|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы в табл. 24.3 приведен алфавитный список методов, содержащийся в Федеральных стандартах на методы испытаний {Federal Test Method Standard (FTMS), № 406). Приведены также соответствующие ASTM-методы, которые распространены. Виды испытаний , имеют по стандарту FTMS следующую нумерацию: Механические ........................ 1011-1131 Термические......................... 2011-2051 Оптические ......................... 3011-3051 Электрические........................ 4011-4052 Определение других физических свойств............ 5011-5041 На стабильность....................... 6011-6091 Химические.......................... 7011-7081 Необходимо заметить, что перечисленные выше методы испытаний подходят для всех типов пластиков: как термо-, так и реактопластов. Они так же хорошо могут использоваться как для армированных, так и для неармированных материалов. В конце главы читатель найдет достаточно полную библиографию по методам испытаний армированных пластиков. 24.2.1. Пластики, полученные методом намотки Быстрое развитие исследований и применение материалов, полученных намоткой, привело к созданию большого числа специ- фикаций и стандартов на методы их испытаний. Следующие стандарты ASTM представляют собой интерес: ASTM D2290-76. Определение предела прочности при растяжении кольцевых или трубчатых образцов при испытании на разрезных полудисках; ASTM D2291I76. Получение кольцевых образцов композиционных материалов для испытаний; ASTM D2343-67. Механические свойства при растяжении стекложгутов, пряжи, ровинга, используемых при производстве армированных пластиков; ASTM D2344-76. Определение предела прочности армированных пластиков при сдвиге методом короткой балки; ASTM D2585-68. Изготовление и испытание сосудов высокого давления, полученных методом намотки нитью; л ASTM D2586-68. Определение гидростатической прочности цилиндров из армированных пластиков; ASTM D2996-21. Намотка нитью труб с использованием термореактивного связующего; ASTM D3299-24. Технические условия для изготовления химически стойких емкостей методом намотки стеклонитью. 24.2.2. Армированные термопласты Увеличение производства композитов на основе термопластов диктует необходимость создания стандартов и методов испытаний для этого широкого класса материалов из семейства армированных 436 пластиков. Перечисленные ниже стандарты могут использоваться для этой цели: ASTM D2848. Армированные пластики на основе поликарбоната, полученные методом литья под давлением или экструзией; ASTM D2853. Армированные материалы на основе полиоле-финов, полученные методом литья под давлением или экструзией; ASTM D2897. Армированные и наполненные материалы на основе найлона, полученные методом литья под давлением или экструзией; ASTM D2948. Стеклопластики на основе ацеталя, полученные методом расплавного прессования или экструзией; ASTM D2990. Ползучесть пластиков при растяжении и их разрушение при ползучести; ASTM D3011. Армированные и наполненные материалы на основе полистирола, стирола-акрилонитрила и акрилонитрила-бутадиен стирол а, полученные методом литья или экструзией; ASTM D3220. Армированные пластики на основе политере-фталата, полученные методом литья или экструзией. 24.2.3. Трубы из армированных пластиков Все более широкий спрос находят трубы и фитинги из армированных пластмасс. Наиболее подходящие стандарты на испытания таких изделий приведены ниже: ASTM D1598-76. Долговечность пластмассовых труб при постоянном внешнем давлении; ASTM D1599-74. Прочность пластмассовых труб, тюбингов и фитингов при быстром разрушении; ASTM D1694-67. Резьба в трубах из армированных материалов на основе термореактивных связующих; ASTM D2105-67. Механические продольные свойства при растяжении для армированных труб и тюбингов на основе термореактивных связующих; ASTM D2143-69. Прочность при циклическом нагружении внутренним давлением труб на основе армированных пластиков с термореактивным связующим; ASTM D2310-71. Трубы и фитинги из армированных эпок-сипластиков для газа под высоким давлением (описание методов получения и испытаний); ASTM D2517-73. Оборудование для получения армированных труб на основе термореактивного связующего; ASTM D2925-70. Измерение лучепреломления в трубах из армированных пластиков на основе термореактивных связующих при закрытых отверстиях; ASTM D2992-71. Применение гидростатических методов для исследования труб и фитингов из армированных пластиков на основе термореактивных связующих; ASTM D2996-71. Трубы, полученные намоткой (на основе термореактивных связующих); ASTM D2997-71. Трубы из армированных материалов на основе термореактивных связующих, полученные центрифугированием; ASTM D3615-77. Химически стойкие термореактивные расплавленные композиты для производства фитингов расплавным методом. 24.2.4. Гофрированные панели Существует ряд методов испытаний, разработанных специа-ально для изучения свойств гофрированных панелей из армированных пластиков, используемых в строительстве. Метод ASTM D1494-60 (Коэффициент пропускания рассеянного света из армированных пластиков) может быть применен как для плоских, так и для гофрированных панелей. Для контроля качества и при поставках продукции используется метод ASTM D1502-60 (Трансверсальные нагрузки в гофрированных панелях из армированных пластиков), позволяющий определять прочностные свойства материала без изменения форм гофров. Действительно, в случае зависимости свойств композита от точки крепления образца отсутствует возможность охарактеризовать истинные значения прочностных свойств панелей, применяемых в строительстве. Метод ASTM D1602-60 (Усталостные нагрузки в гофрированных панелях из армированных пластиков) используется при применении заклепочных, болтовых или других механических соединений панелей. Образцы для этих испытаний вырезаются из гребня и впадины гофра панели. 