В качестве связующего можно применять как линейные поли­меры, гак и полимеры пространственной структуры. Полимерное связующее пропитывает волокнистый наполнитель и после от­верждения соединяет между собой волокна или слои наполни­теля. обеспечивая их совместную работу в пластике. Поэтому к связующим предъявляются следующие требования: они долж­ны обладать хорошей смачивающей способностью и адгезией к волокну, небольшой усадкой; когезионной прочностью и быст­рым отверждением. От типа связующего зависят не только прочностные свойства, но и теплостойкость, водостойкость, электроизоляционные характеристики и другие свойства.

На начальном этапе производства армированных материалов н качестве полимерного связующего использовали в основном реактоиласты, н частности ф е но л офо р м а л ь деги д и ы с олигомеры, что объясняется их доступностью, сравнительно высокой адгезией к большинству волокнистых наполнителей и хорошими физико-механическими свойствами. Фенольные смолы можно легко модифицировать, изменяя и улучшая их свойства. Фенолоформальдегндпые связующие применяют в производстве таких армированных материалов, как текстолиты, гетинакс, ас - бо, стекло - н углепластики, древесно-слоистые пластики. Недо­статком их является выделение побочных продуктов при от­верждении.

Высокопрочные к водостойкие композиты получаются на ос­нове эпоксидных связующих, обладающих хорошей ад­гезией ко многим наполнителям, высокой смачивающей способ­ностью, малой усадкой при отверждении и хорошими техноло­гическими свойствами. Эпоксидные связующие применяют в производстве стеклопластиков, гстинакса, пластиков па основе синтетических волокон, боропластиков.

В последние годы наибольшее распространение в качестве связующих получили полиэфирные олигомеры, при от­верждении которых не выделяются побочные продукты. Изго - твлелие изделий на их основу осуществляется при низких дав­лениях н температурах. Полиэфирные связующие применяют главным образом в производстве стеклопластиков и пластиков на основе синтетических волокон.

К р е м нийорганичеекке пол и м е р ы обладают хоро­шими диэлектрическими свойствами, высокой термостойкостью, но адгезионные свойства их неудовлетворительны. С целыо по­вышении адгезионной способности в кремннйорганические поли­меры вводят полярные группы, за счет которых возрастают силы межмолекулярного взаимодействия, а также применяют другие методы модификации полимеров. Присоединение к крем- нийорганнческим соединениям алкидпых и эпоксидных групп улучшает адгезионные свойства силиконов. Применяют их в ос­новном в производстве стекло - и асбопластнков.

П о л и и м и д и ы е с в я з у ю щ и е обладают повышенной тер­мостойкостью и используются з производстве угле-, стекло-, боро - и асбопластиков.

Из термопластичных полимеров н качестве связующего при­меняют полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, по. тнакрнлаг и др. Подробнее производство, свойства, способы отверждения различных типов связующих описаны в соответствующих главах и разделах (см. гл. 1, 2, 9). Основные характеристики свойств важнейших связующих для производства армированных поли­мерных материалов приведены в табл. 11.1.

В качестве армирующих наполните."ей используют элементар­ные волокна, пряди, жгуты, инти, тканые и нетканые материа­лы— ткани различной структуры, войлокоподобные материалы (холсты, маты), а также бумагу, шпон. Армирующее действие оказывают волокна длиной не менее 200 мкм. Связывание во­локон, обладающих высокой прочностью в продольном направ­лении, непрерывной матрицей позволяет снизить опасность хруп­кого разрушения волокон п реализовать такие ценные свойства волокнистых материалов, как высокие модуль упругости, проч­ность и термостойкость. При традиционных методах армирова­ния осуществляют последовательное наложение слоев волокнис­той арматуры. Поэтому для таких систем характерно разруше­ние путем расслоения но плоскостям низкой прочности. В настоящее время разработаны способы пространственного ар­мирования пластмасс.

