Характеристика полимерных и армированных пластиков
Полимерные материалы и полимерные композиты, обладающие весьма разнообразными свойствами, завоевали важное место в современной технике. Общий мировой объем их потребления растет.
В армированных полимерных композиционных материалах (ПКМ) реализованы высокие упруго-прочностные свойства различных волокон. По сочетанию прочности и модуля упругости, армированные ПКМ с однонаправленной ориентацией волокон существенно превосходят все современные металлические конструкционные материалы, имея при этом низкую плотность.
Основной особенностью армированных пластиков является ярко выраженная анизотропия их механических свойств, определяемая ориентацией волокон в матрице в одном или нескольких направлениях. Выбор ориентации обуславливается распределением напряжений в элементах конструкций.
Главным элементом любых структур армированных пластиков является однонаправленный слой, состоящий из параллельно ориентированных армирующих элементов волокон, нитей, жгутов лент или полостей. В качестве ориентирующих волокон используют несколько видов углеродных, органических на основе гибко - и жестко-ценных полимеров, борные, стеклянные и ряд других.
Можно выделить следующие виды армированных пластиков: стеклопластик – ВМП; углепластик – УКН-П; ЭЛУР; органопластик – Армос, Русар.
Крупнейшей областью применения ПКМ остается аэрокосмическая и автомобильная промышленности, товары народного потребления.
Неармированные полимерные материалы - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых (микромалекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок, или молярных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Число звеньев характеризует степень полимеризации. Полимеры могут иметь естественные (целлюлоза, натуральный каучук) и искусственное (полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.) происхождение.
Добавки, которые вводят в смеси при изготовлении полимеров, служат для придания им свойств, которыми должны обладать готовые изделия, или для облегчения их переработки. Они могут выполнять роль наполнителей, вспенивающих агентов, пластификаторов, стабилизаторов, красителей, смазок и т.д. В качестве добавок используют вещества, имеющие полимерную или мономерную природу и находящиеся в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Свойства полимеров – прочность, теплостойкость, твердость, теплопроводность и т.д. – зависят от химического строения элементарных звеньев, величины структуры и формы макромолекул, а также от молекулярной организации.
В значительной степени свойства полимеров определяются силами, связывающими атомы в основной цепи макромолекулы и силами взаимодействия между соседними макромолекулами. Повышение прочности и теплостойкости может быть достигнуто введениями в полимер полимерных групп, что приводит к возникновению кулоновских сил притяжения между противоположными полюсами близко расположенных макромолекул.
Свойства полимеров в значительной степени определяются и составом основной полимерной цепи, которая может быть построена только из углеродных атомов (карбоцепные полимеры),или может содержать помимо углерода атомы кислорода, серы, азота (гетероцепные полимеры), атомы кремния, титана, алюминия, никеля, бора (элементоорганические полимеры).
Основные физические и механические свойства полимеров зависят не только от их химического строения, но и от надмолекулярной организации. Все полимеры можно разделить на кристаллические и аморфные.
Кристаллические полимеры характеризуются наличием порядка, как в расположении отдельных цепей, так и в расположении отдельных звеньев во всех направлениях в пространстве и на достаточно больших расстояниях (дальний порядок). Поэтому строение углеродных участков может быть охарактеризовано параметрами элементарной ячейки, как и для низкомолекулярных кристаллов.
В аморфных полимерах такая однотипная пространственная упорядоченность сохраняется лишь на малых расстояниях – 10-15 А от любой точки (ближний порядок).
Большинство методов обработки полимеров сопровождается вводом энергии, которая, так или иначе, превращается в тепловую энергию. Поэтому способность полимеров к обработке зависит в первую очередь от поведения при нагревании.
По реакции на нагрев полимеры делятся на термопластические и термореактивные. Свойства и строение термопластических полимеров (термопластов) не изменяются при нагревании и последующем охлаждении. Полимеры, которые при нагревании приобретают пространственную структуру, необратимо теряя способность плавиться, называют термореактивными (реактопластами).