24.2.5. Композиты с металлической матрицей Расширение производства и исследований в области создания волокнистых композиционных материалов с металлической матрицей потребовало создания специальных методов испытания этих материалов. Метод ASTM D3552-77 описывает стандартные методы испытаний для определения механических свойств при растяжении композитов с металлической матрицей, армированных как непрерывными, так и короткими волокнами. Метод применяется при испытаниях как в направлении оси армирования, так и перпендикулярно ей. Метод ASTM D3553-76 (Определение содержания волокна в композитах с металлической матрицей методом удаления последней) описывает метод химического удаления (растворение в кислоте, тип которой зависит от типа металла матрицы) металлической матрицы. Образец взвешивается до химического воздействия на него. Волокно, оставшееся после растворения матрицы, отфильтровывается, промывается и сушится. Взвешиванием волокна определяется его содержание в композите. 24.3. Основные положения 24.3.1. Конфигурация образцов Для получения воспроизводимых результатов конфигурация образцов для испытаний должна строго фиксироваться. Для каждого вида испытаний стандартизуется определенный вид образца. Конфигурация образца может быть модифицирована, если это дает стабильность результатов (в частности уверенность, что разрушение произойдет в необходимой зоне, а не в зажимах). 24.3.2. Кондиционирование образцов и условия испытаний Влажность и температура окружающей среды при испытаниях могут оказывать существенное влияние на результаты. В связи с этим в спецификации на испытания обычно вводятся требования на кондиционирование образцов перед испытаниями. В табл. 24.4 представлены требования к кондиционированию образцов в соответствии со стандартами ASTM и FTMS № 406. Часто проведение испытаний допускается в широком диапазоне атмосферных условий. Например, военный стандарт MIL-R-9299 (Фенольные связующие. Прессование при низких давлениях) определяет, что испытания могут проводиться при атмосферных условиях в интервале температур 21 ... 27 °С и при относительной влажности в интервале 30... 60 % . Стандартные условия (23 ± 2 °С и относительная влажность 50 %) требуются только в том случае, если более широкие температурные и влажностные условия явно влияют на результаты испытаний. В том случае, когда могут возникнуть сомнения в надежности данных, условия проведения испытаний могут быть ужесточены: по температуре до ±1 °С и по относительной влажности до ±2 %. 24.4. Требования к стаидартизацни условий испытаний образцов (перед испытаниями) Параметр ASTM D618-61 FTMS № 406 Температура, °С Относительная влажность *, % Время кондиционирования (минимальное) образцов в зависимости от толщины t** 23 ± 2 50 ± 5 40 при t < 6,4 мм, 88 при i > 6,4 мм 23 ± 1,1 50 ± 4 48 при t < 3,2 мм, 96 при О 3,2 мм * См. также стандарт ASTM 104-51 для лабораторного определения равновесной влажности. ** Стандарт ASTM D618-61 описывает также и другие методы кондиционирования пластиков. Данный метод употребляется, если не предложены другие варианты кондиционирования. Для определения влияния внешних условий на свойства композиционных материалов используются специальные виды испытаний. Исследование зависимости свойств от экспозиции во влажной среде показывает, что на изменение характеристик материала оказывает влияние содержание связующего, ориентация волокна, геометрия образца, относительная влажность и температура. Стабильность размеров композитов также зависит от равновесных значений сорбции и десорбции влаги. Относительная влажность может воздействовать и на жесткость композитов, особенно при циклических нагрузках [2]. Использование композиционных материалов для защиты от коррозии в различных технологических процессах в условиях промышленного производства стимулировало развитие методов испытаний этих материалов на влияние коррозионных сред. Лабораторные и натурные испытания, проводимые как государственными, так и частными фирмами, позволяют дать рекомендации по применению армированных полимерных материалов в системах хи--мического производства [3]. Если образцы хранятся и испытываются в помещении с контролируемыми атмосферными параметрами, требования к их кондиционированию становятся существенно менее жесткими. В этом случае рекомендуется производить лишь контроль и запись параметров условий испытаний. В ряде случаев существует необходимость определения свойств КВМ после или во время воздействия на образец внешних условий (повышенная температура, криогенная температура, влажность, вакуум или радиация). Время экспозиции образца при повышенной температуре (время прогрева), при котором устанавливается равновесная температура в образце, составляет чаще всего 10 ... 30 мин. Время смешанных условий на образец требует учета синергических эффектов на свойства композита. В этом случае вместе с результатами испытаний записываются условия испытаний и допуски к этим условиям. Стандарт ASTM D759 (Изучение физических свойств пластиков в широком температурном интервале) включает практические рекомендации по проведению испытаний для определения физических свойств пластиков в интервале температур -269 ... + 550 °С, включая и нормальную лабораторную температуру 23 °С. Стандарт ASTM D794 (Определение тепловых воздействий на пластики) регламентирует условия проведения испытаний при воздействии на пластики длительных температурных экспозиций. Этот стандарт описывает проведение испытаний при повышенных температурах и экспозиции от нескольких минут до нескольких недель, а также испытания при циклическом изменении температуры. Погодостойкость композиционных материалов определяется в соответствии со стандартом ASTM D1435 (Влияние внешних погодных условий на пластики). 440 Стандарт ASTM С581 описывает относительно быстрый метод испытаний химической стойкости стеклопластиков на основе термореактивных связующих применительно к условиям эксплуатации этих материалов. Метод базируется на определении изменения различных свойств композитов после длительного воздействия различных химических веществ (кислот, оснований, растворителей). 