Композиты на основе стекла.виды композиционных материалов на основе стекла

Свойства композитов на основе жидкого стекла в значительной мере зависят от вида, количества и качества составляющих, их соотношения технологии переработки и режима твердения. Критериями оценки качества композитов служат прочность, кислотонепроницаемость и кислотостойкость. Важными свойствами для оценки качества композитов являются также адгезия к каменному литью обжиговым кислотоупорам, их аутогезия, усадка жизнеспособ ность, температурные деформации и другие характеристики.

В отечественной и зарубежной практике наиболее часто применяемым отвердителем жидкого стекла является кремнефтористый натрий. Его особенность заключается в том, что он не только взаимодействует со щелочью, понижая ее содержание, но и выделяет при разложении кремнекислоту, которая заметно уплотняет твердеющую систему, понижая пористость. Оптимальная концентрация кремнефтористого натрия для получения плотных, водостойких и кислотостойких материалов составляет примерно 15% от массы жидкого стекла.

С целью оптимизации содержания кремнефтористого натрия в жидкосте кольных композициях были испытаны образцы-призмы размером 1x1x3 см. Количество отвердителя варьировалось от 15 до 20 мас. ч. на 100 мас. ч связующего. Наполнителем служил кварцевый песок с удельной поверхностью 600 см /г. Технология изготовления составов была использована следующая.

Сначала перемешивалось жидкое стекло с отвердителем, затем в получившуюся смесь добавляли наполнитель в количестве 150 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего во всех составах. Зависимости изменения прочностных свойств композитов от количественного содержания отвердителя представлены на рис 5.20.

Анализируя результаты, можно сделать вывод о том, что наибольшую прочность на растяжение при изгибе и на сжатие имеют композиты с содержанием кремнефтористого натрия 18 мас. ч., а наименьшую - композиты с содержанием 16 мас. ч.

Прочность наполненных композиционных материалов на основе жидкого стекла, как и других композитор, определяется многими факторами, непосредственно прочностью связующего и наполнителя, соотношением их прочностных свойств, степенью адгезионного взаимодействия между связующим и наполнителем и т.д. Жидкое стекло обладает высокой реакционной способностью, и введение в жидкостскольную систему в значительных количествах тех или иных наполнителей почти всегда отражается на кинетике отверждения. Не так просто найти вещества, которые были бы инертны по отношению к жидкому стеклу. Поэтому рецептуру той или иной системы необходимо отрабатывать сразу по всей совокупности свойств как до отверждения, так и после него.

Проведенными исследованиями установлено влияние количественного содержания наполнителя - кварцевого песка крупностью 0,14-0,315 мм на прочностные свойства жидкостекольных композитов. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 5.10.

Как видно из табл. 5.10, наилучшим составом является состав с содержанием наполнителя 150 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла. Видимо, это объясняется тем, что при его увеличении до 250 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего последнего не хватает на полное обволакивание всех частиц дисперсного наполнителя. Вследствие образовавшихся пор прочность материала снижается.

Долговечность микроструктуры можно повысить путем специального подбора вяжущего и наполнителей, т.е. при условии физико-химической активности наполнителя по отношению к вяжущему.

С целью определения физико-механических свойств жидкостекольных композитов на различных наполнителях были изготовлены образцы-балочки размером 1x1x3 см. В качестве наполнителей использовались порошки кварцевого песка, доломита, диатомита, пиритных огарков. Количество наполнителя принималось из условия получения равноподвижных композиций. Результаты испытаний представлены на рис. 5.21.

Анализ результатов исследований свидетельствует о том, что типом выбранного наполнителя возможно целенаправленно в широких пределах регулировать свойства жидкостекольных композитов. Наилучшими прочностными свойствами обладают композиции, наполненные порошками кварца, доломита и диатомита, а худшие показатели характерны для композитов с пиритными огарками.

Композиционные материалы на жидком стекле (силикатные системы) имеют довольно большую усадку при твердении, чего нельзя сказать о полимерсиликатных системах, усадка которых в 2-3 раза ниже, чем у первых. В связи с этим были проведены исследования, направленные на уменьшение усадочных напряжений жидкостекольных композиций при твердении.

Усадочные деформации определялись с помощью индикаторов часового типа по общепринятой методике на образцах размером 4x4x16 см, твердеющих в нормальных температурно-влажностных условиях. При этом изучено влияние вида и количества наполнителя, а также количества отвердителя. Все составы после приготовления выдерживались в формах в течение суток, затем образцы устанавливались на индикаторные стойки. Показания снимались в течение 28 суток. Кинетика изменения усадочных деформаций композитов на основе жидкого стекла при различном содержании отвердителя приведена на рис. 5.22. Из графика видно, что наименьшей усадкой характеризуется композит с содержанием отвердителя 20 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла. При уменьшении количества отвердителя усадка жидкостекольных композитов увеличивается. Видимо, это объясняется тем, что при малом содержании кремиефтористого натрия вяжущее - жидкое стекло - в композите находится в избытке. Вследствие этого при твердении некоторое количество жидкого стекла остается в несвязанном состоянии и в дальнейшем (уже после окончательного затвердевания композиции) в жидкостекольном составе остаются поры от высыхания воды. Из-за увеличивающейся пористости увеличивается и усадка.

Из графика видно, что наименьшую усадку испытывает композит с содержанием наполнителя 150 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла и 20 мас. ч. кремнефтористого натрия. При уменьшении количества наполнителя усадка жидкостекольных композитов увеличивается. Вероятно, это объясняется тем, что при обволакивании жидким стеклом частиц наполнителя вследствие малого содержания последнего вокруг каждой частицы образуется пленка вяжущего слишком большой толщины, в результате при окончательном затвердевании некоторое количество жидкого стекла оказывается в несвязанном состоянии. В дальнейшем в жидкостекольном составе появляются поры от испаряющейся воды. Из-за увеличивающейся пористости растет и усадка. При увеличении же содержания наполнителя до 200 мас. ч. и выше на 100 мас. ч. вяжущего, наоборот, последнего не хватает на полное обволакивание частиц наполнителя. Из-за этого, а также из-за большой его суммарной поверхности не все частицы кварцевого песка оказываются покрытыми жидкий стеклом (или все покрыты, но тонкой пленкой). Структура композита становится уплотненной еще на начальной стадии твердения. Поэтому в высоконаполненных составах не наблюдается большой усадки.

Одной из предпосылок надежной работы конструкций из полимерсиликатного бетона, особенно наливных сооружений, является его плотность и непроницаемость. С этой целью в состав композитов на жидком стекле вводят модифицирующие добавки различной природы. В качестве перспективной модифицирующей добавки для создания кислотоупорных композиционных материалов на жидком стекле предложены технические лигносульфонаты, введением низкомолекулярного полиэтилена, фурфурилового спирта и кремнефтористого натрия в полимерсиликатную композицию можно повысить плотность последней; комплексная добавка, состоящая из мочевиноформальдегидной смолы, необожженной и обожженной гидратированной слюды, окиси цинка и дициандиамида, позволяет повысить огнестойкость жидкостекольных композиций; увеличить долговечность композиций для изготовления теплоизоляционных покрытий можно введением в последнюю комплексной добавки, включающей жидкое стекло, асбест и кварцевый песок.

Виды композитов (виды композиционных материалов)

Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей — куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось — она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.
Стеклопластики — достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220° С, карбонизация — 1000-1500° С и графитизация — 1800-3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики — композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.
Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров - полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. — варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.
Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.
Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал — бакелит - приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя - пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.
Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители — древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов — покрытия для кухонных столов - трудно переоценить.
Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие — на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.
Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны -одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С.