Физико-механические показатели поделочных текстолитов

*Пакеты набраны через лист (лист с повышенным против нормы содержанием олигомера, лист – с пониженным; то же и в отношении содержания летучих).

В электротехнике текстолиты применяют для изготовления электроизоляционных деталей, пазовых клиньев электрических машин, шкивов деталей радиоаппаратуры, панелей и т. д. Температура эксплуатации от
-60 до 60 °С (и выше).

Физико-механические показатели электротехнического

текстолита:

* Для листов толщиной не менее 3 мм после выдержки в течение суток в среде с 95%-ной относительной влажностью при 20 ± 5°С.

** Для листов толщиной до 0,8 мм при испытании в трансформаторном масле при 90 ± 2 ºС.

Стеклотекстолиты - слоистые пластики на основе стеклоткани.

Состав. В качестве наполнителя для изготовления стеклотекстоли-товконструкционного назначения наиболее широко применяют стекло-ткани из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла; для конструкций, работающих в кислых средах (аккумуляторные баки, резервуары, трубы и др.), применяют стеклоткани из кислотостойкого борсодержащего стекла; в производстве материалов, работающих в условиях особенно высоких механических нагрузок, применяют стеклоткани из высокопрочных и высокомодульных волокон на основе магнезиально-алюмосиликатного стекла; материалы с высокими диэлектрическими характеристиками производят на основе ткани из боросиликатного стекла, диэлектрическая постоянного которого на 30 – 45% меньше, чем у бесщелочного стекла; стеклотекстолиты, рассчитанные на более длительную работу при 300°С и выше, изготавливают из тканей на основе кремнеземных и кварцевых волокон. Стеклоткань для крупногабаритных изделий серийного производства, например кровли, строительных панелей, корпусов легких судов, изготавливают из наиболее дешевого стекловолокна на основе щелочного алюмосиликатного стекла. В производстве стеклотекстолитов используют также стеклоткани из полых стекловолокон, позволяющих снизить плотность материала на 25 – 30%, теплопроводность на 25 – 50%, диэлектрическую проницаемость на 15 – 35% и повысить жесткость при изгибе в 2 раза.

Связующими в стеклотекстолитах являются чаще всего клеи БФ
(продукты совмещения фенолоформальдегидных олигомеров с поливинилбутиралем) и БФТ (продукты совмещения фенолоформальдегидных олигомеров с поливинилформальэтилалем и этиловым эфиром ортокремневой кислоты). Эти клеи обладают высокой адгезией к стеклянному волокну.

Технологияпроизводства стеклотекстолитов. Процесс состоит из тех же стадий, что и производство текстолитов. Пропитка стеклянной ткани спиртовым раствором связующего осуществляется в вертикальных пропиточно-сушильных машинах, но без отжимных систем, поскольку стеклоткань практически не обладает впитывающей способностью, а лишь лакируется с поверхности. Поэтому содержание связующего на ткани регулируется только температурой и концентрацией лака. Обычно содержание связующего, которое обеспечивает оптимальные физико-механические показатели стеклотекстолитов, составляет 26 – 33%.

Подготовка пропитанной стеклянной ткани к пресованию отличается от подготовки хлопчатобумажной ткани тем, что набранные пакеты отделяют от стальных и дюралюминиевых прокладок слоем целлофана. Это предотвращает приклеивание металла к поверхности текстолита, посколькуклеи БФ и БФТ отличаются высокой адгезией к металлам. Пакеты пропитанной стеклянной ткани загружают между нагретыми до 100ºС плитами многоэтажного гидравлического пресса и прессуют при температуре 140 – 150 ºС и давлении 45 – 55 кгс/см², что несколько ниже, чем для текстолитов из-за бóльшей хрупкости стеклянных волокон.

Стеклотекстолиты поддаются склеиванию и всем основным видам механической обработки. Поскольку при этом происходит сильный износ режущегоинструмента, лучше всего обработку осуществлять абразивным или алмазным инструментом.

Свойства и применение стеклотекстолитов зависят от состава стекла, вида переплетения волокон и структуры ткани, схемы ее укладки, состава замасливателя или аппрета, степени наполнения и технологии изготовления.