24.3.3. Анизотропия свойств Так как армированные пластики обладают анизотропией свойств (т. е. в различных направлениях свойства материала различны), необходимо проводить испытания материала в различных направлениях. Направление испытания (например, направление приложения нагрузки или потока тепла при определении теплопроводности) должно быть заранее определено и записано вместе с результатами испытаний. Например, в слоистых пластиках свойства поперек и вдоль слоев существенно различаются. Для текстолитов и композитов, полученных методом ручной выкладки, существует сильная анизотропия в плоскости слоев. Нагрузка к образцу может прилагаться либо в соответствии с симметрией армирующей компоненты (основа ткани в текстолитах), либо в соответствии с симметрией образца (осевая, круговая и т. д.). 24.3.4. Скорость нагружения Механические свойства материалов весьма чувствительны к скорости проведения испытаний (скорости нагружения) . В соответствии со стандартом ASTM D638-77 (Свойства пластиков при растяжении) стандартная скорость испытаний устанавливается в соответствии со специальными таблицами, учитывающими особенности испытаний данного вида материалов, либо по специальным согласованным данным. Если спецификация на материал не устанавливает скорости механических испытаний, выбирается наименьшая скорость для данной геометрии образца по стандарту ASTM D638. В основном эти скорости лежат в пределах, обеспечивающих разрушение образца за время 0,5 ... 5 мин. Для жестких и полужестких пластиков скорость нагружения лежит в пределах 5 ... 500 мм/мин для образцов больших размеров. В случае использования образцов с малым сечением (толщина <7 мм) и в случае, когда размеры образцов диктуются малостью объема для испытаний (термокамеры для температурных испытаний), скорость нагружения образцов может быть снижена до 1 ... 100 мм/мин. 1 Читатели могут также воспользоваться следующими стандартами: ASTM Е4-72 (Поверка испытательных машин), в котором описаны методики поверки испытательного оборудования с применением различных средств поверки; ASTM Е6-76 (Методы механических испытаний) с изложением стандартной терминологии и определений, касающихся испытаний. Стандарт ASTM D2289 (Высокоскоростные испытания для определения механических свойств пластиков) регламентирует испытания при более высоких скоростях, расширяя рамки, определенные в стандарте ASTM D638. В этом случае становится важным эффект распространения волны деформации. Когда скорость испытаний (скорость перемещения зажимов во время испытаний) не определена условиями испытаний или техническими условиями на материал, выбираются три основных скорости испытаний: 2,5; 25 и 250 м/мин. 24.3.5. Отбор образцов и обработка результатов Число образцов для каждого вида испытаний, необходимое для получения надежных значений данного свойства материалов, может быть получено после предварительной оценки. Изменение объемов испытаний часто требуется, если необходимо получить более жесткие пределы свойств (см. также ASTM D2188. Статистическое описание межлабораторных {1спытаний пластиков). Требования к процедуре отбора образцов описываются в документах, представленных в списке литературы к гл. 25. Стандарт ASTM D1898 представляет особый интерес, так как в нем описана процедура отбора образцов. При использовании данных по испытаниям материалов в практике конструирования результаты испытаний должны подвергаться статистической обработке. Все величины должны трактоваться как вероятностные, а то или иное значение имеет свою степень надежности. В каждом случае необходимо проводить оценку совокупности средних значений для каждого из свойств и соответствующих величин коэффициентов вариации, что определяет доверительный интервал и минимальный объем выборки. Стандартные методы обработки результатов измерений включаются в технические условия и стандарты на испытания. Чаще всего они включены в форму отчета по результатам испытаний. Отчет включает идентификацию (описание) материала, операции производства образцов, конфигурацию и размер образцов, условия хранения, кондиционирования и испытания, технику испытаний, полученные значения. В отчет включаются все данные по испытаниям индивидуальных образцов, среднее значение и коэффициент вариации. Под средним значением обычно понимается -среднее арифметическое серии испытаний. Оценка коэффициента вариации где X - значение одиночного испытания; л - число испытаний (число образцов); X - среднее арифметическое серии испытаний. 442 24.4. Испытания исходных компонентов для производства композиционных материалов Компоненты (сырье) для производства композиционных материалов обычно подвергаются испытаниям, цель которых - контроль качества сырья. К сырьевым материалам при производстве композитов относятся армирующие материалы, связующие и катализаторы (отвердители), а также предварительно пропитанные расплавные материалы. Вспомогательные материалы (например антиадгезивы, вакуумные мешки и другие аксессуары, используемые в производстве композитов) обычно не подвергаются испытаниям в связи со сложностью их анализа. 24.4.1. Связующие поверхностные слои и катализаторы (отвердители) Описанные ниже свойства наиболее часто определяют для связующих и материалов с поверхностными покрытиями (слоями) связующих. Типичные спецификации приведены для каждого вида испытаний. 24,4.1-l- Вязкость. Исходные связующие до введения катализатора и после него Изменение вязкости для каждого вида связующего обусловлено рядом факторов. Она может меняться при изменении пропорций исходных реагентов, во время синтеза, вследствие изменения технологического режима получения связующего, наличия примесей в химическом составе, а также условий хранения. Применяются различные типы оборудования для определения текучести жидких связующих или их растворов. В ротационном вискозиметре Бpyкфильдa используется принцип вращающегося шпинделя. Измеряются сдвиговые напряжения, возникающие при вращении внутреннего цилиндра в вязких растворах связующего. Стандарт ASTM D2393-68 описывает использование вискозиметра Брукфильда или его модификаций для определения вязкости эпоксидных связующих, их модификаций, растворителей, использующихся при получении эпоксидных систем, жидких отвердителей и жидких эпоксидных систем смола-отвердитель или других жидких