В современном мире во многих областях человеческой деятельности на смену природным материалам пришли синтетические, получившие свое широкое распространение за счет более низкой стоимости и большого разнообразия свойств. Другим важным преимуществом синтетических материалов является возможность дальнейшего совершенствования существующих, создание новых материалов и технологий их получения путем подбора сырьевых материалов, их соотношения в сырьевой смеси, называемой композицией, и технологических параметров. Это позволяет оптимизировать свойства синтетических материалов под конкретные условия эксплуатации и расширить возможности их использования путем получения материалов с набором новых технологических и эксплуатационных свойств.
Самыми перспективными с точки зрения дальнейшего развития технологий получения и последующего применения являются композиционные материалы или композиты, к которым относятся материалы, состоящие из двух или более компонентов, количество которых должно быть сопоставимым и приводить к образованию требуемых структуры и свойств. При этом один из компонентов, называемый матрицей или связующим, составляет в материале сплошную фазу, в которой распределены другие компоненты, называемые наполнителями. В последнее время все большее распространение и развитие получают полимерные композиционные материалы (ПКМ), в которых в качестве матрицы выступает полимер в чистом виде или полимерное связующее. Под полимерным связующим понимается композиция на основе полимера с добавлением различных добавок, таких как пластификаторы, стабилизаторы, растворители и др. [1]. Такое распространение ПКМ объясняется большим разнообразием видов полимеров и свойств, которые они передают получаемым композиционным материалам, а также относительно простой технологией переработки и хорошей связующей способностью. Целью авторов данной работы являлись классификация и обзор основных групп современных ПКМ с рассмотрением их характеристик и областей применения.
Наиболее общая классификация подразделяет ПКМ на композиционные материалы с термореактивными (реактопластичными) и термопластичными матрицами. Преимущества и недостатки этих видов матриц и композитов на их основе аналогичны преимуществам и недостаткам реактопластов и термопластов. Реактопласты отличаются более высокими прочностью, теплостойкостью и химической стойкостью, низкой вязкостью, хорошими смачиваемостью и адгезией. Термопласты в свою очередь характеризуются более высокими ударной вязкостью, трещиностойкостью, более низкими, чем у реактопластов, остаточными напряжениями и химической усадкой, а также возможностью вторичной переработки и отсутствием выделения растворителей. Кроме того, для реактопластов характерны хрупкость и более длительный из-за протекания реакций отверждения цикл формования, в то время как для термопластов характерны неограниченная жизнеспособность сырья и полуфабрикатов из-за отсутствия реакций отверждения. Однако при этом термопласты отличаются более быстрым старением (необратимым ухудшением свойств под влиянием окружающей среды) [2], более высокой вязкостью растворов и расплавов. Также следует учитывать, что термопласты подразделяют на аморфные и частично кристаллические полимеры. Для полимеров кристаллической структуры характерны более высокие прочность, теплостойкость и химическая стойкость, а для полимеров аморфной структуры характерны более высокая эластичность, изотропия свойств и высокое поверхностное трение [1]. В связи с более высокими прочностью и термостойкостью ПКМ на основе термореактивных матриц находят более широкое применение, особенно в качестве конструкционных материалов. Однако многокомпонентность термореактивных связующих и сложность их переработки в изделия, связанная с ограниченной жизнеспособностью, длительностью процесса отверждения и наличием растворителей, способствовали развитию технологий получения ПКМ на основе термопластичных матриц [3]. Для сочетания преимуществ и расширения областей применения термореактивных и термопластичных матриц их комбинируют с получением так называемых полиматричных композиционных материалов [1], в том числе с использованием эластомеров, отдельное применение которых в качестве матриц для ПКМ затруднено пониженным сопротивлением тепловому старению и термоокислительной деструкции. Однако в составе полимерных связующих они снижают хрупкость полимеров [4].
По другой общей классификации современные ПКМ в зависимости от типа применяемого наполнителя подразделяются на дисперсно-наполненные, называемые также дисперсно-упрочненными, и армированные, которые разделяют на волокнистые, называемые волокнитами, и листовые. В группе листовых ПКМ выделяют текстолиты, в которых в качестве наполнителя используются тканые материалы и нетканые нитепрошивные полотна. Все виды текстолитов могут быть фольгированными, т.е. облицованными с одной или двух сторон медной электролитической фольгой, что позволяет использовать эту разновидность ПКМ в изготовлении печатных плат в радиотехническом и приборостроительном производстве. В зависимости от степени заполнения современные ПКМ подразделяют на низконаполненные (по одним источникам до 20 % наполнителя, по другим 50–70 % наполнителя) и высоконаполненные (по одним источникам до 95 % наполнителя, по другим 70–87 % наполнителя), а также на низкоармированные, армированные, высокоармированные (50–96 % наполнителя) и предельноармированные (до 98 % наполнителя) [5]. В связи с более высокими физико-механическими характеристиками армированные ПКМ в основном применяют в качестве конструкционных материалов, а дисперсные ПКМ более широко применяются в качестве функциональных: электротехнических, оптических, фрикционных и антифрикционных, тепло-, звуко- и газоизоляционных. Как и в случае с материалами матриц, возможно комбинирование различных наполнителей с получением гибридных наполнителей.
