Текстильная стекловолоконная пряжа — это собранные вместе одиночные параллелизованные волокна или стренги, которые в дальнейшем могут быть переработаны в текстильный материал. Непрерывные одиночные жгуты (стренги), полученные непосредственно из бушинга, представляют собой простейшую форму текстильной стекловолоконной пряжи, известной как «простая пряжа». Для использования такой пряжи в дальнейшей текстильной переработке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 м-1). Однако для большого числа тканей необходима более толстая пряжа, чем получается непосредственно при вытяжке из бушинга. Такой ассортимент текстильной пряжи может быть получен методом скручивания и трощения. Типичным примером является скручивание двух или более простых стренг вместе с одновременным трощением (т.е. последующим скручиванием двух или более уже предварительно скрученных жгутов).
Пряжа или жгут имеют S-крутку, если скручиваемые элементы располагаются справа — вверх — налево, и Z-крутку, когда скручиваемые элементы располагаются слева — вверх — направо. Просто скрученный жгут (при числе кручений более 40 м-1) будет образовывать петли, скрутки и запутываться, так как все элементы закручены в одном направлении. Для избежания этого явления при трощении общая крутка производится, в направлении, противоположном «простой» крутке. Например, при Z-крутке, первичные элементы пряжи должны иметь S-крутку, что обеспечивает получение «уравновешенной» пряжи. В результате операций кручения и трощения получают пряжу, прочность, гибкость и диаметр которой могут варьироваться. Это является важной предпосылкой для создания различных тканей, из которых в дальнейшем получают композиты.
Текстурированная пряжа.
Текстильная стекловолоконная пряжа («простая» или трощеная) может быть подвергнута воздействию струи воздуха, которое вызывает случайное, но контролируемое разрушение элементарных стекловолокон, расположенных на поверхности пряжи, и «распушение» пряжи (пряжа — нить, состоящая из относительно коротких текстильных волокон, соединенных с помощью скручивания). Этот процесс известен как «текстурирование», или создание «объемной» пряжи. Эффект текстурирования контролируется давлением воздуха и скоростью подачи пряжи. Хотя происходит разрушение поверхностных элементарных волокон, пропитываемость такой пряжи повышается. Использование текстурированной пряжи в тканях наиболее выгодно тогда, когда необходимо сочетание максимальной прочности с низким содержанием связующего в композите.
Ткани из стекловолокон.
Свойства и условия получения стеклотканей зависят от строения этих тканей, плотности переплетения, извитости пряжи, плотности исходной пряжи и от условий ткачества.
Плотность нитей в основе и утке определяется числом нитей в 1 см ткани соответственно в продольном и поперечном направлениях. «Основа» — это пряжа, расположенная вдоль длины ткани, а «уток» перевивает ткань в поперечном направлении. Следовательно, плотность ткани, ее толщина и прочность при разрыве пропорциональны числу нитей и типу пряжи, используемой при ткачестве. Эти параметры могут быть определены, если известна конструкция ткани.
Существуют различные виды переплетений основы и утка для создания прочных тканей. Варьируя вид ткани, можно создать разнообразные армирующие структуры, влияющие в определенной степени на свойства композитов из них. В ряде случаев применения стеклотканей требуются специальные виды переплетений.
Простая ткань с полотняным переплетением, в которой уток проходит под каждой нитью основы и над ней, обладают самой высокой степенью устойчивости относительно проскальзывания пряжи и менее всего повреждается. Такая ткань стабильна как по плотности утка и основы, так и по расходу пряжи (рисунок 15.9).
Рисунок 15.9 - Схема полотняного переплетения [9].
Сеточное переплетение («рогожка»): два и более элементов основы переплетены двумя или более нитями утка. Эти ткани менее стабильны, чем ткани полотняного переплетения, но более гибки и легче принимают необходимую форму при выкладке.
Саржевое («диагональное») переплетение создается переплетением одного или более элементов основы двумя или более элементами утка в правильном чередовании. В результате получают ткань с прямым или изломанным диагональным рисунком. Особенностью такой ткани является большая гибкость и лучшая драпирующая способность, нежели у тканей е полотняным или сеточным переплетениями.
