Типы полимерных матриц

Разработка полимерных матриц для ПКМ - серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства ПКМ определяются матрицей. В первую очередь именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость.

Основные требования к связующим для производства армированных полимерных композитов состоят в следующем [2]:

· хорошее смачивание армирующего наполнителя;

· высокая адгезия к армирующему наполнителю;

· низкая усадка при отверждении;

· высокая прочность в отвержденном состоянии;

· регулируемое во времени отверждение при комнатной температуре;

· отсутствие летучих компонентов;

· длительная стабильность при хранении;

· высокие эксплуатационные характеристики (теплостойкость, светостойкость, водостойкость, химическая стойкость и др.);

· низкая стоимость;

· возможность простой утилизации отходов.

Полимерные связующие делятся на два основных класса: термореактивные(реактопласты) и термопластичные. Первые обычно представляют собой сравнительно низковязкие жидкости, которые после пропитки армирующего материала (волокон, нитей, лент, тканей) за счет химических реакций превращаются в неплавкую твердую полимерную матрицу. В качестве олигомеров для получения связующих применяют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы.

В композицию, используемую для пропитки, помимо связующего, входят отвердитель, ускоритель отверждения, и другие добавки, регулирующие свойства смолы и, в конечном счете, будущего готового продукта - стеклопластика.

Сравнительные свойства ПКМ на основе стеловолокнистого наполнителя, с применением в качестве связующего олигомерных смол, приведены в табл. 1.

Таблица. 1: Свойства стеклопластиков на основе термореактивных связующих

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают более высокой прочностью при всех видах нагружения. Кроме того, они имеют более высокую выносливость при различных нагрузках.

Эпоксидные смолы - полимерные матрицы для ПКМ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов с чётко выраженной межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу - связующее. Компоненты композитов должны быть хорошо совместимы, однако не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга.

Связующее в виде расплавов, растворов, дисперсий (порошков, эмульсий, суспензий), волокон или пленок сочетается с армирующими волокнистыми наполнителями при получении армированных волокнистых полуфабрикатов (премиксов, препрегов, прессовочных, заливочных и других композиций) или в процессах формования заготовок и изделий методами смешения, пропитки, напыления, механического соединения. Важное значение при этом имеет равномерное распределение матрицы (связующего) между частицами наполнителя или армирующего компонента. Оно зависит от смачиваемости компонентов, вязкости связующего и его поверхностной энергии. На стадиях переработки полуфабрикатов вид, количество и распределение связующего определяют технологичность материала - формуемость, объемную усадку и другие характеристики.

Полимерная матрица, объединяя все компоненты композита, обеспечивает монолитность материала. Она способствует равномерному распределению нагрузок между армирующими элементами, защищая их от внешних воздействий. Одновременно матрица останавливает рост трещин, проявляющихся при разрушении волокон, за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения волокна от матрицы. Таким образом, функцией полимерной матрицы является перераспределение напряжений между соседними волокнами и препятствие росту трещин, появляющихся при разрушении волокон. Последнее достигается за счет пластичных (эластичных) деформаций матрицы или местного отслоения волокон от матрицы. Кроме того, матрица во многом определяет такие характеристики композиционных материалов, как термоустойчивость, химическая стойкость, а также технологические приемы и режимы получения и переработки материалов в изделия. Все эти функции связующего зависят от его взаимодействия с наполнителем в процессе получения и эксплуатации композита - соотношения свойств компонентов, смачивания и адгезии, связующего к наполнителю, приводящих к изменению свойств при взаимодействии компонентов.

Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующих для большого числа волокнистых композитов, что объясняется следующими причинами:

· эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большому числу наполнителей, армирующих компонентов и подложек;

· разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволяет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств, удовлетворяя различным требованиям технологии;

· в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяется вода или какие-нибудь летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол;

· отвержденных эпоксидные смолы обладают не только химической стойкостью, но и хорошими электроизоляционными свойствами.

Эпоксидные олигомеры и полимеры применяются в различных областях техники благодаря удачному сочетанию несложной технологии переработки с высокими физико-механическими показателями, теплостойкостью, адгезией к различным материалам, стойкостью к различным средам, а также способностью отверждаться при атмосферном давлении с малой усадкой. Так, они широко используются в производстве высокопрочных конструкционных материалах в ракетной и космической технике, авиации, судостроении, машиностроении, электротехнике, радиоэлектроники, приборостроении.

