Пластик имеет много положительных качеств и уникальных свойств. Значительно улучшить некоторые характеристики можно армированием внутренней структуры пластмассы различными материалами. Рассмотрим полимерные композиты: что это и какие бывают композитные пластики.
Что такое полимерный композит
Материал, состоящий из двух или более компонентов, один из которых полимер, называется полимерным композитом. Под определение попадают все пластиковые изделия, имеющие в составе армирующие элементы или многослойные структуры с разнонаправленными слоями волокон. В композит могут входить различные полимеры, стекловолокно, карбон, органические нити, металл, асбест и прочие элементы для придания уникальных качеств.
Армирование может происходить мелкодисперсным составом, например, введением в раствор углеродных или стеклянных волокон, порошков. В этом случае материал упрочняется равномерно во всех направлениях.
Другим вариантом армирования является создание силового каркаса с заведомо заложенным направлением усиления. Это могут быть нити из нужного сырья или тканые полотна. В таком случае материал приобретает повышенную жесткость в направлении расположения армирующей основы.
Зачем разрабатываются разные виды композитных пластиков
Композиты создают под конкретно поставленные цели:
- Для повышения устойчивости к физическим воздействиям. В состав пластика вводят волокнистые вещества, которые имеют высокие характеристики на разрыв. Это могут быть углеродные волокна, асбест, стекловолокно, металлическая проволока и т.д.
- С целью изменения свойств по скольжению и трению. В состав добавляют компоненты, повышающие эти фрикционные характеристики.
- Для снижения себестоимости. В состав вводят дешевый компонент, например, мел. Он помогает снизить цену и придать белую окраску материалу.
- С целью изменения теплопроводности. Пластик сам по себе является диэлектриком. Граффитное наполнение позволяет сделать материал токопроводящим.
- Для повышения термостойкости. Армирование стекловолокном или углеродом позволяет значительно повысить температуры, при которых чистый пластик становится мягким. Это расширяет область применения таких изделий.
Существуют специфические сферы, где требуется создание деталей с модифицированными качествами. Например, магнитные пластмассы нужны для герметизации дверей холодильников.
Виды композитных полимеров
Полимерные композиты, как и все пластики, делят на два основных вида:
- Термореактивные. Это фенольные, эпоксидные и другие смолы.
- Термопластичные. Это полиуретан, полиэтилен и прочие пластмассы, которые делаются мягкими при нагреве.
Также материалы делят на виды по структуре наполнителя. Рассмотрим варианты таких композитов.
Стеклопластики
Волокна из неорганического стекла имеют прочность значительно выше, чем все пластмассы. Это свойство активно применяют для повышения рабочих характеристик разных деталей из полимера. Армирование может происходить упорядоченными структурами в виде нитей, тканей и жгутов. Здесь достигается повышение прочности в необходимых проекциях. Равномерно увеличить прочностные характеристики во всем объеме можно добавлением стекольной массы, элементы которой имеет игольчатую форму.
Самым расспространенным стеклонаполненным тепрмопластичным полимером является нейлон. Чаще всего такая технология применяется на основе бакелита, эпоксидной или полиэфирной смолы.
Хорошо себя зарекомендовал стеклотекстолит СТЭФ, армированный стеклотканью. Высокие прочностные характеристики и электроизолирующие свойства, стойкость к повышенным температурам и технологичность позволяют использовать стеклотекстолит в качестве изолирующей прокладки и конструкционного материала.
Стеклопластики позволяют создавать прочные конструкции при значительном снижении веса. Изделия широко востребованы в авиастроении, ветроэнергетике. Из такого материала делают катера, лодки, пластиковые детали автомобилей и проч.
Композиты с углеродными волокнами
С целью армирования применяют углеродные структуры удлиненной формы. Волокна получают из растительного сырья или ископаемых углеводородов. В последнее время стали активно внедрять в производство искусственно синтезированные наноструктуры. Эти элементы имеют высокие показатели на разрыв и хорошую адгезию с большинством полимеров. При этом углепластик получается более легким и прочным, чем материал, армированный стекловолокном. Сфера применения ограничена тем, что композит на основе углеродного волокна имеет черный цвет. Но при этом он легко окрашивается. Из него делают спортивное оборудование, легкомоторные самолеты, корпуса катеров и лодок и прочие изделия, требующие высокой прочности при минимальном весе.
Мелкодисперсным графитом наполняют пластик с целью повышения характеристик по скольжению и сопротивлению к истиранию. По такой технологии создают графитонаполненный полиамид. Композитная добавка значительно снижает коэффициент трения и увеличивает срок службы во всех узлах, контактирующих с металлом. Из графитонаполненных стержней точат детали, заменяющие бронзовые элементы в узлах скольжения, шестеренчатых и винтовых передачах. Материал не требует дополнительной смазки.
