Реферат по химии
на тему:
Стеклопластики
Санкт-Петербург 2003 г.
Что такое стеклопластик
Стеклопластик — композиционныйматериал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерногосвязующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей,жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим — полиэфирные,феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды,алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерносочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкойплотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.Механические свойства стеклопластика определяются преимущественнохарактеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температурыпереработки и эксплуатации — связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостьюобладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывныеволокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные;у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых — под заданным угломдруг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон,можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.
Большей изотропией механическихсвойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон:материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыленияодновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическаяпроницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь0,01-0,05.
Изделия из стеклопластика сориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойнойвыкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованиемлибо прессованием, из пресс-материалов — прессованием и литьём.
Примеры изделий из стеклопластика
Стеклопластик применяют какконструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок,катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн,рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, выхлопныхтруб, деталей машин и приборов, коррозионностойкого оборудования итрубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также какэлектроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.
Свойства стеклопластика
Стеклопластик обладает многимиочень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материаловбудущего. Ниже перечислены некоторые из них.
Малый вес. Удельный весстеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3.Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, амеди — 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава,применяемого в технике, — дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом,удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных ицветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делаетстеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе натранспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения весатранспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повыситьих полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.
Диэлектрические свойства.Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам прииспользовании как переменного, так и постоянного тока.
Высокая коррозионнаястойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаютсяэлектрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирныесмолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие кразличным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированныхкислот и щелочей.
Хороший внешний вид.Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и прииспользовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго.Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовитьстеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.
Высокие механические свойства.При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокимифизико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, напримерNorpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получитьстеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавыцветных металлов и стали.
Теплоизоляционные свойства. Стеклопластикотносится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можнозначительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовлениястеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоямистеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкойтеплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяютсяв качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, всудостроении, в вагоностроении и т.д.
Простота в изготовлении.Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинствоиз которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручногоформования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов(прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может бытьизготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчиваяметаллом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковыематрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срокслужбы.
Производство стеклопластика
Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна,перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играетроль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочностьпри малой плотности.
В настоящее время существуетцелый ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковыхизделий. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные иэпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химсостава и областиприменения все смолы можно разделить на следующие группы:
а) по методу формования:
ü для ручного формования
ü для вакуумной инжекции
ü для горячего прессования
ü для процессов намотки
ü для пультрузии
б) по области применения:
ü обычные конструкционные
ü химстойкие
ü огнестойкие
ü теплостойкие
ü светопрозрачные
Основные методы изготовления стеклопластиковыхизделий
Ручное (контактное) формование
При этом методе стеклоармирующийматериал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затемпропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточнымиваликами. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушныхвключений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждениеламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделиеизвлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливаниеотверстий и т.д.)
Применяемые материалы:
Смолы: Любые, напримерэпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.
Волокна: Любые.
Наполнители: Любые, стойкие киспользуемым смолам.
Основные преимущества:
Широко используется в течениимногих лет.
Простота процесса.
Недорогие используемыеинструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.
Широкий выбор поставщиков иматериалов.
Более высокое содержаниестеклянного наполнителя и более длинные волокна по сравнению с методомнапыления рубленного роввинга.
Основные недостатки:
Качество смеси смолы икатализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате оченьзависят от квалификации рабочих.
Высокая вероятность воздушныхвключений в ламинате.
Малая производительность метода.
Вредные условия труда.
Метод напыления рубленногороввинга
Стеклонить подается в ножипистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваютсяс струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленногороввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушныхвключений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферныхусловиях.
Применяемые материалы:
Смолы: Прежде всего полиэфирные.
Волокна: Только стеклонить в видероввинга (ровницы).
Наполнители: Любые, стойкие кстиролу. Укладываются вручную.
Основные преимущества:
Широко используется много лет.
Быстрый путь нанесения волокна исмолы.
Дешевые формы.
Основные недостатки:
Ламинаты имеют тенденцию бытьочень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.
Присутствуют только короткиеволокна, которые ограничивают механические свойства ламината.
Смолы должны быть с низкойвязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению ихмеханических свойств и теплостойкости.
Вредные условия труда, большоесодержаний в воздухе мелких частиц стекла.
Качество конечного продукта восновном зависит от мастерства оператора установки.
