ярцев И.К. Пентапласт. Л.: “Химия”, 1975. - 120 с.

20. Чигвинцева О.П., Киприч В.В.Изучение теплофизических свойств органопластиков на основе термопластичних связующих // Материалы VI Международной специализированной выставки-конференции “Композиты и стеклопластики 2013”. - 24-25 апреля 2013. – Запорожье. - С. 59-60.

21. Чигвинцева О.П., Головятинская В.В. Изучение теплофизических свойств органопластиков на основе пентапласта // Научная жизнь. - № 2. – 2013. - С. 54-62.

22. Чигвинцева О.П., Дуб В.А., Лисняк Л.А. Изучение эксплуатационных характеристик композитов на основе поликарбоната // Сборник научных  трудов по матреиалам Международной научной конференции “Теоретические и практические  аспекты научных исследований-2014”. - 30. 04. 2014. - С. 4-7.