книги / Технология производства полимерных композитных материалов и конструкций на их основе

щения, т.0 , скручивание двух или более простых стренг вместе с последующим скручиванием двух или более предварительно скручен­ ных жгутов (трощение).

Пряжа или жгут имеют J-крутку (справа - вверх - налево) или В -крутку (слева - вверх - направо). Просто скрученный жгут будет образовывать петли» скрутки и запутываться, так как все элементы закручены в одном направлении. Для избежания этого яв­ ления при трощении общая крутка производится в направлении, про­ тивоположном "простой" крутке.

Текстильная стекловолоконная пряжа может быть подвергнута воздействию струи воздуха, которое вызывает случайное, но конт­ ролируемое разрушение элементарных стекловолокон, расположенных на поверхности пряжи, и "распущенно" пряжи. Этот процесс извес­ тен как "текстурирование", или создание "объемной" пряжи. Эффект текстурирования контролируется давлением воздуха и скоростью по­ дачи пряжи. Использование текстурированной пряжи в тканях наибо­ лее выгодно тогда, когда необходимо сочетание максимальной проч­

л одной нитью снизу с образованием нерегулярного рисунка. Эта ткань, имеющая высокую плотность по утку и основе, обладает мак­ симальной изотропной прочностью в композите.

Ткани, у которых прочность в направлении утка и основы при­ мерно одинаковая, называют равнопрочными.

Многослойные ткани, вырабатываемые трехмерным переплетени­ ем, повышают в несколько раз межслойную жесткость и прочность стеклопластиков.

Пространственное сшивание ткани достигается за счет пере­ плетения нитей основы с нитями утка нескольких слоев (рис.4). В этом случае каждый армирующий слой оказывается связанным с со­ седними слоями.

Рис.4.Схемы переплетения нитей в многослой­ ных тканях МТБС (о) и ИТМ (&)г / - уточная

нить; 2 - основная нить; 3 - перевязочная основная нить

Стеклоткани изготавливают шириной 700...1150 мм. Выпускают­ ся ткани электроизоляционные (Э) и конструкционные (Т). Например, ЭЗ-200, ЭЗ-250 ПТ, Т-13, Т-14-78 или артикул 143 (основа ЕН5 22 3x2, уток - ЕН5 II 1x2) - сатиновое переплетение. 200, 250 - тол­ щина, мкм; ПТ - полотняное переплетение.

К недостаткам тканых материалов относятся анизотропия, сла­ бое сопротивление сдвигу в плоскости, низкая эффективность реали­ зации прочностных свойств волокон в ткани по отношению к растяги­ вающим нагрузкам из-за непрямолинейности нитей. В довольно тол­ стых тканях, образованных в несколько сложений, удается сохранить прямолинейность. Ткани, образованные системой трех нитей, пере­

вает высокую анизотропию механических свойств волокон кевлар, в частности, большую продольную и довольно низкую поперечную проч­ ность волокна.

Ароматические кольца, придающие макромолекулам полиамида вы­ сокую жесткость, способствуют также преимущественной ориентации макромолекул вдоль одной оси, в результате чего возникают струк­ туры, напоминающие систему связанных длинных прутьев. Полимерные цепи в силу своей жесткости оказываются распрямленными и опреде­ ляют плотную упаковку макромолекул в единице объема, что, в свою очередь, уменьшает дефектность и определяет высокую прочность во­ локон. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую тер­ мическую стабильность кевлара, что определяется жесткостью цепей, построенных из ароматических колец, связанных между собой амидны­ ми группами.

Получение волокон осуществляется из растворов (хлорангидриддикарбоновых кислот, добавленный к холодному (5-10 °С) раствору диамина) в сильных кислотах (концентрированная серная кислота).

Раствор полимера экструдируется через фильеру при повышенной тем­ пературе (51...100 °С) и после прохождения воздушной прослойки (5-19 мм) попадает в осадительную ванну с холодной (0...4 °С) во­ дой. Свойства волокон можно варьировать при изменении растворите­ ля, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон. После тщательной промывки нити высушиваются на бобинах.

Высокомодульные органические волокна были открыты независимо друг от друга двумя американскими лабораториями фирм. ,,Дюпoн, и "Монсанто". Название волокна у фирмы "Дюпон" - "Файбр В" (с 1971 года выпускает волокна кевлар), у "Монсанто" - "Х-500". Директор технологического отдела шинного корда фирмы "Монсанто Текстайлз" говорит: "Термином "Х-500" не обозначен какой-либо один материал, ни даже узкая группа материалов. Скорее это означает подход к созданию определенных свойств. Основным принципом этого подхода является получение волокон с более высоким модулем". Руководи­ тель фирмы "Монсанто Текстайлз" заявил: "Создание сверхвысокомо­ дульных органических волокон подобно гигантскому прыжку в техно­ логии органических волокон. Их открытие явилось одной из важней­ ших страниц в истории волокна". Высокомодульными органическими волокнами могут быть названы те, у которых модуль упругости выше

600 г/д ен ье. Под денье подразумевается масса в гр аш ах нвтя или

волокна длиной 9 км.

