Полимерное материаловедение

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ПОЛИМЕРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рабочая программа,

методические указания и контрольные задания

для студентов специальности 240502.65

заочной формы обучения

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2010

ВВЕДЕНИЕ

Курс «»Полимерное материаловедение» по учебному плану относится к обще-профессиональным дисциплинам. Его целью является приобретение знаний, необходимых для выбора, создания и эксплуатации полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Основное внимание в курсе «Полимерное материаловедение» уделяется изучению методов синтеза, отверждения, структуре и свойствам термопластичных и термореактивных связующих, свойств наполнителей, а также структуре и свойствам ПКМ, выбору состава материала с учетом особенности конструкции изделия, технологии его изготовления, условий эксплуатации.

Основной формой изучения курса является самостоятельная работа с литературой. Студенты также слушают обзорные лекции, выполняют контрольные задания, расширяющие теоретический курс.

Объем определяется рабочей программой. Распределение часов указано в таблице.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

ТЕМА 1. СОСТАВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ (ПКМ). ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ,

СВОЙСТВА МАТРИЦ ДЛЯ ПКМ

Основные задачи курса. Терминология, применяемая в курсе. Поня­тие ПКМ. История возникновения, тенденции производства, области при­менения. Анализ эффективности (технологической, технической, экологи­ческой, экономической) применения ПКМ, по сравнению с другими конст­рукционными материалами. Классификация ПКМ.

Связующие на основе отверждающихся смол. Отвердители: собст­венно отвердители, катализаторы, инициаторы. Назначение. Требования, предъявляемые к отвердителям. Особенности отверждения по поликонден­сационному и полимеризационному механизмам. Жизнеспособность. Спо­собы повышения жизнеспособности.

Технологические свойства связующих. Смачиваемость наполнителей растворами и расплавами связующих. Зависимость смачиваемости от свойств наполнителя и связующего. Усадка: технологическая, эксплуата­ционная, дополнительная. Особенности усадки термо - и реактопластов, возможность регулирования.

Способы (ПТР, Рашига, Канавца) и оборудование для определения технологических свойств матриц. Выбор способов формования в зависи­мости от текучести связующего.

Литература: [1,4,7-10,21].

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основное внимание при изучении данной темы уделите технологи­ческим свойствам полимеров, обеспечивающим возможность переработки их в изделия, формирования структуры и свойств ПКМ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.  В чем заключается экономическая, технологическая, техническая, эко­логическая эффективность применения ПКМ, в сравнении с другими конструкционными материалами?

2.  Укажите современные тенденции в развитии традиционных конструк­ционных материалов (металлов, керамики).

3.  Рассмотрите особенности отверждения реактопластов по полимериза-ционному и поликонденсационному механизмам. Приведите примеры.

4.  Перечислите способы повышения жизнеспособности связующих.

5.  Рассмотрите взаимосвязь смачиваемости наполнителей растворами или расплавами связующих со свойствами связующих и наполнителей и работой адгезии.

6.  Установите зависимость усадки кристаллизующихся и аморфных по­лимеров от их свойств.

7.  Рассмотрите способы определения усадки и текучести.

ТЕМА 2. ТИПОВЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ

МАТРИЦЫ

Эпоксидные смолы. Состав начальных продуктов, синтез олигоме-ров. Технологические свойства. Типы отвердителей. Механизмы отвер­ждения. Ассортимент. Свойства отвержденных матриц. Области примене­ния.

Фенолоформальдегидные смолы. Состав начальных продуктов. Син­тез новолаков и резолов. Особенности отверждения. Свойства отвержден­ных матриц. Применение.

Ненасыщенные полиэфирные смолы. Состав начальных продуктов. Синтез олигомеров. Выбор сомономеров. Отверждение. Ассортимент. Свойства отвержденных матриц.

Модификация термореактивных матриц (пластификация, эластифи-кация, наполнение).

Литература: [3,6,9,10,18-19,23-26].

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В данной теме следует уделить внимание закономерностям синтеза термореактивных смол, механизмам их отверждения, а также свойствам ненаполненных матриц и возможностям их модификации.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Рассмотрите технологические свойства эпоксидных связующих и их взаимосвязь с возможностью их применения в качестве клея, покрытий, связующих.

2. В каких случаях целесообразно применять отвердители «холодного», а в каких случаях «горячего» отверждения? Обоснуйте.

3. Рассмотрите механизмы отверждения эпоксидных смол сшивающими и каталитически действующими отвердителями.

4. Рассмотрите свойства отвержденных эпоксидных матриц и возможно­сти улучшения свойств с применением пластификаторов, наполнителей.