Боропластики
В тех отраслях, где требуется максимальная прочность изделий при маленьком весе, применяют пластик, армированный волокном на основе бора. Нити имеют повышенную нагрузочную и усталостную прочность, но при этом достаточно хрупкие. Поэтому чаще всего такое упрочнение сочетают со стекловолокном. Боропластик нашел свое применение в авиастроении и ракетостроении. Материал хорошо зарекомендовал при больших нагрузках в условиях агрессивной среды.
Органопластик
Это композит, состоящий из нескольких видов пластика, один из которых выполняет роль матрицы, а другой – армирующего компонента. Чаще всего в виде клеевого состава выступает полиэтилен или эпоксидная, бакелитовая смола. Арматурой служат арамидные волокна. Также могут использовать высокомолекулярный полиэтилен, кевлар и другие вещества, имеющие длинные молекулярные цепочки.
Полученные материалы обладают высокой прочностью на разрыв. Они легко гнутся, так как имеют низкое сопротивление к сжатию. Из них делают высокопрочные тенты, пологи, шторы и проч.
Композиты, наполненные мелкодисперсными составами
Чтобы снизить коэффициент трения, уменьшить себестоимость, повысить термостойкость и изменить гигроскопические свойства материала, в состав исходного пластика добавляют порошкообразные компоненты. Например, такие кристаллы игольчатой формы, как стекло, графит, базальт, асбест повышают прочность. А мел, древесные опилки снижают стоимость и меняют эксплуатационные характеристики. Бакелитовая смола хрупкая, но в комплекте с древесными опилками, получают плиты высокой прочности. Порошковый графит резко снижает коэффициент трения. Хризотил уменьшает температурное расширение и повышает стойкость к нагреву, что дает возможность изготавливать тормозные автомобильные накладки. Перечислить все компоненты в одной статье невозможно, их более 1000.
С помощью разных порошкообразных наполнителей изменяют электрическое сопротивление, устойчивость к ультрафиолету, сопротивляемость к перегреву и переохлаждению.
Текстолиты
Отдельной группой композитов являются слоистые пластики, армированные различными тканями. Для силовой основы используют органические или синтетические нити. В виде связующего вещества применяют полиэфирные эпоксидные и бакелитовые смолы. Иногда делают матрицу из термопластичных полимеров.
Текстолит создают методом горячего прессования. После формования получают листы разной толщины и стержни с диаметром от 8 до 100 мм. Особенностью материала является то, что армирующая основа составляет до 70% от общего объема изделия.
Из стержней точат шестерни, червячные передачи. Материал имеет схожие физические характеристики при разных направлениях воздействия. Он не склонен к растрескиванию, хорошо выдерживает многократные деформирующие нагрузки. Специальные подвиды способны выдерживать длительный нагрев до 300 градусов.
Текстолит в основном используется в электротехнике и радиоэлектронике. На его основе создают платы, элементы корпусов, изоляторы, шайбы, прокладки.
Специфичные виды композита
Понятие композитный полимер достаточно условно.
К нему можно отнести такие материалы, как:
- Маслонаполненный полиамид. В этом составе масло значительно уменьшает коэффициент трения. Это позволяет изготавливать механизмы с более длительным сроком службы без регулярного обслуживания.
- Вспененный пластик. Его можно считать композитом, так как содержит в своем составе большое количество изолированных воздушных вкраплений. Вспенивание резко увеличивает теплозащитные свойства и влияет на физические характеристики изделия. Как пример, это пенопласт, листовой полиуретан и т.д. Изделия широко применяются как дешевый эффективный утеплитель, амортизирующая упаковка.
- Гетинакс. Это дешевый аналог текстолита, где бумага склеивается эпоксидными или полиэфирными смолами. Востребован в радиоэлектронике и электротехнике.
- Многослойные пластиковые трубы также являются композитным материалом. Внешний слой выполняет декоративную и защитную функцию, армирующая оплетка позволяет выдерживать нагрузки давлением и нагревом, а внутренний слой делают из максимально экологичного вещества. Трубы знакомы всем как элемент водопроводной или отопительной системы.
- Конвейерная транспортерная лента. Изделие представляет собой слоеный материал из резины или пластика и силового каркаса из синтетических или органических нитей. В некоторых случаях используют металлический корт или тросы. Ленты применяют во всех отраслях для транспортировки сыпучих материалов.
- Фанера. Это изделие тоже подходит под определение композитный полимер. Бакелитовая влагостойкая фанера ФБВ промазана бакелитовым лаком.
- Кирза. Это брезентовая ткань, пропитанная специальным полимерным составом. Благодаря этому получился материал, аналогичный натуральной коже.
Композит сочетает в себе свойства тех компонентов, которые используют при его создании. Это позволяет широко варьировать качества получаемого изделия. А значит, резко расширяется сфера применения от декоративных поделок до авиационной и космической отраслей.