Termohärdande polymermatris

En värmehärdande polymermatris är en syntetisk polymerförstärkning där polymerer fungerar som bindemedel eller matris för att säkra på plats inkorporerade partiklar, fibrer eller andra förstärkningar. De utvecklades först för strukturella applikationer, som glasförstärkta plastradarkupoler på flygplan och dörrar för nyttolast i grafit - epoxi på rymdfärjan .

De användes först efter andra världskriget , och fortsatt forskning har lett till ett ökat utbud av härdplaster , polymerer eller plaster, såväl som termoplaster av teknisk kvalitet. De har alla utvecklats för användning vid tillverkning av polymerkompositer med förbättrade och långsiktiga servicemöjligheter. Termohärdande polymermatristeknologier finner också användning i en mängd olika icke-strukturella industriella tillämpningar.

De främsta typerna av värmehärdande polymerer som används i strukturella kompositer är bensoxazinhartser , bis-maleimidhartser (BMI), cyanatesterhartser, epoxi(epoxid)hartser, fenolhartser (PF), omättade polyesterhartser (UP), polyimider, polyuretan (PUR). ) hartser, silikoner och vinylestrar .

Bensoxazinhartser

Huvudartikel: Benzoxazine resin

Dessa tillverkas genom reaktion av fenoler, formaldehyd och primära aminer som vid förhöjda temperaturer (400 °F (200 °C)) genomgår ringöppnande polymerisation och bildar härdplastnätverk av polybensoxazin; när de hybridiseras med epoxi- och fenolhartser har de resulterande ternära systemen glasövergångstemperaturer som överstiger 490 °F (250 °C).

Bensoxazinharts syntetisk väg, struktur och härdningsmekanism

Härdning kännetecknas av expansion snarare än krympning och användningsområden inkluderar strukturella prepregs , flytande formning och filmlim för kompositkonstruktion, limning och reparation. Det höga aromatiska innehållet i polymererna med hög molekylvikt ger förbättrad mekanisk och antändbar prestanda jämfört med epoxi- och fenolhartser.

Bis-maleimider (BMI)

Huvudartikel: Maleimid

Bildas genom kondensationsreaktionen av en diamin med maleinsyraanhydrid , och bearbetas i princip som epoxihartser (350 °F (177 °C) härdning). Efter en förhöjd efterhärdning (450 °F (232 °C)) kommer de att uppvisa överlägsna egenskaper. Dessa egenskaper påverkas av en kontinuerlig användningstemperatur på 400-450 °F (204-232 °C) och en glasövergång på 500 °F (260 °C).

Syntetisk väg och struktur för bismaleimidharts

Denna härdplastpolymertyp slås samman till kompositer som en prepreg -matris som används i elektriska tryckta kretskort och för storskaliga strukturella flygplan – kompositstrukturer för flyg- och rymdfarkoster , etc. Den används också som beläggningsmaterial och som matris för glasförstärkta rör, särskilt i höga temperaturer och kemiska miljöer.

Cyanatesterhartser

Huvudartikel: Cyanatester

Reaktionen av bisfenoler eller multifunktionella fenolnovolackhartser med cyanogenbromid eller klorid leder till cyanatfunktionella monomerer som kan omvandlas på ett kontrollerat sätt till cyanatesterfunktionella prepolymerhartser genom kedjeförlängning eller sampolymerisation. Vid efterhärdning polymeriseras all återstående cyanatesterfunktionalitet genom cyklotrimerisering, vilket leder till tätt tvärbundna polycyanuratnätverk med hög termisk stabilitet och glasövergångstemperaturer upp till 752 °F (400 °C) och våtvärmestabilitet upp till cirka 400 °F (200 °C) .

Cyanatestermonomer, prepolymer och polycyanuratstrukturer

Prepregs av cyanatesterharts kombinerar polyimiders högtemperaturstabilitet med fenolernas flam- och brandbeständighet och används vid tillverkning av strukturella kompositkomponenter för flyg- och rymdfart som uppfyller brandskyddsföreskrifter gällande brandbarhet, rökdensitet och toxicitet. Andra användningsområden inkluderar filmlim, ytfilmer och 3D-utskrift .