5. Каков ассортимент эпоксидных связующих и области их применения?

6. В чем заключаются особенности синтеза и отверждения новолачных и резольных фенолоформальдегидных олигомеров?

7. Какие существуют пути улучшения отвержденных фенолоформальде­гидных полимеров?

8. В чем назначение сомономеров в производстве ненасыщенных поли­эфирных смол? Обоснуйте принцип выбора сомономеров.

9. Обоснуйте принцип выбора инициирующих систем в производстве не­насыщенных полиэфирных смол. Их назначение.

10.Рассмотрите свойства отвержденных ненасыщенных полиэфиров и об­ласти их применения.

ТЕМА 3. ЛИНЕЙНЫЕ ПОЛИМЕРЫ В КАЧЕСТВЕ СВЯЗУЮЩИХ

Полиолефины (полипропилен, полиэтилен). Сырье, способы и меха­низмы синтеза. Характеристики свойств.

Полистирол и его сополимеры. Синтез полимера. Характеристики свойств. Получение ударопрочного полистирола и АБС-пластиков.

Поливинилхлорид и его сополимеры. Полиамиды. Сырье. Особенно­сти синтеза полиамидов 6; 6.6; 12. Производство капролита. Характери­стики свойств.

Поликарбонаты. Полисульфоны. Синтез, свойства, области приме­нения.

Эластомеры. Виды каучуков. Механизмы вулканизации. Свойства.

Литература: [2,3,5,9-10,13-14,18-20,23-26,28].

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Использование линейных полимеров в качестве связующих преду­сматривает необходимость изучения закономерностей их синтеза, особен­ностей формирования структуры и свойств.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Обоснуйте выбор катализаторов в производстве полиолефинов.

2.  Рассмотрите взаимосвязь природы катализаторов, строения макромоле­кул и свойств полиолефинов.

3.  В чем особенности технологии и свойств полистирола, полученного ме­тодами неполной, полной конверсии мономера и суспензионного?

4.  Каковы возможности повышения эластичности полистирола?

5.  Каковы отличительные особенности различных способов получения поливинилхлорида?

6.  Как влияют сополимеры на свойства поливинилхлорида?

7.  Назовите виды сырья и механизмы синтеза в производстве алифатиче­ских полиамидов.

8.  В чем заключаются различия в технологии синтеза полиамида 6 и поли­амида 6.6?

9.  Какие проблемы в производстве крупногабаритных изделий из поли­амидов решаются при получении капролона (капролита)?

10.В чем существенные преимущества поликарбонатов и полисульфонов

перед многотоннажными полимерами?

11.Рассмотрите классификацию натуральных и синтетических каучуков и

химический состав каучуков?

12.В чем заключается назначение компонентов резиновой смеси?

13.Каковы механизмы вулканизации каучуков?

ТЕМА 4. НАПОЛНИТЕЛИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наполнители. Свойства наполнителей. Негативные и позитивные факторы влияния наполнителей на свойства ПКМ.

Дисперсные наполнители. Минеральные наполнители. Металличе­ские наполнители. Свойства наполнителей. Свойства ПКМ с минераль­ными наполнителями.

Магнитные наполнители. Получение ферромагнитных структур. На­полнители специального назначения.

Волокнистые армирующие системы. Минеральные волокна. Соста­вы. Способы получения. Типы и свойства. Свойства поверхности. Моди­фикация поверхности. Связь поверхностных свойств со свойствами мате­риала.

Углеродные волокна. Состав и структура. Способы получения. Влияние исходного сырья и условий карбонизации на структуру и свойст­ва волокон. Структура и свойства поверхности волокон. Изменение по­верхностной энергии.

Природные и химические волокна. Способы получения растворов и расплавов. Методы формования волокон. Свойства природных и химиче­ских волокон.

Взаимосвязь свойств волокноармированных ПКМ с длиной арми­рующих систем, схемой армирования, методы расчета прочностных свойств ПКМ.

Литература: [4-6,11-12,16-17,19,22,27].

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Применением наполнителей в производстве ПКМ можно либо улуч­шить свойства полимерных матриц, либо придать новые свойства, отсутст­вующие у полимеров (электропроводность, фрикционные, антифрикцион­ные, магнитные, снизить горючесть).

Наполнители оказывают существенное влияние на структурообра-зование, структуру, деформационно-прочностные, теплофизические и фи­зико-химические свойства ПКМ. Основными факторами, влияющими па эти показатели, являются свойства наполнителей, их химическая природа и содержание в ПКМ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы классификация наполнителей и возможности регулирования свойств материалов при наполнении и армировании?