Эпоксидные олигомеры и полимеры широко используются в качестве матриц для создания углепластиков, характеризующихся сочетанием высокой прочности и жёсткости с малой плотностью, низким температурным коэффициентом трения, высокой тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическим и радиационным воздействиям.

В целом эпоксидные олигомеры и полимеры являются более дорогими, чем большинство других матриц, но превосходные эксплуатационные характеристики материалов на их основе в большинстве случаев делают использование эпоксидных матриц более выгодным.

. Их эксплуатационные свойства, в том числе тепло- и термостойкость, в значительной мере зависят от химического строения компонентов, плотности сшивки и упаковки макромолекулярных цепей. Однако, достаточно обширная номенклатура олигомеров и других компонентов, а также развитие работ в этой области и хорошие технологические свойства эпоксидных связующих обуславливают возможность варьирования составом, структурой и свойствами эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе.

Основой эпоксидных связующих для ПКМ являются эпоксидные смолы. Эпоксидные смолы – это олигомерные соединения, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных или глицидиловых групп и способные под действием отвердителей превращаться в трехмерные сшитые полимеры.

Наибольшее распространение нашли эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина и дифенилолпропана (бисфенола А), называемые диановыми (смолы типа ЭД):

Получение эпоксидных смол проводится при конденсации в щелочной среде эпихлоргидрина или дихлоргидрина глицерина с соединениями, содержащими подвижные атомы водорода - фенолами, аминами, гликолями, кислотами.

Эпоксидные смолы с эпоксидными группами в алифатических циклах или цепях получают окислением (эпоксидированием) ненасыщенных соединений надкислотами (например, надуксусной кислотой).

Обычно эпоксидные смолы - высоковязкие жидкости или твердые продукты, растворимые в большинстве полярных растворителей.

Отвердители для эпоксидных смол

Ярко выраженный полярный характер связи С — О в эпоксидном цикле в сочетании с его высокой напряженностью обусловливает способность эпоксидных смол раскрывать цикл под действием нуклеофильных и электрофильных реагентов (отвердителей, рис. 5) с образованием твердых сетчатых полимеров.

В качестве нуклеофильных отвердителей используют алифатические и ароматические первичные и вторичные ди- и полиамины, многоосновные кислоты и их ангидриды, многоатомные спирты, фенолы и их тиопроизводные, а также полиамиды, феноло-формальдегидные смолы резольного и новолачного типа, третичные амины и их соли; в качестве электрофильных отвердителей - кислоты Бренстеда и Льюиса, способные образовывать с эпоксидным циклом триалкилоксониевый ион. Процесс отверждения нуклеофильными агентами протекает по механизму реакции поликонденсации или анионной полимеризации, электрофильными - только по механизму катионной полимеризации.

Различают низко- и высокотемпературные процессы отверждения эпоксидных смол. Процесс низкотемпературного ("холодного") отверждения (~20°С) обычно проводят с использованием алифатических полиаминов или продуктов их конденсации с фенолом, формальдегидом и многоосновными карбоновыми кислотами; глубина отверждения обычно не превышает 65-70%; система достигает полной конверсии лишь при последующем прогревании при 50-100°С в течение 2-12 ч.

Рис.5. Классификация отвердителей для эпоксидных олигомеров

При высокотемпературном ("горячем") отверждении основные отвердители - ароматические полиамины (м-фенилендиамин, 4,4'-диаминодифенилметан, 4,4'-диаминодифенилсульфон), феноло- и мочевиноальдегидные смолы, ди- и поликарбоновые кислоты и их ангидриды (главным образом фталевый, метилтетрагидрофгалевый, гексагидрофталевый, малеиновый, эндометилентетрагидрофталевый (эндиковый) и их смеси); в качестве катализаторов иногда используют малолетучие третичные амины и их соли. Проводят горячее отверждение при 100-300°С в течение нескольких секунд (в тонких слоях) или нескольких часов.

Отверждение ЭС обычно проводят при небольших температурах (20-100°С) при введении 7-25 массовых частей первичных алифатических ди- или полиаминов на 100 массовых частей ЭС, или при повышенных температурах (80-150°С) при введении 14-26 массовых частей ароматических диаминов или (при 140-160°С) при введении 40-80 массовых частей ангидридов дикарбоновых кислот. Для ускорения процесса отверждения применяют соускорители - третичные амины, дициандиамид и катализаторы на основе комплексов BF₃. Для сравнения в табл. 2 приведены показатели диановых ЭС, отвержденных алифатичеким диэтилентриамином (ДЭТА), ароматическим м-фенилендиамином (м -ФДА) и малеиновым ангидридом (МА).

