Практическое применение армирующие арамидные волокна получили в виде нитей, жгутов, лент, тканей, а также в виде крученых и плетеных изделий.
Высокопроизводительные процессы текстильного производства требуют сохранения техническими нитями исходных свойств при значительных механических воздействиях, возникающих в технологическом процессе.
Сравнительно высокое удлинение волокон Кевлар, СВМ, Русар при растяжении, практически не меняющееся при резком увеличении скорости деформирования, низкий модуль упругости в поперечном направлении и высокая прочность вдоль оси волокна, повышенная ус тойчивость к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок, достаточно высокая прочность волокон в петле (78%) и узле (49%) - всё это, несмотря на высокий модуль упругости при растяжении, обеспечило широкие возможности переработки волокон Кевлар, СВМ, Русар практически всеми методами, принятыми в текстильной промышленности.
Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке. Сохранение прочности арамидных волокон после ткачества составляет 90% исходной прочности, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов. В зависимости от соотношения волокон в основе и утке ткани могут обладать анизотропией механических характеристик и варьироваться от равнопрочных до кордных (основных и уточных), в которых основная масса волокон ориентирована в направлении основы (основные) или утка (уточные).
Отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются ткани на основе арамидных волокон, имеющие различное переплетение, когда каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу пересекающихся нитей. Широко распространенным является полотняное переплетение, когда каждая нить проходит поочередно сверху, а затем снизу пересекающей ее нити. Более сложным является саржевое переплетение (рисунок 18.9), при котором каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу двух и четырех пересекающих ее нитей. При этом на поверхности ткани образуется структура диагональных линий. Возможны и другие типы переплетений, например, трехмерные.
а б
Рисунок 18.9 - Схемы полотняного (а) и саржевого переплетения тканей (б) [15].
Незначительное снижение механических свойств арамидных волокон при текстильной и других видах переработок послужило причиной широкого применения метода намотки при изготовлении изделий из органопластика на типовом оборудовании для намотки.
В процессе ткачества наблюдаются низкие потери прочности волокон Кевлар, СВМ, Русар благодаря сравнительно слабо выраженной зависимости прочности и удлинения нитей при растяжении от длины и линейной плотности (таблица 18.7)
При увеличении длины нитей в 10 раз прочность уменьшается на 16-20%, относительное удлинение на 43-45%, причем это понижение для толстых нитей выражено в большей степени.
Прочностьволокон Кевлар, СВМ в процессе ткачества снижается на 10% (стеклянных на 25-40%) (текстильная переработка углеродных и борных волокон возможна только при использовании нитей специальных марок на специальном оборудовании).
Таблица 18.7 - Механические свойства при растяжении нитей из волокон
Кевлар-49 [1].
| Длина нити, мм | Линейная плотность нити, текс | σ+, ГПа | ε+, % |
| 25,4 | 3,42(13,9)* | 4,13(15,5)* | |
| 2,74(19,0) | 2,3 (19,3) | ||
| 25,4 | 3,50(12,1) | 4,0(12,5) | |
| 2,94(10,8) | 2,32 (8,9) |
*В скобках указан коэффициент вариации
На основе волокон СВМ, Армос, Терлон, Русар производится большой ассортимент нитей, жгутов и тканей различной текстуры, свойства которых приведены в таблицах 18.8-18.13. Нити используют для получения органоволокнитов (Органиты 6Н, 6МА, 7Н), ткани - для органотекстолитов (Органиты 5Т, ТС; 6ТЗ, 10Т, 11Т, 12Т, 12ТО, 15Т, 15ТМ, 15ТМО, 16Т), стеклоорганоткани Т-39, Т-42 - для поливолокнистых внутрислоевых стеклоорганопластиков (Органиты 6ТКС, 7ТКС, 7ТКС/42, 8ТКС, 12ТКС/42). Гибридные ткани из волокон СВМ и Армос в сочетании со стеклоровингом изготавливают в ОНТО «Технология».
Нити Армос имеют наиболее высокие упруго-прочностные свойства (Армос ВМА - высокомодульные нити и жгуты; Армос ВМН - нити, Армос ТСН — термостойкие нити). На основе комплексных нитей с линейной плотностью 29,4-100 текс выпускают жгуты 600-1000 текс трощением нитей 100 текс (таблица 18.9).