2. Назовите основные свойства дисперсных наполнителей и способы их определения.

3. В чем заключаются положительное и отрицательное влияние дисперс­ных наполнителей на свойства материалов на их основе?

4. Рассмотрите химический состав и свойства каолина, талька, карбоната кальция и оцените их влияние на свойства термо - и реактопластов.

5. В чем состоят особенности свойств ПКМ, содержащих металлические порошки и оксиды металлов?

6. Каковы различия в свойствах ПКМ в зависимости от химического со­става ферромагнитных наполнителей?

7. Рассмотрите химический состав органических дисперсных наполните­лей и отличия в их влиянии на свойства ПКМ.

8. Какими способами получают стеклянные волокна?

9. Каковы взаимосвязь состава стекла и его свойств и возможности изме­нения поверхностных свойств стекловолокон?

10.В чем различия в технологии получения углеродных волокон из поли-акрилонитрильных, вискозных волокон и каменноугольных пеков?

11.Назовите особенности свойств углеродных волокон, прошедших стадии карбонизации и графитизации.

12.Выберите эффективные способы активизации поверхности углеродных волокон.

13.Дайте определение критической длины армирующих волокон и рас­смотрите ее влияние на свойства ПКМ.

14. Каково влияние схем армирования на свойства ПКМ?

15.В чем заключается многостадийность процесса горения?

16. Каковы пути и способы снижения горючести полимерных материалов?

17.Назовите классификацию полимеров по электропроводности.

18.Какие механизмы проводимости в ненаполненных и наполненных по­лимерах?

19.Рассмотрите способы придания электропроводности ПКМ.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.  Уайт Дж. Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины / Дж. Уайт, Д. Чой . - СПб.: Профессия, 2007.

2.  Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / , , и др.; под ред. . – СПб: Профессия, 2008.

3.  Саммерс Дж. ПВХ (поливинилхлорид) / Дж. Саммерс, Е. Уилки, Ч. Даниэл. - СПб.: Профессия, 2008.

4.  Технология полимерных материалов / под ред. - СПб.: Профессия, 2008.

5.  Михайлин полимеры и полимерные материалы / .- СПб.: Профессия, 2006.

6.  Панова : учеб. пособие / . – Саратов: СГТУ, 2003.

Дополнительная

7.  Промышленные полимерные композиционные материалы / под ред. М. Ричардсона. - М.: Химия, 1980.

8.  Пластики конструкционного назначения / под ред. .- М.: Химия, 1974.

9.  Технология пластических масс / под ред. .- М.: Химия, 1995.

10.  Энциклопедия полимеров: в 3 т. – М.: Советская энциклопедия. Т; Т; Т

11.  Липатов химия наполненных полимеров / . - М.: Химия, 1977.

12.  Липатов -химические основы наполненных полимеров / . - М.: Химия, 1991.

13.  Ли Х. Справочное руководство по эпоксидным смолам / Х. Ли, К. Невилл. - М.: Энергия, 1973.

14.  Благонравов эпоксидные смолы / , . - М.: Химия, 1970.

15.  Перепелкин и свойства волокон / . - М.: Химия, 1985.

16.  Армирующие химические волокна для КМ / под ред. . - М.: Химия, 1992.

17.  Наполнители / под ред. , М.: Химия, 1981.

18.  Артеменко для ПКМ: учеб. пособие./ , . – Саратов: СГТУ, 1994.

19.  Артеменко композиционные материалы, армированные химическими волокнами: монография / . – Саратов: СГТУ, 1989.

20.  Фенольные смолы и материалы на их основе / А. Кноп, В. Швеб. - М.: Химия, 1983.

21.  Гурова контроль производства изделий из пластмасс / . - М.: Высшая школа, 1991..

22.  Углеродные волокна / под ред. И. Симамуры. М.: Мир, 1987.

23.  Изделия из пластмасс: справочное руководство по выбору, применению и переработке / под ред. , . М.: Равнапласт, 1992.

24.  Выбор пластмасс для изготовления и эксплуатации изделий: справочное издание / , . - Л.: Химия, 1987.

25.  Каменев пластических масс / , , . / Л.: Химия, 1985.

26.  Композитные материалы / Ф. Мэттьюз, Р. Роллингс. - М.: Техносфера, 2004.

27.  Пул-мл. Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул-мл., Ф. Оуэнс. - М.: Техносфера 2006.

28.  Макаров термопласты / , . - М.: Химия, 2003.

