Полимерные материалы (ПМ) это материалы на основе природных (натуральных) и искусственных (химически модифицированных природных и синтетических) органических высокомолекулярных соединений (полимеров). ПМ могут быть одно- и многокомпонентными (гомо- и гетерофазными). В многокомпонентных (гетерофазных) ПМ вторым основным компонентом является наполнитель. Кроме полимерной фазы и наполнителя ПМ могут содержать разнообразные (функциональные) добавки: растворимые химически инертные или активные модификаторы - пластификаторы, мягчители, смазки, разбавители, загустители, структурообразователи, пигменты и красители, биоциды, антистатики, антипирены, антиоксиданты или противостарители, термо- и светостабилизаторы, ПАВ, порообразователи и т.п.
Основные классы полимерных материалов:
- пластические массы (пластмассы, пластики),
- армированные пластики (полимерные композиционные материалы, композиты)
- резины
- полимерные пленочные и листовые материалы
- полимерные волокнистые материалы
- пено- и поропласты (вспененные, газонаполненные или ячеистые)
- полимерные покрытия (лакокрасочные материалы - краски, эмали, лаки, грунтовки, шпатлевки)
- полимерные клеи, герметики
- компаунды (заливочные компаунды)
- полимер-цементные, полимер-битумные композиции
Пластические массы характеризуются изотропной структурой. Получают на основе термопластичных или термореактивных составов. Ненаполненные (в основном на основе линейных и разветвленных полимеров) и наполненные. Наполнители – дисперсные материалы (порошки, крошка, короткие волокна и т.п.), степень наполнения по объему больше 5 (вплоть до 95) %. Для пластмасс Е³ 0,02 ГПа, r>0,6 г/см3. При формовании уплотнение осуществляется за счет течения всего материала по объему. Предназначены для получения разнообразных объемных, плоских и пленочных деталей, изделий многофункционального назначения (бытового, технического, инженерно-технического). Перерабатываются в основном при повышенной температуре и под давлением.
Армированные пластики (АП) характеризуются анизотропной, квазиизотропной, объемно-армированной структурой. При работе (внешнем нагружении максимально реализуются высокие прочностные свойства волокнистого наполнителя). Используются только в наполненном состоянии. Для АП Е³ 30 ГПа, r>0,6 г/см3. При формовании уплотнение осуществляется за счет течения фазы связующего (при приложении внешнего давления или разряжения), фаза волокнистого наполнителя имеет заданную заранее пространственную структуру и не должна перемещаться в плоскости. Степень наполнения, как правило, не менее 50% об. и не более 80% об. в зависимости от типа волокнистого наполнителя и назначения изделия. Изделия – объемные, крупногабаритные, оболочковые различной кривизны, протяженные, разнообразного сечения и т.п. Назначение – конструкционное (высокие прочностные свойства) в сочетании с другими функциональными свойствами (радио-техническими, электро-техническими, триботехническими и т.п.).
Резины – ненаполненные и наполненные ПМ, характеризующиеся высокой деформативностью (большие обратимые эластические деформации). Е £ 0,02 ГПа, r> 0,6 г/см3. Широкий спектр применения и назначения.
Полимерные пленочные и листовые материалы. Отличаются толщиной. Пленки d < 0,5 мм, листы d > 0,5 мм. Могут быть ненаполненные и наполненные на основе термопластичны или термореактивных связующих. Используются как самостоятельные изделия и как полуфабрикаты для получения изделий каландрованием, штамповкой и т.п. Широкий спектр применения. Пленки получают поливом на положку с последующим высыханием и съемом, экструзией с раздувом. Листы – экструзией, прессованием.
Полимерные волокнистые материалы на основе, как правило, линейных полимеров. Используются для получения разнообразных текстильных форм: нитей, жгутов, ровницы, лент, тканей, нетканых материалов (войлок, маты и т.п.). Используются как самостоятельные материалы или в качестве волокнистых наполнителей для АП. Полимерные волокна получают вытяжкой из раствора или расплава с одновременной ориентацией полимерных цепей вдоль оси волокна. Характеризуются резкой анизотропией свойств.
Пено- и поропласты (вспененные, газонаполненные или ячеистые). Отличаются плотностью r < 0,6 г/см3. Получают на основе линейных и сетчатых полимеров путем вспенивания состава. Могут иметь структуру с открытыми и закрытыми порами.