Таблица 18.8 - Механические свойства высокомодульных технических нитей Армос [16].
| Таблица 23 | Механические свойства высокомодульных технических нитей | ||||
| Показатели | Нить 58,8 текс | Нить 100 текс | |||
| Марка А | Марка Б | Марка А | Марка Б | Марка В | |
| Крутка, кр/м | 50±15 | 50±15 | 50±15 | 50±15 | 35±15 |
| σразр, кгс | 11,8 | 11,8 | 21,0 | 19,5 | 18,9 |
| ε+, % | |||||
| Е+, ГПа | 145,0 | 140,0 | 145,0 | 140,0 | - |
| σ+ нити в микропластике, ГПа | 4,5 | 4,2 | 4,5 | 4,2 | - |
Таблица 18.9 – Упруго-прочностные свойства жгутов Армос [16].
| Свойства | Марка жгута | |||||
| А-К | А-НК | Б-К | Б-НК | В-К | В-НК | |
| σразр, кгс | ||||||
| Е+, ГПа | ||||||
| σ+ нити в микропластике, ГПа | 4,8 | 4,8 | 4,5 | 4,5 |
Примечание: К - крученый жгут (из комплексных нитей с круткой 35±15 кр/м); НК - жгут из комплексных нитей с круткой менее 15 кр/м.
Таблица 18.10 - Типы и свойства нитей из ароматических полиамидов (ОАО "Каменскволокно") [16].
| Свойства | Типы нитей | ||||||||
| СВМ1) | Pycap1) | Русар "О"2) | |||||||
| Линейная плотность, текс | 29,4 | 58,8 | 29,4 | 58,8 | 29,4 | ||||
| Число филаментов | 300 (600) | 300 (600) | - | - | |||||
| Количество круток на м | |||||||||
| Содержание замасливателя, % | 1-2 | 1-2 | 0,8-2 | 1-2 | 0,8-2 | 0,8-2 | 1,2 | 1-2 | 1-2 |
| σ+ нити, сН/текс | |||||||||
| Е+,ГПа | - | - | |||||||
| ε+, % | 2,8 | 2,8 | 2,6 | 2,7 | 2,6 | 3,5 | 3,2 | - | - |
Примечания: 1) нити предназначены для изготовления органопластиков, полимерной тканевой брони, для изделий радиотехнического назначения; 2) для изготовления тканевой брони.
Таблица 18.11 - Свойства однослойных тканей из арамидных нитей СВМ [2].
| Структура ткани | Масса м2, г | Толщина, мм | Разрывная нагрузка, Н/50мм | Удлинение, % | |||
| ткани | монослоя в ПКМ | по основе | по утку | по основе | по утку | ||
| Ткани из нитей СВМ | |||||||
| Сатин 8/31); 14,3 текс; арт. 56313 | 0,25 | 0,10-0,15 | >2350 | >1960 | <7,0 | <8,0 | |
| Сатин 8/3; 29,4 текс; арт. 56334 | 0,38 | 0,18-0,20 | >4415 | >4415 | <7,0 | <8,0 | |
| Саржа 2/22); 29,4 текс; арт. 5384/84 | 0,27 | 0,28 | >3920 | >3920 | <12,0 | <10,0 | |
| Однонаправленная, 14,3 текс (кордная ткань ТО-6)3) | 0,21 | 0,15 | >9810 | >785 | <6,0 | <6,0 | |
| Органостеклоткани | |||||||
| Т-39 (СВМ, 60% + ВМП-500, 40%)4) | 0,35 | 0,27 | >9810 | >590 | - | - | |
| Сатин 5/3, полутораслойный | 0,26 | 0,22 | >7850 | >1960 | - | - |
Примечания: 1) Также атлас 8/3 из нитей СВМ 14,3 текс; 2) Аналог Кевлар 285; 3) Также из нитей 29,4 текс; 58,8 текс; 4) Также Т-42/1-76 (50% СВМ 58,8 текс + 43 % ВМПС 40 текс).
Таблица 18.12 - Характеристики тканей на основе арамидных волокон СВМ [2].
| Тип переплетения нитей | Поверхностная плотность, кг/мм2 | Толщина, мм | Плотность укладки нитей, текс/мм | σ+, ГПа | Предельная деформация, % | |||
| по основе | по утку | по основе | по утку | по основе | по утку | |||
| Полотно | - 0,11 0,075 | 0,45 0,25-0,3 0,15 | 142 44,1 26,5 | 142 47 30 | 0,39 0,24 0,28 | 0,39 0,27 0,35 | - 14 10 | - |
| Рогожка 2/2 | 0,18 0,11 | 0,35 0,20 | 59 43 | 74 44 | 0,27 0,26 | 0,31 0,26 | 11 10 | |
| Сатин 8/3 | 0,16 | 0,4 | 0,26 | 0,21 | ||||
| Однонаправленная лента | 0,17 | 0,35 | 25,7 | 0,71 | - | 7,5 | - |
Таблица 18.13 - Структура и свойства тканей из полиарамидных волокон [16].
