Обзор современных высокопрочных высокомодульных волокон
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования
Контрольная работа
по дисциплине «Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности»
на тему: «Обзор современных высокопрочных высокомодульных волокон»
Казань, 2013
Введение
За последние несколько лет заметно возросли потребности в волокнах и тканях химической природы. Огромное значение химических волокон очевидно. Их превосходство перед натуральными видами волокон заключается не только в преимуществе физико-механических свойств, но и в меньшей трудоемкости процесса их получения, а так же в возможности полной автоматизации технологического процесса изготовления химических волокон.
Потребности рынка в волокнах и тканях нового поколения выражаются не только привычными сферами производства швейных изделий, но и многими другими отраслями промышленности. В текстильной и легкой промышленности производят комплектующие изделия для таких отраслей промышленности, как машиностроение, в том числе аэрокосмическое, автотракторное, судостроительное, железнодорожное, сельскохозяйственное; строительство; добывающие отрасли промышленности, сферы медицинской техники, а так же военной сферы [1,2].
Особенным спросом в данных отраслях промышленности пользуются высокопрочные высокомодульные волокна. Удельная прочность в случае растяжения таких волокон достигает 4,5 Гпа, а модуль упругости - 160 Гпа. В связи с этим волокна и получили название высокомодульных и высокопрочных.
Высокопрочные высокомодульные волокна различной природы различаются по технологии изготовления и свойствам, каждый тип волокна имеет так же свои достоинства и недостатки. Поэтому для стабилизации комплекса свойств конечного продукта или повышения экономического эффекта в некоторых изделиях используют сразу несколько видов высокопрочных волокон. Например, для удешевления углепластика углеволокно зачастую используют в комбинации со стекловолокном. Рассмотрим некоторые виды высокомодульных волокон более подробно.
1. Углеродные волокна
Углеродные волокна - это органические волокна, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000-3000°C и содержащие 92-99,99 % углерода.
Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано американским изобретателей Томасом Алва Эдисоном в 1880 году в качестве нитей накаливания в электролампах [3]. Впоследствии выяснилось, что углеродные волокна являются подходящим армирующим материалом для изготовления ракетных двигателей, так как обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, высокой коррозионной стойкостью, высокими удельными прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью.
Производителям тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой группу элементарных углеродных волокон. Количество углеродного волокна в нити оценивается числом «К» - число тысяч элементарных углеродных волокон. Самое дорогое углеродное волокно - 1К, наиболее распространенное углеволокно 3К, существуют также нити из углеродного волокна с К = 6, 12, 24, 48. Плоские ткани, где используется углеродное волокно 12K имеют плотность от 160 до 380 г/м2.
Углеродные волокна имеют исключительно высокую термостойкость: в инертных средах или в вакууме - до 3000°С, на воздухе - до 450°С. Удельное электрическое сопротивление можно задать от 0,02 Ом*м*10-6 (сопротивление меди) до 1,0 Ом*м*109 (сопротивление полупроводника). Углеродные волокна обладают отличными сорбционными свойствами (1 гр. поглощает до 50 г нефтепродуктов) [4]. Все это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.
Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокна применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов. Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться со статическим электричеством: достаточно ввести в материал (в ткань, бумагу) всего 0,2-1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком. Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.
Углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов (в том числе и химических); для очистки крови и других биологических жидкостей; как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды).
Углеродные волокна применяют для армирования в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Из модернизированных углеволокон изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. Углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.
В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, токопроводящие углеродные волокна-сорбенты).
Области применения углеродного волокна и углепластика:
авиа-, вертолетостроение;
судостроение (военные корабли, спортивное судостроение);
автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы);
средства спортинвентаря (велосипеды, теннисные ракетки, удочки);
специальные изделия (лопасти ветряных электрогенераторов и т.п.).
На основе вискозных нитей и волокон изготавливают нити, ленты, ткани, а также дисперсный порошок из размолотых волокон (Урал ®, УВК ®, Вискум ®), нетканый материал (Карбопон ®), активированные сорбирующие ткани (Бусофит ®), активированные сорбирующие нетканые материалы (Карбопонактив ®).