Полимерные покрытия – основное назначение защита поверхности детали от различного вида воздействий (атмосфера, влажность, агрессивная среда, излечение и т.п.). Удерживаются на поверхности за счет сил адгезии, одно- и многослойные. Основа пленкообразующие полимеры (линейные и сетчатые), могут содержать мелкодисперсные наполнители, пигменты, другие модификаторы. Эксплуатируются только на подложке. Формирование слоя происходит за счет удаления растворителя, для получения сетчатой структуры – с последующим отверждением. Методы нанесения на подложку: напыление (распыление), намазывание, окунание.
Полимерные клеи, герметики – используются между подложками. Клеи для соединения и ремонта разнообразных деталей, изделий. Герметики для герметизации, например, швов и т.д. На основе термопластичных и термореактивных связующих в сочетании с дисперсными наполнителями и модификаторами. Клеи могут быть ненаполненными. Клеевая пленка и герметизирующий слой может образовываться в зависимости от природы полимерной основы, как на холоду, так и при повышенной температуре.
Компаунды (заливочные компаунды) – для фиксации элементов и защиты от внешнего воздействия при эксплуатации (например, при получении печатных плат). Составы на основе линейных и сетчатых полимеров.
Полимер-цементные, полимер-битумные композиции используются для получения полимер-бетонных составов в строительстве, в основном на основе термореактивных составов. Повышают устойчивость к коррозии металлов, защищая их от внешнего воздействия. Основной метод формования – виброуплотнение с последующим отверждением.
В широком смысле все ПМ относятся к композиционным. В узком понимании к полимерным композиционным материалам (композитам) относят только армированные в одном, двух или трех направлениях непрерывными волокнистыми системами (жгутами, лентами, тканями, неткаными материалами и т.п.) пластики (АП), это:
- современные однонаправленные, двух и трехмерные (слоистые и объемно-армированные) стекло-, угле- и органопластики;
- классические АП (волокниты, слоистые пластики, гетинакс, текстолит).
В АП основную несущую функцию выполняет армирующий наполнитель, а полимерное связующее (матрица) обеспечивает сплошность материала, связь и совместное действие армирующих элементов (перераспределение напряжений между ними), защиту от внешних воздействий, а также выполняет ряд других вспомогательных или специальных функций.
Остальные типы ПМ могут быть ненаполненными и наполненными. Ненаполненные ПМ могут содержать различные добавки-модификаторы, которые не образуют в материале самостоятельной фазы.
В зависимости от типа полимерного компонента ПМ подразделяются на два принципиально различных класса: термопластичные и термореактивные (отверждающиеся, вулканизующиеся, сшиваемые).
Способы и условия переработки (формования, нанесения на поверхность, вспенивания и т.п. процессов), последующей термической, термохимической, механической обработки и соединения ПМ определяются типом материала (термопластичный или термореактивный) и типом исходного полуфабриката (в виде порошка, таблеток, гранул, пленок, прутков, растворов, дисперсий и т.п.- изотропных полуфабрикатов). В случае АП важнейшее значение при переработке имеет форма армирующего наполнителя (жгуты, нити, ленты, ткани, нетканые материалы, объемные структуры), тип и состояние термореактивного или термопластичного связующего и предварительно пропитанных ими армирующих систем (препрегов, анизотропных полуфабрикатов).
Методы формования подразделяют на формование без давления и формование под давлением для разных классов ПМ.
Методы формования деталей из изотропных полуфабрикатов ПМ:
- без давления: обычное литьё, заливка, намазывание, капсулирование, окунание, декантация, ротационное формование, вспенивание;
- с использованием давления: прессование прямое и литьевое, литье под давлением (в том числе и с раздувом), экструзия, центробежное формование, штамповка, виброуплотнение, каландрование.
Методы формования деталей из анизотропных материалов (АП), как правило, с использованием давления:
- мембранные методы формования (контактное формование. вакуумное и вакуумпневматическое, пресскамерное, автоклавное), прессование, термокомпрессионное формование, пултрузия, роллтрузия, центробежное формование, штамповка.
Для формирования пакета-заготовки:
- из препрегов применяют методы намотки, выкладки.
- из сухого наполнителя с последующим его уплотнением, пропиткой низковязким связующим под давлением с последующим отверждением в термошкафах, автоклавах. Для формирования пакета сухого наполнителя в зависимости от вида наполнителя (непрерывный или дискретный волокнистый) используют методы намотки, выкладки, напыления, центробежный метод.
Основными технологическими параметрами формования являются температура, давление, время. Технологические параметры определяются технологическими свойствами полуфабрикатов ПМ (ПФ ПМ), которые зависят от состава ПФ и свойств его компонентов.