Термореактивные полимерные матрицы

Наиболее широкое применение в качестве полимерной матрицы (связующего) имеют отверждаемые термореактивные смолы.

Отверждение связующих происходит при повышенных температурах или наличии катализаторов. Иногда применяют отвердители. Помимо смолы, отвердителя, катализатора или инициатора отверждения в состав связующего при необходимости вводят растворители, которые, понижая вязкость связующего, облегчают совмещение его с волокнами.

В производстве конструкций из композиционных материалов наиболее широко применяют фенолформальдегидные, полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные и полиимидные связующие. Свойства некоторых связующих даны в таблице 17.

Наивысшая температура эксплуатации конструкционных композитов определяется теплостойкостью связующего. Теплостойкость непосредственно связана с температурой стеклования полимера, так как при ее достижении модуль упругости резко снижается. Плотность и теплофизические свойства отвержденных связующих различаются сравнительно мало.

Помимо механических характеристик при выборе связующих оценивают и такие характеристики, как химическая стойкость, диэлектрические свойства и т. д.

Фенолформальдегидные смолы. Получают поликонденсацией фенолов с альдегидами. В зависимости от соотношения компонентов и условий процесса образуются новолачные или резольные фенолформальдегидные смолы.

Процесс отверждения фенолформальдегидных смол проводят и интервале температур 160… 200°С под давлением 3…4 МПа и выше.

Получаемые после отверждения трехмерные полимеры стабильны при длительном нагревании до 200°С и в течение ограниченного времени способны противостоять действию и более высоких температур (несколько суток при 200…250°С, несколько часов при 250…500°С, несколько минут при 500…1000°С). Смолы начинают разлагаться при температуре около 3000°С.

Недостаток фенолформальдегидных смол: большая объемную усадку при отверждении связанную с выделением большого количества летучих веществ. Для получения материала с малой пористостью необходимо проводить формование под высоким давлением. Фенолформальдегидные смолы очень хрупки, что обусловлено значительными остаточными напряжениями, возникающими в материале при отверждении.

Полиэфирные смолы. Представляют собой насыщенные сложные эфиры, их смеси между собой или с низкомолекулярными мономерами.

Эти смолы – твердые вещества, хорошо растворимые в различных растворителях

Связующие на основе полиэфирных смол могут отверждаться как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Для отверждения при комнатной температуре используют наряду с инициаторами, необходимыми и при высокотемпературном отверждении, и ускорители распада инициатора.

Полиэфиры в отвержденном состоянии характеризуются высокой стойкостью к действию воды, минеральных масел, неорганических кислот, многих органических растворителей, хорошими диэлектрическими свойствами. К преимуществам полиэфирных связующих относятся: малая вязкость полимеров, обеспечивающая простоту совмещения их с волокнами; способность отверждаться в широком температурном интервале без применения высоких давлений низкомолекулярных веществ; простота модифицирования другими смолами.

Недостатки полиэфирных смол – невысокий уровень механических характеристик в отвержденном состоянии; небольшая адгезия ко многим наполнителям; малая жизнеспособность связующих; достаточно большая усадка и наличие в составе токсичных мономеров (типа стирола).

Кремнийорганические смолы. Получают поликонденсацией продуктов совместного гидролиза смесей хлорсиланов. Они обычно представляют собой твердые хрупкие вещества.

Нанесение кремнийорганических смол на волокна осуществляют из спиртовых растворов и реже – из расплава.

Отвержденные кремнийорганические смолы выгодно отличаются от других связующих работоспособностью в широком интервале температур (-200…+350°С), стойкостью к действию органических растворителей и минеральных кислот, высокими диэлектрическими свойствами. К недостаткам кремнийорганических смол относятся: низкие по сравнению с другими смолами механические характеристики при невысоких температурах (до 100°С), формование изделий под действием значительных давлений, длительный цикл отверждения.

Эпоксидные смолы. Представляют собой смесь олигомерных продуктов с эпоксидными группами на концах звеньев. Чаще применяют эпоксидные смолы типа ЭД, ЭФ, ЭМ, ЭА и другие.

Отверждение осуществляется при наличии отвердителей и катализаторов и протекает без выделения низкомолекулярных веществ и с малыми объемными усадками. В качестве отвердителей применяют амины и ангидриды кислот. Отвердитель смешивают со смолой или ее расплавом. При недостаточной вязкости расплава или высокой температуре плавления их смешивают с применением инертного растворителя, например ацетона, который затем удаляют, или активного разбавителя – низковязкой эпоксидной смолы (ДЭГ, ТЭГ и т. п.).

Преимущества эпоксидных смол: высокие механические и адгезионные характеристики, большая технологичность связующих, возможность длительно находиться в недоотвержденном состоянии. Это позволяет изготавливать предварительно пропитанные и частично отвержденные полуфабрикаты (препреги). Процесс отверждения смол можно при необходимости проводить в широком интервале температур, он протекает без выделения летучих и с малой объемной усадкой (1…5%). Отвержденные эпоксидные связующие имеют достаточно высокие механические характеристики, стойки к действию многих растворителей и агрессивных сред, влагостойки, их температура эксплуатации может достигать порядка 150…200°С

Недостатки эпоксидных связующих: невысокая теплостойкость, приводящая к резкой потере прочностных свойств при температурах, близких к температуре стеклования полимера. Модифицированные эпоксидные связующие имеют повышенную теплостойкость, и КМ на их основе могут оставаться работоспособными при температурах 180…200°С.

Полиимидные связующие. В качестве связующих эти полимеры можно использовать только на промежуточных стадиях их получения, так как на конечной стадии образования они теряют пластичность и растворимость. В настоящее время предпочтение отдают полиимидным (ПИ) связующим полимеризационного типа. На волокно связующие наносятся из их растворов. Эти связующие пригодны для совмещения с волокнами различными методами и на их основе можно изготавливать препреги с длительной жизнеспособностью. Отверждение ПИ связующих протекает в интервале температур 300…350°С. Пористость получаемых на их основе материалов составляет 1…3%. Отвержденные полиимиды обладают высокой тепло- и термостойкостью, хорошими механическми характеристиками и стойкостью к действию различных агрессивных сред, стабильностью размеров в широком температурном интервале.

К недостаткам ПИ связующих относятся значительные технологические трудности изготовления изделий из материалов на их основе.

Дата добавления: 2014-01-04