На основе вискозных штапельных волокон изготавливают волокна и нетканые материалы: карбонизованые - Углен ® и графитированые - Грален ®. На основе нитей и жгутов изготавливают ленты и ткани (Кулон ®, Элур ®), активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы (Актилен ®, Ликрон ®). Выпускают углеродные волокона и за рубежом: в США Торнел ®, Целион ®, Фортафил ®; в Великобритании: Модмор ®, Графил ®; - в Японии: Торейка ®, Куреха-лон ®.
Наиболее важное достоинство углеволокна - это высочайшее отношение прочности к весу. Модуль упругости некоторых марок углеволокна может достигать 700 ГПа, а разрывная нагрузка - 5 ГПа. При этом карбон на 40% легче стали и на 20% легче алюминия.
Среди недостатков карбона можно выделить длительное время изготовления, высокая стоимость материала и сложность в восстановлении поврежденных деталей. Другое важное свойство карбона - низкая способность к деформации и небольшая упругость. При нагрузке карбон разрушается без пластической деформации. Т.е. углеволокно по прочности на разрыв превосходит сталь, а на сжатие гораздо хуже.
2. Арамидные волокна
углепластик базальтовый волокно арамидный
Арамид (ароматический полиамид) - синтетическое волокно высокой механической и термической прочности. Состоит из бензольных колец, соединённых друг с другом через группу -NH-CO- прочными химическими связями, обеспечивающими высокую механическую прочность всего волокна. Между водородными и кислородными отростками молекул соседних цепей образуются слабые водородные связи, не играющие особой роли. Наиболее распространены пара- и мета- изомеры арамида - параарамид (известный под торговыми марками Кевлар, Twaron и др.) и метаарамид (известный под торговой маркой Номекс).
Разработчиком технологии получения арамидных волокон и нитей в России (СССР) являлось Государственное Предприятие Всесоюзный научно-исследовательский институт полимерных волокон (ГП ВНИИПВ). НИОКР были начаты в конце 60-х годов прошлого века, а в 70-х годах по исходным данным ГП ВНИИПВ были созданы опытно-промышленные и промышленные производства в Ленинграде, Калинине (Твери), Каменск-Шахтинском, а также опытное производство на промплощадке ГП ВНИИПВ, г.Мытищи.
На сегодняшний день в России производителями арамидных волокон и нитей являются ОАО «Каменскволокно» (г. Каменск-Шахтинский), ООО НПП «Термотекс» (г. Мытищи) и ООО «Лирсот» (г. Мытищи).
Среди данных предприятий наиболее успешным является ОАО «Каменскволокно», выпускающее 20 тонн арамидных волокон в год. Основной производитель арамидного волокна ОАО «Каменскволокно» работает преимущественно на государственный заказ.
Сильное межмолекулярное взаимодействие ароматических полиамидов обеспечивает высокие температуры переходов, что практически исключает возможность их переработки из расплава. Поэтому формование волокон проводят из растворов.
Рассмотрим основные стадии традиционной технологии получения арамидного волокна [1]:
) Синтез волокнообразующего полимера;
) Формование нитей из поликондиционных растворов;
) Термообработка и термовытяжка нитей.
Главным отличием арамидного волокна является его высочайшая механическая прочность. В зависимости от марки, разрывная прочность волокна может колебаться от 280 до 550 кг/мм² (у стали, для сравнения, этот параметр находится в пределах 50-150 кг/мм², лишь самые высокопрочные сорта стали со специальной обработкой приближаются по прочности к наименее прочным сортам арамида) [1].
Кроме того, арамидное волокно отличается высокой термической стойкостью. Оно способно длительное время работать при температуре 250°C, на короткое время температура может повышаться до 400°C, а при достаточном запасе прочности - ещё выше. Арамид, как и подавляющее большинство других органических соединений, горит в атмосфере кислорода, но концентрации кислорода в воздухе недостаточно для устойчивого горения - волокно быстро самостоятельно гаснет, если находится вне пламени.