смесей. Вискозиметр Макмайкла измеряет вязкость по изменению крутящего момента на плунжере, погруженном в цилиндр со связующим, вращающийся с постоянной скоростью. Существует целый ряд вискозиметров другого типа, особенно для жидкостей с низкой вязкостью. В этом случае зачастую используется метод капиллярной вискозиметрии или падения шарика (например, вискозиметры Гепплера). Разработан в лаборатории Brookfild Engineering Laboratories, г. Стаутон, шт. Массачусетс. Для предельно вязких и твердых связующих определение этого параметра проводят после растворения связующего в специальных, соответствующих данному связующему растворителях. Стандарт ASTM D2857 (Вязкость разбавленных растворов полимеров) описывает методы определения вязкости разбавленных растворов полимеров, когда не происходит химической деструкции связующего, т. е. раствор стабилен. В случае исследования систем связующее-отвердитель вязкость является индикатором такого параметра, как время жизни связующего. Значения вязкости особенно важны при пропитке армирующих структур, при получении намоточных изделий, при применении техники расплавного формования и для регулирования процесса отверждения. 24.4.1.2. Визуальный контроль Связующие и их растворы необходимо подвергать визуальному контролю как с целью входного контроля, так и для контроля технологического процесса. Примеси и изменение цвета всегда видно невооруженным глазом. Цвет может быть определен сравнением с известными стандартами (см., например, Большой каталог цветности , ASTM D1544). Коэффициент преломления {FTMS № 406, метод № зон или ASTM D542-50) часто используется при определении качества связующих в полупрозрачных стеклопластиках. 24.4.1.3. Сохранение свойств при хранении, время жизни и желатинизации связующего Время жизни связующего без катализаторов-отвердителей зависит от условий хранения (особенно от температуры и влажности), доступа воздуха и от наличия примесей. Как было сказано выше, вязкость является хорошим индикатором жизнеспособности связующего. После введения катализаторов-отвердителей начинается рабочая жизнь связующего. Вязкость системы изменяется во времени. Время желатинизации (время гелеобразоваиия) системы связующее-отвердитель может служить основной характеристикой рабочего времени жизни связующего. Промышленное общество пластмасс (ПОП) [The Society of the Plastics Industry (SPI)] и другие организации установили стандартную процедуру определения времени желатинизации. Система связующее - отвердитель помещается в специальный цилиндрический объем определенных размеров и нагревается в ванне с постоянной температурой 82,2 °С, причем уровень связующего ниже уровня ванны. Температура связующего постоянно контролируется. Время желатинизации определяется по изменению температуры от исходного значения 65,6 °С при температуре ванны 82,2°Сдо температуры, превышающей последнюю на 5,5 °С [5]. Время желатинизации (гелеобразоваиия) может быть определено не только по максимуму температуры связующего, но и по экзотермическому пику на термограммах [6]. Связующие, выделяющие больше тепла, более подвержены усадке при отверждении и растрескиванию. Для каждого вида связующих экзотермический всплеск при гелеобразовании специфичен. Было замечено, что для композитов, в которых при отверждении происходило большое выделение тепла, наблюдалась тенденция к уменьшению межслоевых связей и, следовательно, физико-механические свойства оказывались невысокими [7]. Изменение времени желатинизации и смещения экзотермического пика после хранения связующего и отвердителя (катализатора) может свидетельствовать о химических изменениях, происшедших в них. Чтобы быть уверенным в том, что при хранении не происходит изменений, необходимо периодически проверять вязкость связующего и определять время желатинизации перед употреблением. Стандарт ASTM D2471-71 (Время желатинизации и экзотермическое повышение температуры при реакции в термореактивных композитах) используется для оценок, контроля качества и характеристики материалов. В этом стандарте описываются сам метод испытаний и измерение объема образца и рабочего объема, проводимые при различных применениях. Стандарт ASTM D3532-76 (Время желатинизации в препрегах на основе углеродных волокон и эпоксидных связующих) посвящен определению времени желатинизации в предварительно пропитанных эпоксидным связующим волокнистых структурах на основе углеродных (графитовых) волокон. Этот метод пригоден для связующего как с высокой, так и с низкой вязкостью. Образцы вырезаются из препрега и нагреваются на горячей поверхности (с заданной для данного связующего температурой). Наблюдается образование бусинок из связующего, выступающих из препрега. Время желатинизации отмечается в точке, когда вместо бусинок образовываются зазубрины или застеклованные подтеки. 24.4.1.4. Плотность Плотности (удельные веса) связующего и отвердителя обычно паспортизованы и могут служить для определения качества и для контроля процесса получения связующего. Методы определения плотности могут быть применены как для жидкого, так и для твердого материала. Измерения могут проводиться как до, так и после отверждения. Для жидкостей наиболее часто применяется метод, предусмотренный стандартом ASTM D1475 (Определение плотности красок, лаков и родственных им материалов). Военная спецификация на термореактивные связующие {MIL-R-7575. Связующие. Полиэфиры. Прессование при низком давлении и MIL-R-9300. Связующие. Прессование при низком давлении) дает метод определения плотности исходной смолы (без отвердителя или катализатора) и отвержденной смолы без наполнителя. Этот метод основан на простом взвешивании единичного объема связующего (масса объема в г, отнесенная к объему в см). Для этой цели подходят также весы Вестфаля. Для оценки плотности по этому методу проводится сравнение результатов взвешивания номированного груза в связующем и в воде. Для твердых материалов применяются следующие стандарты: FTMS 406, метод 50П. Определение удельного веса методом погружения в воду; FTMS 406, метод 5012. Определение удельного веса взвешиванием и измерением объема; ASTM D792. Определение удельного веса и плотности пластиков методом погружения; ASTM D1505. Определение плотности пластиков методом градиента плотности; ASTM D1895. Кажущаяся плотность, объемный фактор и сыпучесть пластических материалов. В основном все последние методы касаются твердых пластиков. Они Могут быть также применены к пластмассам в форме размолотой пудры, хлопьев или гранул. 