Epoxi (epoxid) hartser

Huvudartikel: Epoxi

Epoxihartser är värmehärdande prepolymerer gjorda antingen genom reaktion av epiklorhydrin med hydroxylfunktionella aromater, cykloalifatiska och alifatiska eller aminfunktionella aromater, eller genom oxidation av omättade cykloalifater. Diglycidyletrarna av bisfenol-A (DGEBA) och bisfenol-F (DGEBF) är de mest använda på grund av deras karakteristiska höga vidhäftning, mekaniska hållfasthet, värme- och korrosionsbeständighet. Epoxidfunktionella hartser och prepolymerer härdar genom polyaddition/sampolymerisation eller homopolymerisation beroende på valet av tvärbindare, härdare, härdare eller katalysator samt av temperaturen.

Diglycidyleter av bisfenol-A epoxihartsstruktur

Epoxiharts används i stor utsträckning i många formuleringar och former inom flyg- och rymdindustrin. Det betraktas som "arbetshästen av moderna kompositer". Under de senaste åren har epoxiformuleringarna som används i kompositprepregs finjusterats för att förbättra deras seghet, slaghållfasthet och motståndskraft mot fuktabsorption. Maximala egenskaper har uppnåtts för denna polymer.

Detta används inte bara i efterfrågan på flygplan och rymd. Det används i militära och kommersiella applikationer och används även i konstruktion. Epoxiarmerad betong och glasarmerad och kolarmerad epoxikonstruktion används i byggnads- och brokonstruktioner.

Epoxikompositer har följande egenskaper:

  • Höghållfast glasfiberförstärkt
  • Relativ densitet 1,6-2,0
  • Smälttemperatur (°C)
  • Termohärdande bearbetningsområde (°F) C:300-330,I=280-380
  • Formtryck 1-5
  • Krympning 0,001-0,008
  • Draghållfasthet (psi) 5 000-20 000
  • Tryckhållfasthet (psi) 18 000-40 000
  • Böjhållfasthet (psi) 8 000-30 000
  • Izod slaghållfasthet (ft·lb/in) 0,3-10,0
  • Linjär expansion (10 −6 tum/tum/°C) 11-50
  • Hårdhet Rockwell M100-112
  • Brandfarlighet V-0
  • Vattenabsorption 24h (%) 0,04-0,20

Epoxiphenol Novolac (EPN) och Epoxy Cresol Novolac (ECN) hartser tillverkade genom att reagera epiklorhydrin med multifunktionella fenolnovolack- eller kresolnovolackhartser har fler reaktiva ställen jämfört med DGEBF-epoxihartser och resulterar vid härdning i härdplaster med högre tvärbindningsdensitet. De används vid laminering av tryckt tråd/kretskort och även för elektrisk inkapsling, lim och beläggningar för metall där det finns ett behov av att ge skydd mot korrosion, erosion eller kemiska angrepp vid höga kontinuerliga driftstemperaturer.

Epoxifenol novolackhartsstruktur

Fenolhartser (PF).

Huvudartikel: Fenolformaldehydharts

Det finns två typer av fenolhartser - novolacker och resoler. Novolacs tillverkas med sura katalysatorer och ett molförhållande mellan formaldehyd och fenol på mindre än ett för att ge metylenkopplade fenoliska oligomerer; resoler tillverkas med alkaliska katalysatorer och ett molförhållande mellan formaldehyd och fenol som är större än ett för att ge fenoliska oligomerer med metylen- och bensyliska eterbundna fenolenheter.

Novolac fenolhartsstruktur
Resols fenolhartsstruktur

Fenolhartser, som ursprungligen utvecklades i slutet av 1800-talet och betraktas som de första verkligt syntetiska polymertyperna, kallas ofta för "härdplastens arbetshäst". De kännetecknas av hög bindningsstyrka, dimensionsstabilitet och krypmotstånd vid förhöjda temperaturer, och kombineras ofta med samhärdande hartser som epoxi.