Из органических наполнителей, наиболее распространен хлопок (волокна, нити, ткани, обрезки гкаией); он обладает хорошими физико-механическими и химическими свойствами, которые могут ухудшаться при контакте с водой. Волокна при­меняют в производстве волокннтов, а хлопчатобумажные тка­ни— для изготовления текстолитов (легкие-ткани — миткаль, шифон, средние — бязь, папка, гринсбон, тяжелые — бельтинг и др.). Легкие ткани имеют массу! м - до I50 г, средние - - до 300 г, тяжелые — свыше 300 г. Так. подшипники скольжения производят из текстолита на основе тяжелых и средних тканей, а шестерни— па основе легких к средних.

Для производства стеклопластиков используют стеклян­ные волокна. Стеклянные волокна получают высокоскорост­ной вытяжной из однородной стеклянной массы, представляю­щей собой сплав различных оксидов. Они выпускаются в виде непрерывных или штапельных волокон и ваты. Из стеклянных волокон получают нити, жгуты, рови. чги, плетеные ленты, ткани, рубленую стеклянную пряжу, маты и т. д.

В процессе изготовления стеклянные волокна покрывают за - масливателг. к для зашиты от атмосферной влаги и механиче­ского разрушения. Замасливатель наносится в виде различных эмульсий. Изготавливают его на минеральных маслах или жир­ных кислотах, г. е. веществах, уменьшающих коэффициент взаимного трения волокон, с добавлением парафина или поли­винилового спирта. Однако замасливатель снижает физико-ме­ханические свойства материала, поэтому перед формованием изделий его удаляют химическим или термическим способом.

Для повышения адгезии связующего к стекловолокну поверх­ность последнего обрабатывают специальными веществами — аппретами. Аппреты— это многофункциональные соединения.

способные взаимодействовать со стеклом и связующим. Для полиэфирных смол наиболее употребим аппрет ГК. С-9. дли эпо­ксидных и эпоксифенольных смол —АГМ-3.

Преимуществом стеклянных волокон являются высокая твер­дость, химическая и термостойкость, исключительно высокая прочность при растяжении, идеальная упругость вплоть до раз­рушения, большая удельная поверхность и наличие гидроксиль­ных групп, обеспечивающих полное смачивание наполнителя полимерным связующим. Кроме того, стеклянные волокна легко перерабатываются на стандартном текстильном оборудовании. Кварцевые, кремнеземные, а. пюмобороенлнкатиые волокна — лучшие диэлектрики, сохраняющие стабильность свойств в ус­ловиях повышенной температуры и влажности.

Из стекловолокна изготавливают ткани, сетки, маты. Наибо­лее широко применяют ткани из бесшелочного алюмобороси. за­катного стекла. Для производства стеклопластиков, работаю­щих в условиях высоких механических нагрузок, применяют ткани, изготовленные из высокопрочных и высокомодульных волокон из магнезиально-алюмосиликатного стекла, прочност­ные характеристики которых выше, чем у волокон из алюмобо - роенлнкатного стекла.

Переплетение нитей в стеклоткани может быть сатиновым, саржевым или полотняным (рис. 11.1). При сатиновом перепле­тении максимально реализуются прочностные характеристики волокна в пластике. В производстве стеклотекстолита применя­ют однослойные стеклоткани толщиной 0,1—0,5 мм с массой 1 м5 от 100 до 700 г.

Ткани сатинового переплетения могут быть четырех-, шести-, и восьмиремизными, т. е. нить основы может проходить над 4, 6, 8 нитями утка. С увеличением числа ремизов удлиняется уча­сток неизогнутой нити, вследствие чего прочность ее повышается

и. следовательно, улучшаются механические свойства пластика. Гибкость и величина сдвига отдельных волокон относительно друг друга зависят от толщины ткани, типа переплетения, плот­ности ткани по основе и утку, а также от крутки нити. Ткани с меньшей круткой нити обладают более высокой прочностью к более низким водопоглощением. Ткани сатинового переплетения имеют наибольшую гибкость и рыхлость, поэтому лучше пропи­тываются связующим и легче перерабатываются в изделия сложной конфигурации. Ткани выпускаются в широком ассор­тименте: от равнопрочных до кордных. Используются также ткани нз полых стекловолокон, позволяющих снизить плотность, теплопроводность и повысить удельную жесткость композицион­ного материала. Эти ткани используются для производства тер - м о и зол яцнон и ы х м ат ер и а л он.

