Полимерные композиты

Что такое полимерные композиты и какие изделия из них изготавливают

Полимерные композиционные материалы (полимерные композиты, ПКМ) — это материалы из двух и более компонентов, один из которых — полимер. Состоят из связующего вещества (матрицы) и наполнителей. Между ними есть четкая граница — межфазный слой. ПКМ не встречаются в природе, а задуманы и созданы человеком.

Наполнитель нужен, чтобы придать материалу новые свойства, удешевить его, улучшить его переработку и утилизацию. Он может составлять до 98% от общего объема композита. Популярные наполнители — мел, асбест, ткани, металлы, керамика. 

Условно наполнители разделяют на армирующие и структурные (экстендеры). К армирующим наполнителям относят стекловолокно, углеволокно. Экстендеры вводят в основном для снижения стоимости готового продукта. 

Матрица в ПКМ может состоять из чистого полимера или из полимера с добавками, которые улучшают эксплуатационные свойства изделий. Чтобы придать полимеру новые свойства, в него также добавляют красители, пластификаторы, стабилизаторы. Компоненты облегчают смешивание компонентов, придают материалу определенный цвет, улучшают гибкость и снижают хрупкость, защищают от ультрафиолетового излучения и агрессивной среды.

Матрица бывает жесткой, эластичной, пластичной. От ее свойств зависит, как будут создавать ПКМ. Наполнитель могут пропитывать полимером, наносить в виде порошка, создавать сложные конструкции из внешних пластин, жесткой середины и сцепляющих слоев.

Для чего нужны полимеры

Полимерные композиционные материалы (полимерные композиты, ПКМ) — это материалы из двух и более компонентов, один из которых — полимер. Состоят из связующего вещества (матрицы) и наполнителей. Между ними есть четкая граница — межфазный слой. ПКМ не встречаются в природе, а задуманы и созданы человеком.

Состав полимерных композитов

• Любой полимерный композиционный материал (ПКМ) — это инженерная система, свойства которой зависят от баланса трех ключевых элементов:
• Полимерная матрица (связующее). Основа композита, которая объединяет все компоненты в единое целое, фиксирует положение наполнителя и распределяет внешние механические нагрузки. От типа матрицы зависят методы переработки, химическая стойкость и теплостойкость материала.
• Наполнитель (армирующий или структурный). Функциональный скелет материала, который может занимать до 98% объема композита.
• Армирующие наполнители (стекло-, углеволокно) кратно повышают прочность и жесткость ПКМ.
• Структурные наполнители / экстендеры (мел, тальк, кальцит) вводятся для снижения себестоимости, регулирования усадки и улучшения геометрии изделия.
• Модифицирующие добавки и межфазный слой. Технологические микрокомпоненты: пластификаторы, УФ-стабилизаторы, аппреты, красители. Они обеспечивают адгезию между полимером и наполнителем на границе раздела фаз, облегчают смешивание компонентов и защищают готовое изделие от старения.

Свойства и особенности

Полимерные композиты состоят из разнообразных полимеров и наполнителей, создаются разными способами, поэтому отличаются по составу и свойствам. Но у них есть общие качества:

    • Высокая прочность при малом весе. ПКМ могут быть такими же прочными, как металл, натуральный камень и керамика, но благодаря полимерам в составе они легче. Поэтому изделия из полимерных композитов зарекомендовали себя в автомобилестроении, строительстве и других сферах, где каждый грамм на счету.

    • Хорошие теплоизоляционные свойства. Материал выдерживает температурные перепады, сохраняет тепло. Это качество ценится в строительстве, поэтому ПКМ используют для утепления стен, крыш и полов, они снижают затраты на отопление и кондиционирование помещений.

    • Стойкость к коррозии и химическим воздействиям. ПКМ устойчивы к воздействию влаги, химических реагентов и других агрессивных сред. Эти качества особенно важны для морской техники и химической промышленности.

    • Долговечность. Благодаря устойчивости к внешним факторам, полимерные композиты служат дольше, чем традиционные материалы. Поэтому оборудование с композитами в составе нужно реже ремонтировать.

    • Экологичность. ПКМ все чаще разрабатывают с учетом современных экологических стандартов, возможности вторичной переработки или биоразлагаемости. 

Полимерные композиты обладают уникальными свойствами, благодаря которым они незаменимы в различных отраслях. Высокая прочность, легкость, коррозионная стойкость и долговечность делают их популярными материалами в авиационно-космической отрасли, автомобилестроении, строительстве и медицине.

Виды полимерных композитов

Для удобства проектирования и подбора материалов ключевые типы композитов классифицируют по природе наполнителя и физико-химическому поведению полимерной матрицы.

Фундаментальное различие по типу матрицы

Выбор типа полимерной матрицы определяет не только прочность детали, но и способ ее формования на предприятии, а также возможность дальнейшего рециклинга.

• Реактопласты (термореактивные ПКМ). Базируются на эпоксидных, полиэфирных и феноло-формальдегидных смолах. В процессе термического отверждения они претерпевают необратимую химическую реакцию.

  • Плюсы: термостойкость и стабильность размеров.

  • Минусы: длительный цикл формования, готовые изделия невозможно переплавить, рециклировать или биоразложить.

• Термопласты (термопластичные ПКМ). Базируются на полиэтилене, полипропилене или суперконструкционных полимерах. Они обратимо размягчаются при нагреве и застывают при охлаждении.

  • Плюсы: высокая скорость производства изделий, высокая ремонтопригодность и 100% возможность повторной переработки (рециклинга).

  • Минусы: более высокая склонность к ползучести по сравнению с реактопластами, повышенная усадка при охлаждении, а также ограничение по верхней рабочей температуре.

Производство полимерных материалов

Существует три основных метода получения полимерных композитов.

• Жидкофазный 

Компоненты находятся в жидком состоянии. Основной процесс —пропитка армирующих волокон или ткани жидкой полимерной смолой

• Твердофазный

При этом методе части находятся в твердом состоянии. Основные процессы: прокатка материала через специальные станки, ковка, штамповка изделий. В итоге получают порошок или тонкие листы

• Осаждение-напыление

Полимерную матрицу наносят на волокна методом напыления, затем композит затвердевает, и формируется окончательная структура ПКМ

От компонентов, а также связи между ними зависит, какими будут материалы. Для создания высококачественных полимерных композитов необходимы современные полимеры. 

Где применяют полимерные композиты

Полимерные композиты активно вытесняют металлы и дерево в авиастроении, автомобилестроении, строительстве, энергетике и производстве потребительских товаров, обеспечивая высокую прочность и легкость. Использование ПКМ, включая углепластики и стеклопластик, критично для снижения веса конструкций и повышения их стойкости к коррозии.

Научно-исследовательский центр «СИБУР ПолиЛаб» работает с 2019 года, создавая полимерные продукты под потребности клиентов. В лабораториях мы проводим прикладные исследования, чтобы вместе с партнерами находить экономически выгодные решения, которые можно внедрить в производственный процесс. Центр ежегодно рассматривает тысячи заявок от компаний, которым нужны импортозамещающие разработки и современные технологические решения.