Наиболее распространенными полимерами являются следующие:
• Полиолефины – полиэтилен, полиизобутилен, полипропилен, поливинил-циклогексан и др.
• Хлорсодержащие полимеры – поливинилхлорид (ПВХ), пенополивинилхлориды (ПВХ – 1, ПВС – 1, ПВХЭ), полистирол (ПС), АБС – пластики
• Акриловые пластики – полиметилакрилат (ПММА).
• Полиамиды (гетероцепные полимеры) – капрон, фенилон.
• Полиэфиры (поликонденсационные полимеры) – поликарбонаты, полиэтилентерефталат.
• Фторопласты (фторлоны) - фторлоны Ф – 4М, Ф – 40 и др.
Наряду с традиционными методами обработки полимеров и неметаллических композиционных материалов используется лазерная обработка – лазерная резка. В основе лазерной резки лежит термическое воздействие на материал поглощенного лазерного излучения. При падении лазерного излучения на материал эффективность использования энергии лазерного пучка зависит от свойств поверхности материала, в частности от коэффициента отражения. Коэффициент отражения представляет собой отношение интенсивности отраженной световой волны к интенсивности падающего лазерного пучка и определяется оптическими характеристиками материала и состоянием поверхности. На практике часто пользуются термином коэффициент поглощения, который характеризует поглощение материалом излучения с определенной длиной волны. Коэффициент поглощения полимеров для ИК – излучения (5-15 мкм) лежит в пределе 0,98 – 0,86, а для видимого и ближнего ИК диапазона (~ 1мкм) эти значения ниже. В отличие от металлов, в которых поглощение излучения происходит у поверхности в скин-слое толщиной порядка 10-9 м, толщина поглощающего слоя у полимерных материалов гораздо больше, т.е. во многих случаях лазерный нагрев можно считать объемным.
Механизмы поглощения излучения в полимерах достаточно сложны и могут существенно отличаться в разных спектральных диапазонах. Это обстоятельство затрудняет определить параметры лазерной резки полимера расчетным путем. Только накопленные экспериментальные данные позволяют с некоторой точностью выбирать параметры лазерной резки.
Особенности лазерной резки полимеров и армированных пластиков
Лазерная резка полимерных и композиционных материалов широко используется в технологических процессах изготовления изделий. Использование лазерного излучения (ЛИ) позволяет решать сложные технические задачи, автоматизировать технологические процессы, значительно повысить производительность и качество изделий.
В основе процесса лазерной резки полимеров и композитов лежат термохимические и термофизические механизмы разрушения материалов. Энергия лазерного излучения поглощается материалами, преобразуется в тепло, которое вызывает быстрый нагрев и разрушение материала.
Эффективность лазерного разрушения полимерных материалов зависит от количества поглощенной энергии при определенной плотности мощности. При действии ИК лазерного излучения (СО2 , СО – лазеры) на полимеры и композиты происходит поверхностное поглощение энергии, глубина слоя составляет от долей до десятков микрометров и зависит от состава полимера и композита. Время релаксации лазерной энергии в тепло в полимерных материалах составляет 10-12 - 10-3 с, что является высокоинтенсивным источником нагрева.
На процесс разрушения полимерных материалов большое влияние оказывают теплофизические свойства материала. Для большинства полимеров коэффициент теплопроводности лежит в пределах (0,15, 0,50) х 10-2 Вт/см х К.
Полимеры являются плохими проводниками тепла и все эффекты, связанные с разрушением, будут поверхностными.
Процессы разрушения полимеров под лазерным излучением имеют отличительные особенности, по сравнению с металлами. Кинетика и механизм лазерного разрушения полимерных материалов зависят от их строения и сильно различаются, что создает определенные сложности в обобщении фактов процесса разрушения полимеров.
Полимеры подразделяются на три категории в зависимости от поведения их при лазерном воздействии:
• А) полимеры, которые плавятся и разбрызгиваются;
• Б) полимеры, образующие на поверхности слой угля;
• В) полимеры, испаряющиеся без остатка.
