Лако-красочные материалы — производство

Композиционные материалы представляют собой системы, со­стоящие из двух или более различных твердых фаз. Одна из них является сплошной (дисперсионная среда), называемая матрицей (основой), а другие распределены в ней в виде час­тиц, волокон, пленок (дисперсная фаза). Дисперсная фаза служит наполнителем или упрочнителем. Если в качестве мат­рицы выступает полимер, то ее принято называть связующим. Из систем «твердое в твердом» композиционные материалы — наиболее ярко выраженные гетерогенно-дисперсные системы. Их классифицируют по форме дисперсий наполнителя на во­локнистые, т. е. упрочненные волокнами или нитевидными кри­сталлами, дисперсноупрочненные, в которых мелкие частицы содержатся в объеме матрицы, и слоистые, представляющие собой совмещенные пленки, слои разных фаз.

Совмещение свойств материалов используется очень давно. Раньше совмещение сводилось к одновременному использова­нию двух отдельных материалов, свойства которых дополняют друг друга. Например, деревянные изделия упрочняли с по­мощью металлических ободов, мраморные колонны армирова­ли железными прутьями. Несколько ближе к композиционным материалам широко используемый железобетон — бетон с ар­матурой из железных прутьев. Прообразом этих материалов являются применяемые с древнейших времен для постройки жилищ составы из глины, армированной тростником, предох­раняющим материал от рассыпания.

В настоящее время разработаны методы совмещения раз­ных компонентов в одном материале, объединяющем свойства исходных компонентов. Чрезвычайно важным открытием яви­лось обнаружение того факта, что композиционный материал, как правило, не простая комбинация составных компонентов. Оказалось, что он обладает своими собственными, только ему присущими свойствами. Эти свойства можно регулировать пу­тем изменения адгезии между матрицей и наполнителем, варьи­рованием количественного соотношения между компонентами, заменой одного наполнителя другим. Большое значение для достижения заданных свойств композиционных материалов имеют форма и размеры частиц наполнителя. Принципы, за­ложенные в методах получения композиционных материалов, дают возможность регулировать такие их свойства, как проч­ность, упругость, эластичность, пластичность, жаропрочность, истираемость, звукопоглощаемость, электропроводность и дру­гие специальные свойства.

В закономерностях изменения свойств композиционных ма­териалов много аналогий с закономерностями структурообразо — вания в суспензиях. Адгезия между наполнителем и матри­цей— главное условие для получения композиционного мате­риала. Отсутствие адгезии приводит к тому варианту, который использовался в древние времена: каждый компонент в системе выступает как самостоятельный материал. Адгезия способству­ет уплотнению матрицы вследствие образования более плотных поверхностных слоев на межфазных границах. Она обеспечива­ет передачу нагрузок от одной фазы к другой, в результате нагрузка распределяется между обеими фазами.

Прочностные свойства резко возрастают за счет образова­ния пространственной сетки из частиц дисперсной фазы. Чем анизометричнее форма частиц, тем прн меньшей их концентра­ции формируется пространственная структура. Особенно эф­фективны в этом отношении волокнистые наполнители, широко используемые в качестве армирующего компонента. Основную часть механических нагрузок на материал с таким наполнителем принимает пространственная сетка из наполнителя, матрица передает эти нагрузки от частицы к частице, и если она мягче наполнителя, то служит, кроме того, в качестве амортизатора.

Прочностные, упругие н другие механические свойства про­странственной сетки, безусловно, зависят от природы наполни­теля, дисперсности и формы его частиц. Например, минераль­ные наполнители повышают жесткость материала, рост дис­персности волокон приводит к увеличению упругой деформации. Каучукоподобные наполнители придают материалу эластич­ность, ударную прочность. Большое значение для обеспечения долгосрочной службы композиционных материалов имеет сня­тие внутренних напряжений, способствующих преждевременно — му разрушению материала. В бетонах внутренние напряжения понижают с помощью вибрации при твердении или добавлении ПАВ, у металлов это достигается введением специальных мо­дификаторов (обычно поверхностно-активных), в том числе гетерофазных включений.

Особые условия создаются в материале, в котором соотно­шение между матрицей и наполнителем таково, что вся матри­ца заключена в поверхностных слоях и отсутствует в «свобод­ном» состоянии. Такой материал обладает ярко выраженной неаддитивностью свойств, большой их специфичностью. Это обусловлено тем, что вещество матрицы, находясь в поверхно­стном слое под действием сил адгезии в сжатом состоянии, из­меняет свои свойства. Кроме того, резко изменяется подвиж­ность частиц наполнителя. Так как частицы находятся на близ­ких расстояниях, то между иими действуют значительные силы притяжения, дополнительно упрочняющие структуру. Все эти факторы способствуют проявлению специфических свойств ком­позиционных материалов.