Для пара-арамидного волокна характерна высокая механическая прочность. Такая высокая прочность сочетается с относительно малой плотностью - 1400-1500 кг/м³ (плотность чистой воды 1000 кг/м³, плотность стали порядка 7800 кг/м³) [1].
Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики, отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.
Свойства арамидных волокон представлены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Свойства арамидных волокон
Арамидные нитиУдельная разрывная нагрузка нити, сн/тексПрочность нити в микропластике, кг/мм2Модуль упругости статич., ГПаУдлинение нити при разрыве, % не менееВлагопоглощение, % при относит. влажности 95% в течение 90 суток, 20ºСКислотность водной вытяжкиРусар НТ* (НИР «Мономер-1»)от 250550-650175-1951,5-2,02НейтральнаяРусар-С (ООО «Термотекс»)от 260550-650165-1752,0-3,09КислаяРусар (ОАО «Каменскволокно»)240480-520150-1552,0-3,09КислаяРусар нейтр.(ОАО «Каменскволокно»)220440-480125 -1352,0-3,09НейтральнаяКевлар (США)*до 220380-400150-1601,5-2,03Нейтральная
Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок вплоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей: при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают, что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения, если они не испытывают поверхностного трения.
Наибольшее распространение при изготовлении специальной защитной одежды получили пара- и метаарамидные волокна. Параарамидные - в баллистике и защитной одежде. Метаарамидные - в защитной одежде.
ОАО «Каменскволокно» производит синтетические высокомодульные нити СВМ, Руслан®, Армос, АРУС® и Artec® для производства различных материалов:
средств индивидуальной бронезащиты;
композиционных материалов;
лент специального назначения;
кабельной продукции;
резинотехнических изделий;
термостойкой защитной одежды.
СВМ, Руслан®, Армос, АРУС® и Artec® относятся к классу параарамидных волокон и обладают уникальными свойствами, основные из которых высокая прочность (в десятки раз прочнее стальной проволоки аналогичной толщины), высокая термическая и химическая стойкость и длительное хранение без изменения свойств.
3. Базальтовые волокна
Базальтовое волокно производят из различных горных пород близких по химическому составу - базальта, базанитов, амфиболитов, габродиабазов или их смесей. Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства, изготовленные из платины или жаростойких металлов. Плавильные печи могут быть электрическими, газовыми, или оборудоваться мазутными горелками. В качестве сырья для производства базальтовых волокон, используются базальтовые горные породы, средний химический состав которых следующий (% по массе): SiO2 (47,5-55,0); TiO2 (1,36-2,0); Al2O3 (l4,0-20,0); Fe2O3 + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7,-11,0); Na2О (2.7-7,5); К2О (2,5-7,5); P2O5 (не более 0,5); SO3 (не более 0,5); прочие породы. [5]
Базальтовые волокна делятся на две большие группы: непрерывное волокно и дискретные волокна (вата, штапельное волокно), называемые еще базальтовыми тонкими волокнами (БТВ).
Непрерывное базальтовое волокно имеет неопределенно большую длину, достигающую 30 и более километров.
Назначение непрерывного волокна:
. При толщине 7-15 мкм применяется как армирующий наполнитель при производстве композитов (базальтопластиков) и изделий на их основе с полимерными и неорганическими матрицами.
. При толщине 15-24 мкм используется как армирующий наполнитель композитов с органическим и минеральным связующим (бетоном, асфальтом, гипсом и т.п.).
. Как исходный материал применяется для производства тканей различного назначения (для фильтров, огнезащитной одежды, противопожарных кошм), рукавов (армирование труб, защита кабелей и т. д.).
Длина базальтовых дискретных волокон (БТВ) различных видов находится в пределах от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
БТВ работоспособно в широком диапазоне температур (от -260 до +700 °С), вибростойко, сохраняет свою первоначальную форму при эксплуатации, химически инертно, негорюче и повышает огнестойкость объекта там, где оно применено. По комплексу свойств превосходит аналогичные материалы из стекловаты, минеральной ваты, шлаковаты и природных теплоизоляционных материалов (мох сфагнум, широко используемый в деревенском и коттеджном строительстве). При эксплуатации в течение 100 лет сохраняет свои свойства и не выделяет вредных для людей и природы химических соединений под воздействием окружающей среды (кислотные дожди и т.п.), поглощает шум и значительно ослабляет радиацию (в частности, альфа- и бета-излучение).
