Способы получения исходных компонентов композиционных материалов

Получение армирующих волокон

Армирующими элементами в композиционных материалах, как было сказано в гл. 3, являются волокна, жгуты, ленты, ткани, листы. Жгуты, ленты, ткани изготовляют из волокон (рис. 5.19).

Получение стеклянных волокон Технология производства стеклянного волокна включает операции подготовки.

Рис. 5.19. Волокна армирующих элементов:

а — стеклонити: б — углеродные нити; в — базальтовые нити; г — органические нити шихты, варки стекломассы и получения волокна. Подготовка компонентов шихты включает сушку, помол, классификацию любых природных минералов, а также стеклобоя.

Для получения стекловолокна в основном применяют щелочесодержащие составы стекол. Основными сырьевыми материалами, как и в производстве обычного стекла, являются кварцевый песок, известняк, доломит, мел, а в качестве щелочесодержащих компонентов — кальцинированная сода, поташ и др.

Стекловарение ведут в печах с электроили газовым нагревом. Стеклонити для композиционных материалов получают двухстадийным способом. На первой стадии стеклянное сырье расплавляют и распыляют аналогично металлическим порошкам (см. рис. 5.13). При охлаждении образуются микросферы. На второй стадии их вновь расплавляют и через фильеры, расположенные на дне тигля, вытягивают отвердевшие стеклонити, наматываемые на вращающийся барабан (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Установка для намотки стеклонитей.

Существует также одностадийный способ производства стеклянных волокон, когда фильеры устанавливают непосредственно в печь, в которой получают стекломассу. Отказ от стадии изготовления микросфер удешевляет производство, но ухудшает качество волокон. С бобин волокна перематывают на катушки (рис. 5.21). Из рубленых стекловолокон изготовляют вату и маты для фильтров и теплоизоляции (рис. 5.22), из непрерывных и штапельных — наполнители для КМ (жгуты, ленты, ткани и др.).

Рис. 5.21. Готовые стеклонити на катушках.

Рис. 5.22. Образцы стеклоткани (а) и стекломатов (б)

Получение углеродных волокон

Углеродные волокна (см. рис. 5.19, б и 5.23) обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 ч. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах 800- 1500 °C. В результате атомы кислорода, водорода, азота и других элементов «выжигаются», а углеродная цепочка полимерной молекулы остается. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600−3000°С, которая также проходит в инертной среде. В результате количество углерода в волокне доводится до 99%. Помимо обычных вискозных и полиакрилонитрильных волокон могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Для повышения термоокислительной устойчивости углеродных волокон на их поверхности создают защитные слои или барьерные покрытия из карбидов кремния или тугоплавких металлов, нитрида бора, фосфатных стекол и др. Армирующие углеродные волокна подвергают поверхностной обработке — окислению или металлизации — с целью повышения адгезии к полимерам или металлам соответственно.

Углеродные волокна выпускают в разнообразном виде: резаные, короткие и непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинги, нетканые холсты (см. рис. 5.23).

Рис. 5.23. Полуфабрикаты из углеродной нити:

1 - волокна; 2 — жгуты; 3 — тканая лента; 4 — ткань.

Производство базальтового волокна

Сырьем для производства базальтового волокна является базальтовая крошка с размерами фракций 3−10 мм. В ней не допускается наличие металлических примесей или инородных включений в виде песка, мусора, кусков огнеупорных изделий, пыли.

Принципиальная схема получения базальтового волокна представлена на рис. 5.24.

Рис. 5.24. Схема производства базальтового волокна.

Исходное сырье 1 в виде отмытой базальтовой крошки, пропущенной через магнитные сепараторы, загружают в плавильную печь 2. Расплавленная при температуре 1450−1500°С масса подается на фильерную пластину 3, откуда под действием сил гравитации расплавленный базальт в виде отдельных струек 4 стекает на раздувочное устройство 5. После раздува базальтовое волокно 6' попадает в камеру волокноосаждения 7 и ложится на приемный конвейер 8 в виде ковра 9.

Производство органоволокон

Различные виды органических химических армирующих волокон, нитей и волокнистых материалов на их основе: технические нити — полиэфирные (лавсан), поливинилспиртовые и др.; параарамидные высокопрочные и высокомодульные волокна и нити (армос, русар, тварон, кевлар); метаарамидные термостойкие волокна (фенилон, номекс, конекс) для некоторых видов термостойких КМ получают методами экструзии на предприятиях химической промышленности.

Можно указать еще на несколько способов получения армирующих нитевидных элементов для композитов. Это растягивание нитей, намораживание струи расплава на вращающийся барабан, кристаллизация из расплавов и растворов, охлаждение на нити-подложки.

Получение компонентов для матриц

Исходные компоненты для матрицы получают в химической промышленности в виде гранул, расплавов и полимерных составов. Типичная схема получения компонентов для матриц на полимерной основе представлена на рис. 5.25.

Рис. 5.25. Схема получения компонентов для матриц.

Высокомолекулярные соединения (полимеры) изготовляют из низкомолекулярных соединений (мономеров) или природных полимерных материалов путем сложных химических, физико-химических или термохимических превращений, проводимых в реакционных аппаратах (реакторах) различных конструкций. К реакционным аппаратам относятся смоловаренные котлы, автоклавы, трубчатые реакторы, реакторы барабанного типа. Схема реакционного котла для варки смол представлена на рис. 5.26. Корпус 3 и крышка 2 аппарата выполнены из двухслойной стали. На валу мешалки 1 закреплены две лопасти 4 и два пропеллера 7. Для подачи теплоносителя предусмотрены две рубашки 5 и 8 и змеевик 6. После загрузки исходных компонентов при постоянном перемешивании происходит сначала нагрев шихты до температуры реакции, а затем реакция поликонденсации.

Рис. 5.26. Схема реактора:

1 — вал мешалки; 2 — крышка; 3 — корпус; 4 — лопасти; 5,8 — рубашки с теплоносителем; 6 — змеевик; 7 — пропеллер; 9 — выпускной пропеллер; 10 — готовая смола После охлаждения готовая смола 10 выгружается через сливное отверстие с помощью небольшого пропеллера 9. Реакции образования или химического превращения полимеров происходят под действием катализаторов или инициаторов (химических веществ, нагрева, давления, света, гаммалучей и других воздействий). Исходные компоненты могут находиться в реакторах в виде газов, расплавов, растворов, эмульсий или суспензий. Готовые полимеры получают в виде твердой массы, жидкостей, расплавов, растворов, порошков, эмульсий (латексов) и в других состояниях.

Образовавшиеся полимеры отделяют от побочных продуктов реакции, т. е. от непрореагировавших мономеров, растворителей, эмульсионной среды и др. С этой целью их осаждают, центрифугируют, фильтруют, выпаривают, сушат.