К композиционным относятся материалы, получаемые ме­тодом направленной кристаллизации эвтектических структур. Монокристаллические и поликристаллические нити или части­цы внутри материала образуются при твердении расплава с добавлением катализаторов кристаллизации. Таким методом получают металлические, стеклокристаллические материалы (ситаллы), некоторые виды минеральных бетонов и керамики.

Рассмотрим некоторые композиционные материалы на ос­нове различных матриц и наполнителей. Одними из первых были получены композиционные материалы с полимерной мат­рицей. К ним относятся резина и эбонит. При изготовлении резины наряду с другими компонентами, добавляемыми к кау­чуку, в качестве наполнителя используют сажу, которая резко повышает прочность резины. Особенно велико ее влияние на синтетические углеводородные каучуки, прочность на растя­жение которых возрастает в результате наполнения сажей в 5-ь 10 раз. Вместо обычной сажи иногда применяют так на­зываемую белую сажу, представляющую собой гидрофобизи- роваиный высокодисперсный диоксид кремния.

Если резина обладает эластическими свойствами, то эбо­нит— твердый материал высокой прочности. Матрица эбонита представляет собой сильно вулканизированный сырой каучук, а в качестве наполнителя применяют сажу, пыль измельчен­ного эбонита, антрацитовую пыль и др.

Волокнистые наполнители для армирования полимеров ис­пользуют при изготовлении стеклопластиков.. Стеклянное во­локно получают из расплавленного стекла путем продавлива — ния стекломассы через фильеры, при разделении ее струи пе­регретым паром, сжатым воздухом, под действием центробежных сил и т. д. В зависимости от назначения получают стеклянное волокно с толщиной нитей от 0,2 до 50 мкм. В стеклопластиках стекловолокно армируют обычно эпоксидными и полиэфирными смолами, с которыми обеспечивается удовлетворительная ад­гезия. Прочность стеклопластика при значительной его легкос­ти достигает прочности стали. Из стеклопластиков изготавли­вают трубы, баки, детали для автомобилей, самолетов, контей­неры, вагоны и т. д.

Хорошими технологическими свойствами обладают волокна на основе углерода (уголь, графит). Они имеют высокую прочность при небольшой плотности, могут быть получены очень тонкими. Углеродные волокна дешевы и доступны, ими наполняют матрицы разной природы.

В металлических композиционных материалах в качестве наполнителей используют порошки и волокна различного про­исхождения. Широкое распространение получили металличес­кие волокна вольфрама, молибдена, нержавеющей стали, во­локна из оксидов алюминия и бора, карбида кремния и др. Применяются часто механические методы получения металли­ческих волокон, состоящие в протягивании проволоки или на­резании металлической стружки. Волокна легкоплавких метал­лов получают из их расплавов методами фонтанирования, распыления сжатым воздухом и др. Разработаны методы по­лучения нитевидных кристаллов («усов»), обладающих проч­ностью, приближающейся к теоретической, а также поликри­сталлических нитей, придающих материалам ряд ценных свойств.

Основная сложность в производстве металлических компо­зиционных материалов состоит в том, что необходимо обеспе­чить равномерное распределение порошка или волокна в объе­ме матрицы. Примером металлического композиционного материала является спеченный алюминиевый материал САП, представляющий собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Исходным продуктом для произ­водства этого материала служит алюминиевая пудра, содержа­щая от 6 до 22% оксида алюминия в виде чешуек со средним размером до 10—15 мкм и толщиной менее 1 мкм. Для полу­чения материала САП исходную смесь порошков подвергают холодному прессованию, затем спекают при 450—500 °С. Этот материал отличается большой удельной прочностью (прочность, отнесенная к плотности) и особенно высокой теплопрочностью. С увеличением содержания частиц оксида алюминия предел прочности и твердость материала растут, а пластичность и удельная теплопроводность снижаются. САП успешно заменя­ет теплостойкие или нержавеющие стали в авиации, атомной технике, в химической промышленности и др.

Из композиционных материалов на минеральной основе можно отметить стеклокристаллические материалы — ситаллы. Их получают путем частичной или полной кристаллизации стекла при наличии катализатора кристаллизации. Сырьем для получения ситаллов служат отходы стекольного производ­ства, металлургические шлаки и др. В расплаве шихты при ее охлаждении образуются зародыши кристаллизации (катали­затор), на которых затем кристаллизуется сама стекломасса. В зависимости от состава и температурной обработки матери­ал может содержать до 95% кристаллической фазы с размера­ми кристалликов от 40 до 2000 нм. Ситаллы обладают высокой твердостью, термостойкостью, химической стойкостью. Они легче алюминия и почти в пять раз прочнее обычного стекла.

В заключение еще раз следует отметить, что коллоидно-хи­мическое рассмотрение структуры природных и синтетических тел позволяет выяснить механизм структурообразовання, и это, в свою очередь, открывает возможности разработки принципов создания материалов с заданными свойствами.

Научно-технический прогресс в развитии технологии полу­чения, переработки и применения разнообразных материалов тесно связан с дальнейшей разработкой теоретических пред­ставлений в области физикохимин дисперсных систем.