Эпоксидные смолы - полимерные матрицы для ПКМ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) - это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов с чётко выраженной межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу - связующее. Компоненты композитов должны быть хорошо совместимы, однако не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга.

Связующее в виде расплавов, растворов, дисперсий (порошков, эмульсий, суспензий), волокон или пленок сочетается с армирующими волокнистыми наполнителями при получении армированных волокнистых полуфабрикатов (премиксов, препрегов, прессовочных, заливочных и других композиций) или в процессах формования заготовок и изделий методами смешения, пропитки, напыления, механического соединения. Важное значение при этом имеет равномерное распределение матрицы (связующего) между частицами наполнителя или армирующего компонента. Оно зависит от смачиваемости компонентов, вязкости связующего и его поверхностной энергии. На стадиях переработки полуфабрикатов вид, количество и распределение связующего определяют технологичность материала - формуемость, объемную усадку и другие характеристики.

Полимерная матрица, объединяя все компоненты композита, обеспечивает монолитность материала. Она способствует равномерному распределению нагрузок между армирующими элементами, защищая их от внешних воздействий. Одновременно матрица останавливает рост трещин, проявляющихся при разрушении волокон, за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения волокна от матрицы. Таким образом, функцией полимерной матрицы является перераспределение напряжений между соседними волокнами и препятствие росту трещин, появляющихся при разрушении волокон. Последнее достигается за счет пластичных (эластичных) деформаций матрицы или местного отслоения волокон от матрицы. Кроме того, матрица во многом определяет такие характеристики композиционных материалов, как термоустойчивость, химическая стойкость, а также технологические приемы и режимы получения и переработки материалов в изделия. Все эти функции связующего зависят от его взаимодействия с наполнителем в процессе получения и эксплуатации композита - соотношения свойств компонентов, смачивания и адгезии, связующего к наполнителю, приводящих к изменению свойств при взаимодействии компонентов.

Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующих для большого числа волокнистых композитов, что объясняется следующими причинами:

· эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большому числу наполнителей, армирующих компонентов и подложек;

· разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволяет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств, удовлетворяя различным требованиям технологии;

· в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяется вода или какие-нибудь летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол;

· отвержденных эпоксидные смолы обладают не только химической стойкостью, но и хорошими электроизоляционными свойствами.

Эпоксидные олигомеры и полимеры применяются в различных областях техники благодаря удачному сочетанию несложной технологии переработки с высокими физико-механическими показателями, теплостойкостью, адгезией к различным материалам, стойкостью к различным средам, а также способностью отверждаться при атмосферном давлении с малой усадкой. Так, они широко используются в производстве высокопрочных конструкционных материалах в ракетной и космической технике, авиации, судостроении, машиностроении, электротехнике, радиоэлектроники, приборостроении.

Эпоксидные олигомеры и полимеры широко используются в качестве матриц для создания углепластиков, характеризующихся сочетанием высокой прочности и жёсткости с малой плотностью, низким температурным коэффициентом трения, высокой тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическим и радиационным воздействиям.

В целом эпоксидные олигомеры и полимеры являются более дорогими, чем большинство других матриц, но превосходные эксплуатационные характеристики материалов на их основе в большинстве случаев делают использование эпоксидных матриц более выгодным.

. Их эксплуатационные свойства, в том числе тепло- и термостойкость, в значительной мере зависят от химического строения компонентов, плотности сшивки и упаковки макромолекулярных цепей. Однако, достаточно обширная номенклатура олигомеров и других компонентов, а также развитие работ в этой области и хорошие технологические свойства эпоксидных связующих обуславливают возможность варьирования составом, структурой и свойствами эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе.

 

Основой эпоксидных связующих для ПКМ являются эпоксидные смолы. Эпоксидные смолы – это олигомерные соединения, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных или глицидиловых групп и способные под действием отвердителей превращаться в трехмерные сшитые полимеры.

Наибольшее распространение нашли эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина и дифенилолпропана (бисфенола А), называемые диановыми (смолы типа ЭД):

 

 

Получение эпоксидных смол проводится при конденсации в щелочной среде эпихлоргидрина или дихлоргидрина глицерина с соединениями, содержащими подвижные атомы водорода - фенолами, аминами, гликолями, кислотами.

Эпоксидные смолы с эпоксидными группами в алифатических циклах или цепях получают окислением (эпоксидированием) ненасыщенных соединений надкислотами (например, надуксусной кислотой).

Обычно эпоксидные смолы - высоковязкие жидкости или твердые продукты, растворимые в большинстве полярных растворителей.