24.4.1.5. Твердость Степень отверждения связующего контролируется в основном по измерению его твердости. Для контроля качества связующего или процесса отверждения используется тест, в котором определяется минимальное время для системы смола-отвердитель, за которое достигается определенное (заданное) значение, сохраняющееся при данной температуре. Стандарт FTMS, метод № 1081 {ASTM D785) описывает метод определения твердости пластиков, совпадающий с испытанием на твердость по Роквеллу. Стальной шарик внедряется в материал образца под определенной нагрузкой, проградуиро-ванной в единицах шкалы, предложенной Роквеллом. Исследуемая характеристика (твердость) представляет собой сопротивление внедрению индентора в испытуемый образец. Испытание на твердость по Роквеллу заключается в пенетра-ции маленького стального шарика под нагрузкой с использова- нием круговой шкалы. В соответствии со стандартом ASTM D785 метод А заключается в измерении углубления, оставленного индентором, находящимся под большой нагрузкой в течение 15 с. Вдавливание производится через 15 с под малой нагрузкой 100 Н (10 кгс). Метод В того же стандарта предусматривает измерение глубины проникновения индентора в образец через 15 с под действием исходной большой нагрузки. Для пластиков широко используется и метод определения твердости по Барколу (аппаратура фирмы Барбер-Колман ). В этом 446 методе используется острый индентор, который внедряется под нагрузкой в поверхность образца. В стандарте ASTM D2583-75 (Определение твердости пластиков с помощью пенетрометра Бар-кола) описана процедура определения твердости по Барколу как армированных, так и неармированных пластиков с использованием пенетрометра Баркола (модель № 934-1). Небольшие размеры и возможность создания еще более портативной аппаратуры позволяют использовать этот метод на производстве для контроля продукции. Необходимо следить, чтобы направление движения индентора было перпендикулярно поверхности образца. Необходимо также, чтобы образец располагался на жесткой и твердой поверхности, так как в процессе измерений он может деформироваться. Для гибких связующих обычно используются дюрометры, определяющие твердость по глубине отпечатка индентора. Иглообразный стальной пенетрометр внедряется в поверхность образца под действием пружины. Глубина отпечатка считывается с калиброванного индикатора перемещений. Требования к использованию такого метода изложены в стандартах FTMS 406, методы № 05, 1082, 1083 и 1084, и в стандарте ASTM D2240-75. Дюрометры (твердомеры) типа А используются для испытаний мягких и некоторых полужестких материалов (специальные пластики и эластомеры); дюрометры (твердомеры) типа D используются для испытаний жестких и полужестких материалов. Возможны изменения в аппаратурном оформлении этих испытаний. Описания таких изменений особенно часто встречаются применительно к исследованию твердости армированных пластиков. 24.4.1.6. Химический состав Чтобы быть уверенным в высоком качестве связующих, зачастую необходимо определить некоторые особенности их химического состава.- Это помогает убедиться в реакционной способности связующего и в отсутствии в нем посторонних примесей. Примеси могут существенно изменять физические, химические и электрические свойства материала. Ниже приводятся несколько видов испытаний, проводимых для определения химических свойств связующих. Для эпоксидных связующих определение эпоксидного эквивалента и содержания гидроксилов достаточно для определения реакционной способности связующего. Точно измеряется содержание хлора и влаги: избыточное содержание этих примесей может влиять как на реакционную способность связующего, так и на его электрические и другие свойства. В случае необходимости определяется и точка плавления (размягчения) связующего. В качестве примера можно привести стандарт Л STM D1763-76 на эпоксидную смолу, применяемую как в жидком, так и в твердом виде для литья, покрытий, в качестве герметика, клея и, наконец, в качестве связующего в композиционном материале. Отвердитель не включен в стандарт. В зависимости от химической природы предусмотрено шесть типов связующих: I - эпи-хлоргидрин и бифенол Л; II - продукты реакции фенола и формальдегида (новолачное связующее) и эпихлоргидрин; III - циклоалифатические соединения и пероксикислота; IV - гли-цидиловые эфиры; V - продукты реакции аминофенола и эпи-хлоргидрина; VI - продукты реакции глиоксальтетрафенола и эпихлоргидрина. По этому стандарту испытания включают определение вязкости (457 D1544), массового эпоксидного эквивалента {ASTM D1652), цвета {ASTM D1544) и определение температуры размягчения (для твердых связующих). Последний параметр определяется следующим образом: навеска связующего массой 2 г помещается в специальный цилиндрический объем и нагревается на масляной бане до плавления. Затем, после охлаждения с термометром, погруженным в расплав, в цилиндр наливается 50 г ртути. Образец вновь помещается в масляную баню и нагревается со скоростью 2° С/мин. Точкэй размягчения считается температура, при которой связующее окажется поверх ртути. Для неотвержденных полиэфирных связующих особый интерес представляет определение кислотного числа. Это такое количество гидрооксида калия, которое необходимо для нейтрализации 1 г связующего (см., например ASTM D2849). Знание этого параметра дает уверенность в однородности реакционной способности связующего. Поскольку для образования сшитой структуры добавляются мономеры: стирол, винилтолуол, диаллилфталат и т. д., технические условия на полиэфирное связующее требуют, чтобы концентрация полиэфиров устанавливалась на нужном уровне. Для растворов связующих, а также связующих, образующих летучие