Легкие маты из стекловолокон хотя и не обеспечивают вы­соких показателей прочности, обладают рядом ценных свойств. Их используют главным образом в покровных слоях для улуч­шения внешнего вида изделии. Стекломаты изготавливают нз стеклянных волокон, полученных методом раздува или механи­ческой вытяжкой. Стекломаты являются одним нз самых деше­вых наполнителей. Они представляют собой рулонный материал, состоящий из хаотически расположенных первичных нитей (руб­леных или непрерывных) или штапельных волокон, скрепленных между собой эмульсией, синтетическими смолами или механи­ческим способом (например, прошивкой). Стекломаты применя­ются для изготовления гофрированных и гладких листов, круп­ногабаритных изделий на основе полиэфирных смол.

В качестве наполнителей используют также тканые маты — сочетание рубленых прядей с тканой ровницей. Такой наполни­тель применяется для изготовления изделий с повышенными показателями прочности.

Армированные полимерные материалы на основе стеклово­локна (стеклопластики) находят самое разнообразное примене­ние в народном хозяйстве: они широко используются в авиации, судостроении, строительстве, для производства изделий, рабо­тающих в контакте с агрессивными средами, в электротехнике и электронике и т. д.

Борные волокна характеризуются уникальным сочета­нием высокой прочности, жесткости и низкой плотности. Их по­лучают восстановлением трихлорида бора водородом или раз­ложением бороводорода с одновременным осаждением образу­ющегося металлического бора па нагретую подложку — металлическую (обычно вольфрамовую) проволоку. Гетероген­ная структура борного волокна способствует возникновению высоких напряжений сжатия в сердечнике и растяжения в обо­лочке, что необходимо учитывать при использовании борного волокна как армирующего наполнителя. Эти волокна имею: высокую твердость, низкий термический коэффициент расшире­ния (3-10-6К '), низкую теплопроводность и другие ценные свойства. Благодаря этим свойствам композиты на основе бор­ных волокон применяют для изготовления элементов конструк­ций, работающих при криогенных температурах. Они широко используются в авиации и космической технике, для производ­ства спортивного инвентаря и других целей.

Углеродные волокна (карбоволокна) получают высо­котемпературным пиролизом органических волокон в инертной среде. Нагревание ведут до тех пор, пока в результате отщеп­ления атомных группировок от основных цепей не образуются волокна, состоящие из графита. В качестве сырья используют целлюлозные, полиакрилоннтрильные волокна, волокна нз смол и пеков. Важной операцией в производстве карбоволокон явля­ется вытяжка, в результате которой достигается ориентация плоскостей кристаллов вдоль оси волокна. Благодаря этому удается получить высокопрочные и высокомодульные волокна. Такие волокна при низкой плотности (около 1600 кг/м3) имеют высокую прочность при растяжении (оР=300 МПа). Они обла­дают значительной гибкостью, что позволяет получать с их при­менением прочные и нехрупкие материалы.

Благодаря высокой энергии связи С—С углеродные волокна остаются в твердом состоянии при очень высоких температурах, придавая композиционному материалу высокую теплостойкость. Карбоволокна отличаются от других наполнителей химической инертностью. При тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения плас­тиков на основе углеродных волокон в качестве тепловых экра­нов и теплоизоляционных материалов в высокотемпературной технике. На основе карбоволокон изготавливают композицион­ные материалы (углепластики), которые отличаются высокой абляционной стойкостью[4] и применяются в ракетостроении и космической технике, а также для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и для других целей. В отличие от стеклопластиков они обладают по­вышенной водо - и атмосферостойкостью.