Кроме общих применяют частные классификации, по которым разделение ПКМ на группы и их наименование зависят от материала или вещества, составляющего матрицу или наполнитель. По материалу матрицы называют ПКМ на основе термореактивных матриц, а по материалу наполнителя называют ПКМ как на основе термореактивных, так и на основе термопластичных матриц. При этом прослеживается тенденция, заключающаяся в том, что при наименовании ПКМ по материалу матрицы обычно используют окончание «-пласт», например фенопласт, а при наименовании ПКМ по материалу наполнителя чаще используют окончание «-пластик», например стеклопластик. Хотя оба этих окончания могут применяться при наименовании ПКМ как по материалу матрицы, так и по материалу связующего. Достаточно часто для наименования ПКМ по материалу наполнителя применяют окончание «-композит», например углекомпозит. Также возможно использование специальных названий, в том числе брендовых и маркетинговых, для обозначения ПКМ определенного состава.
Рассмотренные ниже группы ПКМ включают как готовые изделия, так и полуфабрикаты, к которым относятся премиксы (предварительно смешанные компоненты ПКМ), препреги (предварительно пропитанные связующим нити, волокна и жгуты), пресс-порошки, а также таблетированные и гранулированные материалы.
Рассмотрим основные группы ПКМ, называемые по материалу матрицы, их свойства и области применения.
ПКМ на основе фенолформальдегидных смол являются одними из самых распространенных и называются фенопластами или фенопластиками. Материал матрицы придает этим ПКМ высокую прочность, химическую стойкость и хорошие электроизоляционные свойства. К недостаткам фенопластов относятся хрупкость материала и токсичность фенолформальдегидных смол [1]. В зависимости от наполнителя фенопласты широко применяются в самых различных областях. Наиболее широко изделия из фенопластов применяются в авиации, судо- и автомобилестроении, а также в производстве корпусной мебели, конструкционных, фрикционных, антифрикционных и электротехнических изделий [6]. Разновидностью фенопластов является фаолит, получаемый на основе жидкой резольной фенолформальдегидной смолы, наполненной кислотостойкими наполнителями [6, 7]: асбестом (марка А) или смесью асбеста с тальком (марка В), графитом (марка Т) или песком (марка П). Фаолиты отличаются морозостойкостью, устойчивостью к фотодеструкции, повышенной кислотостойкостью к большинству кислот, но не стойки к действию щелочей, сильных окислителей и горячих спиртов. Материал вдвое легче и в 4–6 раз прочнее кислотоупорной керамики. Фаолит марки Т называется графолитом и отличается повышенными теплопроводностью и стойкостью к плавиковой кислоте. Графолит отличается самой высокой теплостойкостью (до 145 °С) и высокой электрической прочностью. К недостаткам фаолита относятся малая ударная вязкость, низкая трещиностойкость при перепаде температур, отсутствие эластичности и набухание, приводящее к повышенному износу и разрушению в агрессивных средах с ростом температуры. Фаолит применяется в качестве теплозащитного и кислотоупорного материала. Из фаолита всех марок выпускают листы, трубы, емкости и колонные аппараты (скрубберы, абсорберы), а из графолита – поверхности охлаждения в холодильниках. Из фаолита марок А и В также изготовляют запорную арматуру (вентили, краны и др.) [6]. В свою очередь разновидностью фаолита является текстофаолит, получаемый с использованием плотной хлопчатобумажной ткани (бязи) или стеклоткани в качестве дополнительного наполнителя, что повышает стойкость материала к ударным нагрузкам. Текстофаолит применяют для изготовления царг и труб диаметром более 1 м [6, 7].
ПКМ на основе аминоальдегидных смол называют аминопластами и разделяют на материалы на основе карбамидоформальдегидных (класс А) и меламиноформальдегидных (класс Б) смол [7]. Аминопласты класса А называют карбамидными пластиками, а аминопласты класса Б известны под названиями мелалит и мелаволокнит. Мелалит представляет собой пресс-материал на основе меламиноформальдегидной смолы и сульфитной целлюлозы, а мелаволокнит является пресс-материалом на основе модифицированной меламиноформальдегидной смолы и хлопковой целлюлозы в виде линтера (хлопковый пух). Аминопласты отличаются прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами, теплостойкостью, хотя и уступают по этим характеристикам фенопластам, но превосходят их по светостойкости и не имеют запаха. Однако аминопласты склонны к растрескиванию при длительной эксплуатации и обладают высоким водопоглощением [7, 8]. Мелалит в свою очередь превосходит карбамидные пластики по прочности, водо- и теплостойкости, обладает меньшим водопоглощением и красивым внешним видом, но после так называемого «меламинового скандала», связанного с токсичностью меламина, применение мелалита ограничено. Мелаволокнит стоек к действию слабых растворов кислот, кипящей воды и острого пара. Аминопласты применяют для изготовления деталей электротехнических приборов, декоративных изделий для отделки мебели и интерьеров, тепло- и звукоизоляционных материалов, а также изделий бытового и массового назначения: крышек, галантерейных и канцелярских товаров, посуды и пр. Мелаволокнит в основном применяется для производства изделий технического назначения, работающих под нагрузкой в условиях температур до 130 °С и высокой влажности, например для катушек намотки и запарки волокнистых материалов в текстильной промышленности.
ПКМ на основе термореактивных эпоксидных смол называют эпоксипластами, эпоксидопластами или эпоксипластиками. По прочности эти материалы превосходят фенопласты, обладают высокой ударной вязкостью, хорошими масло-, бензо- и водостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Недостатком эпоксипластов является снижение прочности и жесткости при повышении температуры [1]. Эпоксипласты применяются при изготовлении конструкционных и электроизоляционных деталей, изделий фрикционного и антифрикционного назначения, при производстве штампов, организации газоходов промышленных предприятий, для герметизации радио- и электронной аппаратуры [8].