Классификация волокон по диаметру [6]:
микротонкое (МТБ) - менее 0,5 мкм;
ультратонкое (УТВ) - более 0,5 мкм;
тонкое - 4-12 мкм;
утолщенное - 13-25 мкм;
грубое - более 25 мкм.
В зависимости от диаметра волокно используется [6]:
микротонкое - для фильтров очень тонкой очистки газо-воздушной среды и жидкостей; изготовления тонкой бумаги и специальных изделий;
ультратонкое - для изготовления сверхлегких теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий, бумаги, фильтров тонкой очистки газо-воздушных и жидкостных сред;
супертонкое - базальтовая теплоизоляция, используется для изготовления прошивных теплозвукоизоляционных и звукопоглощающих изделий, картона, многослойного нетканого материала, теплоизоляционного вязально-прошивного материала, длинномерных теплоизоляционных полос и жгутов, мягких теплоизоляционных гидрофобизированных плит, фильтров.
Специальная термическая обработка базальтовых супертонких волокон позволяет получить микрокристаллический материал со свойствами, отличающимися от обычных волокон. Микрокристаллические волокна превосходят обычные по температуре применения на 200 0С, по кислотностойкости - в 2,5 раза, а гигроскопичность их в 2 раза ниже. Основным преимуществом этого вида базальтового волокна является отсутствие усадки при его эксплуатации. Из микрокристаллического волокна изготавливают высокотемпературоустойчивые теплоизоляционные материалы, плиты, а также фильтры для фильтрации агрессивных сред при высоких температурах.
тонкие и утолщенные волокна из горных пород представляют собой слой беспорядочно расположенных волокон диаметром 9-25 мкм и длиной 5-30 мм. Получают их, в основном, методом вертикального раздува струи расплава воздухом (ВРВ) и вырабатывают в виде холстов, прошивных матов. Утолщенные волокна находят широкое применение в качестве фильтровальной основы дренажных систем гидротехнических сооружений;
грубые волокна представляют собой относительно сыпучую дисперсно-волокнистую массу с длиной волокон 3-15 мм, диаметром 30-500 мкм, прочностью на разрыв 200-350 МПа, удельной поверхностью 28-280 см2/г. Волокна являются коррозионно-стойкими.
Диаметр элементарных волокон существенно влияет на свойства волокон и изделий из них: активную поверхность, гибкость, плотность, теплопроводность, звукопоглощение и др. Поэтому в зависимости от назначения и предъявляемых к изделиям требований используются волокна соответствующего диаметра.
Благодаря комплексу уникальных свойств, базальтовые волокна и ткани могут быть использованы в самых разных отраслях промышленности.
В строительстве:
армируемые панели для конструкции фасадов;
сетки для стено-щелевого ремонта и покрытия стен зданий;
арматура для усиления бетонных конструкций;
пожаростойкие технические ткани с увеличенным временем прожога для соответствия требованиям строительных норм;
геосети для усиления дорог, стабилизации грунтов;
рубленое волокно для укрепления материалов из эпоксидных смол и пластика.
Сектор производственного оборудования:
ткани для армирования абразивных дисков;
теплоизолирующие покрытия и перчатки;
армирование коврового покрытия.
Сектор авиа- и автостроения:
ровинг рубленый для армирования деталей, применяемых в строительстве корпусов автомобилей;
ровинг рубленый для армирования фрикционных деталей, таких как тормозные колодки и крепления;
наполнитель к нетканым материалам (холсты);
высокотемпературные изоляционные перегородки;
наполнители в автомобильных глушителях;
армирующие ткани для деталей самолетов, лопастных ветряных мельниц, лопастей вертолетов и авто деталей.
Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность:
изоляционные материалы для химически-агрессивных сред;
наполнитель фильтров для химически-агрессивных сред;
производство труб для химически-активных сред.
Сектор товаров для спорта и отдыха:
армирующие ткани для хоккейных клюшек, досок для виндсерфинга, сноубордов, корпусов лодок.