| Артикул ткани | Ткань из нити | Поверхностная плотность, г/м2 | Плотность набивки на 10 см/оу | Разрывная нагрузка, кг/см | Переплетение |
| 5363/12 | Армос 58,8 текс | 150/150 | 136/182 | полотно* | |
| 5363/11 | Армос 100 текс | 112/110 | 208/228 | полотно* | |
| 5363/11с | Армос 100 текс | 110/110 | 210/238 | саржа* | |
| 01-94 | Терлон 58,8 текс | 160/150 | 113/117 | полотно | |
| ст 709 | Тварон 93 текс | 115/105 | 152/156 | полотно | |
| СВМ 14,3 текс | 369/338 | 112/110 | полотно | ||
| СВМ 14,3 текс | 307/208 | 74/81 | атлас | ||
| 56319л | СВМ 29,4 текс | 118,8 | 200/200 | 104/98 | полотно |
Примечание: * - для брони
На рисунке 18.10 показано штапельное волокно, изготовленное из свежесформированной нити Русар, Русар–“О”. Используется для производства смесовой пряжи специального назначения. Физико-механические показатели штапельного волокна на основе нити Русар приведены в таблице 18.14 [16].
|
|
Рисунок 18.10 - Штапельное волокно [16].
Таблица 18.14 - Физико-механические показатели штапельного волокна [16].
| Наименование показателей | Среднее значение |
| Линейная плотность элементарного волокна | 0,147 ÷ 0,337 |
| Длина волокна, мм | 40 ÷ 70 |
| Удельная разрывная нагрузка |
Пряжа крученая из смеси 75% параарамидного волокна и 25% хлопка линейной плотности 27.1 текс х 2 предназначена для изготовления боевой одежды пожарного, средств спасения и других технических целей. Пряжа выпускается в виде трёхконусных бобин на полимерных конусных патронах (рисунок 18.11) с физико-механическими показателями представленными в таблице 18.15.
Рисунок 18.11 - Форма намотки на патрон [16].
Таблица 18.15 - Физико-механические показатели крученой пряжи [16].
| Наименование показателя | Крученая пряжа |
| Линейная плотность, текс | 27.1 текс х 2 |
| Разрывная нагрузка, Н (гс) | 8.9 (907.2) |
| Удельная разрывная нагрузка, сН/текс (гс/текс) | 16.4 (16.7) |
| Удлинение при разрыве,% | 5.2 |
| Крутка, кр/м | |
| Коэффициент крутки, ат (ам) | 38.2 (120.7) |
| Укрутка, % | 0.8 |
| Устойчивость к истиранию в петле, число циклов до истирания | |
| Изгибоустойчивость, число циклов до разрушения |
На рисунке 18.12 и таблице 18.16 представлены виды переплетения и физико-механические характеристики суровой ткани на основе нити Русар, выпускаемой в ОАО «Каменскволокно», соответственно.
а б
Рисунок 18.12 – Виды переплетения тканей: а – саржа 2/2; б – рогожка 2/2 [16].
Таблица 18.16 - Физико-механические показатели суровой ткани [16].
| Наименование показателя | Норма для ткани |
| Линейная плотность пряжи, текс (Nм) - по основе - по утку | 27x2 (36.9/2) 27x2 (36.9/2) |
| Ширина ткани, см | 91.4 |
| Поверхностная плотность, г/м2 | |
| Переплетение | саржа 2/2 |
| Число нитей на 10 см - по основе - по утку | |
| Состав сырья, % - по основе - по утку | Русар- «О»: хлопок (75:25) Русар- «О»: хлопок (75:25) |
| Разрывная нагрузка полоски ткани (50мм х 200мм), Н - по основе - по утку | |
| Относительное удлинение при разрыве, % - по основе - по утку | 18.6 8.9 |
Фирма Du Pont выпускает некрученые нити 21,6 и 42,2 текс, рубленые волокна, ровницу 506 и 844 текс., ткань 181 (структура аналогична структуре стеклянной ткани 181, но органоткань на 44% легче; масса стеклянной ткани 181-297 г/м2, и в 2 раза прочнее ее, разрывная нагрузка 600 кгс/5 см), 120 (органоткань на 26% легче, масса органоткани ткани 82 г/м2 и в 2 раза прочнее - 220кгс/5см), равнопрочные ткани сатинового (181) и полотняного (120, 220, 281, 285, 328) переплетения, однонаправленные кордные ленты с редким утком (143, 243).
