Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 29 )

Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату. Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и другой оснастки. Их применяют для восстановления изношенных деталей и отливок.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты.

Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидным связующим. По сравнению с пресс-порошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость. Применяют для деталей общего технического назначения, работающих на изгиб и кручение (рукоятки, стойки, фланцы, направляющие втулки, шкивы, маховики и т. д.).

Асбоволокниты содержат асбест в качестве наполнителя. Связующим служит в основном фенолоформальдегидная смола. Преимуществом асбоволокнитов является повышенная теплостойкость (свыше 200 °С), устойчивость к кислым средам и высокие фрикционные свойства. Асбоволокниты используют в качестве материала тормозных устройств; из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупорные аппараты, ванны, трубы.

Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5 - 20 мкм с σр = 600 - 3800 МПа и ε = 2 - 3,5 %.

Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. При старении в течение двух лет коэффициент старения Кс = 0,5 - 0,7. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой точности, с арматурой и резьбой.

Слоистые пластмассы. Слоистые пластмассы являются силовыми конструкционными и поделочными материалами. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали.

Гетинакс получается на основе модифицированных фенольных, анилиноформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяют на электротехнический и декоративный. Гетинакс можно применять при температуре 120 - 140 °С. Он устойчив к действию химикатов, растворителей, пищевых продуктов: используется для внутренней облицовки пассажирских кабин самолетов, железнодорожных вагонов, кают судов, в строительстве.

Текстолит (связующее - термореактивные смолы, наполнитель - хлопчатобумажные ткани) среди слоистых пластиков обладает наибольшей способностью поглощать вибрационные нагрузки, хорошо сопротивляться раскалыванию. В зависимости от назначения текстолиты делят на конструкционные (ПТК, ПТ, ПТМ), электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные. Текстолит как конструкционный материал применяют для зубчатых колес; шестеренные передачи работают бесшумно при частоте вращения до 30 000 мин -1. Текстолитовые вкладыши подшипников служат в 10 - 15 раз дольше бронзовых. Однако рабочая температура текстолитовых подшипников невысока (80 - 90 °С). Они применяются в прокатных станах, центробежных насосах, турбинах и др.

Древеснослоистые пластики (ДСП) состоят из тонких листов древесного шпона, пропитанных феноло - и крезольно-формальдегидными смолами и спрессованных в виде листов и плит. Древеснослоистые пластики имеют высокие физико-механические свойства, низкий коэффициент трения и с успехом заменяют текстолит, а также цветные металлы и сплавы. Шестерни из ДСП долговечны, при работе их в паре с металлическими заметно снижается шум. Подшипники из ДСП не образуют задиров на трущейся поверхности металлического вала. Недостатком ДСП является чувствительность к влаге (рис. 5.4). Из ДСП изготовляют шкивы, втулки, ползуны лесопильных рам, корпусы насосов, подшипники, детали автомобилей и железнодорожных вагонов, матрицы для вытяжки и штамповки. Зависимость прочности фенолопластов от температуры приведена на рис. 5.5.

Асботекстолит содержит 38 - 43 % связующего, остальное асбестовая ткань. Асботекстолит является конструкционным, фрикционным и термоизоляционным материалом. Наиболее высокой теплостойкостью обладает материал на кремнийорганическом связующем (300 оС), а механическая прочность выше у фенольных асбопластиков. Из асботекстолита делают лопатки ротационных бензонасосов, фрикционные диски, тормозные колодки (без смазывания коэффициент трения f = 0,3 - 0,38, со смазыванием маслом f = 0,05-0,07).

Асботекстолит выдерживает кратковременно высокие температуры и поэтому применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала (в течение 1 - 4 ч выдерживает температуру 250 - 500 оС и кратковременно 3000 оС и выше).

В стеклотекстолитах применяют в качестве наполнителя стеклянные ткани. На основе нетканых ориентированных материалов (нити в которых не перегибаются) получают стеклотекстолиты (типа ВПР-10), имеющие те же показатели, что и у стеклотекстолитов на основе стеклотканей, а себестоимость их ниже на 20 %.

Стеклотекстолит на фенолоформальдегидном связующем (типа КАСТ) недостаточно вибропрочен, но зато по сравнению с обычным текстолитом он более теплостоек и имеет более высокие электроизоляционные свойства. Стеклотекстолиты на основе кремнийорганических смол (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют относительно невысокую механическую прочность, но отличаются высокой теплостойкостью и морозостойкостью, обладают стойкостью к окислителям и другим химически активным реагентам, не вызывают коррозии металлов. Эпоксидные связующие (ЭД-8, ЭД-10) обеспечивают стеклотекстолитам наиболее высокие механические свойства и позволяют изготовлять из них крупногабаритные детали. Стеклотекстолиты на основе ненасыщенных полиэфирных смол (ПН-1) также не требуют высокого давления при прессовании и применяются для изготовления крупногабаритных деталей.

Материал СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал) представляет собой материал, в котором стеклянные нити сразу по выходе из фильер склеиваются между собой в виде стеклянного шпона и затем укладываются как в фанере. Связующие могут быть различными.

Рис. 5.4. Водопоглощение (Вп) слоистых пластиков:

1 - древесно-слоистый пластик; 2 - текстолит;
3 – стеклопластик

Рис. 5.5. Зависимость предела прочности от температуры для фенопластов:

1 - гетинакс; 2 - текстолит; 3 - карболит Э2-330-02; 4 – карболит 03-010-02; 5 – волокнит; 6 – асбоволокнит

При соотношении продольных и поперечных слоев шпона 1 : 1 σв = 460 - 500 МПа и Е ≥ 35 000 МПа; при соотношении 10 : 1 σв = 850 - 950 МПа и Е = 58 000 МПа. Это характеризует СВАМ как конструкционный материал, обладающий большой жесткостью и высокой ударной вязкостью (KCU = 400 - 600 кДж/м2). Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и содержания наполнителя показана на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Зависимость предела прочности стеклопластиков от вида и
содержания наполниориентированные стеклонити;
2 - стеклоткань; 3 - стекломаты (короткое неориентированное волокно)

Наличие пор вызывает резкое снижение прочности материала. Дефектность значительно влияет на прочность при межслойном сдвиге и продольном сжатии (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Зависимость прочности при межслойном сдвиге (а) и продольном сжатии (б) эпоксидного стеклопластика от пористости (Kv):

1 – поры сферические; 2 – поры цилиндрические

Механические свойства стеклопластиков зависят от угла между направлением растягивающей силы и направлением армирующих волокон (рис. 5.8).Усилить материал в различных направлениях можно соответствующим расположением наполнителя (трубы, цилиндры, получаемые способом намотки). Физико-механические свойства термореактивных пластмасс приведены в табл. 5.2.

Особенностью стеклопластиков является неоднородность механических свойств (разброс показателей достигает 7 - 15 %), обусловленных различными факторами: составом, структурой, технологией.

Степень анизотропии прочности на разрыв в продольном и поперечном направлениях и срез (между слоями) для стеклопластиков достигает 2 - 10, что выше, чем для металлов. Анизотропия упругих свойств выражена слабее, чем анизотропия предела прочности. Механические свойства стеклопластиков зависят от температуры: с повышением температуры прочность снижается.