4. Стекловолокно
Стекловолокно (стеклонить) - волокно или комплексная нить, формуемые из стекла. В такой форме стекло демонстрирует необычные для него свойства: не бьётся, не ломается и легко гнётся без разрушения. Это позволяет ткать из него стеклоткань, изготавливать гибкие световоды и применять во множестве других отраслей техники [7].
Стекловолокно имеет совершенно уникальное сочетание характеристик: повышенная прочность при сжатии и растяжении, термостойкость, негорючесть, низкая гигроскопичность, стойкость к химическому и биологическому воздействию. Из стекловолокна производят материалы с высокими тепло-, электроизоляционными и звукоизоляционными свойствами, и, конечно, механической прочностью.
Стекловолокно производят из лома стекла или из сырья, идентичного сырью для производства собственно стекла.
Непрерывное стекловолокно формуют вытягиванием из расплавленной стекломассы через фильеры (число отверстий 200-4000) при помощи механических устройств, наматывая волокно на бобину. Диаметр волокна зависит от скорости вытягивания и диаметра фильеры. Технологический процесс может быть осуществлен в одну или в две стадии. В первом случае стекловолокно вытягивают из расплавленной стекломассы (непосредственно из стекловарочных печей), во втором используют предварительно полученные стеклянные шарики, штабики или эрклез (кусочки оплавленного стекла), которые плавят в стеклоплавильных печах или в стеклоплавильных аппаратах (сосудах) [7].
Исходный продукт, как и в других областях производства химических волокон получается в виде бесконечных элементарных волокон (филаментов), из которых далее в процессе переработки формируются или комплексные нити (диаметр филаментов 3-100 мкм (линейная плотность до 0,1 Текс)) и длиной в паковке 20 км и более (непрерывное стекловолокно), линейная плотность до 100 Текс, или в стеклянные ровинги (продукты линейной плотностью более 100 Текс). В этом случае, как правило, продукт перерабатывается в крученые нити (ровинги) на крутильно-размоточных машинах. Данные полуфабрикаты далее могут быть подвергнуты любым формам текстильной переработки в крученые изделия (нити сложного кручения, шнуры, шпагаты, канаты), текстильные полотна (ткани, нетканые материалы), сетки (тканые, специальной структуры).
Стекловолокна также могут выпускаться в дискретном (штапельном) виде. Штапельное стекловолокно формуют путём раздува струи расплавленного стекла паром, воздухом или горячими газами и др. методами.
Существует два типа технологий производства стекловолокна - одностадийный и двухстадийный.
При более прогрессивном одностадийном способе, волокна вытягивают из стекломассы, поступающей в выработку сразу из стекловаренной печи, питаемой шихтой, т.е. исключается промежуточная стадия выработки эрклеза и стеклянных шариков, при этом расход энергии сокращается практически в два раза. Вместо нее осуществляется операция распределения потока стекла в распределителе стеклоплавильной печи по отдельным фильерным питателям[7].
Дополнительная обработка поверхности стекловолокна замасливателями приводит к ее гидрофобизации, снижению поверхностной энергии и электризуемости, снижению коэффициента трения от 0,7 до 0,3, увеличению прочности при растяжении на 20-30%. Поверхностные свойства стекловолокна и капиллярная структура изделия определяют малую (0,2%) гигроскопичность для волокон и повышенную (0,3-4%) для тканей.
Изделия из стекловолокна хуже работают при многократном истирании и изгибе, однако, стойкость к такому обращению повышается путем пропитки стекловолокна лаками и смолами. На 20-25% повышает прочность склеивание волокон в нити, а пропитка стекловолокнистых материалов лаками увеличивает прочность на 80-100% [8]. Влага снижает сопротивление стекловолокна трению и изгибу. В сухом воздухе прочность стекловолокна резко повышается. Аналогично действию сухого воздуха смачивание стекловолокон неполярной углеводородной жидкостью - оно дает наибольшее значение прочности. При нагревании стекловолокна до 250-300°С его прочность сохраняется, в то время как органические волокна в условиях таких температур полностью разрушаются.