Характерная для стеклоткани анизотропия механических характеристик сохраняется в стеклотекстолитах и в наибольшей степени проявляется при использовании кордных стеклотканей. С повышением степени наполнения прочностные характеристики стеклотекстолитов возрастают до 60 – 75% по массе. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к росту пористости материала и снижению его физико-механических характеристик. Прочностные показатели стеклотекстолитов также заметно ухудшаются от пребывания в воде, особенно в первые 8 - 10 суток. Стабилизирующее действие при этом оказывает поверхностная обработка стеклянной ткани различными аппретами, например, аллилтрихлорсиланом и др.

Такие материалы превосходят текстолиты и гетинаксы по прочности, теплостойкости, влаго- и химстойкости, электроизоляционным свойствам и длительности срока службы, а асботекстолиты – по физико-механическим характеристикам.

Благодаря высоким механическим показателям, малым плотности и гигроскопичости, а также высокой теплостойкости стеклопластики широко используются в различных областях техники, успешно конкурируя с такими материалами, как металлы. Стеклотекстолиты применяюткак конструкционные материалы в авиационной промышленности для изготовления радиолокационных обтекателей, лопастей вертолетов, секций крыльев и хвостового оперения, внутренних перегородок, фюзеляжей, маломестных самолетов, спортивных планеров, а также топливных баков, воздуховодов и т. п. Из стеклотекстолитов изготавливают катера, спасательные шлюпки, мелкие и средние суда, небольшие здания, бассейны, кузова легковых и грузовых автомобилей, корпуса рефрижераторов, а также цистерны, баки, трубы и другое оборудование химических заводов. Кроме того, они применяются в качестве теплоизоляционных прокладок в различных узлах для снижения коэффициента теплопередачи, а стеклотекстолиты электротехнического назначения – в качестве электроизоляционных материалов в различных приборах и электрических машинах.

Асботекстолиты – слоистые пластики, получаемые горячим прессованием асбестовой ткани, пропитанной водно-спиртовым раствором связующего. Чаще всего применяют ткань на основе хризотилового асбестового волокна с добавлением хлопковых волокон (не более 10 – 15%). Иногда применяют ткани из комбинации асбестовых и синтетических волокон.

Связующими служат преимущественно феноло- (крезоло)-формаль­дегидные смолы резольного типа, реже – меламино-формальдегидные, кремнийорганические смолы и др. Для некоторых специальных марок асботекстолитов в состав связующего вводят термостойкие порошкообразные наполнители, например, кремнезем.

Технологический процесс производства асботекстолитов включает те же стадии, что и производство текстолитов и гетинаксов. Пропитанную асботкань высушивают при ступенчатом повышении температуры от 40 до 140ºС, содержание связующего в ткани составляет 40 – 50%; давление прессования при 150ºС – 95 – 105 кгс/см²; выдержка в прессе с момента достижения температуры 105°С составляет 4 - 6 мин на 1 мм толщины готового изделия.

Крупногабаритные изделия и элементы некоторых конструкций изготовляют методом намотки, вакуумформованием или формованием в автоклаве. Асботекстолиты можно подвергать всем основным видам механической обработки.

Свойства и применение асботекстолитав. Асботекстолиты отличаются высокой теплостойкостью, но диэлектрические показатели у них значительно ниже, чем у других слоистых пластиков.

Основная область применения асботекстолитов – панели устройств, работающих при низких напряжениях, тормозные колодки, диски, прокладки, детали турбогенераторов. Крупногабаритные асботекстолитовые детали находят широкое применение в ракетной и авиационной технике для внутренней и внешней теплозащиты головных частей баллистических ракет, корпусов и днищ ракетных двигателей, теплоизоляции различных элементов конструкции (при очень высоких температурах и больших скоростях тепловых потоков асботекстолиты подвергаются абляции, обеспечивая тем самым тепловую защиту находящихся под ним элементов конструкции).

Гетинаксы относят к группе слоистых пластиков, так как они представляют собой пресс-материалы, изготавливаемые из бумаги, пропитанной феноло-, крезоло-, меламино- или ксиленолоформальдегидными олигомерами или их смесями, реже – эпоксидно-феноло-анилино-формальдегидными и мочевино-формальдегидными смолами.