ПКМ на основе полиэфирных смол называют полиэфиропластами или полиэфиропластиками. Материал матрицы, с одной стороны, придает этим ПКМ водо-, атмосферо-, кислото- и теплостойкость (до 150 °С), а с другой стороны, получаемые ПКМ обладают сравнительно невысокими механическими свойствами и неустойчивы к щелочам [1]. Полиэфиропласты применяют в судостроении при изготовлении корпусов лодок, в производстве деталей радио- и электротехнического оборудования, галантерейных изделий, для пропитки пористых металлических отливок с целью их герметизации, а также в строительных и ремонтных работах в качестве основы для наливных полов, замазок и клеев для соединения между собой ПКМ строительного назначения [9]. Разновидностью полиэфиропластов являются акрилопласты, получаемые при наполнении акриловых смол. Эти ПКМ обладают хорошими антифрикционными свойствами, износостойкостью и химической стойкостью, хорошо обрабатываются резанием и полируются. Наряду с указанными областями применения полиэфиропластов акрилопласты применяют в производстве штампов и при восстановлении конструкционных изделий: направляющих, гаек и т.п. Еще одной разновидностью полиэфиропластов являются винилэфиропласты, которые отличаются несколько более высокими прочностными характеристиками, водостойкостью и химической стойкостью, чем другие ПКМ этой группы. Винилэфиропласты наиболее широко применяют для организации газоходов промышленных предприятий и в судостроении при изготовлении корпусов лодок [9].
Для ПКМ на основе кремнийорганических смол авторам данной работы не удалось найти сведений о специальном наименовании, но эта группа композитов достаточно широко используется за счет высоких диэлектрических свойств, химической стойкости, гидрофобности и широкого интервала рабочих температур (от –200 до +350 °С). Кремнийорганические (силиконовые) композиционные материалы обладают и недостатками, к которым относятся сравнительно низкие механические свойства [1]. Применяется данная группа ПКМ для изготовления изделий радио-, электротехнического и общетехнического назначения, для герметизации и уплотнения деталей и изделий [8, 10], а также в строительстве [11].
ПКМ на основе фурановых смол называют фуранопластами. Материал матрицы придает этим ПКМ высокие теплостойкость (до 300 °С) и химическую стойкость [1]. Фуранопласты отличаются высокими фрикционными свойствами, но, как и фенопласты, обладают сравнительно невысокой ударной вязкостью, что обуславливает низкую стойкость к динамическим нагрузкам. Стойкость к динамическим нагрузкам может быть повышена путем модификации фурановых смол каучуками [12]. Фуранопласты применяют в производстве изделий строительного и общетехнического назначения, а модифицированные каучуками фуранопласты применяют при изготовлении подшипников трения.
Сравнительно редко встречается термин «полиуретанопласт» для обозначения ПКМ на основе термореактивных полиуретановых смол, характеризующихся водостойкостью, кислотостойкостью, теплостойкостью, эластичностью и хорошими диэлектрическими свойствами [1]. Данная группа ПКМ применяется для производства изделий строительного и общетехнического назначения.
Также стоит упомянуть о получивших в последнее время распространение терминах «дюропласт», «дюропластик», «дуропласт» и «дуропластик». Данный термин происходит от латинского слова «durus», что значит «многослойный». Объединяя информацию из различных источников, можно сделать вывод о том, что этими терминами обозначают реактопласты и изделия из них, в том числе ПКМ, в основном дисперсно-наполненные. Данные термины используют в производстве изделий строительного [13], сантехнического (в основном сидений для унитазов) и электротехнического (термостойких разъемов и сепараторов аккумуляторных батарей) назначения. В 1957–1991 гг. в ГДР из дюропласта на основе фенолформальдегидной смолы с наполнителем в виде хлопоковых волокон делали корпуса для автомобилей «Trabant». Также в последнее время получил распространение термин «дюрополимер», которым обозначают ударопрочный пенополистирол, применяемый в производстве потолочных и напольных плинтусов, так называемых дюропрофилей.
Рассмотрим основные группы ПКМ, называемые по виду и материалу наполнителя, их свойства и области применения.
Наиболее распространенной и крупнотоннажной является группа ПКМ со стеклянным наполнителем, называемая стеклонаполненными ПКМ, стеклопластиками или стеклокомпозитами. К этой группе ПКМ относятся стекловолокниты и стеклотекстолиты. К полуфабрикатам стеклопластиковых изделий относятся дозирующиеся стекловолокниты ДСВ и АГ-4В, гранулированный стекловолокнит ГСП на основе фенолформальдегидных смол, премиксы и препреги на основе различных реактопластов, а также гранулы стеклонаполненных термопластов. Стоит отметить, что в качестве матриц в получении стеклопластиков применяют большинство реактопластов и термопластов. Среди реактопластов наиболее часто применяют фенолформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, аминоальдегидные, полиимидные и фурановые смолы, а среди термопластов – полиамиды, поликарбонат, полипропилен, полиэтилен и фторопласт. В первую очередь стеклопластики отличаются прочностью и ударной вязкостью, а к другим их преимуществам относятся малая масса, хорошие диэлектрические и теплоизоляционные свойства, радиопрозрачность, водостойкость и химическая стойкость. К недостаткам стеклопластиков относятся сравнительно невысокая износостойкость к абразивам, низкий модуль упругости, низкая стойкость к динамическим нагрузкам, а также резкое снижение свойств при наличии дефектов стекловолокна, изготовлении изделий из влажного стекловолокна или во влажной атмосфере [14]. Стеклопластики применяют при изготовлении корпусов и деталей в автомобилестроении, судостроении и авиации, конструкционных и отделочных изделий в строительстве (арматура, оконные профили и т.д.), городской, коммунальной и транспортной инфраструктурах, в производстве труб, электротехнических деталей, мебели, игрушек, музыкальных инструментов и др.