I г/денье = 9 г/текс =

где J3 - плотность волокна, г/см3.

Теоретическая прочность органических волокон составляет 5500 МПа (600 кг/мм**), а модуль упругости 180-185 П1а.

Кроме перечисленных марок волокон можно назвать следущие: аренка (Нидерланды), оксалон, терлон, лола, аримид, фенилон, волокно 03 (Россия), НМ-50 (технора), РВТ, тейфзин (Япония). Механические свойства некоторых волокон приведены в табл.2.

Кроме названных фирм начали выпускать органические волокна фирмы "Епса" (Германия) и "АК20" (Голландия), в Японии фирмы "Тейджин", "Торей", "Сумитомо", прибыль от применения органичес­ ких волокон за счет снижения массы составляет в самолете 150 долл./кг, вертолете 300 долл./кг, ракете 10 000 долл./кг. (В 1982 г. цена составляла 5,5-33 долл./кг.)

Органические волокна обладают уникальными свойствами. Сре­ ди всех органических волокон они имеют самые высокие значения прочности и модуля упругости. Органические волокна устойчивы к пламени и высокотемпературным воздействиям:

Органические волокна устойчивы к действию органических раст­ ворителей, нефтепродуктам и различным минеральным маслам. Они не столь хрупки, как стеклянные, углеродные, борные и могут быть пе­ реработаны на обычном текстильно-технологическом оборудовании.

Внастоящее время наряду с высокопрочными арамидными созданы

идругие перспективные высокопрочные органические волокна, к чис­

лу которых следует отнести полиэтиленовые "Спектра”. В промышлен­ ных масштабах высокопрочные полиэтиленовые волокна выпускаются в США, Японии, Голландии. Выпуском этого волокна с торговой маркой "Спектра-900, 1000" занимается фирма "Эллайд” (США). В Западной Европе производство суперпрочных полиэтиленовых волокон организо­ вано фирмой "ДСМ" (Голландия). В Японии производством этих воло­ кон под торговой маркой "Дайнима К-60" занимаются фирмы "Тойобо", "Тоё босэки” (совместные предприятия с "ДСМ" под наименованием "Дайнима" с 1988 г.) и "Мицуи сэкию кагаку".

Основные показатели высокопрочных полиэтиленовых волокон:

также горючи. По стоимости эти волокна в среднем в 2 раза дороже, чем кевлар. Данные волокна обладают антибаллистическими свойства­ ми (превышают по этому показателю арамидные на 25 %)% поэтому используются для изготовления армейских касок; меньше по сравне­ нию со стеклопластиком отражают радиолокационное излучение, в результате чего используются для изготовления радарных обтекате­ лей в самолетах.

Из принципиально новых высокопрочных высокомодульных волокон необходимо отметить нити, получаемые на базе термо- и лиотропных жидкокристаллических полимеров. К числу первых относятся волокна на основе ароматических полиэфиров, такие, как эканол, вектран. Преимущества этих волокон заключаются в низкой плотности, плас­ тичности, хемостойкости, гидрофобности и возможности использова­ ния их при создании гибридных композитов без использования какихлибо других матриц. Они устойчивы к радиации и светопогоде. Тем­ пература эксплуатации этих волокон значительно ниже по сравнению

За рубежом ароматические полиэфиры производятся фирмами "Дартко", "Целаниз" (США), в Японии "Сумитомо", "Кураре", "Джапэн элано", "Шитика”, "Мицубиси" и др., в Западной Европе "Бай­ ер", "БАСФ", "Ай-Си-Ай", "Монтэдисон" и др.

К числу вторых относятся так называемые РВI -волокна, выпус­ каемые фирмой "Доу кемикал" (США), на основе разработок американ­ ской фирмы SPI. Эти волокна получают на основе поли- л-фенилен- бензобистиазолов (ПБТ) и поли-/г-фениленбензобисоксазолов. Эти волокна интересны тем, что наряду с высокой прочностью (3,0...

...3,3 ГПа) и особенно модулем упругости (выше 300 Ш а ) облада­ ют исключительно высокой для органических волокон термостабиль­ ностью. Основные показатели волокна РВ следующие:

Японские фирмы успешно разрабатывают полиацетальные волокна, которые пока не нашли широкого применения. Они имеют следующие показатели свойств:

Это волокно отличается стойкостью к различным растворителям и светопогоде, выдерживает температуры от -60 до +180 °С, но в сравнении с арамидными обладает низкой теплостойкостью и адгезией В последнее время пристальное внимание уделяется термоплас­

тичным волокнам с достаточно высокой температурой эксплуатации: полиэфирэмидным, полифениленсульфидным, полиэфиркетонным. Харак­ теристики этих волокон представлены в табл.З.

I.I.7. Волокна из окиси алюминия

В последнее время начало интенсивно развиваться новое направ ление - производство волокон из окиси алюминия. Поликристаллические волокна из окиси At обладают уникальным сочетанием свойств: высокой прочностью и модулем упругости, химической стойкостью в