Это стекло наполненное или армированное стеклом?

Пару месяцев назад я написал статью, в которой сравнивал свойства гомополимера и сополимера ацеталя. В той статье я упоминал, что стекловолокно можно «связать» (связать) с сополимером ацеталя, но не с гомополимером; и что в результате преимущества включения стекловолокна в сополимер были больше. Как оказалось, пока я не обратил на это внимания, один из основных поставщиков гомополимера ацеталя все же представил пару настоящих армированных стекловолокном гомополимеров ацеталя.

ЗАПОЛНЕНО VS. УСИЛЕННЫЙ АЦЕТАЛЬ

В таблице 1 показан профиль свойств ненаполненного гомополимера ацеталя вместе с типичной маркой с 20% -ным наполнением из стекла и новыми марками, которые содержат 10% и 25% стекла, где волокно связано с полимерной матрицей. Различия в прочности очевидны, и это служит прекрасным примером разницы между стеклонаполненным материалом и стекловолокном. Это стоит обсудить более подробно, потому что это различие существует и для некоторых других полимеров.

Все начинается с волокна. Они обеспечивают большее повышение производительности, чем обычные наполнители, потому что имеют так называемое соотношение сторон. В волокнах это отношение длины к диаметру. Чем больше соотношение сторон, тем лучше улучшаются свойства. Введение длинноволокнистых армирующих элементов в 1980-е гг. Было направлено на то, чтобы извлечь выгоду из этого принципа за счет увеличения исходной длины волокна в гранулах с 2–3 мм до 11–12 мм.

Длинноволокнистые материалы с длиной волокна до 6 мм (1/4 дюйма) фактически предлагались до появления современных смесей для длинного стекла, однако новые соединения были изготовлены таким образом, чтобы максимально увеличить «смачивание» поверхности. контакт между полимером и отдельными стекловолокнами. Другой способ улучшить соотношение сторон - использовать волокна обычной длины, но меньшего диаметра, которые называются усами.

Поверхности стекловолокна, используемых при смешивании полимеров, обычно обрабатывают или калибруют для улучшения адгезии полимера к стеклу. Для разных полимеров оптимальны разные размеры. Но в некоторых случаях даже хорошей проклейки недостаточно для получения оптимального сцепления между полимером и волокном. Эта связь важна, потому что стекловолокно увеличивает прочность, управляя нагрузкой на материал, когда полимер начинает подвергаться механической перегрузке. Волокна прочнее полимерной матрицы и, следовательно, увеличивают прочность всего соединения. Однако, если связь между полимером и стекловолокном слабая, передача нагрузки неэффективна и преимущества стекла не реализуются.

Если стекловолокно просто добавить к полимеру без хорошего сцепления, материал будет стеклонаполненным. Если связь между фазами оптимальна, материал армирован стекловолокном. Разница, как показано в таблице 1, существенная.

Обратите внимание, что, хотя прочность стеклонаполненного ацеталя ниже, чем у ненаполненного материала, армированные материалы всегда прочнее. Фактически, марка, армированная 10% стекловолокном, более чем на 35% прочнее и почти такая же жесткость, как марка со стекловолокном на 20%, и в то же время снижает вес на 5%. Это отличный пример более эффективного использования тех же ингредиентов для достижения лучшего конечного результата.

ПРОГРЕСС В ХИМИЧЕСКОМ СОЕДИНЕНИИ

Полипропилен - еще один полимер, в который процесс добавления стекловолокна претерпел эволюцию. Исходные материалы были просто наполнены стеклом. ПП - неполярный полимер, и к нему практически ничего не прилипает, в том числе и стекловолокно. Но в конце 1970-х - начале 1980-х некоторые поставщики начали работать с процессом, известным как химическое связывание. Это потребовало внесения небольших изменений в химический состав основной цепи полипропилена для введения полярности. Эта полярность улучшила связь между полимером и стекловолокном, что привело к улучшению свойств, показанных в таблице 2.

Эта разработка создала новый рынок для полипропилена как материала, который может конкурировать с некоторыми инженерными термопластами. По мере того как конечные пользователи доводили этот потенциал до предела, улучшения в химическом взаимодействии привели к дополнительным улучшениям. Эти улучшения не обязательно были очевидны в технических данных, но они обеспечили лучшую производительность в долгосрочных приложениях, связанных с такими механизмами, как усталость и ползучесть. Увеличение прочности и жесткости на 10% не может привлечь всеобщего внимания, но улучшение краткосрочных свойств может удвоить усталостную долговечность продукта.

ПВХ претерпел аналогичный набор улучшений:технология соединения повысила характеристики армированных стекловолокном материалов по сравнению со стеклонаполненными материалами.

Долгосрочные характеристики в определенных условиях также можно улучшить, изменив способ соединения полимера и стекловолокна. Компаунды PPS почти всегда продаются со значительным содержанием стекловолокна. Одним из преимуществ PPS является то, что он обладает отличной химической стойкостью, и одним из химикатов, с которым он очень хорошо справляется, является горячая вода, даже если вода хлорированная. Многие другие технические материалы, такие как ацеталь, нейлон и термопластичные полиэфиры, гидролизуются в горячих влажных средах, в то время как ПФС очень хорошо удерживается.

Однако в первые годы использования PPS, армированного стекловолокном, в горячих водных средах, материалы показали первые разрушения, которые вызвали недоумение. Оценка неисправных деталей показала, что, хотя полимер не был поврежден горячей водой, связь между полимером и стеклом все же разрушилась. При ослаблении интерфейса детали потеряли конструктивную целостность и вышли из строя. Новые технологии сцепления решили эту проблему.

Есть и другие переменные, которыми можно управлять, чтобы улучшить характеристики полимеров со стекловолокном. Состав стекловолокна - одна из этих переменных. Подавляющее большинство стекловолокна, используемого в полимерных соединениях, известно как стекло E. Это обозначает определенный химический состав стекла и сопровождается определенным набором свойств. Однако доступны другие химические составы стекла, которые могут придавать полимерной матрице другие свойства, но по цене, которая обычно не оправдывает дополнительных затрат.

Еще одна интересная переменная - это геометрия стекловолокна. Форма поперечного сечения большей части стекловолокна круглая. В 1990-х годах были выполнены некоторые интересные работы с использованием стеклянных волокон с двулопастным или трехлепестковым поперечным сечением. Это увеличило площадь поверхности контакта между стекловолокном и полимерной матрицей и привело к некоторым интересным улучшениям механических характеристик. Однако это также был путь к улучшению свойств, когда соотношение цены и качества не считалось привлекательным, даже несмотря на то, что эти конфигурации используются в ковровой промышленности для повышения устойчивости и даже создания определенных оптических эффектов.

Но даже в области типичного смешивания материалов важно понимать, что, хотя объемный состав важен, то, как материалы собраны и соединены друг с другом, оказывает значительное влияние на производительность, особенно на долговременную производительность. При всем внимании, которое в последнее время в автомобильной промышленности уделяется снижению веса при сохранении рабочих характеристик, важно помнить об этом принципе.

Об авторе

Майкл Сепе - независимый консультант по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона, с клиентами из Северной Америки, Европы и Азии. Он имеет более чем 35-летний опыт работы в индустрии пластмасс и помогает клиентам в выборе материалов, проектировании с учетом технологичности, оптимизации процессов, устранении неисправностей и анализе отказов. Контакты:(928) 203-0408 • [email protected].