Значительное влияние на прочность стекловолокон, подвергнутых термической обработке, оказывает состав стекла. Волокна из натрийкальцийсиликатного и боратного стекол теряют свою прочность при термической обработке, начиная уже с 100-200°С. Волокна из кварцевого, кремнеземного и каолинового стекла теряют прочность на 50% при нагреве до 1000°С и последующем охлаждении. Самой высокой прочностью и стойкостью к горячей воде и пару обладают стекловолокна из бесщелочного алюмоборосиликатного и магнийалюмосиликатного стекла.
Физико-механические свойства стекловолокна
Механические свойства волокон представлены в таблицах 4.1, 4.2.
Таблица 4.1 - Механические свойства волокон [2]
Марка стеклаПлотность ρ, 10−3 кг/м3Модуль упругости Е, ГПаСредняя прочность на базе 10 мм, ГПаПредельная деформация ε, %Высокомодульное2,58954,204,8ВМ-12,58934,204,8ВМП2,46854,204,8УП-682,40834,204,8УП-732,56742,003.6
Таблица 4.2 - Механические свойства стекловолокон [2]
ВолокноПлотность, 103·кг·м−3Модуль растяжения, ГПаПредел прочности при растяжении, ГПаE-стекло2,5732,5S-стекло2,5864,6Кремнезем2,5745,9
На предел прочности на растяжение стекол влияют микроскопические дефекты и царапины на поверхности, для конструктивных целей в основном применяют стекло с прочностью на растяжение 50 МПа. Стекла имеют Модуль Юнга около 70 ГПа.
Основная область применения стекловолокна и стеклотекстильных материалов - армирующие элементы композитов. Также стеклоткани могут самостоятельно использоваться в качестве конструкционных и отделочных материалов. В этом случае они подвергаются той или иной форме отделки, главным образом - пропитке связующим (латекс, полиуретан, крахмалы, смолы и прочие полимеры) [2]. Стекловолокно входит в структуру гибкой черепицы в качестве несущей арматуры, обеспечивающей изделиям высокую механическую прочность, превосходящую требования международных стандартов качества. Высокие звукоизоляционные свойства стекловолокна, химическая стойкость, отсутствие коррозионных агентов, не гигроскопичность и негорючесть расширяют сферу применения стекловолокнистых изделий.
Легкость, мягкость и эластичность стекловолокна позволяют использовать его для отделки неровных поверхностей, облицовывая конструкции любой формы, не зависимо от конфигурации. Стекловолокно также имеет способность сохранять форму, выдерживать старение и деформации. Изделия из стекловолокна используются в системах наружного утепления, в вентилируемых фасадах зданий для теплоизоляции, для повышения огнестойкости несущих металлических конструкций гражданских и промышленных сооружений.
Стекловолокно используется так же в стоматологии в составе керамической системы, особенностью которой является возможность химической связи волокон материала с композитами и пластмассами. В качестве арматуры используется стекловолокно, в качестве основы - неорганическая матрица.
5. СВМПЭ волокно
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) относится к классу полиолефинов. Полиолефиновые волокна - синтетические волокна, получаемые из изотактического полипропилена, полиэтилена, реже - из поли-4-метил-1-пентена. Формуют из расплавов полимеров экструзионным методом, выпускают в виде комплексных нитей, мононитей, нитей из ориентированной пленки (плоской и фибриллированной) и резаного волокна.
Полиолефины отличаются хорошими поверхностными свойствами и низкой плотностью. В настоящее время они используются главным образом в выработке «невидимого» промышленного текстиля (фильтровальных тканей или нетканых материалов). Полиолефиновые волокна устойчивы к действию микроорганизмов, гидрофобны [10].