Allmänna gjutmassar , tekniska gjutmassor och plåtformningsmassa är de primära formerna av fenolkompositer. Fenoler används också som matrisbindemedel med bikakekärna. Fenoler finner användning i många elektriska applikationer såsom brytboxar , bromsbeläggmaterial och nu senast i kombination med olika förstärkningar i formningen av en motorblockhuvudenhet, kallad polimotor . Fenoler kan bearbetas med olika vanliga tekniker, inklusive kompression, överföring och formsprutning .

Egenskaper hos fenolkompositer har följande egenskaper:

  • Höghållfast glasfiberförstärkt
  • Relativ densitet 1,69-2,0
  • Vattenabsorption 24h(%) 0,03-1,2
  • Smälttemperatur (◦c)
  • Termoset Processing Range (◦F) C:300-380 I:330-390
  • Formtryck I-20
  • Krympning 0,001-0,004
  • Draghållfasthet (psi) 7000-18000
  • Kompressionsstyrka (psi) 16 000-70 000
  • Böjstyrka (psi)12 000-60 000
  • Izod Slaghållfasthet (ft-lb/in) 0,5-18,0
  • Linjär expansion (10−6 tum/tum/°C) 8-21
  • Hårdhet Rockwell E54-101
  • Brandfarlighet V-0

Polyesterhartser

Huvudartikel: Polyesterharts

Omättade polyesterhartser är en extremt mångsidig och ganska billig klass av värmehärdande polymerer som bildas genom polykondensation av glykolblandningar som ofta innehåller propylenglykol , med en dibasisk syra och anhydrider vanligtvis maleinsyraanhydrid för att ge ryggradsomättnad som behövs för tvärbindning, och ftalsyraanhydrid , isoftalsyra eller tereftalsyra där överlägsna strukturella och korrosionsbeständighetsegenskaper krävs. Polyesterhartser späds/löses rutinmässigt i en vinylfunktionell monomer såsom styren och inkluderar en inhibitor för att stabilisera hartset för lagringsändamål. Polymerisation under drift initieras av fria radikaler som genereras från joniserande strålning eller av fotolytisk eller termisk nedbrytning av en radikalinitiator. Organiska peroxider , såsom metyletylketonperoxid och hjälpacceleratorer som främjar nedbrytning för att bilda radikaler, kombineras med hartset för att initiera en rumstemperaturhärdning.

Syntetisk väg och struktur av omättad polyesterharts

I flytande tillstånd kan omättade polyesterhartser bearbetas med ett flertal metoder, inklusive Hand Layup, vakuumpåsformning och spray-up och formpressad Sheet Molding Compound (SMC). De kan också B-stegas efter applicering på hackad armering och kontinuerlig armering, för att bilda prepregs. Fasta formmassa i form av pellets eller granulat används också i processer som press- och transferformning.

Polyimider

Huvudartikel: polyimid

Det finns två typer av kommersiella polyimider : värmehärdande tvärbindbara polyimider tillverkade genom kondensation av aromatiska diaminer med aromatiska dianhydridderivat och anhydrider med omättade ställen som underlättar additionspolymerisation mellan förformade imidmonomerer och oligomerer, och termoplastiska polyimider som bildas av kondensationsreaktionen mellan aromatiska diaminer och aromatiska dianhydrider. Termohärdande polyimider är den mest avancerade av alla härdade polymermatriser med egenskaper av högtemperaturfysikaliska och mekaniska egenskaper och finns kommersiellt tillgängliga som harts, prepreg, lagerformer, tunna ark/filmer, laminat och bearbetade delar. Tillsammans med högtemperaturegenskaperna måste denna härdplastpolymertyp bearbetas vid mycket höga temperaturer och relativt tryck för att ge optimala egenskaper. krävs temperaturer på 600 °F (316 °C) till 650 °F (343 °C) och ett tryck på 200 psi (1 379 kPa ). Hela härdningsprofilerna är till sin natur långa eftersom det finns ett antal mellanliggande temperaturer, vars varaktighet är beroende av delstorlek och tjocklek.