Саржевое ломаное 3/1-переплетение характеризуется тем, что одна нить основы перекрывается тремя нитями утка сверху и одной снизу с образованием нерегулярного рисунка. В результате получают гибкую ткань, хорошо приспосабливающуюся к любым формам выкладки (рисунок 15.10).
Рисунок 15.10 - Схема саржевого переплетения (2X2). (Обратная сторона) [9].
Восьмиремизновое сатиновое переплетение: одна нить основы перекрыта семью нитями утка сверху и одной нитью снизу с образованием нерегулярного рисунка. В результате получают очень гибкую и удобную для различных выкладок ткань. Эта ткань, имеющая высокую плотность по утку и основе, обладает максимальной изотропной прочностью в композите (рисунок 15.11).
Рисунок 15.11 - Схема 8-ремизкого сатинового переплетения [9].
Другие переплетения, в которых использованы прочные нити основы и тонкие нити утка носят название однонаправленных. Такие ткани используются при создании композитов с высокой прочностью в направлении армирования.
Нетканые однонаправленные материалы могут быть получены с использованием процесса склеивания основы и утка вместо механического переплетения их. От вида такой связи зависит геометрическая устойчивость КМ. Однако эти материалы получаются обычно жесткими и с трудом могут быть приспособлены к необходимой форме при выкладке.
Другие виды тканей.
Стекловолоконная пряжа может перерабатываться в тесьму, контурные ткани, ткани с гофрированными волокнами и в трехмерные многослойные ткани.
Тесьма представляет собой узкую (менее 30,5 см шириной) ткань, которая может содержать распущенную кромку (т. е. заполняющую пряжу, выступающую за пределы тесьмы).
Контурные ткани — это такие ткани, в которых геометрическая форма совпадает с формой армируемых деталей. Такие ткани изготовляются на специально сконструированных для этой цели станках.
Ткани с гофрированными нитями состоят из двух слоев, соединенных вместе нитями так, что конфигурация соединений представляет собой либо треугольник, либо прямоугольник.
Трехмерных тканей в истинном смысле этого слова не существует. Обычные плоскостные ткани соединяются пряжей в третьем направлении. Эта пряжа проходит в основном направлении машины (1), затем под углами +45° (2) и —45° (3) от этого направления.
Применяемые в промышленности стеклянные ткани и сетки конструкционного назначения вырабатываются практически из всех известных составов стекла. Наиболее пригодными стеклотканями для производства теплонагруженных изделий, используемых в авиастроении, находят ткани из волокон бесщелочного алюмоборосиликатного состава, а так же применяют волокна из стекла магнезиального алюмоборосиликатного состава (стекло ВМ-1, ВМП, за рубежом - S-994). Они обладают достаточно высокой теплостойкостью, прочностью и модулем упругости, и хорошими диэлектрическими свойствами по сравнению с другими марками стекол. Свойства и характеристики этих тканей, приведены в таблицах 15.8-15.10.
Стеклоткани конструкционного назначения (буква «Т» в обозначении марки ткани) изготавливают из крученых комплексных нитей толщиной 26-320 текс и из ровингов толщиной 505 - 1680 текс. Используемые в стеклотканях комплексные стеклонити изготавливают в основном из волокон диаметром 10-13 мкм. С увеличением диаметра волокна значительно возрастает производительность их выработки и снижается их стоимость, но затрудняется их текстильная переработка. Стоимость единицы массы ровинговой ткани меньше, чем тканей из комплексных нитей.
Обозначение марок тканей конструкционного назначения состоит из трех частей:
1. вид материала: Т - ткани конструкционные; МТ - многослойные конструкционные ткани, А - авиационные ткани;
2. цифровое обозначение - условное изображение структуры ткани, П - ткань выработана на бесчелночном ткацком станке;
3. тип поверхностной обработки.