Полиэтилен (ПЭ) является наиболее крупнотоннажным полимером (объем производства около 100 млн т/год). Известно огромное число типов (линейный и разветвленный ПЭ, ПЭ с различной молекулярной массой и разным молекулярно-массовым распределением, сополимеры этилена с олефинами, отличающиеся содержанием олефина и характером химического и композиционного распределения олефина в макромолекуле и т.д.). Однако, только отдельные марки ПЭ, обладающие особыми физико-механическими свойствами, могут быть отнесены к конструкционным полимерам. [10]
Одним из наиболее перспективных полимерных конструкционных материалов является сверхвысокомолекулярный ПЭ (СВМПЭ). К сверхвысокомолекулярным относят полиэтилены с молекулярной массой свыше 1000000 г/моль [11]. Он обладает уникальным комплексом физико-механических свойств, востребован в разнообразных областях, благодаря высокой износостойкости, низкому коэффициенту трения, высокой ударной вязкости, низкой температуре хрупкости (до -200 о С). Кроме того, СВМПЭ относится к наиболее доступным и дешевым полимерным материалам.
Способность поглощать энергию удара является одним из уникальных свойств СВМПЭ, и этим обусловлено его использование в системах индивидуальной и коллективной защиты, защиты орбитальных станций от метеоритов и космического мусора [12]. Благодаря этому, наряду с высокой стойкостью к истиранию и низким коэффициентом трения, он получил широкое применение в качестве основы при производстве пластиковых лыж, сноуборда.
С понижением температуры ниже 0оС стойкость к ударным воздействиям ослабевает, но эта способность СВМПЭ не исчезает даже при температурах близких к абсолютному нулю. Таким образом, изделия из СВМПЭ с успехом могут применяться в криогенной технике, насосах жидкого водорода при -253 оС.
Области применения СВМПЭ [13]:
Направляющие и облицовка для бункеров, кузовов карьерных самосвалов, вагонов и механизмов в горнорудной промышленности, исключающие налипание сыпучих и глинистых материалов.
Детали и элементы конструкций, подвергающиеся ударной нагрузке и истиранию в машиностроении, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности: катки, зубчатые передачи, опорные втулки, бессмазочные подшипники, направляющие. Трубы из СВМПЭ не боятся перепадов температуры, подвижки грунтов. По ним может транспортироваться в водной пульпе уголь, руда, нефтепродукты и прочие материалы.
Ленты и пластины для изготовления скользящих поверхностей спортинвентаря: лыжи, сноуборды и др.
Морозостойкие износостойкие композиционные материалы для резинотехнических изделий.
Судо-, автомобилестроение, армирование труб и кабелей, производство суперпрочных канато-веревочных изделий.
На настоящий момент одним из эффективных и технологичных способов получения сверхвысокопрочных нитей из СВМПЭ является метод гель-формования с дальнейшим вытягиванием волокон. Важнейшая стадия данного метода, на которой реализуются упруго-прочностные свойства полимерного материала, - стадия ориентационного вытягивания. [13]
С помощью указанного метода в Голландии (фирма DSM), США (фирма Allied Signal Corp.), Японии (фирма Мицуи) и России (Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна, г.Тверь) производят волокна из СВМПЭ с прочностью превышающей 3 ГПа.
Высокопрочные СВМПЭ волокна в 15 раз прочнее, чем качественная сталь. Волокна всплывают в воде, устойчивы к воздействию влаги, УФ лучам и химическому воздействию. Изделия из них являются радиопрозрачными.
Высокомодульное СВМПЭ волокно, благодаря своей нанокристаллической структуре имеет очень высокие механические характеристики (таблица 5.1).
Таблица 5.1 - Свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена
НаименованиеПоказательПлотность, г\см30.92-0.94Прочность при разрыве, не менее, МПа48Относительное удлинение при разрыве, не менее, %350Модуль упругости при растяжении, не менее, ГПа при 23 оС при -269 оС 0.69 2.97Коэффициент трения по стали: при сухом трении в водной среде в среде масел 0.1-0.2 0.05-0.1 0.01-0.08Температура перехода в пластическое состояние, оС138-142Твердость по Шор, А62-66Электрическое сопротивление, Ω› 5 ×104Диэлектрическая прочность, кВ/cм900Предельная рабочая температура1000С
В таблице 5.2 представлена сравнительная характеристика свойств волокон
Таблица 5.2 - Сравнительная характеристика свойств волокон
Марка волокнаПлотность, r, г/см3Прочность, sраст.,кг/мм2Удельная прочность*, sраст /r, кмМодуль Юнга, Е, ГПаУдельный модуль**, Е/r, кмРазрывное удлинение, %1234567Волокно Carbon HS1,78340191240134831,4Волокно Kevlar®291,4432022275-985208-68063,6Стеклянное Е2,603501357227694,8СВМПЭ волокно Dyneema® SK-750,97340351107-11011031-113403,8ВВПЭ-волокно Spectra® 10000,97335345120123713-6*Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности;
**удельный модуль - отношение модуля Юнга к плотности
Заключение
Проведен обзор современных высокомодульных высокопрочных волокон. Новые разработки в области текстильных материалов технического назначения в России в настоящее время осуществляют институты в Ярославле, в Твери, в Москве, в Казани. Однако технический и технологический уровень имеющегося в институтах оборудования, а также качество и ассортимент поступающих на текстильные предприятия волокна и нитей не позволяют осуществить разработки новых текстильных материалов с требуемым комплексом свойств.
