Materiale polimerice şi compozite

Transcript

1 Materiale polimerice şi compozite Curs 9: - Răşini polibutadienice - Matrici termoplastice Răşini polibutadienice - polimeri termoreactivi ce prezintă excelente proprietăţi dielectrice şi chimice, temperatură ridicată de deformare, adsorbţie scăzută de apă - amestec de 1,2-polibutadienă cu masă moleculară joasă şi 1,4- polibutadienă - obţinute pentru prima dată în prelucrarea acestor răşini se realizează prin compresie, transfer, injecţie - se livrează ca soluţie în solvenţi reactivi sau nereactivi (n-heptan) - reticulare cu catalizatori peroxidici 1

2 Răşini polibutadienice - 1,2-polibutadiena are o reactivitate mare datorată grupelor vinilice legate pe lanţ, în timp ce 1,4-polibutadiena are o reactivitate scăzută datorită prezenţei dublelor legături în catena polimeră de bază CH CH 2 CH n CH 2 CH CH CH 2 n CH 2 1,2-polibutadiena 1,4-polibutadiena - răşinile cu conţinut mare de 1,2-polibutadiena se reticulează mai rapid şi în condiţii mai blânde matrici termoreactive - amestecurile cu un conţinut mai mare de 1,4-polibutadienă se utilizează de obicei la obţinerea materialelor elastomerice Răşini polibutadienice - nu au nuclee aromatice (sau conţinut foarte mic) constantă dielectrică scăzută, rezistenţă chimică excelentă - nu au grupări esterice (precum RPN, RVE) hidrofobicitate, rezistenţă la atacul acizilor sau bazelor - proprietăţi mecanice inferioare răşinilor epoxidice - compozitele pe bază de polibutadienă se folosesc în principal în telecomunicaţii, la construcţia cupolelor transparente pentru antene de radiolocaţie 2

3 Răşini polibutadienice Grosimea peretelui cupolei pentru antenele de radiolocaţie este o funcţie de constanta dielectrică şi de lungimea de undă la care se operează: n 0 d 2 E 2 sin 1 2 în care: d grosimea peretelui cupolei; E constanta dielectrică; unghiul de incidenţă; 0 lungimea de undă; n număr întreg mai mare sau egal cu 0 (n=0 pentru pereţi subţiri; n=1 pentru pereţi cu grosimea /2). Răşini polibutadienice - frecvenţe înalte ( mic) MC pe bază de răşini epoxidice armate cu fibre de sticlă nu pot fi utilizate (constantă dielectrică foarte ridicată 4,5-5,0) grosimi foarte mici probleme referitoare la rezistenţa la şoc şi la eroziunea puternică pe care o exercită ploile asupra construcţiei propriu-zise. - răşini polibutadienice (armate cu fibre Kevlar) grosime rezonabilă a peretelui cupolei, stabile pe un interval larg de temperaturi, chiar după o expunere într-o atmosferă foarte umedă. 3

4 Matrici termoreactive - dezavantaje - timp de viaţă limitat posibilitatea reticulării în timpul stocării necesitatea stocării răşinilor polimerice şi a semifabricatelor (materiale preimpregnate) la temperaturi scăzute - cicluri lungi de formare, datorită timpilor de reticulare corespunzători atingerii gradului de întărire şi a rezistenţei finale - polimerul (compozitul) final rezultă în urma procesului de întărire în matriţă a reactanţilor iniţiali este exclus un control riguros al procesului de formare probleme de reproductibilitate în obţinerea polimerului final cu caracteristici dorite Matrici termoreactive - dezavantaje - procesul de întărire poate fi însoţit de eliminarea unor compuşi cu moleculă mică, volatili defecte sructurale în produşii finali (bule) - deşeurile de fabricaţie şi bavurile nu sunt recuperabile / nu pot fi distruse prin incinerare sau prin alte metode probleme ecologice. - după terminarea ciclului de viaţă al produsului final reticulat polimerul (materialul compozit) nu poate fi reciclat 4