компоненты, необходимо определение содержания нелетучего (или твердого) компонента материала. Стандарт ASTM D1259 описывает метод определения содержания нелетучего компонента в растворах связующих, а ASTA1 D1644-75 регламентирует измерение содержания связующего в лаках. В различных методах время и температура экспозиции волокна различны. В стандарте ASTM D1644, метод А, предусмотрена необходимая экспозиция при 105 ± 2 °С в течение 3 ч (в условиях вентиляции). Метод В требует экспозиции при 149±3,3°С в течение 10 мин (на горячей пластине). Нелетучий остаток определяется всегда взвешиванием образца до экспозиции и после нее. Катализаторы и отвердители также должны подвергаться проверкам, позволяющим убедиться в их чистоте и составе. Так, например, для типичного органического пероксида, используемого в качестве катализатора отверждения в полиэфирных связующих, количество активного кислорода должно быть выше определенного техническими условиями минимального уровня. Со-448 держание железа в таком катализаторе не должно превышать некоторого заданного значения. Эти параметры определяются при помощи стандартных методов аналитической химии. Аналогичным образом определяются и параметры аминных и ангидридных отвердителей эпоксидных связующих. Для ангидридов определяется содержание свободной и общей кислоты, для аминных отвердителей - содержание аминных групп и воды. Аналитический метод инфракрасной спектрометрии используется для целей химической идентификации связующих, отвердителей и модификаций ингредиентов, а также для определения чистоты этих продуктов. 24.4.1.7. Физические, механические и электрические свойства отвержденных иенаполненных связующих Кроме описанных методов испытаний связующих и других компонентов материалов, описанных выше, зачастую требуется определение еще ряда свойств отвержденных (иенаполненных) связующих. Особенно это касается полностью отвержденных связующих, которые в процессе отверждения не образуют летучих (эпоксидные и несмешиваемые полиэфирные связующие). Удельный вес (плотность) и твердость по Барколу определяют для тестирования материалов по чистоте и реакционной способности и по режиму отверждения. Должны контролироваться также характерные значения диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь связующих, особенно для связующих, использующихся в электротехнике. Время от времени для иенаполненных, неармированных пластиков возникает необходимость определения механических свойств как характеристики исходной структуры композита. Предел прочности, модуль упругости и значение критического удлинения (особенно при испытаниях на растяжение) могут определяться для гарантии того, что смещение, отверждение и все другие технологические процедуры будут обеспечивать требуемые характеристики связующего. Минимальные возможные параметры могут быть указаны в технических условиях на связующие. Методы проведения электрических и механических испытаний для связующих такие же, как и для других пластиков (см. табл. 24.3). 24.4.2. Армирующие материалы Стандарты (н спецификации), перечисленные ниже, описывают методы испы-таннй армирующих волокнистых материалов различных видов н форм. 24.4.2.1. Основные стандарты ASTM D76-77. Машины для испытаний на растяжение текстильных материалов; ASTMD123-77. Условия испытаний текстильных материалов; ASTMD1117-74. Испытания нетканых материалов; Л5ГЛ1D 75-7/. Сопротивление истиранию текстильных материалов; 15 п/р Дж. Любива /45ТЛ! л 1682-64. Разрушающая нагрузка и деформация текстильных материалов; ASTM D1776-74. Кондиционирование тканей и текстильной продукции для испытаний; ASTM D1777-64. Измерение толщины текстильных материалов; ASTM D2654-76. Определение содержания влаги и влагопоглощения текстильных материалов. 24.4.2.2. Стандарты ASTM для стекловолокон ASTM D578-61. Спецификация и испытания стекловолоконной пряжи; ASTM D579-66. Спецификация и испытания стеклотканей; ASTM D580-49. Испытание н надежность толстых стеклотканей; ASTM D2150-70. Тканн нз стеклоровинга для получения стеклопластиков иа основе полиэфирных связующих; ASTM D2343-67. Испытания для определения свойств стекловолокон при растяжении. Пряжа, ровннг, жгут для армированных пластиков; ASTM D2408-67. Стеклоткани. Очистка и обработка их амнносиланами для применения в стеклопластиках; ASTM D2409-67. Стеклоткани. Очистка и обработка винилсиланами для применения в стеклопластиках; ASTM D2410-67. Стеклоткани. Очистка и обработка комплексами хрома для применения в стеклопластиках; ASTM D2587-68. Метод экстракции ацетоном и выжигания для пряжн, ровннга жгута, для армированных пластиков; ASTM D2660-70. Стеклоткани. Очистка и обработка акрилсилаиами дли использования в стеклопластиках; ASTM D3098-72. Стеклоткани. Очистка и обработка эпоксифункцнональ-ными силанами для использования в стеклопластиках. 24.4.2.3. Военные стандарты и спецификации M/L-F-1140. Пряжа, корд, рукава, тканн и маты из стекловолокон; M/L-C-9084. Тканн, стекловолокна, обработка для стеклопластиков с полиэфирным связующим; MIL-F-9118. Обработка для стеклотканей; MIL-F-I2298. Получение стеклотканей; M1L-M-15167. Маты, стекловолокна для армированных пластиков; MIL-C-19663. Ткани, стекловолокна, ткани из ровннга стеклопластиков; MIL-P-60346. Ровннг, стекловолокна (для использования при намотке). Кроме документов, приведенных выше, описаны методы испытаний текстильных материалов в Федеральной спецификации ССС-Т-191. Другим источником информации по текстильным испытаниям является справочник: Е. R, Kaswell. Wellington Sears Handbook of Industrial Textiles. - N. Y.: Wellington Sears Co. Inc. 1963. Хотя в настоящее время наиболее распространенными являются композиты на основе стекловолокон, достаточно широко используются и КВМ на основе асбестовых, углеродных, графитовых и кварцевых волокон. Широкое применение находят армированные пластики на основе арамидных волокон (особенно волокна Кевлар фирмы Дюпон ), найлона, гидратцеллюлозы, бумаги, сизаля и других натуральных и синтетических волокон. Для получения специальных композитов используются волокна (или проволоки) из бора, бериллия, карбида