10. Готування композицій

В основі одержання композиційних матеріалів лежить процес змішування їхніх компонентів:

− в розплаві, коли в розплав полімеру вводяться рідкі або/та тверді порошкоподібні добавки;

− двох рідких компонентів (олігомеріва, розплавів полімерів);

− порошків і т.п.

Усі компоненти, призначені для змішування, повинні бути відповідним чином підготовлені (подрібнені, висушені, нагріті й т.д.).

10.1. Основні компоненти композиційних матеріалів

До складу звичайних композицій входять: полімерне зв’язувальне (термопластичне або термореактивне), армувальний матеріал, наповнювач, змащувач для форм, пігмент (барвник), затверджувач, загусник і, в окремих випадках, добавки, що знижують об’ємну усадку й шорсткість поверхні.

10.1.1. Зв’язувальні

На термореактивне зв’язувальне накладаються певні вимоги. В’язкість смоли в ідеальному випадку повинна бути настільки низкою, щоб забезпечити легкість перемішування з усіма компонентами, і в той же час досить високою, щоб не відбувалося розшарування компонентів підчас плину композиції у формі. Смола повинна швидко тверднути, мати після тверднення високу міцність у нагрітому стані, щоб деталь не ушкоджувалася при вилученні з форми, й одночасно бути достатньо пружною, щоб деталь мала здатність до незначного деформування без розтріскування.

Поліефірні смоли

Більшість поліефірних смол, призначених для армованих формувальних композицій, мають в’язкість у межах 2,5 Па∙с, хоча, застосовуються смоли з в’язкістю від 1 до 250 Па∙с. Перемішування смол з в’язкістю до 600 Па∙с може проводитися у звичайних змішувачах без застосування розчинників, що знижують в’язкість, але які потім потребують видалення.

Тверднення поліефірних смол відбувається в результаті реакції розкриття подвійних зв’язків з утворенням просторових структур. При цьому не утворюється ніяких побічних продуктів. Разом з такими смолами застосовуються співмономери. Найчастіше використовується стирол, який взаємодіє з реакційно здатними подвійними зв’язками полімерних ланцюгів, зшиваючи їх у міцну тривимірну структуру. Реакція тверднення проходить із виділенням теплоти, що у свою чергу сприяє більш повному протіканню процесу (звичайно при твердненні смоли в реакцію вступає близько 90% наявних у полімері подвійних зв’язків).

а) Поліефірні смоли загального призначення. Ці смоли зазвичай одержують етерифікацією пропіленгліколя сумішшю фталевого й малеїнового ангідридів (у співвідношенні від 2:1 до 1:2). Отриману поліефірну алкідну смолу змішують зі стиролом у співвідношенні 2:1. Застосовують такі смоли для виготовлення піддонів, човнів, цистерн для води й т.д.

б) Еластичні поліефірні смоли. Якщо замість фталевого ангідриду використовувати лінійні двохосновні кислоти (наприклад, адипінову або себацинову), то утворюватиметься еластичніша та м’якіша ненасичена поліефірна смола в порівнянні зі смолами загального призначення. Використовувані діетилен- або дипропіленгліколі замість пропіленгліколя також надають смолам еластичність. Додавання таких смол до твердих смол загального призначення зменшує їх крихкість і спрощує переробку. Еластичні смоли можна одержати й при заміні частини фталевого ангідриду одноосновними кислотами талового масла, які створюють гнучкі групи на кінцях полімерних ланцюгів. Такі смоли часто використовують для декоративного лиття.

в) Пружні поліефірні смоли. Ці смоли займають проміжне положення між твердими смолами загального призначення й еластичними. Для одержання таких смол замість фталевого ангідриду використовують ізофталеву кислоту. Процес ведуть у декілька стадій. Спочатку реакцією ізофталевої кислоти із гліколем одержують поліефірну смолу з низьким кислотним числом, потім додають малеїновий ангідрид і продовжують етерифікацію. У результаті одержують поліефірні ланцюги з переважним розташуванням ненасичених фрагментів на кінцях молекул або між блоками, що складаються із гліколь-ізофталевого полімеру. У цьому типі етерифікації фталевий ангідрид менш ефективний у порівнянні з ізофталевою кислотою, тому що утворюваний моноефір фталевої кислоти схильний до зворотного перетворення в ангідрид при тих високих температурах, які використовуються при одержанні поліефірних смол високої молекулярної маси. Застосовуються поліефірні смоли цього типу для виготовлення виробів, стійких до ударних навантажень (деталі автомобілів, літаків і т.д.).

г) Поліефірні смоли з малою усадкою. При формуванні армованого скловолокном поліефіру відмінність усадок смоли й скловолокна призводить до появи раковин на поверхні виробу. Використання поліефірних смол з малою усадкою нівелює цей ефект, і отримані в такий спосіб литі вироби, не вимагають додаткового шліфування перед фарбуванням, що є перевагою при виготовленні деталей автомобілів і побутових електроприладів.

Поліефірні смоли з малою усадкою містять у собі термопластичні компоненти (полістирол або поліметилметакрилат), які тільки частково розчиняються у вихідній композиції. При твердненні, супроводжуваному зміною фазового стану системи, відбувається утворення мікропорожнин, що компенсують звичайну усадку полімерної смоли.