Состав. Для пропитки бумаги используют те же связующие, что и для текстолитов. Содержание связующего в пропитанной бумаге в зависимости от ее назначения может изменятся в широких пределах: 38 - 68%.

Для изготовления гетинаксов электротехнического назначения применяют бумагу из сульфатной целлюлозы (она обладает меньшей кислотностью, более высокой термостабильностью и большей прочностью, чем бумага из сульфитной целлюлозы) или сульфитно-тряпичную бумагу. Декоративный гетинакс получают из бумаги на основе сульфитной целлюлозы или смеси сульфитной и хлопковой целлюлоз. Для изготовления плиточного материала применяют более впитывающую, так называемую пропиточную бумагу, а для производства намоточных изделий (труб, цилиндров) – менее впитывающую, так называемую намоточную бумагу. Иногда гетинакс облицовывают хлопчатобумажными, стеклянными или асбестовыми тканями; фольгируют красномедной электролитической фольгой.

Получение гетинаксов. Для получения листового гетинакса бумагу пропитывают спиртовым или водно-спиртовым раствором связующего (так называемый лаковый метод). Пропитка осуществляется на горизонтальных пропиточно-сушильных машинах, что связано с низкой прочностью бумаги во влажном состоянии. Полученные листы сушат, режут, собирают в пакеты и прессуют. Прессование пропитанной бумаги не отличается от прессования пропитанной ткани, но поскольку бумага обладает меньшей хрупкостью, допускаются более высокие давления – 10 – 15 МН/м² (100 – 150 кгс/см²), время выдержки 4 – 5 мин на 1мм толщины готового гетинакса, температура 150 – 160ºС.

Технология изготовления намоточных изделий из лакированной бумаги, имеющей слой связующего только с одной стороны, несколько отличается от технологии производства прессовочных материалов: пройдя через систему валков (140 – 160 ºС) намоточного станка, бумага наматывается на металлическую оправку; смола при этом плавится и склеивает слои бумаги. Готовые изделия подвергают термообработке (130 – 140ºС в течение 2 – 24 ч в зависимости от толщины изделия), после чего их снимают с оправок с помощью волочильного стана и дополнительно лакируют бакелитовым лаком.

Гетинаксы хорошо поддаются механической обработке: сверлению, фрезерованию, распиловке, штамповке, обтачиванию.

Свойства и применение гетинаксов. Гетинаксы хорошо противостоят действию жиров и минеральных масел, но не стойки к действию сильных кислот и особенно щелочей. Уксусная, соляная и фосфорная кислоты оказывают на них слабое действие.

Диэлектрические свойства гетинаксов сильно зависят от влажности окружающей среды, поэтому во избежание значительного снижения электрического сопротивления детали из гетинаксов после механической обработки обязательно лакируют.

Гетинаксы широко применяют в качестве электроизоляционного материала для длительной работы при температурах от -65 до 105 ºС, а также используют в производстве электромашин, телефонной аппаратуры, как высоковольтную изоляцию в трансформаторах и других аппаратах, для изготовления деталей программных и счетно-решающих устройств, в радиотехнике и т.п. Из фольгированного гетинакса изготовляют печатные схемы. Намоточные изделия применяют для изготовления каркасов катушек индуктивности, высокочастотных контуров и др. Декоративный гетинакс используют для облицовки мебели, в судостроении, в строительстве.

Древесные пластики – материалы на основе древесины, подвергнутой термической обработке под давлением (пластификации). Древесные пластики делятся на: 1) древесину прессованную (пластифицированную); 2) древесную пресскрошку; 3) древесные плиты (древесно-волокнистые и древесно-стружечные); 4) древесно-слоистые пластики.

Древесина прессованная (пластифицированная) – материал, полученный уплотнением натуральной древесины 10%-ной влажности (чаще всего березы, реже – бука, граба, клена и др.) при давлении 150 – 300 кгс/см² и температуре 140 – 150 ºС. Пластифицированная древесина (лигностон) имеет более высокие, чем натуральная древесина, физико-механические свойства: высокую ударную прочность, пластичность, низкое водопоглощение.