Большинство тканей изготовлено из толстых нитей (126-157 текс), однако толщина тканей из них сравнительно невелика (250 - 330 мкм). Из самых тонких нитей (21,6 текс) производится равнопрочная ткань типа 120 полотняного переплетения массой 60 г/м2 толщиной 114 мкм [2].
Помимо большой экономической эффективности, применение тканей из толстых нитей позволяет повысить прочность при сжатии органотекстолитов. Увеличение линейной плотности нити К-29 в полотняных тканях 120 и 220 в 2 раза, с 21,6 до 42,2 текс, повышает прочность при сжатии на 32% со 140 до 210-220 МПа. Для предотвращения коррозии ткацкого оборудования необходимо использовать нити из волокон, рН которых находится на уровне 6,5-7 (тщательная нейтрализация карбонатом натрия и промывка водой после формирования нитей из растворов в концентрированной H2SO4).
Волокно Кевлар-29 (Nomex) выпускается в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой, с круткой и без крутки, с ворсом. Пряжу из волокон Кевлар-29 типа 964 (правая крутка 80 см–1) изготавливают из нитей с числом филаментов 134, 267, 666, 1000 (соответственно линейная плотность 22,2; 44,4; 111,0; 166,6 текс). Пряжу из волокон Кевлар-29 типа 960 (для канатов и корда) изготавливают из нитей с числом филаментов 660, 1000 (со шлихтовкой), 10000 (соответственно линейная плотность 111,0, правая крутка 80 см–1; 166,7, правая крутка 80 см–1; 1666,7 текс.
Волокно Кевлар-49 выпускается в виде пряжи (линейная плотность 21,6, 42,2, 157,7 текс, соответственно число филаментов 134, 267, 1000), ровинга (жгуты) 506,6 (авиационно-космическое назначение) текс; 788,8 текс (общее назначение) и тканей.
При одинаковой толщине наиболее высокая трещиностойкость органопластиков, тканой брони достигается при использовании тканей с высокой степенью извитости нитей (в броне меньше слоев более толстых тканей с высокой извитостью нитей, разрушение локальное, аналогично разрушению вязких металлов).
Нетканые материалы различной толщины (0,05-3,0 мм) и плотности (24-470 г/м2) из штапельных волокон легче аналогичных стеклянных на 20-30% (эффективная химически стойкая облицовка трубопроводов для защиты их от коррозии). Разработаны и анизотропные однонаправленные нетканые и тканые материалы с сочетанием арамидных, стеклянных и углеродных волокон (фирма «Дайтрик сейлз энд сёвис», США).
Разработан большой ассортимент рубленых волокон Кевлар (резка пропитанных нитей предпочтительна) и нетканых материалов (холсты, маты, войлок).
Литература:
1. Справочник по КМ: в 2-х кн. Кн1. / Под ред. Дж. Любина. - М.: Машиностроение, 1988. - С. 340-393.
2. Кудрявцев Г. И., Варшавский В. Я. Армирующие химические волокна для КМ. - М.: Химия, 1992. - 236 с.
3. Наполнители для ПКМ: Справочное пособие. Пер. с англ. / Под ред. П. Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1984. - С. 595-369.
4. Перепёлкин К. Е., Структура и свойства волокон. - М.: Химия, 1985. - 274 с.
5. Перепелкин К.Е. Химическое волокно: настоящее и будущее. // Химические волокна, 2000.- №5. - С.35-38.
6. Слугин И.В., Скляров Г.Б. и др. Микрофиламентная нить русар для средств баллистической защиты // Химические волокна, 2006. - № 1. - С. 17.
7. Слугин И.В., Скляров Г.Б. и др. Параарамидные нити русар для композиционных материалов конструкционного назначения // Химические волокна, 2006. - № 1. - С. 19-21.
8. Пакшвер А.Б. Волокна из синтетических полимеров. – М.: Химия, 1970. – 343 с.
9. Polymer Communication, 1989. - v.30. - №6. - Р.184-186.
10. Химические волокна, 2000. - №5. - С. 17-20.
11. Бандурян С.И., Иовлева М.М., Будницкий Г.А. Образование первичной надмолекулярной структуры некоторых видов волокон в условиях формования мокрым способом // Химические волокна, 2003. - №5. - С. 29-31.
12. Химические волокна, 1981. - №5. - С. 5-12.
13. Цобкалло Е.С. и др.// Химические волокна, 1998. - №3. - С. 30-33.
14. Проспект «Kevlar», фирма Du Pont, 12. 1993. - 28 с.
15. Перепелкин К.Е., Полимерные волокнистые композиты, их основные виды, принципы получения и свойства. Часть 2 // Химические волокна, 2005. - №5. – С.54-
16. Проспект ОАО «Каменскволокно», 2001.