5 Matrici termoplastice - avantaje - timp de viaţă indefinit / nu necesită condiţii speciale de stocare - polimerul utilizat în calitate de matrice se sintetizează anterior fabricării compozitului se pot controla caracterisiticile acestuia - întărirea finală are loc ca urmare a unui proces fizic (solidificarea topiturii) şi nu printr-un proces chimic nu rezultă compuşi cu moleculă mică nu apar pori - ciclul de formare foarte scurt prelucrarea are loc pe maşini de mare productivitate (maşini de injecţie, extrudere etc.), în forme foarte complicate rezultă piese finite ce nu necesită finisări ulterioare. - deşeurile de fabricaţie şi bavurile sunt recuperabile şi reciclabile Matrici termoplastice Dezavantajele utilizării matricilor polimerice termoplastice - termostabilitate mai redusă - modificarea proprietăţilor în timp (oboseală, fisuri) Polimeri termoplastici ce pot fi utilizaţi în calitate de matrice pentru MC: - polimeri cu performanţe medii (polietilena, polipropena, polistirenul şi copolimerii săi, policlorura de vinil) - polimeri cu performante înalte, dar cu termostabilitate redusă (poliacetalii, poliamidele, policarbonaţii, poliesterii saturaţi) - polimeri termostabili cu performanţe ridicate (exemple prezentate în continuare) 5

6 Poli(eter-eter) cetone (PEEK) C n - excelentă inerţie chimică, atacată de acizi - bune proprietăţi mecanice ce se păstrează şi la temperaturi ridicate - bună comportare la flacără - excelente proprietăţi dielectrice în condiţii severe de exploatare (temperaturi ridicate, agenţi chimici foarte agresivi) - unul dintre cei mai scumpi polimeri termoplastici Poli(eter-eter) cetone (PEEK) Aplicaţii: - aeronautică piese pentru motoare, materiale pentru cabinele interioare, conducte pentru aer, părţi exterioare nestructurale - izolarea cablurilor în electrotehnică şi electronică - componente de pompe pentru industria chimică - componente ptr pompe UHV (Ultra High Vacuum 10-7 Pa) pentru aparatura electronică necesară diferitelor metode de analiză performante - acoperiri anticorozive etc. - biomaterial poate fi folosit pentru implanturi - materiale compozite armate cu fibre de sticlă sau carbon. 6

7 Polifenilensulfura (PPS) atm + n Cl Cl + n Na 2 S C - obţinut în laborator 1947 / producţia industrială polimer opac - insolubil în toţi solvenţii până la 200 C - bune proprietăţi mecanice, în special MC armate cu fibre de sticlă - excelente proprietăţi dielectrice - inerţie chimică ridicată - rezistenţă la radiaţii UV - bună comportare la flacără - bună stabilitate termică poate fi utilizat timp îndelungat la 220 C / degradarea termică începe la 247 C S n Utilizări: Polifenilensulfura (PPS) - materiale compozite armate cu fibre de sticlă sau cu fibre de azbest - corpuri de pompe, vane, compresoare, racorduri etc. în special pentru rafinării şi instalaţii petrochimice - repere pentru submarine şi nave maritime datorită rezistenţei deosebite la acţiunea apei de mare - în electrotehnică şi electronică dulii, fasunguri, prize, perii colectoare pentru motoare, circuite integrate, condensatoare încapsulate - diferite repere în industria de automobile, aeronautică, tehnică militară, echipamente sportive etc. - fibre haine rezistente la flacără - membrane de filtrare 7

8 Polisulfone (PSU) CH 3 C S CH 3 n - polimer rigid, transparent - bune proprietăţi mecanice (exceptând rezisenţa la şoc Izod) - este considerat un înlocuitor superior pentru policarbonat - proprietăţile mecanice se păstrează pe intervalul C - bune proprietăţi dielectrice - excelentă rezistenţă la hidroliză (superior policarbonaţilor, poliesterilor) - rezistenţă chimică ridicată la acţiunea soluţiilor de săruri şi acizi minerali - solubil în solvenţi cloruraţi, hidrocarburi aromatice, cetone - slabă rezistenţă la factorii de mediu fisuri, crăpături Polisulfone (PSU) Prelucrare: - prin injecţie, extrudere, termoformare sub vacuum sau sub presiune Utilizări: - piese, ustensile pentru medicină şi industria alimentară (datorită posibilităţilor de spălare şi sterilizare cu apă fierbinte) - industria electronică - circuite imprimate, conectoare, dielectric în condensatori - membrane de filtrare (dimensiunea porilor până la 0,2 μm) - membrane cu pori de până la 40 nm (hemodializă, recuperarea apelor uzate) 8