кремния или нитрида 460 бора. В последнее время все более широкое распространение получают металлические и металлизированные стеклянные волокна. Последнее особенно важно для достижения высоких электро-и (или) теплопроводности композитов. Находят применение минеральные волокна из базальта (из застывшей лавы), а также разнообразные гибридные материалы, использующие два типа и более различных волокон [8 . Методы исследования этих объектов в основном изложены выше, но чаще всего необходимо дополнительное изучение для создания специальных методик контроля качества вновь разрабатываемых армирующих материалов. Последние исследования высокомодульных волокон стимулировали появление следующих стандартов: ASTM D3317-74a. Высокомодульная органоволокнистая пряжа и ровинг; ASTM D3318-76. Тканые материалы на основе высокомодульных органических волокон; ASTM D3544-76. Руководство по испытаниям высокомодульных волокон. Разработка и применение новых армирующих волокон с улучшенными свойствами стимулирует изучение возможности частичного приспособления старых методов. Спецификация AFML-TR-67-159 описывает методику изучения следующих свойств волокон и пряжи [91: Свойства при растяжении: 1) предел прочности; 2) относительное удлинение; 3) работа или энергия разрыва; 4) поведение при снятии нагрузки (деформация и энергия) как непосредственно, так и после выдержки; 5) необратимая деформация: мгновенная и постоянная; 6) начальный модуль упругости; Модуль при сдвиге: модуль упругости и предел прочности при изгибе; стойкость при многоцикловых испытаниях на изгиб; плотность (удельный вес); линейная плотность; диаметр и площадь поперечного сечения. Свойства при растяжении определяют обычно, используя разрывные машины. Методы оптической индикации изменения длины образца [10] используются в том случае, если необходима очень высокая точность определения деформации или модуля, а также при изучении особо жестких волокон. Прибор для изучения свойств волокон при растяжении при повышенных температурах { Dual Head Tensile Testen) может быть использован для свойств волокон длиной 101,6 мм и диаметром менее 0,05 мм при температурах до 1093 °С. Другие типы испытательных разрывных машин также могут быть оборудованы специальными нагревательными камерами для проведения испытаний при повышенныхтемпературах. ,5. 451 Модуль упругости волокна чаще всего определяют по тангенсу угла наклона касательной к начальному участку кривой диаграммы нагрузка-удлинение. Эти испытания требуют высокой точности измерения деформации и отсутствия проскальзывания образца в зажимах разрывной машины. Должна быть исключена и несоосность зажимов. Акустический модуль волокна может быть определен по вынужденным колебаниям волокна под постоянной нагрузкой (по длине стоячей волны). В этом случае один конец волокна должен быть прикреплен к осциллятору. Акустический модуль рассчитывается по частоте колебаний, длине волны и плотности волокна (метод FMT-13 [9]). Динамический модуль волокон может определяться по резонансной частоте колебаний. Волокно закрепляется одним концом в вибраторе, а второй конец выводится на датчик, регистрирующий колебания. Резонанс фиксируется по максимальной амплитуде колебаний образца. (Часто этот метод называют методом колышущегося тростника ). Метод определения сдвигового модуля основан на измерении периода кручения торсионного маятника. Модуль при изгибе также определяется с использованием двух маятников, причем волокно отклоняют в двух противоположных направлениях [9]. Модуль упругости и предел прочности при изгибе для очень жестких волокон и пряжи могут быть определены на изгибных приспособлениях. Образцы зажимаются горизонтально за концы, и нагрузка прикладывается к центру. Модуль и предел прочности рассчитываются из нагрузки и отклонения. Устойчивость пряжи к многократным изгибам определяют, закрепив образец при постоянном натяжении и подвергая его изгибам на определенный угол через штифт, до разрушения. Плотность волокон может быть определена прямым взвешиванием, если известно и постоянно его сечение. Эта процедура требует большой аккуратности. При определении плотности волокон с неизвестным или переменным сечением предпочтительно применять метод градиента плотности . Короткие волоконца погружаются в градиентную колонку, заполненную иммерсионной жидкостью (как описано в ASTM D1505), плотность которой лежит в интересующих пределах (1 ... 3,5). Взвешиванием на воздухе и в воде (или в другой жидкости с плотностью меньшей, чем у образца) также можно определить этот параметр (ASTM D792. Определение удельного веса и плотности пластиков методом погружения). Линейная плотность волокна (обычно она измеряется в денье - масса в граммах 9000 м волокна) может быть определена тремя методами. 1 В советской литературе для характеристики линейной плотноств обычно употребляется единица текс. - Прим. ред. пер. Образец волокна определенной длины может быть взвешен на микровесах и линейная плотность определена прямым расчетом. Этот метод применяется, если навеска волокна больше, чем 100 мкг. Существуют специальные торсионные весы, протариро-ванные в денье, на которых взвешиваются образцы волокна длиной 90 см. Виброскопический метод использует измерение резонансной частоты волокна при колебаниях под известной растягивающей нагрузкой. Виброскоп используется для тонких волокон с линейной плотностью меньше 50 денье, и особенно для гибких материалов. В стандарте ASTM D1577 этот метод описывается более подробно. Диаметр волокна может определяться большим числом разных методов. Волокна с правильным круглым сечением могут измеряться прямым микроскопическим наблюдением с использованием окулярмикрометра. Площадь сечения волокон с неправильной формой определяют планиметрически, используя проекции сечения. Диаметр волокна может быть рассчитан также из значений линейной и объемной плотностей волокна. Среди различных военных спецификаций на армирующие волокна наиболее известен и распространен стандарт MIL-C-9084. Эти спецификации включают требования к тканям из стекловолокон, включая операции очистки и аппретирования для дальнейшего применения в стеклопластиках с полиэфирными связующими. Такие ткани должны быть удобны для переработки в специальные конструкции и обладать необходимыми физико-механическими свойствами. Кроме того, по имеющимся методикам образцы текстильных структур должны воспроизводимо перерабатываться в стеклопластик. Испытания для определения предела прочности при изгибе проводят как в сухом, так и во влажном состояниях. Перед испытаниями проводят визуальное обнаружение следующих дефектов: пропуски и изломы пряжи; волнистость, заломы или вспучивание ткани; дыры, надрезы или пропуски; пятна, загрязнения или непрокрасы; разрядка ткани; разбитые участки; сломанные или отсутствующие концы и заделки; пролеты; дефекты кромки; неполная отделка; участки с пережогами; ширина, превышающая заранее заданную; сильные запахи; цвет, не характерный для данной обработки; желобки на ткани. 