В группу А входят в основном термопластические полимеры: полиэтилен, полипропилен, полиэтилен – сукцинат, нейлон, капрон, полистирол, полиметилметакрилат (ПММА).
К группе Б относятся, прежде всего, ароматические термоактивные полимеры (полибензимидазол, полицианураты, полифенилены), а также некоторые термопласты (полифениленоксид, полифенилхиноксалин, полиарилат и др.); поликарбонат (ПК); полифторхлорэтилен (ПТФХЭ).
К группе В принадлежат полимеры: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиметилстирол, полиэтилметакрилат, а также ПММА и ПС.
Сложность выбора технологических режимов лазерной резки неметаллических композиционных материалов состоит в том, что армирующие волокна и связующие имеют разные характеристики, такие как теплопроводность, температуры испарения и плавления, оптические свойства для заданных длин волн и др. Теплопроводность волокна является анизатропическим свойством, тогда как для связующего это объемное свойство.
Результаты экспериментальных исследований по лазерной резке полимерных материалов показали, что различие в теплофизических свойствах у составляющих материал компонентов требует оптимизации энергетических и пространственных параметров лазерного излучения, используемого для резки, а также скорости резки. Для обеспечения высокого качества реза необходимо использовать одномодовое излучение с гауссовым распределением, которое обеспечивает локальность нагрева и разрушение композита.
Изучая действие лазерного излучения с различными длинами волн было установлено, что композиты на основе стеклотканей (Т10+ЭБСМ и др.), органотканей (СВМ+ЭЛУР – 008ПА), углетканей (УТ – 900-30А) можно резать лазерным излучением СО2 - лазера, АИГ – лазера и Си – лазера соответственно 10,6 мкм; 1,06мкм и 0,578 мкм. Необходимо заметить, что качество реза повышается при использовании импульсно-периодического характера излучения.
Лазерная резка неармированных полимеров имеет свои особенности, которые зависят от теплофизических свойств обрабатываемых материалов:
Резка акрилового стекла. Обычный режим лазерной резки представляет собой процесс воздействия лазерного излучения на материал, перемещение зоны воздействия и подача сжатого воздуха в зону воздействия. Поверхность реза имеет характерную шероховатость в виде «зубцов», это обуславливается физикой процесса лазерной резки в данном режиме. Режим полировального реза. При этом режиме сжатый воздух не подается в зону реза, скорость реза уменьшается. При данном воздействии лазерного излучения происходит оплавление поверхности реза и под действием сил поверхностного натяжения образуется полированная поверхность. На цветном акриловом стекле эффект полированного реза выражен слабее. Следует заметить, что акрил склонен к образованию микротрещин по торцу реза.
Резка вспененных ПВХ пластиков. Торцевая поверхность реза имеет коричневый цвет. Образующиеся в процессе резки пары ПВХ впитываются в пористую поверхность реза, придавая ей темную окраску на некоторую глубину. Увеличение подачи воздуха в зону реза несколько снижает черноту реза, переходящую в светло-коричневую.
Резка полистирола. При резке полистирола преобладают процессы плавления. Если в зону резки подается сжатый воздух при небольшом давлении, то на нижней поверхности реза образуется, облой. При увеличении давления облой, уменьшается, но образуются нитевидные продукты разрушения, выдуваемые из зоны резки. Скорость резки полистирола несколько меньше чем у акрилового стекла.
Резка полиэфирного стекла ПТЭФ. Данный материал хорошо режется лазерным излучением. Торцевая поверхность реза прозрачная, шероховатость несколько меньше чем у акрилового стекла.
Представленный краткий анализ видов полимерных материалов и композитов, показывает сложность механизма разрушения при лазерном воздействии. Оптимальные параметры лазерной резки этих материалов зависят как от структуры материалов, так и от метода их получения, от состава. Выбор обработки зависит от оптических свойств полимеров.
Ю.В. Голубенко, А.В. Бондарев, К.В. Пономаренко
Источник: Лазер Сервис
