Вы наверняка слышали о полиамиде: этот синтетический материал был разработан в 1930-х годах компанией DuPont и быстро произвел революцию в мире текстиля и материалов. Он даже сыграл свою роль в обеспечении победы союзников во Второй мировой войне. С тех пор этот материал только расширял свое применение и сферу использования. Он также был усовершенствован. Композитные полиамидовые смеси, такие как стеклонаполненный полиамид, создают новые возможности для пластиков на основе полиамида, особенно для инженерных применений. Давайте рассмотрим уникальные свойства стеклонаполненного полиамида, его преимущества и ограничения, а также многое другое.
Что такое стеклонаполненный полиамид?
Стеклонаполненный полиамид - это композитный материал, состоящий из коротких стеклянных волокон, помещенных в полиамидовую матрицу. Эти стекловолокна армируют полимер, повышая его прочность и устойчивость по сравнению с чистым (т.е. ненаполненным) материалом. Стеклонаполненный полиамид подходит для литья под давлением, обработки на станках с ЧПУ, а в последнее время стал популярным материалом для 3D-печати. Благодаря своей прочности и хорошей термостойкости этот полимер в основном используется в машиностроении.
Прежде чем мы погрузимся в специфические свойства композитного материала, важно сначала понять его основной материал - полиамид. Полиамид - это название группы синтетических полиамидных пластиков, обычно получаемых из невозобновляемой нефти (хотя предпринимаются попытки сделать материал более экологичным).
Полиамид - это полукристаллический полимер, который может иметь различные свойства и формы: в виде волокна он широко используется в производстве текстиля и одежды (в частности, нейлоновых чулок); в виде пленки он используется в пищевой промышленности; из него также можно получить смолу, гранулы или порошок для различных других производственных процессов. В целом, полиамид известен своей прочностью, а также хорошей термо- и химической стойкостью.
Химическая формула полиамида 66Существует множество различных марок стеклонаполненного полиамида. Многие из них основаны на формулах Nylon 6 или Nylon 66.
Добавление стекла улучшает существующие свойства полиамида и расширяет возможные области применения термопластика. Существует несколько различных способов введения стекла в полиамидовую матрицу. При использовании полиамидной смолы в материал примешиваются порошкообразные частицы стекла; при использовании полиамидного порошка - мелкие сферические стеклянные шарики; при использовании гранул или нитей - короткие стеклянные волокна, которые примешиваются к полиамиду в процессе экструзии. Также можно контролировать количество стекла, примешанного к полиамидной основе. Например, 30% стеклонаполненный полиамид 66 является популярной смесью для экструдированного полиамида.
Свойства материала стеклонаполненного полиамида
Стеклонаполненный полиамид известен рядом преимущественных механических, термических и химических свойств. По сравнению с ненаполненным полиамидом, эти композитные смеси обладают многими превосходными свойствами, включая:
- Более высокая прочность на разрыв
- Большая жесткость
- Лучшая прочность
- Повышенное сопротивление ползучести
- Повышенная усталостная прочность
- Превосходная стабильность размеров
- Отличная химическая стойкость
- Хорошая износостойкость
- Низкий коэффициент теплового расширения (т.е. термостойкость).
Еще одной отличительной особенностью стеклонаполненного полиамида является то, что он является изолятором, что открывает возможности применения в области электроники для корпусов и других компонентов, требующих непроводящей способности. Полиамид также гигроскопичен, что означает, что он поглощает воду из окружающей среды. Поскольку существует множество типов стеклонаполненного полиамида, его конкретные механические свойства различны от типа к типу. Чтобы узнать точные свойства различных марок стеклонаполненного полиамида, можно обратиться к техническим паспортам.
Преимущества и ограничения стеклонаполненного полиамида
Как и любой другой материал, стеклонаполненный полиамид имеет свои плюсы и минусы. Вот основные преимущества и ограничения этого материала, которые помогут определить, является ли он правильным выбором.
Преимущества стеклонаполненного полиамида
- По сравнению с традиционным полиамидом, стеклонаполненный полиамид имеет значительно более высокую прочность на разрыв (на 70% выше). Поэтому компоненты из стеклонаполненного полиамида могут выдерживать большие нагрузки и напряжения. [4]
- Армирование стекла в полиамиде значительно увеличивает жесткость материала. Некоторые смеси полиамида GF имеют до 80% большую жесткость.
- Добавление стекловолокна в полиамид снижает коэффициент теплового расширения, что означает, что материал более устойчив к короблению и деформации при изменении температуры.
- Стеклонаполненный полиамид обладает большей устойчивостью к ползучести, что означает, что он более устойчив к деформации при длительных нагрузках и повышении температуры.
Ограничения стеклонаполненного полиамида
- Добавление стеклянных волокон или стеклянных частиц в полиамид делает полученный композит более хрупким, чем обычный полиамид. Поэтому, хотя стеклонаполненный полиамид устойчив к деформации, существует риск разрушения при слишком высоких нагрузках.
- Встраивание стеклянных волокон в полиамид делает материал более абразивным. Это может привести к более быстрому износу инструментов или печатающих головок по сравнению с обычным полиамидом. Поэтому полиамидовые детали, наполненные стеклом, также более абразивны, что может привести к износу прилегающих или сопряженных компонентов.