Другой широко распространенной является группа ПКМ с углеродным наполнителем, называемая углепластиками и углекомпозитами, карбопластиками и карбокомпозитами, а также углепластами и углеродопластами. К углеродным наполнителям относятся сажа, технический углерод и графит, в том числе углеродные волокна, тканые и нетканые наполнители на основе этих волокон [14]. Углеродные волокна в свою очередь делятся на частично карбонизованные (содержание углерода 85–90 %), угольные или карбонизованные (содержание углерода 91–99 %) и графитированные (содержание углерода до 99,5 %) [15]. В зависимости от вида наполнителя различают углеродонаполненные, графитонаполненные и саженаполненные полимеры, углеволокниты (карбоволокниты или карбоны и графитоволокниты), углетекстолиты и графитопласты (графитопластики). Углепластики обладают легкостью, стойкостью к ультрафиолетовому излучению, химической стойкостью, радиопрозрачностью, термостойкостью, низкими коэффициентами трения и термического расширения, хорошей тепло- и электропроводностью. Волокниты и текстолиты этой группы ПКМ кроме указанных свойств обладают прочностью, сравнимой со стеклопластиками, но отличаются более высоким модулем упругости и выдерживают более высокие напряжения при меньших допустимых деформациях [14]. К недостаткам углепластиков относятся низкая ударная вязкость, обуславливающая чувствительность к точечным и сильным ударам, и высокая стоимость. Углепластики применяются в автомобилестроении, авиации и судостроении при изготовлении деталей, узлов и корпусов, в строительстве (арматура и внешнее армирование углеродной тканью, в том числе при строительстве в атомной промышленности), а также в производстве товаров массового потребления: предметов интерьера, деталей бытовых приборов и ЭВМ, спортивных экипировки и инвентаря, удочек и т.д. Также углепластики подвергают карбонизации для получения углерод-углеродных композиционных материалов, которые обладают еще более высокими прочностными свойствами и повышенной термостойкостью.
Еще одной крупнотоннажной и распространенной является группа ПКМ с органическим наполнителем, называемая органопластиками, органопластами или органокомпозитами. В зависимости от типа и вида органического наполнителя различают:
1. Биоразлагаемые ПКМ, в которых в качестве наполнителя используются отходы сельского хозяйства (молотая скорлупа орехов, рисовая шелуха и т.п.), крахмал, хитин и хитозан [14]. Биоразлагаемые ПКМ отличаются низкими физико-механическими свойствами, а их основными преимуществами являются низкая стоимость, возможность использования природных возобновляемых наполнителей и полное разложение при попадании в окружающую среду, что снижает темпы их накопления в виде отходов [16].
2. Органоволокниты и органотекстолиты, в которых наполнителями являются натуральные органические волокна (хлопковые волокна, лигнин, шерстяные очески), а также тканые и нетканые материалы на их основе [14]. Данные ПКМ отличаются низкими физико-механическими свойствами, а их преимуществами являются низкие плотность и стоимость.
3. Полимер-полимерные композиционные материалы, в которых в качестве наполнителя используются полимеры, остающиеся в твердом состоянии при температурах переработки в изделия и полуфабрикаты. К данным ПКМ относятся материалы, получаемые при использовании порошкообразных полимеров в качестве наполнителя, в том числе при переработке несортированных смесей полимерных отходов [14, 16], а также органоволокниты и органотекстолиты, в которых в качестве наполнителя используют синтетические органические волокна (нейлоновые, тефлоновые, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), арамидные, параарамидные (например, кевларовые), и метаарамидные (например, арселоновые) и др.), а также тканые и нетканые материалы на их основе [14]. Данные ПКМ отличаются высокими физико-механическими свойствами, а арамидопластики и кевларопластики по прочностным показателям превосходят стекловолокно и углеволоконо. Кроме того, арамидопластики и кевларопластики отличаются повышенной легкостью, высокой ударной вязкостью, стойкостью к динамическим нагрузкам.
Недостатками арамидопластиков и большинства других органопластиков являются относительно высокое водопоглощение, снижение прочности при повышенной влажности, особенно в воде (после высыхания свойства восстанавливаются), горючесть и склонность к старению. Биоразлагаемые ПКМ применяются в производстве материалов и изделий с короткими сроками эксплуатации, в основном в производстве пищевой упаковки и медицине. Органопластики, наполненные натуральными волокнами, применяются в производстве изделий и товаров массового потребления, а органопластики, наполненные синтетическими волокнами, и арамидопластики применяются в производстве конструкционных изделий и изделий, требующих сочетания прочности и легкости – канатов, деталей и изделий в авиации, автомобилестроении, при изготовлении спортивного инвентаря и средств бронезащиты.
Отдельной разновидностью полимер-полимерных композиционных материалов являются резинопласты или резинопластики, в которых в качестве наполнителя используется резиновая крошка, получаемая при измельчении изношенных покрышек и шин, а в качестве связующего используются термопласты, в основном полиэтилен и полипропилен. Данные ПКМ отличаются прочностью, эластичностью, химической стойкостью, вибростойкостью, износостойкостью, диэлектрическими и антифрикционными свойствами, а также стойкостью к перепадам температур. К недостаткам резинопластов относятся подверженность горению и токсичность продуктов горения, а также высокая цена. Резинопласты применяются для изготовления гидроизоляционных и кровельных материалов, напольных и тротуарных плиток, брызговиков и ковриков для автомобилей, уплотнителей, ведер, рукояток и других товаров массового потребления.