Termohärdande polyimid prepolymer struktur

Skärningen av polyimider är 450 °F (232 °C), högst av alla härdplaster, med korttidsexponeringskapacitet på 900 °F (482 °C). Normala driftstemperaturer sträcker sig från kryogen till 500 °F (260 °C).

Polyimidkompositer har följande egenskaper:

  • Goda mekaniska egenskaper och retention vid höga temperaturer
  • Bra elektriska egenskaper
  • Hög slitstyrka
  • Låg krypning vid höga temperaturer
  • Bra kompression med glas- eller grafitfiberarmering
  • God kemikaliebeständighet
  • Inneboende flambeständig
  • Opåverkad av de flesta lösningsmedel och oljor

Polyimidfilm har en unik kombination av egenskaper som gör den idealisk för en mängd olika applikationer inom många olika industrier, särskilt eftersom utmärkta fysiska, elektriska och mekaniska egenskaper bibehålls över ett brett temperaturområde.

Högpresterande polyimidharts används i elektriska, slitstarka och som strukturella material i kombination med förstärkning för flyg- och rymdapplikationer, som ersätter tyngre och dyrare metaller. Högtemperaturbearbetning orsakar vissa tekniska problem samt högre kostnader jämfört med andra polymerer. Hysols PMR-serien är ett exempel på denna polymer.

Polyuretan (PUR) hartser

Huvudartikel: Polyuretan

Termohärdande polyuretanprepolymerer med karbamat (-NH-CO-O-) länkar är linjära och elastomera om de bildas genom att kombinera diisocyanater (OCN-R1-NCO) med långkedjiga dioler (HO-R2-OH), eller tvärbundna och stela om de bildas av kombinationer av polyisocyanater och polyoler . De kan vara solida eller ha en öppen cellstruktur om de är skummade, och används ofta för sin karakteristiska höga vidhäftning och motståndskraft mot utmattning. Strukturella kärnor av polyuretanskum i kombination med glasförstärkta eller grafitförstärkta kompositlaminat används för att göra lätta, starka sandwichstrukturer. Alla former av materialet, inklusive flexibla och styva skum, skumlister, solida elastomeriska lister och extrudat, i kombination med olika förstärkningsfyllmedel har funnit kommersiella tillämpningar i värmehärdande polymermatriskompositer.

De skiljer sig från polykarbamider som är härdade elastomera polymerer med karbamid (-NH-CO-NH-) länkar gjorda genom att kombinera diisocyanatmonomerer eller prepolymerer (OCN-R-NCO) med blandningar av långkedjiga aminterminerade polyeter- eller polyesterhartser (H2N) -RL-NH2) och kortkedjiga diaminförlängare (H2N-RS-NH2). Polyureas kännetecknas av nästan omedelbar härdning, hög mekanisk hållfasthet och motståndskraft mot korrosion, så de används ofta för 1:1 volymblandningsförhållande med sprayapplicering, nötningsbeständig vattentätande skyddsbeläggning och foder.