29.  Смачивание в композиционных материалах: метод. указ. к лабораторной работе / , , - Саратов: СГТУ, 2005.

30.  Изучение реологических свойств полимеров: метод. указ. к лабораторной работе / , . – Саратов: СГТУ, 2001.

31.  Панова влияния химической природы связующего и условий формования на свойства армирующих волокон: метод. указ. к лабораторной работе / , , Саратов: СГТУ, 2007.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

На титульном листе должны быть указаны название курса и раздела, фамилия и инициалы студентов, личный шифр, номер специальности, до­машний (почтовый) адрес.

В конце работы следует дать список литературы, оформленный по стандартным правилам, а по тексту работы - ссылки на литературу.

Работа должна быть подписана студентом с указанием даты выпол­нения работы.

Работа должна быть выполнена и выслана на кафедру в срок, ука­занный в плане-графике.

Не зачтенные работы возвращаются на доработку.

Студенты не допускаются к экзамену в случае не зачтенной работы.

До выполнения работы необходимо найти нужные разделы в данных методических указаниях, изучить литературу, ответить на вопросы для са­мопроверки, а затем сформулировать и изложить четкие, конкретные и ис­черпывающие ответы на поставленные вопросы.

Варианты распределяет преподаватель на установочном занятии.

Вариант 1

1. Ненасыщенные полиэфирные смолы. Сырье, особенности синтеза, вы­
бор сомономеров и инициирующих систем. Механизм отверждения.
Формирование топологической структуры и ее характеристики. Свой­ства отвержденных матриц. Марочный ассортимент. Области примене­ния. Меры безопасности.

2. Стекловолокна как наполнители полиэфирных смол. Получение стек­ловолокон. Химический состав и взаимосвязь его со свойствами. Модификация поверхности стекловолокон. Влияние стекловолокон на
технологические, деформационно-прочностные, теплофизические
свойства ПКМ.

3. Влияние длины волокон и схемы армирования на свойства ПКМ.

4. Смачиваемость наполнителей олигомерами. Формирование граничных слоев.

Вариант 2

1.  Диановые эпоксидные смолы. Сырье. Синтез. Виды отвердителей, ме­ханизмы отверждения сшивающими (ангидридами кислот) и каталити­ческими (третичным амином) отвердителями. Технологические свой­ства эпоксидных олигомеров. Виды структур ПКМ. Свойства отвер-жденных эпоксидных матриц.

2.  Углеродные волокна как наполнители эпоксидных матриц. Получение углеродных волокон из полиакрилонитрильных волокон, их свойства, модификация поверхности. Влияние волокон на свойства ПКМ.

3.  Негативные и позитивные факторы влияния наполнителей на свойства ПКМ.

4.  Усадка. Виды усадок. Способы определения. Возможности регулирова­ния.

Вариант 3

1.  Фенолоформальдегидные смолы. Сырье. Особенности синтеза ново-лаков и резолов. Отверждение по поликонденсационному механизму новолаков и резолов. Структура и свойства отвержденных матриц.

2.  Пресс-порошки на основе ФФС. Ассортимент и области применения.

3.  Свойства дисперсных наполнителей и их влияние на свойства ПКМ.

4.  Текучесть, вязкость полимеров. Методы их определения для реакто-пластов. Выбор способов переработки по показателям текучести по­лимеров.

Вариант 4

1.  Полиэтилен. Сырье. Химизм синтеза полиэтилена. Способы получения ПЭ и взаимосвязь условий синтеза, структуры и свойств полиэтилена. Свойства полиэтилена и области применения.

2.  Тальк как наполнитель ПЭ. Свойства и влияние талька на свойства по­лиэтилена.

3.  Химизм отверждения эпоксидных олигомеров аминами.

4.  Текучесть термопластов, способы ее определения и выбор метода пере­работки по показателям текучести.

Вариант 5

1.  Полипропилен. Сырье. Синтез изотактического ПП. Структура и свойства ПП. Области применения.

2.  Каолин. Свойства и влияние каолина на свойства термопластов.

3.  Межфазные слои. Влияние наполнителей на размеры и свойства меж­фазных слоев в кристаллизующихся и аморфных полимерах.

4.  Взаимосвязь величины усадки со свойствами кристаллизующихся по­лимеров. Возможности снижения.

Вариант 6

1.  Полистирол. Сырье. Особенности механизма и технологии синтеза ПС методами блочной полимеризации. Свойства блочного ПС. Сополиме­ры ПС. Области применения.

2.  Требования к наполнителям для термопластов. Органические дисперс­ные наполнители и их влияние на свойства термопластов.