д) Поліефірні смоли, стійкі до атмосферного впливу. Ці смоли не повинні жовтіти під впливом сонячного світла, для чого до їхнього складу вводять поглиначі ультрафіолетового випромінювання. Стирол може бути замінений метилметакрилатом, але тільки частково, тому що метилметакрилат погано реагує з подвійними зв’язками фумарової кислоти, що входить до складу поліефірної смоли. Ці смоли використовують при виготовленні покриттів, зовнішніх панелей і ліхтарів дахів.

е) Хімічно стійкі поліефірні смоли. Ефірні групи легко гідролізуються лугами, що є принциповим недоліком поліефірних смол. Збільшення вуглецевого «кістяка» вихідного гліколю приводить до зменшення частки ефірних зв’язків у смолі. Так, смоли, що містять продукт взаємодії бісфенолу А с окисом пропилену («бісгліколь») або гідрований бісфенол А, мають значно меншу кількість ефірних зв’язків, ніж відповідна смола загального призначення. Такі смоли використовують у виробництві деталей хімічного устаткування:корпусів хімічних реакторів і ємностей, трубопроводів й т.п.).

ж) Вогнестійкі поліефірні смоли. Вироби й шаруваті пластики з армованих скловолокном поліефірних смол є горючим матеріалом, але мають порівняно низьку швидкість горіння. Збільшення стійкості смоли до горіння досягається при використанні замість фталевого ангідриду галогенованих двохосновних кислот, наприклад, тетрафторфталевої, тетрабромфталевої й хлорендикової (продукту приєднання гексахлорциклопентадієну до малеїновому ангідриду, ще відомої як «ххет-кислота»). Подальше підвищення вогнестійкості досягається введенням у смолу різних інгібіторів горіння, таких як ефіри фосфорної кислоти й окис сурми. Вогнестійкі поліефірні смоли використовуються при виробництві деталей електричного устаткування, будівельних виробів, а також для виготовлення корпусів деяких видів військово-морських судів.

Смоли на основі діефірів вінілкарбонових кислот (ДВК) є термореактивними полімерами, що є продуктами етерифікації олігогліколів акриловою або метакриловою кислотами. Ці смоли іноді відносять до поліефірних, хоча вони є складними діефірами, які залежно від будови основного ланцюга молекул полімеру містять також повторювані прості ефірні зв’язки. Основні ланцюги молекул цих смол складають переважно епоксидні, а також поліефірні, поліуретанові або інші сегменти. ДВК можна використовувати як у чистому вигляді, так й у суміші з іншими інгредієнтами. В останньому випадку смола може містити реакційноздатний вінілвмісткий сомономер (стирол, вінілтолуол, триакрилат триметилолпропану), або нереакційноздатний «розріджувач» (метилетилкетон, толуол). Як правило, смоли на основі ефірів метакрилової кислоти містять стирол і використовуються у виробництві хімічно стійких СВКМ. Інгредієнти вводять у ці смоли безпосередньо перед використанням. Вікористовують для покриттів і типографських фарб, що тверднуть під дією УФ-випромінювання.

Полібутадієнові смоли

Зв’язувальні цього типу − високомолекулярні вуглеводні термореактивні смоли. Вони мають відмінні електричні властивості, значну хімічну стійкість, досить високою термічну стійкість, низьке вологопоглинання й легко тверднуть у присутності перекісних ініціаторів. Ці смоли можна використовувати для переробки компресійним і литтєвим пресуванням, литтям під тиском, методом мокрого викладення у форму.

Епоксидні смоли

Епоксидні смоли є одними з кращих видів зв’язувальних для волокнистих композитів, що обумовлюється наступними причинами:

- велика адгезія до більшості наповнювачів і армуючих компонентів;

- великий асортимент доступних епоксидних смол і затверджувачів, що дозволяє одержувати матеріали із широким спектром властивостей;

- відсутність побічних продуктів процесу тверднення, і відповідно низька усадка матеріалів;

- хімічна стійкість, гарні електроізоляційні властивості.

Епоксидні смоли використовують при одержанні різних композиційних матеріалів і конструкційних деталей. Вони також застосовуються в якості капсулюючих і герметизуючих компаундів, прес-порошків і для виготовлення клеїв.

Термостійкі смоли

Термостійкі смоли являють собою лінійні або зшиті гетероароматичні полімери, що мають високу температуру силування Т_С і здатні витримати на повітрі тривале нагрівання понад 590 К без помітних змін структури. Незважаючи на процес термоокиснювальної деструкції, що неминуче протікає в цих умовах, розкладання таких полімерів іде відносно повільно. Крім того, передбачається, що фрагменти, на які розпадаються ці полімери, відносно стабільні, що збільшує «живучість» матеріалу при підвищених температурах.

У цей час використовують конструкційні поліімідні волокнисті композиційні матеріали, що експлуатуються при температурі близько 600 К.

Крім наведених, у якості зв’язувальних застосовуються фенолоальдегідні смоли (резольні й новолачні) і аміносмоли (меламіноформальдегідні, сечовиноформальдегидні, аніліноформальдегідні).