Метод RTM
Стеклоармирующий материалукладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек. Затем укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смолаподается в полость формы под рассчитанным давлением. Иногда, для облегченияпрохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутриформы. Как только смола пропитала весь стекломатериал, инжекцию останавливают иламинат оставляют в форме до полного отверждения. Отверждение может проходитьпри обычной или повышенной температурах.
Применяемые материалы:
Смолы: эпоксидные, полиэфирные,винилэфирные.
Волокна: Любые. Желательноиспользовать специально предназначенные для этого стекломатериалы с проводящимслоем и механически связанными волокнами.
Наполнители: Любые стойкие кстиролу, кроме материалов в виде сот.
Основные преимущества:
Могут быть получены ламинаты свысоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда иокружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможно сокращение трудовыхзатрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживатьодновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию.
Вся форма изделия имеет глянцевуюповерхность.
Минимизированы отходы материалов.
Основные недостатки:
Дорогие и сложные формы.
Сложность процесса.
Необходимость иметь инжекционноеоборудование.
Метод пультрузии
Волокна подаются от катушечнойрамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру. В фильереубираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждениематериала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается нанеобходимые длины.
Применяемые материалы.
Смолы: Эпоксидная смола,полиэфирная смола, винилэфирная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Не используются.
Основные преимущества:
Это может быть очень быстрыйпроцесс пропитки и отверждения материала.
Автоматизированное управлениесодержанием смолы в ламинате.
Недорогие материалы.
Хорошие структурные свойстваламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержаниестекломатериала.
Закрытый процесс пропиткиволокна.
Основные недостатки:
Ограниченная номенклатураизделий.
Дорогое оборудование.
Метод намотки
Этот процесс прежде всегоиспользуется для изготовления пустотелых круглых или овальных секционныхкомпонентов, типа труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну сосмолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаленияизлишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, уголнамотки контролируется отношением скорости движения тележки к скоростивращения.
Применяемые материалы:
Смолы: Любые.
Волокна: Любые, волокна подаютсянапрямую от рамы для катушек без дополнительного сшивания в ткань.
Наполнители: Любые.
Основные преимущества:
Это может быть очень быстрый ипоэтому экономически выгодный метод укладки материала.
Регулируемое соотношениесмола/стекло.
Высокая прочность при маломсобственном весе.
Неподверженность коррозии игниению
Недорогие материалы
Хорошие структурные свойстваламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержаниестекломатериала.
Основные недостатки:
Ограниченная номенклатураизделий.
Дорогое оборудование.
Волокно трудно точно положить подлине сердечника.
Высокие затраты на сердечник длябольших изделий.
Рельефная лицевая поверхность.
МетодRFI (Resin Film Infusion)
Сухие ткани выкладываются вместесо слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрываетсяспециальной пленкой. Сначала между пленкой и формой создается вакуум, послечего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температурысмола переходит в текучее состояние и благодаря вакууму пропитывает материал.После некоторого времени смола полимеризуется.
Применяемые материалы:
Смолы: Только эпоксидная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Почти все, хотя ПВХпена нуждается в специальной обработке из-за высоких температур процесса.
Основные преимущества:
Могут быть получены ламинаты свысоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Высокие физико-механическиехарактеристики из-за твердого начального состояния полимера и высокихтемператур отверждения.
Более низкая стоимость процессапо сравнению с методом препрегов.
Хорошие условия труда и окружающейсреды. Нет большого выброса вредных веществ.
Основные недостатки:
Мало применяется внеаэрокосмической промышленности.
Для процесса необходима системавакуумного мешка, термошкаф или автоклав.
Требования к оборудованию иинструменту по температуростойкости.
Метод препрегов
Препрег — предварительнопропитанная смолами стеклоткань.
Ткани и волокна предварительнопропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. Втаком виде препреги могут хранится до нескольких недель, однако для увеличениясрока хранения, их хранят при пониженных температурах. Смола в препрегахнаходится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются наповерхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит ихнагревание до температуры примерно 120 — 180 град.C при этой температуре смолапереходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы. Далее придальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительноедавление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.
Применяемые материалы:
Смолы: Эпоксидные, полиэфирные,фенольные и высокотемпературные смолы типа полиимидных др.
Волокна: Любые.
Наполнители: Любые стойкие ктемпературам процесса.
Основные преимущества:
Могут быть получены ламинаты свысоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда иокружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможность автоматизироватьпроцесс и снизить трудовые затраты.
Основные недостатки:
Высокая стоимост материалов
Для отверждения необходимыавтоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.