Таблица 2. Характеристики отвержденных эпоксидных смол

различными отвердителями

Показатели	Отвердители
ДЭТА	м -ФДА	МА
Плотность, кг/м3	1200-1250	1200-1250	1200-1250
Прочность при растяжении σр, МПа	45-65	55-65	45-75
Прочность при изгибе σи, МПа	80-110	100-115	100-150
Прочность при сжатии σсж, МПа	150-230	200-230	120-150
Относительное удлинение, %	1-2	3-4	2-3
Ударная вязкость, кДж/м2	5-8	7-15	15-18
Твердость НВ, МПа	110-120	120-150	120-150
Водопоглощение, %	0,05	0,03	0,03
Теплостойкость (по Мартенсу), °С		80-90	100-120

Табличные данные показывают изменение свойств при применении различных типов отвердителей, что может быть связано с механизмами отверждения, при которых образуются функциональные группы.

Рассмотрим более подробно механизмы отверждения эпоксидных смол. Большинство применяемых аминных отвердителей содержат концевые реакционноспособные группы. Это приводит к образованию сшитой структуры между молекулами эпоксидных олигомеров. Например, концевая аминогруппа (первичный амин) взаимодействует с эпоксидной группой, принадлежащей молекуле смолы, следующим образом:

Когда образовавшаяся при этом вторичная аминогруппа соединяется с эпоксидной группой, принадлежащей второй молекуле смолы, то образуется межмолекулярная сшивка:

Отверждающие агенты, содержащие вторичные аминогруппы, реагируют со смолой аналогичным образом. Для проведения полной сшивки эпоксидной смолы соотношение между количеством атомов водорода в аминогруппах отвердителя (первичных и вторичных) и числом эпоксидных групп в смоле должно быть 1:1.

Химическая связь между атомами углерода и азота, возникающая при отверждении эпоксидной смолы аминами, устойчива к действию большинства неорганических кислот и щелочей. Однако, к воздействию органических кислот эта связь оказывается менее стабильной, чем межмолекулярные связи, образованные отвердителями других классов. Кроме того, электроизоляционные свойства аминоотвержденных эпоксидных смол уступают эпоксидным смолам с использованием других отверждающих агентов. Это связано с полярностью гидроксильных групп, образующихся при отверждении аминами.

Третичные амины, которые являются основаниями Льюиса, отверждают эпоксидную смолу по иному механизму, чем первичные и вторичные амины. Их добавляют в смолу в небольшом нестехиометрическом количестве, подбираемом эмпирически. Критерием при этом служит получение материала с лучшими свойствами. Отверждающий агент работает здесь как катализатор, инициируя процесс анионной полимеризации:

В результате гомополимеризации эпоксидной смолы образуется простой полиэфир. Простая эфирная связь (С-О-С) чрезвычайно стабильна к действию большинства кислот (как органических, так и неорганических) и щелочей. Отвержденная таким образом смола, кроме того, обладает большей теплостойкостью, чем отвержденная аминами.

В качестве кислотных отвердителей наибольшее применение нашли циклические ангидриды карбоновых кислот, такие как фталевый, малеиновый, тримеллитовый, а также диангидриды пиромеллитовый, бензофенонтетракарбоновой кислоты. Отверждение с помощью ангидридов карбоновых кислот проводят при 120–180°С. Часто для ускорения процесса отверждения, который идет чрезвычайно медленно, вводят небольшое количество ускорителя. Существуют ангидридные отвердители, которые реагируют со смолой при нагреве выше 200°С.

Механизм взаимодействия ангидридов кислот с эпоксидными смолами протекает с образованием сложных эфиров. Чтобы эта реакция произошла, требуется раскрытие ангидридного цикла. Небольшое количество протон-содержащих веществ (например, кислоты, спирты, фенолы и вода) или оснований Льюиса способствует его раскрытию. Образующиеся карбоксильные группы реагируют с эпоксидными группами по схеме:

Теоретически, одна ангидридная группа вступает в реакцию с одной эпоксидной группой.