Отдельной разновидностью ПКМ с органическим наполнителем являются материалы с бумажными наполнителями. В первую очередь к этой группе относятся гетинаксы, в которых наполнителем является бумага из сульфитной или сульфатной целлюлозы, а также из сульфатно-тряпичной бумаги. Также широко распространены бумажно-слоистые пластики (БСП), состоящие из нескольких слоев бумаги, и декоративные БСП (ДБСП), в которых наружный слой выполняют из декоративного листа [7]. К этой группе ПКМ можно отнести лакированные бумаги, которые в отличие от обычных гетинаксов получают односторонней пропиткой бумаги, органогетинаксы, получаемые с использованием синтетической бумаги (бумаги из синтетических органических волокон – поливинилспиртовых, полиамидных, полипропиленовых, полиэтиленовых и др.) в качестве наполнителя. Связующими для этой группы ПКМ являются термореактивные смолы, в основном фенолформальдегидные и аминоальдегидные. Данные ПКМ могут быть облицованы медной фольгой, хлопчатобумажной, асбестовой или стеклянной тканью. Иногда они армируются с помощью внутреннего слоя из ткани или металлической сетки. ПКМ этой группы отличаются электроизоляционными свойствами, теплостойкостью и стойкостью к агрессивным свойствам, но у них сравнительно низкие физико-механические свойства [17]. Недостатком этих материалов также является снижение электроизоляционных свойств при намокании. Гетинаксы применяют в производстве электроизоляционных деталей телевизионной и радиотелефонной аппаратуры, БСП применяют в производстве мебели, для отделки мебели и внутренних интерьеров. Из лакированных бумаг делают электроизоляционные трубы и цилиндры для намоточных машин, а из органогетинаксов – различные машиностроительные, электро- и радиотехнические детали.
Еще одной разновидностью ПКМ с органическими наполнителями являются материалы, выделяемые в отдельную большую группу и получаемые с использованием различного рода древесных наполнителей. Нередко эту группу ПКМ называют древесно-полимерными композитами (ДПК) и причисляют к ним ПКМ, получаемые с использованием натуральных органических наполнителей: отходов сельского хозяйства и органических волокон. Однако, по мнению авторов данной статьи, к этой группе могут относиться только ПКМ, получаемые с использованием наполнителей, получаемых из древесины и при деревообработке, и в составе этой группы можно выделить следующие ПКМ в зависимости от типа и вида наполнителя:
1. Древесно-наполненные полимеры (ДНП) и ДПК (жидкое дерево, древопласт, древотермопласт, дерево-пластиковый композит, поливуд, экологически чистые древеснонаполненные пластмассы или ЭДНП и др.), в которых в качестве наполнителя применяют древесную муку или мелкую щепу. Для ДНП степень наполнения составляет до 50 %, и они по свойствам и внешнему виду больше соответствуют материалу используемой матрицы. Для ДПК степень наполнения составляет в основном от 50 до 85 % (проводятся исследования для получения степени наполнения 90–95 %), и они по своим свойствам и внешнему виду больше соответствуют дереву. Существуют марки ДПК, покрытые тонким облицовочным слоем из одного или нескольких полимеров. В качестве связующих в большинстве случаев используют термопласты, в основном полипропилен (с получением древеснонаполненного полипропилена ДНПП), полиэтилен и поливинилхлорид, реже полистирол и АБС-пластик. ДНП и ДПК отличаются малой плотностью, атмосферостойкостью, низким водопоглощением (до 4 %) и легко обрабатываются [18], а к их недостаткам относят горючесть. Для ДПК также характерны трудность переработки при производстве и относительно высокая стоимость.
2. Древесные плиты, в которых наполнителем являются стружка (древесно-стружечные плиты ДСтП) или древесные волокна (древесно-волокнистые плиты ДВП) [6]. Разновидностями указанных плит являются ориентированно-стружечные плиты (ОСП) и плиты, получаемые с использованием измельченной стружки – МДФ плиты, название которых происходит от английского Medium Density Fiberboard или среднеплотная ДВП, хотя в ряде источников название расшифровывается как мелкодисперсная фракция. По сравнению с ДНП и ДПК эти материалы отличаются более высокими прочностью и ударной вязкостью, но при этом характеризуются хрупкостью, поэтому их труднее обрабатывать.
3. Древесно-слоистые пластики (ДСП или фанера) в виде плит и досок, в которых наполнителем является древесный шпон (тонкие листы древесины толщиной от 0,1 до 10 мм). ДСП являются более прочными и водостойкими, чем прочие древесные плиты.
В качестве связующих для получения древесных плит (ДСтП, ДВП, ОСП, МДФ, ДСП) используются реактопласты, в основном фенолформальдегидные, аминоальдегидные и фурановые смолы. Для защиты от внешних воздействий, снижения водопоглощения и придания более эстетичного внешнего вида лицевые поверхности древесных плит нередко шпонируют и ламинируют. Также существуют биоразлагаемые композиты данной группы, в которых в качестве связующих используют биоразлагаемые связующие. Для всех ПКМ с древесными наполнителями характерны диэлектрические и антифрикционные свойства. Все материалы этой группы используют в качестве строительных плит и досок, в производстве корпусной мебели и корпусов электротехнических приборов. Наиболее прочные марки также применяют в производстве узлов трения и зубчатых колес, в машиностроении, авиации, изготовлении деталей и узлов оборудования [6]. Отдельной разновидностью ПКМ с древесным наполнителем являются древесно-корьевые плиты (ДКП) и коропласты, в которых наполнителем являются частицы коры, образующиеся при ее снятии с древесины (окорки). В качестве связующих для этих материалов применяют те же реактопласты, что и при получении других древесных плит. Физико-механические свойства данных ПКМ ниже, чем у прочих древесных плит, но они отличаются хорошими теплоизоляционными свойствами. ДКП применяются для облицовки стен, обшивки потолков и для устройства перегородок, а плиты из коропласта используют в качестве утеплителя для железобетонных плит.