В зависимости от направления прессования различают следующие виды уплотнения: контурное, поперечное и уплотнение торцовым гнутьем с прессованием. Выпускают пластифицированную древесину в виде досок, брусков и плит, цилиндров и втулок. Применяют её для изготовления деталей машин, работающих при ударных нагрузках (детали ткацких станков, шестерни, шары в мельницах и др.), а также антифрикционных деталей (втулки и вкладыши подшипников).

Древесная пресскрошка – материал, состоящий из частиц древесного шпона (чаще всего березовый шпон) лиственных пород или его отходов, пропитанных растворами резольных водноэмульсионных или спирторастворимых феноло-формальдегидных смол.

Изделия из пресскрошки стойки к уксусной кислоте (ледяной, технической), разбавленной муравьиной и серной кислотам, соляной кислоте, этилацетату, бутилацетату, метиловому спирту, минеральному маслу, нестойки в окислительных и щелочных средах.

Применяют древесную пресскрошку для изготовления деталей, к которым предъявляют требования высокой механической прочности, химстойкости, а также хороших антифрикционных свойств. Поэтому из неё изготавливают вкладыши и втулки подшипников, зубчатые колеса, кабельные муфты, электроизоляционные детали, колпачки ректификационных колонн, шестерни ровничных машин и т. п.

Древесные плиты. Древесно-волокнистые плиты (ДВП)изготавливают, размалывая древесину на волокна с последующим формованием влажного полотна на отливочных машинах.

При производстве тепло- и звукоизоляционных плит отрезки влажного полотна высушивают в роликовой сушилке, а при производстве изоляционно-отделочных – прессуют в этажных гидравлических прессах при давлении 3,5 – 5 МН/м² (35 – 50 кгс/см²) и температуре 160ºС. Для придания плитам водостойкости в массу перед подачей ее на отливочную машину вводят водноэмульсионные феноло-формальдегидные смолы
(5 – 10% от массы волокна), парафиновые и другие эмульсии, а также осадители (сернокислый алюминий).

Плиты легко окрашиваются разнообразными эмалями и склеиваются с древесиной, отделочными слоистыми пластиками и др.

Древесно-волокнистые плиты выпускают длиной 1200 – 3600 мм, шириной 1000 – 1800 мм и толщиной 3 – 25 мм. Применяют в строительстве (для перегородок, полов, облицовки стен и др.).

Древесно-стружечные плиты (ДСП) получают прессованием древесной стружки, смешанной с резольной феноло-формальдегидной или мочевино-формальдегидной смолой (10 – 15% от массы стружки), при давлении 0,5 – 2 МН/м² (5 – 20 кгс/см²) и температуре 135 – 140°С. В смесь до прессования вводят гидрофобизирующие (парафиновые эмульсии), антисептические и другие добавки.

Древесно-стружечные плиты выпускают длиной 3600, шириной 1800 и толщиной 6 – 75 мм. Плиты могут быть облицованы древесным шпоном, декоративным пластиком, синтетическими пленками и др.; они хорошо поддаются механической обработке инструментами из твердых сплавов.

В отличие от древесины (анизотропного материала), древесно-стру­жечные плиты однородны по свойствам в любом направлении в плоскости плиты. Основные области использования плит – мебельное производство, вагоностроение и строительство.

Древесно-слоистые пластики (ДСП) представляют собой плиты или тонкие листы, изготовляемые горячим прессованием лущеного древесного шпона, пропитанного полимерным связующим.

В качестве наполнителя в производстве древесно-слоистых пластиков используют березовый или буковый шпон. Связующими служат водно-спиртовые растворы феноло- или крезоло-формальдегидных олигомеров.

Технология получения ДСП. Технологический процесс производства ДСП состоит из подготовки шпона, приготовления связующих и пропиточных растворов, пропитки шпона, его сушки, сборки и прессования пакетов.

После сушки пропитанный шпон резко изменяет свои свойства. Его плотность и прочность при растяжении увеличиваются в 1,5 - 2 раза. Пропитку шпона проводят в ваннах окунанием или в автоклавах, а сушку – в секционных сушилках. Содержание связующего в высушенном шпоне составляет 16 – 25%. Пропитанный шпон собирают в пакеты и прессуют в многоэтажных прессах с паровым обогревом. Сначала создают давление
2,5 – 3,0 МН/м² (25 – 30 кгс/см²), затем повышают температуру до
140 – 150ºС, а давление – до 15 МН/м² (150 кгс/см²). Этот момент считается началом выдержки, продолжительность которой определяется из расчета 3 – 5 мин на 1 мм толщины прессуемого материала.