24.4.3. МетодЬ! контроля препрегов и расплавных материалов Предварительно пропитанные связующим армирующие структуры широко используются как для получения армированных слоистых пластиков, так и при использовании техники получения композитов из расплавов. Свойства конечного продукта зависят как от свойств обоих исходных материалов, так и от тех- нологии получения, а следовательно, и от методов контроля качества этих материалов. К контролируемым параметрам относятся: содержание связующего, содержание летучих. 24.4.3.1. Содержание летучих Измерение содержания летучих производится для определения количества летучих продуктов, выделяющихся из материала в процессе нагрева и нахождения материала при повышенной температуре (в интервале 100... 175 °С). В соответствии с военным стандартом MIL-P-7575 (Связующие. Полиэфиры. Получение композитов при малом давлении) из однослойного препрега вырезается образец площадью 10,2 см, отступив 2,5 см от края материала и по возможности исключая косые срезы. Образец взвешивается до сушки, проводимой в течение 15 ±1 мин при циркуляции воздуха с температурой 163 ± 3 °С, и после сушки. Образец охлаждается в эксикаторе с нормированной влажностью. Содержание летучих в процентах рассчитывается по формуле: г. Начальная масса - Сухая масса Содержание летучих =---= Начальная масса 100. Обычно испытания проводят не менее чем на трех образцах. Стандарт ASTM D3530-76 (Содержание летучих в эпокси-углеволокнистом препреге) определяет изменение массы препрега из углеродной (графитовой) ткани и ленты с эпоксидным связующим, выдержанных при одной из двух стандартных температур (121 °С или 177 °С), которые приблизительно соответствуют максимальному нагреву в режиме отверждения. Этот метод не дает точных значений содержания летучих, если будет использовано другое связующее, летучие в котором удаляются при более высокой температуре (например для полиимидов). Обычно цикл нагревания длится 10 ± 0,5 мин. Стандарт MIL-G-83410 (USAF) (Препреги на основе углеволокнистых матов и листов для ручной выкладки) предписывает выдержку образца массой 1 г в течение 60 ± 5 мин при температурах, характерных для получения жизнеспособного связующего. 24.4.3.2. Содержание связующего В случае, когда содержание связующего определено (в соответствии с одним из методов, указанных выше), высушенный образец используется для определения содержания сухого связующего. Образец помещается в муфельную печь и выдерживается в течение 30 мин при температуре 566 ± 28 °С (или 565,5 ± ± 1 °С) или до того времени, когда в образце выгорит связующее и масса его станет постоянной. Выжженный образец охлаждают в эксикаторе, взвешивают и рассчитывают содержание связующего в процентах по формуле: 454 Масса сухого исходного образца - - Масса выжженного образца Содержание сухого связующего--Масса сухого исходного образца Для графитовых и других углеродных волокон этот метод не годится, так как при длительном нагреве происходит окисление. Стандарт M1L-G-83410 предусматривает два метода определения содержания связующего: экстракция связующего растворителем и вываривание связующего в кислоте (для нерастворимых связующих). Первый способ заключается в том, что образец массой 1 г погружается в растворитель и кипятится 2 мин. Образец, освобожденный от связующего, высушивается в потоке воздуха при температуре порядка 163 ± 5 °С и затем взвешивается, как указано выше. Вываривание проводится в азотной или серной кислоте, либо в смеси серной кислоты и перекиси водорода. В том случае, если используется азотная кислота, температура не должна превышать 60 °С. Два образца (навеска 1 г) помещаются в кислоту. После удаления связующего волокно, оставшееся после вываривания образца, фильтруется, промывается, сушится и взвешивается. Стандарт ASTM D3529-76 (Содержание связующего в препрегах на основе эпоксидной смолы и углеродного волокна) предлагает метод определения содержания связующего в высушенных углеволокнистых матах и листах. Образцы вырезаются так же, как и для определения содержания летучих (ASTM D3530). После взвешивания образцы подвергают обработке в кипящем растворителе до полного удаления связующего из композита. Оставшееся волокно сушится и взвешивается. Этот метод сходен с методом MlL-G-83410. В качестве растворителя используются метилэтилкетон, ацетон, диметилформамид. Применение каждого из вышеуказанных растворителей диктуется конкретной ситуацией. Определение содержания связующего в препрегах на основе углеродных волокон методом экстракции в растворителе изложено в стандарте ASTM С613-67. По этому методу образец помещается в аппарат Сокслета, заполненный соответствующим растворителем (этиловый спирт или диметилформамид). Образец вырезается в виде квадрата со стороной 12,7 мм и взвешивается. Образец помещается в предварительно высушенную колбу, а уже затем в аппарат Сокслета. Экстрагирование ведется в течение 4 ч, пока все связующее из образца не перейдет в раствор. Затем образец высушивается и взвешивается. Для получения истинных значений содержания связующего необходимо предварительно определить содержание в нем летучих. Содержание сухого связующего (ССС, %) в препреге 1 ... 19 20 21 22 23 24 25 ... 29 |
 |
 |