Различия в свойствах ангидридов в большей степени проявляются при взаимодействии с эпоксидными группами, чем в случае катализа процесса гомополимеризации смолы с образованием простых полиэфирных связей. Для получения отвержденной смолы с оптимальными свойствами, что достигается увеличением степени завершенности реакции между ангидридными и эпоксидными группами, следует тщательно контролировать содержание гидроксильных групп в исходной смоле, а также проводить отверждение при повышенной температуре.

Образующаяся в результате отверждения сложноэфирная группа устойчива к действию органических и некоторых неорганических кислот, но разрушается щелочами. Полученные материалы обладают большей термостабильностью и лучшими электроизоляционными свойствами, чем при использовании аминных отвердителей.

Другим классом отвердителей являются фенол-формальдегидные (ФФС) и амино-альдегидные смолы (ААС), которые способны реагировать с гидроксильными группами ЭС, давая трехмерные продукты. Смеси ЭС и ФФС способны храниться месяцами и быстро отверждаться при температуре 150-200°С. Недостатком этих продуктов является выделение при реакции летучих продуктов конденсации (спирт и вода). Есть указания на то, что для получения высокотермостойких композиций содержание ФФС в композиции должно быть умеренным, а степень отверждения – максимальной. Сообщают о возможности применения в качестве отвердителей смеси ФФС с аминными и ангидридными отвердителями.

Оптимизация свойств эпоксидных связующих достигается путем выбора отверждающей системы. Отвержденные эпоксидные смолы имеют микрогетерогенную структуру глобулярного типа, формирование которой наблюдается уже в жидкой фазе на начальных стадиях отверждения; размер частиц зависит от состава неотвержденной эпоксидной смолы и условий отверждения, уменьшаясь с возрастанием температуры.

Выбор состава связующих на основе эпоксидных смол для композиционных материалов основан на том, что с уменьшением расстояния между узлами сетки растут температура стеклования, прочность при сжатии, химическая и термическая стойкость, но растет и хрупкость. Аналогично изменяются свойства отвержденных связующих при увеличении содержания ароматических циклов в молекуле эпоксидной смолы.

По прочностным показателям продукты отверждения эпоксидных смол превосходят применяемые в промышленности материалы на основе других синтетических смол. Так, прочность при растяжении может достигать 140 МПа, при сжатии - 40 МПа, при изгибе -220 МПа; модуль упругости ~ 50 ГПа, также отвержденные диановые смолы имеют высокую температуру стеклования 55-170ºС, низкое водопоглощение (0,01-0,1%), высокие диэлектрические показатели, но малое удлинение при растяжении (0,5-6%). Отвержденные смолы на основе галогенированного дифенилолпропана и ароматических диаминов обладают низкой горючестью. В композиции на основе эпоксидной смолы перед отверждением обычно вводят пластификаторы, не содержащие реакционноспособных групп, и различные наполнители - порошки, высокопрочные и высокомодульные сплошные и рубленые волокна из ткани, стекловолокна и других материалов.

Композиции холодного отверждения используют в качестве клеев, герметиков, заливочных компаундов, эпоксидных лаков, эмалей и др. защитных покрытий в случаях, когда по условиям эксплуатации нежелателен нагрев.

Композиции горячего отверждения применяют в качестве дорожных покрытий, клеев, электроизоляционных и некоторых лакокрасочных материалов, но наиболее эффективным является применение эпоксидных смол в качестве связующих при изготовлении крупногабаритных изделий контактным способом с использованием тканей и матов из стекло- или углеволокна в качестве армирующих наполнителей, а также при производстве премиксов и препрегов.

В табл. 3 представлены основные свойства ПКМ на основе эпоксидных связующих.

Таблица 3. Свойства ПКМ на основе эпоксидных связующих

Показатели	Ненаполненные пластики	Стекло-пластики	Угле-пластики
Плотность, кг/м3	1200-1250	1600-1900	1300-1500
Разрушающее напряжение, МПа, при
растяжении
изгибе	80-110		350-500
сжатии	120-150	250-400	600-700
Модуль упругости при изгибе, ГПа	4-8	50-70	130-170
Ударная вязкость, кДж/м2	5-8	180-200	130-150
Твердость по Бриннелю, МПа	110-120	400-460	250-350
Теплостойкость по Мартенсу,оС	80-120	140-200	140-200

Получение композиционных материалов