Термопластичные полимерные матрицы

В последние годы в качестве матриц все более широко применяют термопластичные материалы.

Преимущество термопластичных связующих: низкий уровень остаточных напряжений, релаксирующих в термопластичной матрице в первые часы после формования изделий. Технологические преимущества термопластов: неограниченная жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, резкое сокращение цикла формования изделий за счет исключения необходимости отверждения связующего, расширение технологических возможностей вследствие применения штамповки, гибки, послойного комбинирования заготовок, сварки, пултрузии. Дополнительные перспективы открываются благодаря снижению трудоемкости исправления технологических дефектов сваркой, действием растворителей, местным деформированием элементов конструкции путем нагрева, а также за счет возможности утилизации отходов и вторичной переработки изделий, что создает предпосылки для эффективного решения экологических проблем.

По уровню механических характеристик некоторые термопласты не уступают отвержденным термореактивным связующим, а по таким свойствам, как химическая стойкость и герметичность, как правило, превосходят их. К недостаткам рассматриваемых связующих относятся ярко выраженная зависимость свойств композитов на их основе от температуры, низкая теплостойкость термопластов (исключение составляют специальные теплостойкие материалы) и технологические трудности, связанные с высокой вязкостью их растворов и расплавов

Совмещение компонентов композитов на основе термопластичных матриц можно осуществить жидкофазным или твердофазным способом.

Жидкофазный способ применяют для изготовления препрегов, он заключается в нанесении связующих на волокна (нити, жгуты, ленты, ткани) из растворов или расплавов. При этом главным параметром, определяющим качество пропитки, является вязкость пропитывающей среды. Для термопластичных композитов, получаемых жидкофазным способом, типична высокая пористость, превышающая в 10…15 раз пористость композитов на основе термореактивных связующих.

Твердофазное совмещение освоено при изготовлении полуфабрикатов, в которых армирующие волокна сочетаются с термопластами в виде порошка, пленки или волокон. Основное преимущество по сравнению с жидкофазным совмещением состоит в том, что еще до пропитки достигается проникновение матричных компонентов в объем волокнистых наполнителей и тем самым повышается эффективность последующей пропитки при плавлении твердых матричных включений: сокращается время пропитки, снижаются энергетические затраты (давление, температура), уменьшается пористость композита.

Для повышения качества пропитки вводят матричный порошок в полуфабрикат с помощью ультразвука или вибрационным воздействием. Однако использование порошков не позволяет получать термопластичные композиты с равномерной степенью армирования по всему объему материала.

Пленочные связующие лишены этого недостатка, поскольку имеется возможность послойно чередовать термопластичные пленки с армирующими элементами. Однако глубина пропитки при таком совмещении существенно зависит от толщины армирующих нитей, жгутов, лент, а также от сложности геометрической формы формуемого изделия (двойная кривизна, поднутрения).

Матричные термопластичные волокна наиболее результативны при совмещении компонентов на этапе изготовления полуфабрикатов арматуры. Их использование позволяет создавать композиты с заданной регулярностью структуры, надежной фиксацией схемы армирования на всех стадиях переработки. Изделия на основе таких волокон можно изготавливать выкладкой, намоткой, пултрузией, а совмещение волокон с армирующими компонентами достигается при ткачестве, плетении. Применение матричных термопластичных волокон позволяет получать сверхвысокоармированные композиты с предельной степенью армирования, близкой к единице, с низкой пористостью (до 0,25% об.), а в некоторых случаях создавать безматричные композиты, в которых монолитность армирующих волокон достигается за счет их сварки или аутогезионного взаимодействия.

Среди термопластичных связующих особое место занимают связующие нового типа, называемые роливсанами, которые дают возможность сочетать высокую теплостойкость композита и легкую перерабатываемость связующего. Роливсаны предназначены для получения композитов и изделий из них с широкими диапозоном температур эксплуатации (270…620 К). Основным преимуществом роливсанов перед другими связующими является сочетание жидкого состояния малотоксичной исходной композиции, незначительного выделения побочных летучих продуктов при ее отверждении с высокой теплостойкостью и прочностью как самой матрицы, так и композитов на ее основе.