9 Polietersulfone (PSU) S 2 Cl Solvent polar Acid Lewis S n + (n-1) HCl - polimer transparent - rezistenţe termice şi mecanice ridicate (datorate grupelor sulfonice) - bună prelucrabilitate pe echipamente convenţionale, la temperaturi moderate (datorită grupelor eterice conferă mobilitate catenelor) - stabilitate termică şi dimensională ridicată pot fi utilizate timp îndelungat la temperaturi de 180 C şi timp scurt până la C - bune proprietăţi electrice într-un interval larg de temperatură (de la - 75 C până la 200 C) Polietersulfone (PSU) - rezistenţe ridicate la şoc - rezistenţă chimică (solvenţi, uleiuri, acizi şi baze) - solubile în solvenţi polari - bună comportare la flacără - slabă rezistenţă la agenţii de mediu (nerecomandat pentru utilizare în exterior) - prezintă o uşoară absorbţie de apă 9

10 Polietersulfone (PSU) Prelucrare: - prin injecţie, suflare, extrudere, formare sub vacuum la temperaturi între C. Utilizări: - filme, pelicule pentru impregnarea fibrelor de sticlă şi carbon sau pentru acoperiri anticorozive - sunt utilizate singure sau armate cu fibre de sticlă sau carbon în industriile electrotehnică şi electronică, automobile, tehnică aerospaţială, medicină, hidraulică şi bunuri de larg consum. Poliarilsulfone (PAS) S n - rezistenţă termică remarcabilă - înaltă rezistenţă la şoc - transparenţă - rezistenţă superioară la hidroliză - solubile în solvenţi organici (ex: clorura de metilen) - rezistenţă scăzută la esteri, cetone şi hidrocarburi aromatice apariţia de crăpături în obiectele finite Prelucrare şi utilizări - similar cu PSU şi PES. 10

11 Polibenzimidazoli (PBI) N C N H H N C N - tehnopolimeri speciali se obţin şi se prelucrează ca un material termoplastic proprietăţile finale corespund unui polimer tridimensional material pseudotermoplastic - nu se topeşte în timpul procesului de încălzire are loc reticularea, similar polimerilor termoreactivi. - proprietăţi mecanice excelente, rezistenţele la tracţiune, flexiune şi compresie fiiind superioare tuturor materialelor termoplastice şi termoreactive cunoscute - bună rezistenţă la abraziune n Polibenzimidazoli (PBI) - proprietăţile electrice ale polimerilor reticulaţi sunt excelente puternic influenţate de absorbţia de apă, motiv pentru care nu sunt recomandaţi în aplicaţii electrice în calitate de izolatori. - stabilitatea dimesională excelentă, putând fi utilizaţi perioade lungi până la 425 C, perioade scurte de timp la 740 C valori superioare tuturor celorlalte materiale plastice cunoscute - rezistenţă ridicată la acţiunea hidrocarburilor alifatice şi aromatice, a solvenţilor cloruraţi, esterilor, cetonelor, acizilor organici şi amidelor - uşor degradaţi sub acţiunea solvenţilor polari şi a soluţiilor apoase ale acizilor tari 11

12 Polibenzimidazoli (PBI) Prelucrarea numai prin tehnica sinterizării la temperaturi şi presiuni ridicate. Domenii de utilizare: - chimie şi petrochimie - tehnică aerospaţială şi militară - mecanică, transporturi - electric şi geotermal etc. În toate aceste domenii, PBI constituie un înlocuitor ideal pentru metale şi alte materiale plastice. 12