Silikonhartser

Huvudartikel: silikonharts

Silikonhartser är delvis organiska till sin natur med en ryggradspolymerstruktur gjord av alternerande kisel- och syreatomer snarare än de välbekanta kol -till-kol ryggradsegenskaperna hos organiska polymerer. Förutom att ha minst en syreatom bunden till varje kiselatom, har silikonhartser direkta bindningar till kol och därför även kända som polyorganosiloxaner. De har den allmänna formeln (R2SiO)n och den fysikaliska formen (flytande, gel, elastomer eller fast) och användningen varierar med molekylvikt, struktur (linjär, grenad, bur) och karaktären av substituentgrupper (R = alkyl, aryl, H) OH, alkoxi). Arylsubstituerade silikonhartser har högre termisk stabilitet än alkylsubstituerade silikonhartser när de polymeriseras (kondensationshärdningsmekanism) vid temperaturer mellan ~300 °F (~150 °C) och ~400 °F (~200 °C). Uppvärmning över ~600 °F (~ 300 °C) omvandlar alla silikonpolymerer till keramer eftersom alla organiska beståndsdelar pyrolytiskt sönderdelas och lämnar kristallina silikatpolymerer med den allmänna formeln (-SiO2-)n. Förutom tillämpningar som keramiska matriskompositprekursorer , kan silikonhartser i form av polysiloxanpolymerer gjorda av silikonhartser med vidhängande akrylat-, vinyleter- eller epoxifunktioner användas som UV-, elektronstråle- och värmehärdande polymermatriskompositer där de kännetecknas av sin resistans. till oxidation, värme och ultraviolett nedbrytning.

Diverse andra användningsområden inom det allmänna området för kompositer för silikoner inkluderar tätningsmedel, beläggningsmaterial och som ett återanvändbart påsmaterial för vakuumpåshärdning av kompositdelar.

Vinylesterhartser

Huvudartikel: Vinylesterharts

Vinylesterhartser gjorda genom additionsreaktioner mellan ett epoxiharts med akrylsyraderivat, när de späds ut/löstes i en vinylfunktionell monomer såsom styren , polymeriseras. De resulterande härdplasterna är kända för sin höga vidhäftning, värmebeständighet och korrosionsbeständighet. De är starkare än polyestrar och mer motståndskraftiga mot stötar än epoxi. Vinylesterhartser används för våtlaminering, SMC och BMC vid tillverkning och reparation av korrosions- och värmebeständiga komponenter, allt från rörledningar, fartyg och byggnader till transport-, marin-, militär- och flygtillämpningar.

Vinylester

Diverse

Aminohartser är en annan klass av värmehärdande prepolymerer bildade genom sampolymerisation av aminer eller amider med en aldehyd. Karbamid-formaldehyd- och melamin-formaldehydhartser , även om de inte används i stor utsträckning i högpresterande strukturella kompositapplikationer, används typiskt som polymermatrisen i formnings- och extruderingsblandningar där viss användning av fyllmedel och förstärkningar förekommer. Karbamid-formaldehydhartser används i stor utsträckning som matrisbindemedel i byggprodukter som spånskivor , waferskivor och plywood , som är verkliga partikelformiga och laminära kompositstrukturer. Melamin-formaldehydhartser används för plastlaminering.

Urea-formaldehydharts kondenserar
Härdad melaminhartsstruktur

Furanhartsprepolymerer gjorda av furfurylalkohol , eller genom modifiering av furfural med fenol , formaldehyd ( metanal ), urea eller andra utdrygningsmedel, liknar amino- och fenolhärdande hartser genom att härdning involverar polykondensation och frigöring av vatten såväl som värme. Även om de i allmänhet härdas under inverkan av värme, katalysatorer och tryck, kan furanhartser också formuleras som tvåkomponents icke-bakade syrahärdade system som kännetecknas av hög motståndskraft mot värme, syror och alkalier. Furanhartser är av ökande intresse för tillverkning av hållbara kompositer - biokompositer gjorda av en biologiskt härledd matris (i det här fallet furanharts), eller biofiberförstärkning, eller båda.

Idealiserad struktur av polyfurfurylalkoholharts .

Fördelar och nackdelar

Fördelar

  • Väl etablerad bearbetnings- och ansökningshistorik
  • Sammantaget bättre ekonomi än termoplastiska polymerer
  • Bättre högtemperaturegenskaper
  • Bra vätning och vidhäftning mot armering

Nackdelar

  • Hartser och kompositmaterial måste kylas
  • Fuktupptagning och efterföljande egenskapsförsämring
  • Långa processcykler
  • Minskad slagkraft – seghet
  • Dålig återvinningsförmåga
  • Svårare reparationsförmåga

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thermoset_polymer_matrix&oldid=1140674823 "