Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 30 )

Длительно стеклопластики могут работать при температуре 200 - 400 °С, однако кратковременно в течение нескольких десятков секунд стеклопластики выдерживают несколько тысяч градусов, являясь аблирующими теплозащитными материалами. Они применяются в авиационной и ракетной технике.

Длительная прочность стеклопластиков зависит от их состава и внешних условий. Лучшие свойства имеют материалы на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол. Работоспособность стеклопластиков выше, чем работоспособность металлов. Некоторые стеклотекстолиты обладают выносливостью при изгибе до 1,5·107 циклов. Динамическое сопротивление усталости стеклотекстолитов на различных связующих приведено на рис. 5.9. Стеклопластики обладают высокой демпфирующей способностью, хорошо работают при вибрационных нагрузках.

Недостатком стеклопластиков является невысокий модуль упругости
Е = 20000 - 58000 МПа. Однако по удельной жесткости (Е/ρ) они не уступают сталям, алюминиевым сплавам и титану, а по удельной прочности (σ/ρ) при растяжении превосходят металлы.

Однонаправленные стекловолокниты на высокомодульных волокнах имеют ρ = 2200 кг/м3; σв = 2100 МПа; Е = 70000 МПа; KCU = 300 - 500 кДж/м2; ε = 1,3 - 2,4 %; σ/ρ = 96 км.

Таким образом, стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для силовых изделий в различных отраслях техники: трубы различного назначения на объектах нефтяной и газовой промышленности, несущие детали летательных аппаратов, кузова и кабины автомашин, автоцистерны, железнодорожные вагоны, корпуса лодок, судов. Из стеклопластиков изготовляют корпуса машин, кожухи, защитные ограждения, вентиляционные трубы, контейнеры и др.

Таблица 5.2

Физико-механические свойства термореактивных пластмасс

Пластмассы	Плотность, кг/м3	Предельная температура длительной работы, оС	Предел прочности, МПа	Отноительное удлинение при разрыве, %	Ударная вязкость, кДж/м2	Модуль упругости, МПа	Твердость по Бри-неллю, МПа
при растяжении	при сжатии	при изгибе
Порошковые	1400	100–110	30	50–150	60	0,3–0,7	4–6	6300-8000	300–400
Волокнистые:
волокнит	1350-1450	110	30–60	80–150	50–80	1–3	9–10,4	8500	250–270
асбоволокнит	1950	200	–	110	70	4–3	20	18000	300
стекловолокнит	1700–1900	280	80–500	130	120–250	1–3	25–150	–	–
Слоистые:
гетинакс	1300–1400	150	80–100	160–290	80–100	1–3	12–25	10000	–
текстолит	1400	125	65–100	120–150	120–160	1–3	30	5000-10 000	–
асботекстолит	1600	190	55	–	–	–	20–25	20000	186–300
ДСП	1350	140–200	180-300	100–180	140–280	–	80–90	18 000–30 000	–
стеклотекстолит	1600–1900	200–300	250–600	210–260	150–420		50–200	18850-30 000
СВАМ	1800–2000	200	350-1000	350–450	500–700	–	180–500	35000	–

Рис. 5.8. Зависимость модуля упругости Е стеклотекстолита от величины угла φ между продольными нитями и направлением нагружения при различных температурах

n

Рис. 5.9. Динамическое сопротивление усталости стеклотекстолитов на различных связующих:

1 - фенолоформальдегидное; 2 - эпоксидное; 3 - полиэфирное; 4 - кремнийорганическое

5.4. Газонаполненные пластмассы

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура таких пластмасс образована твердым, реже эластичным полимером – связующим, которое образует стенки элементарных ячеек или пор с распределенной в них газовой фазой – наполнителем. Такая структура пластмасс обусловливает некоторую общность их свойств, а именно – чрезвычайно малую массу и высокие теплозвукоизоляционные характеристики. В зависимости от физической структуры газонаполненные пластмассы делят на пенопласты, поропласты и сотопласты.