Следующей распространенной группой ПКМ являются асбопластики или асбестопластики, в которых в качестве наполнителя используют асбестовый материал в виде порошка с получением асбестонаполненных полимеров, в виде волокон с получением асбоволокнитов, в виде ткани или войлока с получением асботекстолитов, а также в виде асбестовой бумаги из смеси асбеста с небеленой сульфатной целлюлозой с получением асбогетинаксов. Связующими для асбопластиков являются фенолформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы, реже кремнийорганические и фурановые смолы. Асбестонаполненными бывают как реактопласты, так и термопласты: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид. Разновидностью асбопластиков являются асбокаучуковые материалы (например, паронит), получаемые с использованием каучуковых связующих. Данная группа ПКМ отличается прочностью, термостойкостью (у асбокаучуковых материалов она ниже), огнестойкостью, химической стойкостью, атмосферостойкостью, высокими фрикционными свойствами, электроизоляционными свойствами, низкой теплопроводностью. К недостаткам асбопластиков относятся хрупкость и относительно невысокие ударные характеристики. Асбопластики применяют для изготовления фрикционных изделий (например, тормозных колодок), в производстве тепловой защиты ракет и космических аппаратов, трубопроводов и арматуры для химической промышленности, для изготовления электротехнических деталей (панелей электрощитков, коллекторов электрических машин) и др. изделий. Асбокаучуковые материалы применяют для герметизации сред избыточного давления при строительстве резервуаров, в неподвижных соединениях деталей машин.
Другой достаточно распространенной группой ПКМ являются базальтопластики или базальтопласты, к которым относят базальтонаполненные термопласты (полиамид, полиэтилен, полипропилен), базальтоволокниты, в том числе дозирующийся базальтоволокнит, и базальтотекстолиты. В качестве связующих для базальтоволокнитов и базальтотекстолитов применяют в основном эпоксидные, фенолформальдегидные, полиэфирные и полиимидные смолы. У базальтопластиков намного выше химическая стойкость, выше прочность, теплостойкость и ниже водопоглощение, чем у стеклопластиков [19]. Также для этих материалов характерны легкость, низкая теплопроводность и диэлектрические свойства. К недостаткам данных ПКМ относятся низкий модуль упругости и высокая стоимость. Базальтопластики применяются в производстве изделий конструкционного назначения для машиностроения, судостроения, авиации и химической промышленности, для изготовления строительной арматуры, химически стойких материалов и изделий (футеровки оборудования, труб, цистерн и др.), а также в производстве изделий электротехнического и фрикционного (например, тормозные колодки) назначения.
Следующей относительно распространенной группой ПКМ являются боропластики или борокомпозиты, к которым относятся боронаполненные полимеры и бороволокниты, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, ткани или ленты на их основе. Связующими в составе боропластиков являются эпоксидные и полиимидные смолы, а также другие полимеры, в основном реактопласты. Данные ПКМ отличаются высокой прочностью, низкой плотностью, хорошими тепло- и электропроводностью, высоким модулем упругости и стойкостью к динамическим нагрузкам. К недостаткам боропластиков относится сложность механической обработки из-за высокой твердости и невозможность получать прочные детали с перегибами, радиус которых выше 300 мм [19], из-за хрупкости борных волокон. Высокая стоимость также ограничивает применение данных ПКМ. Боропластики применяют в качестве конструкционных материалов в авиационной и космической технике, а также в производстве высоконагруженных деталей, для которых важна малая масса – панели стабилизаторов, поверхности управления и др.
К следующей группе ПКМ, которая в последнее время получает все более широкое распространение, относятся материалы, получаемые с помощью минеральных дисперсных наполнителей. Нередко эти материалы объединяют под названием полимербетоны, однако, по мнению авторов данной статьи, в этой группе следует выделить следующие ПКМ [16]:
1. Полимербетоны (бетонополимеры, пластобетоны, литьевые камни, искусственные камни), в которых в качестве связующих применяют термореактивные смолы, в основном фенолформальдегидные, эпоксидные, карбамидоформальдегидные, ненасыщенные полиэфирные и фурановые, а в качестве наполнителей используют щебень (гранитный или базальтовый), гравий, минеральную муку, гранитную крошку, кварцевый песок, графитовый порошок и др.
2. Полимерцементы (пескобетоны), представляющие собой строительные смеси на основе портландцемента и его разновидностей с добавлением кварцевого песка и полимерных связующих: эпоксидных, полиэфирных и карбамидоформальдегидных смол, поливинилацетата и др.
3. Полимерпесчаные композиты, в которых в качестве наполнителя используется кварцевый песок, а в качестве связующих термопласты, в основном полиэтилен, полипропилен, полистирол, АБС-пластик, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид и др.
4. Полимеркерамика, в которой в качестве наполнителя применяют керамические порошки, а в качестве связующих – большинство термопластов, реактопластов и их смесей.
Данные ПКМ характеризуются прочностью, морозостойкостью, износостойкостью, стойкостью к агрессивным средам, низкими теплопроводностью и водопоглощением. Полимеркерамика в зависимости от применяемого керамического наполнителя может обладать повышенными свойствами и дополнительными электрофизическими характеристиками. К недостаткам этой группы ПКМ относят горючесть, сложность переработки, связанную с трудностью уплотнения, коротким сроком жизни и длительностью окончательного отверждения термореактивных связующих, а также высокую стоимость. Полимербетоны используют для производства подоконников, фасадной лепнины, столешниц, заливных полов, лестниц, тротуарной и облицовочной плитки, сантехнических изделий, водоотводных лотков, скульптур, строительных конструкций и других изделий. Полимерцементы главным образом используют при изготовлении монолитных и железобетонных конструкций различного назначения, при возведении фундаментов, а также в качестве базового основания пола или выравнивающей стяжки. Полимерпесчаные композиты применяют в основном при изготовлении строительных изделий (облицовочных и тротуарных плиток, черепицы и др.), колодцев, люков, водоотводных лотков и пр. Полимеркерамику широко используют в производстве сантехнических изделий, а также в качестве полуфабриката для формования изделий из технической керамики с последующим выгоранием полимерного связующего при спекании.