В последние годы ВНИИТТ (г. Ярославль) разработал целый ряд новых видов текстильных материалов для производства конвейерных лент: комбинированные, многослойные, многоосновные ткани, цельнотканые каркасы. Но при сравнении их характеристик с подобными материалами, предлагаемыми зарубежными фирмами из Германии, Англии, Чехии и Китая можно увидеть отставание некоторых характеристик их свойств, который определяет качество конечной продукции.
Так же в последнее время успехи в совершенствовании технологии, свойств волокон и продвижения их на рынке делает научно-производственное предприятие «Термотекс». Основным видом деятельности предприятия является разработка и производство арамидных волокон, нитей, жгутов и тканей. Потребителями высокопрочных нитей и жгутов «Русар-С®», обладающих мировым рекордным уровнем физико-механических характеристик, являются производители ракетной, авиационной и другой спецтехники. Русар-С используется в производстве тяжелонагруженных композитных материалов специального назначения, срок службы которых составляет от 15 до 20 лет в зависимости от использования и условий эксплуатации. Разработанные предприятием арамидные нити «Русар-SX®» для применения в баллистических тканях нового поколения в настоящее время находятся на стадии внедрения в промышленное производство.
Список литературы
1 Перепелкин К. Е. Химические волокна: развитие производства, методы получения, свойства, перспективы - СПб: Издание СПГУТД, 2008. - 354 стр.
Перепёлкин К.Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 1, с. 31-48.
Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты - Изд.: САЙНС-ПРЕСС, 2007. - 192 с.
Варшавский В.Я. Углеродные волокна. М.: Москва, 2005. - 467 с.
Аблесимов Н. Е., Земцов А. Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. Москва, ИТиГ ДВО РАН, 2010. - 400 с.
Джигирис Д. Д., Махова М. Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий - М.: Теплоэнергетик, 2002. - 416 с.
Разумовский В. К., Разумовская Н. Е., Бадалова Э. И. Кондратенкова С. В.. Технология текстильного стекловолокна (получение и переработка) - М.: Химия -1966 - 328 с.
Болтон У. Конструкционные материалы, металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты /Пер с анг. - М. Изд. дом «Додека-XXI», 2004 320 с
Конкин А. А., Зверев М. П. Полиолефиновые волокна. - М.: Химия, 1966. - 280 с.
Уайт Дж.Л., Чой Д.Д. Полиэтилен, полипропилен и другие полиолефины / пер. с англ. яз. под. ред. Е.С. Цобкалло - СПб.: Профессия, 2006. - 256 стр.,
Крыжановский В.К., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д., Крыжановская Ю.В. Технические свойства полимерных материалов. Изд. 2-е, испр. и доп. - СПб.: Профессия, 2005. - 248с.
Майер Э.А., Дудченко В.К., Поддубняк А.Н., Аркатов О.Л. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: Новая реальность отечественной промышленности полиолефинов.// Пластические массы. 2003. №8.- с.3-4.
О строении высокопрочных волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полученных методом гель-формования / П.М. Пахомов и др. // Хим. волокна. 2006. - №3. - с.21 - 25.
Распопов Л.Н., Белов Г.П. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Синтез и свойства.// Пластические массы. 2008. №5. с. 13-19.