Полимерные связующие могут быть как термореактивными, так и термопластичными. Для термопластичных пенопластов наиболее опасны температуры, близкие к температуре текучести, когда значительно снижается прочность материала и избыточное давление газа внутри ячеек может разрушить пенопласт. Для получения эластичных материалов вводят пластификаторы.

Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объемная масса пенопластов колеблется от 20 до 300 кг/м3. Замкнуто-ячеистая структура обеспечивает хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий - от 0,003 до 0,007 Вт/(м∙К). Прочность пенопластов невысока и зависит от плотности материала.

Наиболее распространенными термопластичными пенопластами являются пенополистирол (ПС) и пенополивинилхлорид (ПВХ), которые могут использоваться при температурах ±60 °C; пенополистирол радиопрозрачен. Термореактивные на основе фенолоформальдегидной смолы (ФФ) и фенолокаучуковые (ФК) пенопласты работают до температуры 120 - 160 °С. Введением в их состав алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) удается повысить рабочую температуру пенопласта до 200 - 250 °С. Термостоек и термостабилен пенопласт К-40 на кремнийорганическом связующем, который кратковременно выдерживает температуру 300 °С. Самовспенивающимися материалами являются пенополиуретаны (ППУ) и пенополиэпоксиды (ПЭ), отличающиеся химической стойкостью, высокими электроизоляционными свойствами, низким водопоглощением.

Пенопласты применяют для теплоизоляции кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т. п. Пенополиуретаны и пенополиэпоксиды используют для заливки деталей электронной аппаратуры. Широкое применение пенопласты получили в строительстве и при производстве труднозатопляемых изделий. Пенопласт, являясь легким заполнителем, повышает удельную прочность, жесткость и вибростойкость силовых элементов конструкций. Он используется в авиастроении, судостроении, на железнодорожном транспорте и т. д. Мягкие и эластичные пенопласты (типа поролона) применяют для амортизаторов, мягких сидений, губок.

Физико-механические свойства пенопластов приведены в табл. 5.3.

Поропласты (губчатые материалы) с открытопористой структурой, вследствие чего присутствующие в них газообразные включения свободно сообщаются друг с другом и с окружающей атмосферой. Их кажущаяся плотность изменяется от 25 - 60 до 130 - 500 кг/м3. Поропласты выпускаются эластичными, например ППУ-Э (на основе сложного полиэфира). На основе поливинилформалей выпускается поропласт ТПВФ, обладающий водопоглощением 400 - 700 % за 2 ч.

Сотопласты изготовляют из тонких листовых материалов, которым придается вначале вид гофра, а затем листы гофра склеивают в виде пчелиных сот. Материалом для сотопластов служат различные ткани, которые пропитываются различным связующим (фенолоформальдегидным, полиимидным и др.). Сотопласты используют как легкие заполнители в трехслойных панелях, состоящих из слоев сотопласта и приклеенной к ним несущей обшивки. Такая конструкция обеспечивает высокую жесткость и предохраняет от потери устойчивости. Для сотопластов характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность.

Сотопласты применяют в качестве заполнителей многослойных панелей в авиа - и судостроении для несущих конструкций; при создании наружной теплозащиты и теплоизоляции космических кораблей; в антенных обтекателях самолетов и т. д.

5.5. Пластификаторы

Высокомолекулярные пластификаторы, или эластомеры, применяются для увеличения эластичности и снижения хрупкости стеклообразных или кристаллических полимеров. Эластомеры представляют собой материалы с повышенной липкостью и деформируемостью, что, в свою очередь, не позволяет выпускать их в гранулированном виде. Несмотря на это, некоторые эластомеры доступны сегодня в гранулированном виде. Главным недостатком, ограничивающим применение эластомеров в составе композиционных материалов на основе полимеров, является пониженное сопротивление тепловому старению и термоокислительной деструкции. Тем не менее, применение эластомеров как компонентов смесевых композиционных материалов (в том числе конструкционных) непрерывно расширяется [12]. В данном разделе рассмотрим некоторые из них, нашедшие наибольшее применение в промышленности переработки пластмасс и в нефтегазовой отрасли.