Уникальные композиционные материалы создают путем диспергирования в полимерной матрице газообразной фазы.
К таким материалам относятся газонаполненные пластмассы и резины. Газонаполненные полимеры подразделяются на пенопласты, поропласты, интегральные и синтактные пены. Их структура показана на рис.
Рис. Типы структур газосодержащих полимеров:
а - закрытопористая; б - открытопористая; в - интегральная; г - синтактная пена
У пенопластов газовые ячейки не сообщаются между собой, т.е. материал имеет закрытопористую структуру (рис. а). Поропласты имеют открытопористую структуру (рис. б), их ячейки сообщаются между собой. Это деление достаточно условно, т.к. в реальных газонаполненных полимерах всегда присутствуют и сообщающиеся, и замкнутые ячейки.
У интегральных пен наружные слои материала являются монолитными, а внутренние имеют ячеистую структуру (рис. в). Особое место занимают синтактные пены (рис. г). Они имеют закрытопористую структуру, но ячейки созданы не путем вспенивания полимера выделяющимся в процессе формования изделия газом, а с помощью мелких полых шариков (стеклянных или полимерных), которые смешиваются с жидкой полимерной композицией, сохраняя свои форму и размеры. Полимерная основа в момент смешения должна быть низковязкой, а после смешения отверждаться, не давая дисперсной системе расслоиться. Формование изделия из синтактной пены осуществляется заливкой композиции в форму и отверждением в ней полимерного связующего. Таким образом, формирование пористой структуры и формование изделия из синтактной пены производятся одновременно.
Структура газовых ячеек оказывает большое влияние на свойства газонаполненных полимеров. Она зависит от механизма и условий газообразования, типа газообразующего агента и свойств полимера. Технологии производства газонаполненных полимеров значительно отличаются друг от друга и позволяют получить материалы с заданной структурой и плотностью. Универсальной характеристикой для оценки степени вспенивания полимера является кратность вспенивания , где V и V0 - объемы газонаполненного композита и исходного полимера соответственно. Обычно кратность вспенивания находится в пределах от 1,5 до 400; при этом кажущаяся плотность соответственно изменяется от 900 до 3 кг/м3 (0,9-0,003 г/см3).
Наряду с газонаполненными пластмассами изготавливаются и пористые резины, которые также могут иметь закрыто- и открытопористую структуру. Особенностью пористых резин является их способность к объемной деформации сжатия. Пористые резины благодаря эластичной матрице и газообразному наполнителю могут под воздействием сжимающей нагрузки уменьшаться в объеме, а после ее снятия - восстанавливать форму. Аналогичными свойствами обладают и некоторые вспененные пластмассы: пенополиэтилен, пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.
Наличие у вспененных полимерных композитов газообразной фазы придает им высокие тепло-, звукоизоляционные свойства, способность к демпфированию, низкую плотность и другие характеристики, делающие эти материалы уникальными.
Создание газообразной дисперсной фазы в полимерных композитах производится с помощью вспенивающих веществ, виды которых приведены в табл.
Способы получения газонаполненных полимеров
| Технология вспенивания | Наименование вещества | Область применения |
| 1. Механическое перемешивание газа с жидкой полимерной композицией с последующим ее отверждением при нагревании | Воздух | Производство вспененных латексов, реактопластов и термопластов из олигомеров |
| 2. Растворение газа в жидкой полимерной композиции под давлением с последующим отверждением при одновременном снижении давления | Углекислый газ | Производство формованных изделий из пластифицированного поливинилхлорида |
| 3. Диспергирование жидкости в полимерной композиции и испарение ее одновременно с отверждением полимера | Легкокипящие жидкости | Производство вспененных пластиков из ацетилцеллюлозы |
| 4. Перемешивание двух и более компонентов с последующим отверждением вспененной системы | Газы, образующиеся при химической реакции поликонденсации | Производство пенополиуретанов |
| 5. Смешение порообразователя с полимерной композицией, нагревание с разложением порообразователя, при котором выделяются газы | Газы, выделяющиеся при разложении специальных веществ | Производство пенопластов и пористых резин |
| 6. Смешение жидкой композиции с полыми микросферами с последующим ее отверждением | Полые микросферы | Производство синтактных пен |
Несмотря на то, что с уменьшением плотности снижаются прочностные свойства газонаполненных полимерных композитов, они находят широкое применение как конструкционные материалы. Их применяют для теплоизоляции и звукоизоляции, повышения жесткости многослойных конструкций, для компенсации тепловых расширений различных материалов, демпфирования вибрационных нагрузок, создания непотопляемых судовых элементов, для обеспечения радиоэкранирования объектов и других целей.
Многие из газонаполненных полимерных композитов широко используются и в производстве товаров народного потребления: для изготовления обуви, одежды, обивки мебели и других изделий.