Арамидные волокна получают на основе ароматиче­ских полиамидов. Они характеризуются достаточно высокой термостойкостью (по сравнению с другими органическими во­локнами), не плавятся и не подвергаются деструкции вплоть до 400СС и выше. Арамндные волокна обладают высокой химнче -

с кой стойкостью; модуль упругости прн растяжении у них на порядок выше, чем у обычных полиамидных волокон, и всего па 30% ниже, чем у стальных волокон. Их широко применяют и различных областях техники, особенно в производстве авто­мобильных шин, конвейерных лент, приводных ремней, шлангов и т. д. Более низкая плотность и более высокая жесткость ара - чидных волокон по сравнению со стеклянными обусловили их использование как армирующего наполнителя в пластмассах (органопластики). Органопластики применяют для отдел­ки салонов самолетов гражданской авиации, внешней обшивки корпусов реактивных двигателей самолетов, элементов конст­рукций вертолетов, что способствует достижению хороших экс­плуатационных свойств при снижении массы конструкций. Из них изготавливают также сосуды высокого давления, корпуса судов (катеров, глиссеров, байдарок и т. д.), спортивный ин­вентарь, изделия широкого потребления. Хорошие диэлектриче­ские свойства обеспечили их использование в электро-, радио - и электронной технике.

Для производства органопластиков можно также использо­вать и другие синтетические волокна (полиамидные, по­лиэфирные, полнакрилоннтрильиые и др.). Полимерные компо­зиционные материалы на основе этих волокон обладают высо­ким сопротивлением износу, водостойкостью и химической стой­костью, но недостаточно термостойки.

К термостойким синтетическим волокнам относятся поли - имидкые (арнмндные) волокна. Они не плавятся и не горят, устойчивы к действию органических растворителей. Ари - мндные волокна наиболее устойчивы по отношению к радиации н УФ-лучам.

Более термостойки неорганические волокна, например ас­бестовые. Различают асбест эмеевикозой структуры (хризо­тил), который имеет длинные волокна и обладает высокой проч­ностью (3 ГПа при плотности 2500 кг/м1) и рогообманковой структуры (крокодилнт)—более стойкий к кислотам. Тепло­стойкость асбестового волокна достигает 1000 °С и выше. Ком­позиционные материалы на их основе (асбопластики) находяi самое разнообразное применение. Благодаря высокой тепло­стойкости и стойкости к тепловом} удару их используют в авиа­ции и ракетной технике.

Керамические волокна получают из оксидов метал­лов. Помимо главного достоинства — термостойкости (до 1400 — 1650 °С) эти волокна обладают повышенным модулем упругости и высокой прочностью при сжатии. Они химически стойки, гиб­ки и способны перерабатываться в жгуты я ткани. Керамиче­ские волокна были разработаны специально для теплоизоляции, но композиты на их основе нашли применение и для других целей: термостойкие конвейерные ленты, оболочки, тепловые

экраны, фильтры, антенны радиолокаторов, спортивный ннвеп - гарь, химическая посуда, детали самолетов, тормозные колодки и т. д.

Базальтовые волокна получают из природного мате­риала— базальта. Эти волокна имеют все положительные свой­ства стеклянных волокон, но для них характерны более высокие геило* и щелочестойкость, а в сочетании с эпоксидными смола­ми они дают более прочное адгезионное сцепление. Базальтовые волокна из-за наличия в их составе оксидов железа имеют ко­ричневый цвет, что в отдельных случаях ограничивает их при­менение. Их используют для изготовления воздушных фильтров, теплоизоляционных, вибро - и звукопоглощающих материалом, а также в качестве наполнителя н пластмассах и бетонах, в том числе полимербетонах; в производстве строительных материа­лов они служат для замены асбеста и т. д.

Металлические волокна изготавливают из различных металлов и сплавов (меди, алюминия, стали и др.). Диаметр волокон колеблется от 0,01 до 0,2 мм, а длина — от б до 25 мм. Свойства их близки к свойствам соответствующих металлов, но могут изменяться посредством варьирования условий получения волокон или их дополнительной обработки. Для выбора опти­мальных свойств следует учитывать условия эксплуатации из­делий. Металлонаполпенные пластики заменяют цветные и дра­гоценные металлы при изготовлении изделий с высокой тепло­проводностью и низким температурным коэффициентом линейного и объемного расширения. Они применяются в произ­водстве магнитных лент, экранов, сопротивлений и т. д.

В табл. 11.2 для сравнения приведены свойства некоторых видов армирующих волокон.