Изготавливают древесно-слоистые пластики в виде коротких (750 – 1500 мм) или длинных (1500 – 5000 мм) листов и плит шириной 800 – 1200 мм и толщиной 1 – 60 мм.

Свойства и переработка. Химическая стойкость ДСП не очень высока, но значительно выше, чем натуральной древесины. Они стойки в уксусном альдегиде, трансформаторном масле, моторном топливе, бутиловом спирте, техническом эфире; относительно стойки в жидком стекле, 10%-ном растворе кальцинированной соды; нестойки в окислительных средах, сильных кислотах и щелочах, а также в спиртах при кипении.

ДСП обладают хорошими антифрикционными свойствами: в ряде случаев они с успехом заменяют высокооловянистую бронзу, баббит, текстолит. Они могут работать в паре со сталью (в том числе нержавеющей), чугуном, латунью и др.

К недостаткам ДСП следует отнести способность поглощать воду (до 3% в течение суток) и набухать.

Перерабатывают ДСП в изделия механической обработкой ― распиливанием, фрезерованием, точением, строганием, сверлением. При этом используют обычные станки с применением инструментов из быстрорежущей стали или твердого сплава.

Применение. ДСПприменяют в качестве конструкционного и антифрикционного материала в машино-, самолето- и судостроении, на железнодорожном транспорте, в электротехнической промышленности в качестве электроизоляционного материала для изготовления деталей аппаратуры высокого напряжения. Из них изготавливают вкладыши подшипников, шестерни, фрикционные шкивы, втулки небольшого диаметра и другие изделия.

Разновидности ДСП: балинит- получают прессованием пропитанного феноло-формальдегидной смолой шпона, предварительно обработанного 3 -5 %-ным раствором NaOH при 70 - 80 °С; арктилит- состоит из слоев березового шпона, чередующегося со слоями хлопчатобумажной ткани и металлической сетки. Все слои пропитаны резольной феноло-формальдегидной смолой.

За рубежом ДСП известны под названиями компрег (США), гидулигнум (Англия), лигнофоль (Германия) и др.

Газонаполненные фенопласты

К газонаполненным фенопластам относятся ячеистые или пенистые материалы (пенофенопласты) и сотовые материалы (сотофенопласты) на основе феноло-альдегидных смол.

Пенофенопласты – композиционные материалы, в которых газ заполняет несообщающиеся между собой макро- или микроскопические полости (ячейки), образовавшиеся в результате вспенивания исходного сырья.

Состав. Пенофенопласты получают главным образом на основе феноло-формальдегидных олигомеров новолачного и резольного типа; реже - феноло-анилино-формальдегидных смол резольного типа.

Вспенивающим агентом обычно служит 2,2’-азо-бис-изобутиронит­рил (порофор N), легкокипящие жидкости (четыреххлористый углерод, фреоны, н-пентан) или тонкодисперсные порошки алюминия и магния в сочетании с кислотами.

Отвердителем новолачных смол является гексаметилентетрамин. Резольные смолы отверждаются при нагревании или в присутствии катализаторов. В композицию для получения пенопластов вводят также поверхностно-активные вещества, антипирены, наполнители (стекловолокно, алюминиевая пудра, высокодисперсный асбест, перлит и др.). Последние обычно используют для повышения теплостойкости новолачных пенопластов. Снижение хрупкости пенофенопластов добиваются введением в состав композиции бутадиен-нитрильного каучука, для вулканизации которого используют серу.

Технология получения и переработки. Пенофенопласты можно получать всеми методами, применяемыми в производстве пенопластов. Наиболее распространены вспенивание с помощью газообразователей, легкокипящих жидкостей и газов, выделяющихся при взаимодействии исходных компанентов. Выбор метода получения пенофенопластов в значительной степени определяется агрегатным состоянием исходной композиции.

При получении пенофенопластов из растворов и эмульсий (так называемых заливочных пенопластов) компоненты смешивают и заливают в специальные формы или во внутреннюю полость изделия. Вспенивание указанными выше способами идет в течение нескольких минут при комнатной температуре и атмосферном давлении, что позволяет реализовать непрерывные, полностью автоматизированные процессы формования.