Таблица 15.8 - Стеклоткани конструкционного назначения из алюмоборосиликатного стекла [4].
| Марка | Толщи-на, мм | Поверх- ностная плот- ность г/м2 | Плотность ткани, число нитей, см | Разрывная нагрузка для полоски 25х100 мм, Н, не менее | Пере- плете- ние | Ширина, см | Длина ткани в руло- не, м, не менее | Структура нити | ||
| по основе | по утку | по основе | по утку | |||||||
| Т-10 | 0,23±0,02 | 290±7 | 36+1 | 20±1 | Сатин 8/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС6- 26х1х2 | |||
| Т-10-80 | 0,25±0,02 | 290±7 | 36+1 | 20±1 | Сатин 8/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС6- 26х1х2 | |||
| Т-11 | - | 385±12 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС7- 36х1х3 | |||
| Т-11-752 | - | 290±7 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС7- 36х1х3 | |||
| Т-11-ГВС-9 | 0,30+0,01 -0,05 | 290±7 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС7- 36х1х3 | |||
| Т-12 | - | 370±11 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС8- 52х1х2 | |||
| Т-12-41 | - | 370±11 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС8- 52х1х2 | |||
| Т-12 -ГВС-9 | 0,30±0,03 | 370±11 | 22+1 | 13±1 | Сатин 8/3 или 5/3 | 70,80,92,100, 110,115 | БС8- 52х1х2 | |||
| Т-13 | 0,27±0,03 | 285±9 | 16+1 | 10±1 | Полотняное | 70,80,92,100, 110,115 | БС7- 36х1х3 | |||
| Т-14 | 0,29±0,03 | 308±9 | 16+1 | 13±1 | Полотняное | 70,80,92,100, 110,115 | БС6- 26х1х4 | |||
| Т-14-78 | 0,29±0,03 | 308±9 | 16+1 | 13±1 | Полотняное | 70,80,92,100, 110,115 | БС6- 26х1х4 | |||
| А-1 | 0,10±0,01 | 110±10 | 20+1 | 20±1 | Полотняное | 90, 95, 100, 110 | ||||
| А-2 | 0,06 | 68±7 | 19+1 | 16±1 | Полотняное | 90, 95, 100, 110 |
Таблица 15.9 - Стеклоткани конструкционного назначения из алюмоборосиликатного стекла [4].
| Марка | Тол- щи- на, мм | Поверхностная плотность г/м2 | Плотность ткани, число нитей, см | Разрывная нагрузка для полоски 25х100 мм, Н | Переплетение | Шири- на, см | Длина ткани в руло- не, м, | Структура нити | ||
| по основе | по утку | по основе | по утку | |||||||
| Т-25 (ВМ)-78 | 0,30 | Полотняное | ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток | |||||||
| Т-25 (ВМ) | 0,25 | Полотняное | ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток | |||||||
| Т-26 (ВМ)-78 | 0,22 | Полотняное | ВМС8-26х1х8 основа ВМС8-26х1 уток |
Таблица 15.10 - Ткани стеклянные многослойные из алюмоборосиликатного стекла [4].
| Марка | Поверхностная плотность, кг/м2 | Плотность (число нитей на 10 см) | Разрывная нагрузка, кгс | Переплетение | Длина отрезка, м | |||
| основа | уток | основа | уток | |||||
| в ткани | в ткани | в наружном слое | ||||||
| МТБС-1,25 | 1,25 | На базе неправильного четырехремизного сатина или полотняное с последующей перевязкой слоев | 4-24 | |||||
| МТБС-1,8 | 1,85 | 4-20 | ||||||
| МТБС-2,1 | 2,1 | 4-16 | ||||||
| МТБС-2,5 | 2,5 | 4-16 | ||||||
| МТБС-4,35 | 4,35 | 1,5-10 | ||||||
| МТБС-5,20 | 5,20 | - | - | 1,5-10 |
Измельченные волокна.
Непрерывное стекловолокно может быть разрублено на очень короткие волоконца (длиной 0,40 - 0,35 мм). Реальная длина волокон определяется диаметром отверстий в ситах, через которое оно просеивается. Измельченное волокно используют как инертный наполнитель для термо- и реактопластов.
Для стекловолокнистых пластиков в качестве упрочняющего наполнителя применяют стеклянные волокна в различных видах. Стеклянные ткани, если исходить из стоимости единицы веса, являются наиболее дорогостоящим наполнителем; применение стеклянного волокна нетканого типа (маты и ровница) наиболее экономично. Стеклотекстолиты, получаемые на основе тканей, обладают оптимальными физическими свойствами, поэтому их применяют в тех случаях, когда требуется получить наиболее высокие механические свойства и когда стоимость изделий имеет второстепенное значение, например при изготовлении обтекателей радиолокационных станций.