- Обеспечивая большую прочность, добавки стекла в полиамид, тем не менее, делают материал более тяжелым. Композиты Nylon GF могут весить на 15% больше, чем ненаполненный полиамид. Если легковесность является ключевым приоритетом, это может быть недостатком.
- Стоимость - последнее соображение. Из-за добавок и дополнительной обработки, необходимой для производства стеклонаполненного полиамида, материал стоит дороже, чем его ненаполненный аналог.
- Стеклонаполненный полиамид поглощает влагу, поэтому при использовании во влажной или мокрой среде может возникнуть структурная или размерная слабость.
Как используют стеклонаполненный полиамид?
Стеклонаполненный полиамид - это универсальный материал, который продается в различных форматах для различных методов производства. Наиболее распространенными способами производства деталей из стеклонаполненного полиамида являются литье под давлением, механическая обработка и 3D-печать.
Литье под давлением
Литье пластмасс под давлением - это широко используемый метод массового производства пластмассовых изделий. Процесс заключается в том, что расплавленный термопласт, такой как полиамид, впрыскивается в полость формы под давлением, а затем пластик быстро охлаждается. Затем затвердевшая деталь может быть извлечена и при необходимости подвергнута последующей обработке. Существует множество сортов армированного полиамида для литья под давлением, наиболее распространенным из которых является стеклонаполненный полиамид 66 с коэффициентом армирования волокнами от 10 до 50%.
Обработка
В процессе механической обработки различные типы инструментов (например, фрезы, сверла или токарные станки) используются для удаления материала с заготовки, чтобы создать точные детали с очень высокими допусками. Несмотря на возможность обработки стеклонаполненного полиамида, этот материал представляет определенные трудности. Волокна, встроенные в полиамидную матрицу, повышают абразивный износ, что может привести к быстрому изнашиванию обрабатывающих инструментов. Для достижения наилучших результатов при обработке стеклонаполненного полиамида и других стеклонаполненных полимеров предпочтительнее использовать керамические или твердосплавные инструменты, чем традиционные стальные. Более низкие скорости резания также могут улучшить результаты.
3D-печать
Существуют различные технологии 3D-печати, которые могут быть использованы для производства изделий из стеклонаполненного полиамида, включая селективное лазерное спекание (SLS), многоструйную плавку (MJF) и моделирование методом наплавленного осаждения (FDM). В процессе SLS слои порошкообразного материала выборочно расплавляются и сплавляются с помощью лазера. С каждым новым слоем деталь растет в печатном слое. PA 12 - наиболее распространенный сорт полиамида для SLS, который может быть усилен до 40% стекловолокна. Стеклонаполненный полиамид 3200 - еще один инженерный термопластик для SLS. Существуют также стеклонаполненные полиамидовые нити для 3D-печати FDM, наиболее распространенным из которых является полиамид 6 (PA 6) с 30% наполнителя. При печати полиамидовыми нитями GF рекомендуется использовать сопла из закаленной стали из-за их превосходной стойкости к истиранию.
Детали из стеклонаполненного полиамида могут быть изготовлены с помощью литья под давлением, механической обработки или 3D-печати.
Применение стеклонаполненного полиамида
Существует бесчисленное множество областей применения стеклонаполненного полиамида. Множество преимущественных свойств материала, включая высокую прочность, долговечность, электроизоляцию и отличную термостойкость, отвечают требованиям многих отраслей промышленности, от автомобилестроения, электроники до производства потребительских товаров.
Стеклонаполненный полиамид получил широкое распространение в автомобильном секторе, который может извлечь выгоду из хорошего соотношения прочности и веса материала. В автомобильной промышленности снижение веса является ключевой целью для повышения топливной эффективности автомобиля: замена тяжелых металлических компонентов полиамидовым композитом позволяет достичь этого, одновременно снижая затраты. В настоящее время материал применяется для изготовления крышек двигателя, шестеренок спидометра, деталей для тормозной жидкости и стеклоочистителей, корпусов проводов и разъемов, а также других деталей.
Производители бытовой техники и других потребительских товаров, а также промышленные поставщики также используют армированный полиамид благодаря его жесткости, прочности на разрыв, устойчивости к высоким температурам и другим свойствам.
Вот краткое изложение того, что мы рассказали о стеклонаполненном полиамиде:
- Стеклонаполненный полиамид - это композитный пластиковый материал, состоящий из стеклянных волокон или частиц, взвешенных в термопластичной полиамидной матрице.
- По сравнению с чистым полиамидом, стеклонаполненный полиамид обладает превосходной прочностью на разрыв, жесткостью, вязкостью, химической стойкостью, стабильностью размеров и термостойкостью.
- Абразивный характер стеклонаполненного полиамида необходимо учитывать при обработке материала: требуются закаленные инструменты и печатающие головки.
- Стеклонаполненный полиамид все чаще используется в качестве замены металла в таких отраслях, как автомобилестроение, благодаря превосходному соотношению прочности и веса.
- Материал обладает изоляционными свойствами, что делает его пригодным для производства разъемов для проводов и электрических корпусов.
- По сравнению с чистым полиамидом, стеклонаполненный полиамид обладает превосходной прочностью на разрыв, жесткостью, вязкостью, химической стойкостью, стабильностью размеров и термостойкостью.