3.  Химизм отверждения эпоксидных олигомеров ангидридами.

4. Термомеханические кривые и кривые напряжение-деформация для аморфных полимеров.

Вариант 7

1.  Поливинилхлорид. Сырье. Механизм полимеризации винилхлорида. Производство ПВХ в массе. Свойства ПВХ и области применения. По­лучение винипласта.

2.  Классификация наполнителей. Требования к наполнителям для термо - и реактопластов. Возможности регулирования технологических и экс­плуатационных свойств введением наполнителей.

3.  Методы и оборудование для определения свойств наполнителей (гра­нулометрического состава, насыпной и истинной плотности, удельного объема и поверхности) и взаимосвязь этих свойств с формированием структуры и свойствами ПКМ.

4.  Дополнительная усадка, что она характеризует и как определяется.

Вариант 8

1.  Диановые эпоксидные смолы. Химические процессы, протекающие при их синтезе. Свойства олигомеров. Отверждение эпоксидных олигомеров алифатическими аминами и трифторидом бора. Виды структуры отвер-жденных матриц и их свойства. Области применения эпоксидных смол.

2.  Стекловолокна как наполнители эпоксидных связующих. Классифика­ция стекловолокон и их свойства. Изменение свойств эпоксидных по­лимеров при армировании стекловолокном.

3.  Методы и приборы для определения текучести реактопластов. Выбор методов переработки в зависимости от показателей текучести.

4.  Возможности придания электропроводности полимерным материалам. Показатели электропроводности.

Вариант 9

1.  Алифатические полиамиды. Сырье. Способы получения. Химизм и осо­бенности процесса полимеризации полиамида 6. Структура и свойства полиамида 6 и области применения.

2.  Базальтовые и борные волокна. Способы получения и свойства. Влия­ние их на свойства термо - и реактопластов.

3.  Влияние длины армирующих волокон на свойства композиционных ма­териалов. Расчеты прочностных свойств волокноармированных ПКМ.

4.  Определение ПТР и методы расчета вязкости по данным ПТР.

Вариант 10

1.  Алифатические полиамиды. Сырье и способы получения. Химизм, осо­бенности синтеза и технологии полиамида 6.6. Структура, свойства по­лиамида 6.6 и области применения.

2.  Стеклянные волокна в качестве армирующих систем для полиамидов. Химический состав и свойства волокон. Снижение поверхностной энер­гии стекловолокон. Влияние стекловолокон на свойства полиамидов. Области применения.

3.  Классификация наполнителей. Требования к наполнителям. Получение ПКМ с магнитными свойствами.

4.  Усадка изотропных и анизотропных ПКМ.

Вариант 11

1.  Алифатические полиамиды. Сырье и способы получения. Химизм и особенности синтеза и технологии получения полиамида 12. Структура и свойства полиамида 12. Области применения.

2.  Углеродные волокна для армирования полимеров. Технология получе­ния углеродных волокон из гидратцеллюлозных волокон. Модификация поверхности волокон. Свойства. Влияние на свойства полиамидов. Об­ласти применения.

3.  Химизм отверждения ненасыщенных полиэфиров. Свойства отвержденных матриц..

4.  Различия в механизме разрушения термо - и реактопластов.

Вариант 12

1. Полисульфоны и поликарбоны. Сырье. Технология синтеза. Структура, свойства и области применения.

2. Дисперсные наполнители. Свойства наполнителей и способы определе­ния свойств (дисперсности и полидисперсности, удельной поверхности, насыпной плотности, влажности и др.).

3. Влияние свойств дисперсных наполнителей на формирование гранич­ных слоев в ПКМ. Максимальная объемная доля наполнителя и ее связь со структурой и свойствами граничных слоев.

4. Термомеханические кривые аморфных полимеров.

Вариант 13

1.  Полистирол. Сырье. Химия и технология получения суспензионного полистирола. Структура и свойства полистирола. АБС пластики - их получение. Области применения ПС и его сополимеров.

2.  Органические наполнители в производстве ПКМ. Изменение свойств полимерных матриц при введении органических наполнителей.

3.  Классификация полимерных матриц. Типы отвердителей для сшиваю­щих связующих. Особенности отверждения по полимеризационному и поликонденсационному механизмам.

4.  Особенности синтеза новолачных и резольных фенолоформальдегидных смол.

ПОЛИМЕРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рабочая программа,

методические указания и контрольные задания

для студентов специальности 240502.65

заочной формы обучения

Составили: ПАНОВА Лидия Григорьевна

ПЛАКУНОВА Елена Вениаминовна

Бычкова

Редактор