Маты и заготовки обычно используются в тех случаях, когда стоимость изделий имеет решающее значение, например при изготовлении прозрачных листов стеклопластика для кровли, корпусов лодок, касок и т. д.
Использование стеклянных волокон обеспечивает возможность получения таких материалов и изделий на их основе, характеристики которых значительно превосходят характеристики обычных пластических масс и которые сочетают в себе высокие физические свойства наряду с высокой ударной вязкостью. Каждый вид стеклянного волокна имеет свою отличительную характеристику, на основе которой могут быть получены слоистые пластики различных физических свойств и различной стоимости; изготовление любого изделия из стеклопластика требует тщательного рассмотрения вопроса о выборе типа упрочняющего наполнителя.
Литература:
1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие. /Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски.; Пер. с англ. /Под ред. П.Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1981. – 736 с.
2. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн.: Кн.1. Пер с англ. / Под ред. Дж. Любина. - М.: Машиностроение, 1988, - 448 с.
3. Пластики конструкционного назначения (реактопласты). / Под ред. Е.Б. Тростянской. - М.: Химия, 1974. - 304 с.
4. Армированные пластики: Справ. пособие. / Бунаков В.А., Головкин Г.С., и др. - М.: МАИ, 1997. - 402 с.
5. Калинчев В.А., Макаров М.С. Намотанные стеклопластики. – М.: Химия, 1986. – 272 с.
6. Бартенев Г.М. Строение и прочность стеклянных волокон. / В сб. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон. Ч. 1. Материалы первого Всесоюзного симпозиума по стеклянному волокну. / Под ред. д. хим. наук, проф. М.С. Аслановой. – М.: Химия, 1968. – С. 52–64.
7. Асланова М.С. Микроструктура и свойства стеклянных волокон различных стеклообразных систем. / В сб. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон. Ч. 1. Материалы первого Всесоюзного симпозиума по стеклянному волокну. / Под ред. д. хим. наук, проф. М.С. Аслановой. – М.: Химия, 1968. – С. 8–10.
8. Трофимов Н.Н., Каленчук А.Н., Канович М.З. Анализ физико-химических процессов, проходящих в переходном слое системы стекловолокно-аппрет-связующее. – М.: НИИТЭХИМ, 1991. – 105 с.
9. Стеклопластики. Пер с англ. / Под ред. Я.Д. Аврасина. – М.: Издательство иностранной литературы, 1961. – 482с.
Базальтовые волокна
Базальтовые волокна (БВ) также как и стеклянные относят к классу оксидных волокон, так как базальт на основе которого получают базальтовые волокна представляет собой сплав различных оксидов. В последнее время возрастает спрос на базальтовые волокна различного ассортимента и функционального назначения: нити, ровинги, штапельные волокна, холсты, маты, вата, войлок. Они относятся к числу весьма перспективных материалов XXI века, сочетающих в себе экологическую чистоту, долговечность и пожаробезопасность.
Базальтовые волокна имеют практически все положительные свойства стеклянных волокон, но отличаются при этом еще и рядом преимуществ, например, более высокими тепло- и щелочестойкостью. Химический состав базальтовых волокон определяется составом природного минерала базальта. БВ являются природным аналогом стеклянных волокон (СВ) и состоят из сплавов оксидов, основными из которых являются SiO2, Al2O3, TiO, Fe2O3. Наличие ионов Fе придает БВ коричневатый оттенок. В БВ практически отсутствуют ионы щелочных металлов, что означает повышенную химическую стойкость по сравнению с СВ. Для получения базальтовых волокон используют то же оборудование, что и для получения стекловолокон.
Состав базальтовых масс определяется типом месторождения, где его добывают. Базальты, добываемые из разных месторождений, различаются в какой-то степени по составу, но для базальта одного и того же месторождения характерен постоянный химический состав. Вне зависимости от месторождения базальтовые волокна имеют примерно одни и те же свойства. Технологический процесс получения базальтовых волокон не требует смешения каких-то отдельных компонентов. Получению расплава из природного базальта предшествует лишь его дробление и промывание водой. Правильным подбором исходного базальта можно получать волокна со специфическими свойствами, например, с повышенной щелочестойкостью.