Технологический процесс изготовления пенопластов на основе порошкообразных новолачных олигомеров состоит из следующих основных стадий: приготовление смеси компонентов (олигомер, порофор, катализатор отверждения) на шаровой мельнице в течение 2 – 12 час. и получение пенопласта путем расплавления и вспенивания за счет разложения органических газообразователей (порофоров). Фиксирование образовавшейся структуры осуществляют за счет термообработки вспененного расплава, содержащего катализатор отверждения, чаще всего уротропин (гексаметилентетрамин).

Если в состав пенопласта вводят бутадиен-нитрильный каучук, тогда смесь порошкообразных компонентов вводят на вальцах в предварительно пластицированный каучук. Полученный полуфабрикат в виде плёнки или прутков дробят на мелкие частицы, которые затем загружают в форму для вспенивания.

Сущность процессов получения пенопластов на основе новолачных олигомеров заключается в следующем. На первом этапе при 80 – 90°С происходит размягчение связующего (переход в вязкотекучее состояние), сопровождающееся некоторым уменьшениемобщего объема и оплавлением полуфабриката. Конец этого этапа соответствует началу разложения газообразователя, которое происходит в интервале температур 90 – 110°С. В этом температурном интервале размягченная масса вспенивается и заполняет заданный объём.

На следующем этапе температуру повышают до 150 – 200 °С для придания пенопласту стабильных химических и физико-механических свойств. Затем материал выдерживают при этой температуре. Во время выдержки происходит отверждение олигомера и вулканизация продукта. Продолжительность выдержки зависит от толщины слоя пеноматериала, содержания отверждающих добавок и условий термообработки. Рецептуры пенопластов на основе новолачных олигомеров и продуктов их совмещения с каучуком приведены ниже (в масс. ч.):

Из резольных олигомеров пенопласты получают путем совмещения процесса отверждения, который проводят при нагревании или в присутствии кислотных катализаторов с процессом газообразования. В качестве вспенивающего агента используют твердые вещества, выделяющие газы при взаимодействии с кислотами (например, бикарбонат натрия), или низкокипящие углеводороды (н-пентан, фреоны и др.). В последнем случае вспенивание происходит за счет тепла, выделяющегося при отверждении олигомеров.

Резольные пенопласты получают с кажущейся плотностью 30 – 200 кг/м³ (0,03 – 0,2 г/см³). Они отличаются хрупкостью, для снижения которой в состав композиций вводят термопластичные полимеры (поливинилацетатная эмульсия, поливиниловый спирт, поливинилбутираль). Для получения высокопрочных пенопластов добавляют нитриты металлов и амины: анилин, метиламин, диметиламин, гексаметилендиамин, карбамид. При взаимодействии этих веществ с нитритами выделяются азот и кислота, способствующие одновременно и вспениванию массы, и отверждению олигомера.

Свойства и применение пенофенопластов. Большинство пенофенопластов – жесткие газонаполненные материалы со смешанной структурой ячеек; однако существуют и такие, в которых количество замкнутых или открытых ячеек приближается к 100%.

Свойства пенофенопластов зависят от их структуры и кажущейся плотности и изменяются в зависимости от температуры эксплуатации. Вспененные материалы на основе феноло-формальдегидных олигомеров не отличаются от монолитных фенопластов по химстойкости, но обладают большей легкостью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами (см. табл 3.23).

Недостатком пенофенопластов является сравнительно низкая прочность при динамических нагрузках (ударная вязкость), которую пытаются преодолеть, модифицируя исходные фенольные смолы полиуретанами, каучуками и латексами, эпоксидными смолами, поливиниловым спиртом и его производными.

Выпускаются пенопласты в виде плит, листов и изделий разнообразных размеров и конфигураций. Благодаря способности сохранять форму как в области низких (до –200°С), так и высоких температур (в отсутствие контакта с воздухом до 350°С для ненаполненных пенопластов и до 500°С - для пенофенопластов, наполненных алюминиевой пудрой), а также сравнительно невысокой стоимости пенофенопласты находят самое широкое применение в судостроении, радиотехнической промышленности и строительстве.

Таблица 3.23.