К этой группе ПКМ также можно отнести полистиролбетон, который представляет собой портландцемент, наполненный гранулами пенополистирола, отличается низким водопоглощением, высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, но при этом у него несколько ниже, чем у обычных бетонов, прочность и он выделяет токсичные продукты при пожаре. Другими недостатками полистиролбетона являются низкая адгезия между наполнителем и связующим, а также низкая надежность монтажа метизов и крепежей [20]. В зависимости от плотности полистиролбетон применяется для тепло-, звукоизоляции стен, крыш и полов, при возведении несущих и ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве.
Относительно распространенной группой ПКМ являются материалы, в которых наполнителем являются слюдяные материалы: щипанные тонкие пластинки для получения миканитов, слюдяные бумаги на основе флогопитовых слюд для получения слюдопластов и на основе мусковитовых слюд для получения слюдинитов. Иногда слюдяные бумаги комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдопласт, стеклослюдинит), полимерной пленки (пленкослюдопласт, пленкослюдинит) или обоих вариантов (например, стеклопленкослюдопласт). Слюдопласты и слюдиниты нередко называют слюдогетинаксами. Также слюдяные бумаги пропитывают лаком и различными связующими для улучшения механических и электрофизических свойств, но при этом снижается термостойкость. Разновидностями миканитов являются микафолий, микаленты и микашелк, в которых дополнительно используются наружные слои из бумаги, электрокартона, шелка, стеклоткани или стеклосетки [21]. Также существуют слюдонаполненные полимеры (полиамид, полипропилен и др.), в которых в качестве наполнителя используют молотую слюду. Связующими для данных ПКМ являются в основном кремнийорганические и насыщенные полиэфирные смолы. ПКМ этой группы обладают прочностью, низким водопоглощением, термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами, а их основным недостатком является хрупкость. Наиболее высокими значениями указанных свойств и высокой стоимостью обладают миканиты, а наиболее низкими – слюдопласты. Из данных ПКМ получают изделия, применяемые для нагревостойкой электроизоляции: прокладок, шайб, фланцев, катушек и др.
ПКМ, которые также можно выделить в отдельную группу, являются металлополимеры или металлонаполненные полимеры, в которых наполнителями являются порошки, волокна и ленты из различных металлов и их сплавов. В качестве связующих используют полиамиды, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилен, полиарилаты, а также эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиэфирные, кремнийорганические и полиимидные смолы. Все ПКМ данной группы отличаются прочностью, коррозионной стойкостью и износостойкостью, а также обладают специальными свойствами, которые им придают металлические порошки: железо и его сплавы повышают магнитные свойства; алюминий и медь придают тепло- и электропроводность; свинец, цинк, цирконий и молибден снижают коэффициент трения и т.д. [22]. Применяют металлополимеры в качестве электропроводящих клеев, герметиков и защитных лакокрасочных покрытий, для изготовления конструкционных деталей и деталей для защиты от электромагнитных и ионизирующих излучений. Стоит отметить, что так называемые металлопластики, которые нередко называют металлополимерами, по сути не относятся к ПКМ, а представляют собой изделия, в которых комбинируются алюминиевый или стальной и полимерный слои, например стальные трубы с наружным и внутренним полимерными слоями или дверные и оконные блоки из поливинилхлорида с вмонтированными в них алюминиевыми профилями.
В отдельную особую группу выделяют газонаполненные ПКМ, в которых наполнителями являются воздух или инертный газ:
1. Пенопласты, называемые также пенополимерами, представляют собой закрытопористые вспененные материалы ячеистой структуры [23], получаемые на основе термопластов (пенополистирол, пенополиэтилен, пенополивинилхлорид, пенополипропилен и др.) и реактоплатов (фенопласты, пеноаминопласты, пеноэпоксипласты, пенополиуретаны, карбамидный пенопласт или пеноизол и др.).
2. Поропласты, называемые также порополимерами, представляют собой открытопористые вспененные материалы ячеистой структуры [23], получаемые на основе тех же связующих, что и пенопласты.
3. Сотопласты представляют собой открытопористые материалы, структура которых представлена ячейками в форме шестигранников (сот). Сотопласты получают из бумаги, хлопчатобумажной ткани, стеклоткани или алюминиевой фольги, пропитанных реактопластами, в основном фенолформальдегидными (сотофенопласты [7]), эпоксидными и карбамидформальдегидными смолами.
4. Интегральные пенопласты представляют собой материалы с монолитными наружными слоями и ячеистой внутренней структурой [23]. Различают однокомпонентные (наружные и внутренние слои из одного полимера) и многокомпонентные (наружные и внутренние слои из разных полимеров) интегральные пенопласты, получаемые на основе полиуретана, АБС-пластика, поливинилхлорида и других полимеров.
5. Сферопластики, называемые также синтактными пенопластами, представляют собой ПКМ, наполненные микросферами из различных материалов: стекла (стеклосферы, ценосферы или эккосферы), углерода, керамики, диоксида кремния, фенолформальдегидной и эпоксидной смол, хитозана, полистирола, акрилатов и др. В качестве связующих для сферопластиков применяют главным образом фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, а также кремнийорганические смолы [24, 25].
6. Пористые резины, называемые также пенорезинами, которые могут иметь закрыто- и открытопористую структуры [23].
Стоит отметить, что грань между пенопластами и поропластами относительна, так как в любом из этих материалов есть открытые и закрытые поры. Все материалы данной группы обладают низкой плотностью, диэлектрическими свойствами, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, а материалы без открытых пор отличаются гидроизоляционными свойствами. Пористые резины и газонаполненные ПКМ на основе кремнийорганических соединений и некоторые другие пенопласты (например, часть пенополиуретанов и пенополиэтилен) обладают эластичностью. Химическая стойкость газонаполненных ПКМ зависит от связующего. Недостатками данных материалов, за исключением сферопластиков и пористых резин, являются низкая прочность, большие остаточные деформации и горючесть. Газонаполненные ПКМ, кроме сферопластиков и пористых резин, применяют в строительстве в качестве тепло-, звуко- и гидроизоляции труб, зданий и сооружений, для упаковки продуктов питания и различных приборов, в качестве наполнителя в производстве мягкой мебели и одежды (например, поролон). Интегральные пенопласты применяют в производстве корпусной мебели, строительных изделий (панелей, оконных и дверных рам, кровельных балок и пр.), в автомобилестроении, авиации, электротехнике, обувной промышленности и пр. Сферопластики применяют для местного упрочнения, заполнения торцевых участков и полостей в сотовых и многослойных конструкциях, для нанесения покрытий на трубопроводы и кабели, в качестве блоков плавучести и пр. Пористые резины применяют в качестве уплотнителей, для теплоизоляции труб, звуко-, вибро- и электроизоляции.
Кроме рассмотренных, существуют группы ПКМ, не получившие в настоящее время широкого распространения из-за высокой стоимости, но являющиеся перспективными и эффективными материалами:
1. Полимерные нанокомпозиты, получаемых с использованием наноразмерных наполнителей (размер частиц менее 100 нм). Среди данных ПКМ наибольшее распространение получили металлополимерные нанокомпозиты, нанокомпозиты с углеродными наполнителями (фуллерены, фуллериты, астролиты, нанотрубки, нановолокна и наносажи) и так называемые органоглины (полимерсиликатные композиты, слоистые наносиликаты, органомодифицированные алюмосиликаты и др.), в которых наполнителями являются модифицированные органическими соединениями наноразмерные монослои природных силикатов слоистой структуры: монтмориллонита, каолина, вермикулита и др. С повышением степени распределения монослоев выделяют микрокомпозиты, интеркалированные и эксфолиированные нанокомпозиты. Применение наноразмерных наполнителей позволяет существенно повысить температуростойкость, ударопрочность, химическую стойкость и снизить газопроницаемость. Применяются полимерные нанокомпозиты в производстве сверхпроводников и полупроводников (ПКМ с углеродными наполнителями), изделий конструкционного назначения для аэрокосмической техники, в качестве катализаторов, сорбентов и др. [26].
2. Молекулярные композиты, в которых полимерная матрица из гибкого полимера армируется жесткими макромолекулами полимеров [26], выполняющими роль молекулярных волокон. Разновидностями данных материалов являются самоармирующиеся ПКМ, в которых матрица и наполнитель образованы чередующимися областями разных по характеристикам макромолекул [27], и так называемые «умные» (самоорганизующиеся) композиты, в которых надмолекулярные структуры меняются с возможностью восстановления исходной структуры под действием внешних факторов – температуры, рН, напряженности магнитного поля и освещенности. В настоящее время эти материалы только разрабатываются [26].
3. ПКМ, армированные нитевидными монокристаллами («усами», вискерсами) в виде игл, волокон размером от 0,5 до нескольких сотен мкм. Нитевидные монокристаллы получают в основном из кремния, углерода, металлов и их карбидов, оксидов и нитридов. Позволяют получать ПКМ с исключительно высокими прочностью, модулем упругости и стойкостью к динамическим нагрузкам. Также нитевидные монокристаллы придают ПКМ специальные свойства, зависящие от материала, из которого они получены [14]. При рассмотрении этой группы стоит упомянуть ПКМ с вискеризованными волокнами. Вискеризация представляет собой выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и др. волокон. Данная группа ПКМ применяется в производстве конструкционных изделий, датчиков и автоэмиссионных катодов.
Представленная в данной работе классификация не является полной и всеобъемлющей по нескольким причинам. Во-первых, один и тот же материал может быть причислен сразу к нескольким группам, например композит с эпоксидным связующим и стеклянными волокнами в качестве наполнителя будет одновременно и эпоксипластом, и стеклопластиком. Во-вторых, данная классификация не позволяет представить полиматричные ПКМ или ПКМ с гибридным наполнителем, например, карбостекловолокнит. И в-третьих, в настоящее время проводится большое количество исследований по модификации уже существующих и синтезу новых ПКМ. Однако на основании представленных в этой работе данных можно сделать вывод о том, что ПКМ являются самыми широкораспространенными и разнообразными по составу, строению и свойствам композиционными материалами, что позволяет эффективно использовать их практически во всех областях современной человеческой деятельности. Основными ограничениями по применению ПКМ являются их относительно невысокая термостойкость и морозостойкость по сравнению с композитами на основе керамических и металлических матриц, горючесть и токсичность продуктов горения, а также явление старения полимерных связующих под действием различных факторов окружающей среды. Однако преимущества использования ПКМ позволяют сделать вывод о том, что эти материалы наряду с другими композитами являются материалами будущего и со временем их характеристики и технологии получения будут только совершенствоваться, области применения расширяться, а объемы производства увеличиваться.