15.5 Текстильные формы стекловолокнистых наполнителей

В производстве стеклопластиков и изделий из них используются следующие различные структуры наполнителей на основе стеклянных волокон [1,3,4]:

1. Однонаправленные непрерывные наполнители:

- комплексные нити;

- комплексные крученые нити;

- ровинги (жгуты).

2. Тканые наполнители:

- ткани (однослойные и многослойные) и сетки;

- тканые ленты.

3. Нетканые материалы:

- полотна нитепрошивные, вязально-прошивные, ориентированные, холостопрошивные и др;

- полотна трикотажные;

- маты ( поверхностные; из рубленных нитей, скрепленных полимерным связующими др.).

4. Волокна и нити стеклянные однонаправленные (срезы с бобины или других поковок).

Стекловолоконные ровинги.

Стекловолоконные ровинги представляют собой объединение непрерывных и параллельных стренг (жгутов) или элементарных волокон. Традиционный ровинг производится совместным пря­дением нескольких простых стренг, число которых определяется требованиями последующей переработки (параметром ровинга может являться длина единицы его массы). Отдельная стренга (жгут), так называемая составляющая, состоит из объеди­ненных элементарных стекловолокон. Элементарные волокна вытягивают из бушинга, число отверстий в котором соответствует числу филаментов в стренге, что в свою очередь определяется потребностью последующей переработки.

Ровинг получают в основном из G- или K-волокон. Могут быть использованы и более толстые волокна. Развес ровинга лежит в основном в пределах 3600 - 450 м/кг (или 276 - 2222 текс [текс — мера толщины волокна, или масса 1000 м волокна в граммах]).

Ткани из ровинга.

Большая часть стеклоровинга перерабатывается в грубые ткани, потребность в которых возникает, если есть необходимость быстрого набора толщины материала на большой поверхности. Особенно часто это используется при создании корпусов лодок, различных судовых приспособлений и многих типов покрытий.

Ткань из ровинга выпускается с различной плотностью (0,407- 1,356 кг/м²) и различной толщины (0,51 - 1,02 мм).

Ткань из стекловолоконного ровинга, пропитанная термо­реактивным полиэфирным связующим, может перерабатываться в композиционный материал методом ручной выкладки. Такая техника применяется, в частности, при создании корпусов лодок. Слоистый пластик, сделанный по этой технологии, имеет низкое соотношение стекло/смола и, следовательно, ограниченную возможность сшивки полимерного связующего. Вследствие этого механические свойства такого слоистого материала оказываются не очень высокими.

Повышение механических свойств слоистых стеклопластиков может быть достигнуто за счет уменьшения содержания связую­щего и за счет использования полиэфирных связующих с высокой температурой отверждения. Механические свойства пластиков с огнезащищенными полиэфирами ниже, чем пластиков со стан­дартными полиэфирными связующими.

Стекловолоконные маты.

Существуют три основных типа матов из стекловолокон: маты из резаных нитей, из непрерывных нитей и декоративные маты или покрытия. Маты из резаных волокон изготовляют обычно в виде нетканых материалов, в которых стекловолокна получают резкой путанки или непрерывного жгута на штапельки длиной 25,4-50,5 мм. Волокна имеют преимущественно случайное распреде­ление в горизонтальной плоскости и удерживаются вместе химическими связующими. Плотность таких матов составляет 0,229 - 0,916 кг/м², и они могут иметь толщину 50,8 - 1930,4 мм.

Маты, получаемые из нерезаных непрерывных жгутов стекло­волокна раскладываются и соединяются в виде спирали. Такие маты достаточно упруги при сравнительной разреженности струк­туры, а благодаря механическому переплетению не требуют дополнительной связи для создания необходимой прочности. Декоративные маты или покрытия — это очень тонкие маты из простых, непрерывных мононитей. Они используются как деко­ративные поверхностно-армированные слои при получении компо­зитов методом ручной выкладки или при расплавном прессовании как компонент отделки и армирования поверхности.

Текстильная стекловолоконная пряжа.

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/м^2	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	2646	1470	Сатин 8/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС6- 26х1х2
Т-10-80	0,25±0,02	290±7	36+1	20±1	2836	1464	Сатин 8/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС6- 26х1х2
Т-11	-	385±12	22+1	13±1	2842	1666	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС7- 36х1х3
Т-11-752	-	290±7	22+1	13±1	2842	1666	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС7- 36х1х3
Т-11-ГВС-9	0,30+0,01 -0,05	290±7	22+1	13±1	1960	980	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС7- 36х1х3
Т-12	-	370±11	22+1	13±1	2842	1666	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС8- 52х1х2
Т-12-41	-	370±11	22+1	13±1	2646	1421	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС8- 52х1х2
Т-12 -ГВС-9	0,30±0,03	370±11	22+1	13±1	1960	980	Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115	50	БС8- 52х1х2
Т-13	0,27±0,03	285±9	16+1	10±1	1960	1274	Полотняное	70,80,92,100, 110,115	50	БС7- 36х1х3
Т-14	0,29±0,03	308±9	16+1	13±1	1960	1617	Полотняное	70,80,92,100, 110,115	50	БС6- 26х1х4
Т-14-78	0,29±0,03	308±9	16+1	13±1	2058	1715	Полотняное	70,80,92,100, 110,115	50	БС6- 26х1х4
А-1	0,10±0,01	110±10	20+1	20±1	589	589	Полотняное	90, 95, 100, 110	50
А-2	0,06	68±7	19+1	16±1	294	245	Полотняное	90, 95, 100, 110	80

Таблица 15.9 - Стеклоткани конструкционного назначения из алюмоборосиликатного стекла [4].

Марка	Тол- щи- на, мм	Поверхностная плотность г/м^2	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	365	10	6	450	35	Полотняное	90	30	ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток
Т-25 (ВМ)	0,25	365	10	6	400	30	Полотняное	90	30	ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток
Т-26 (ВМ)-78	0,22	280	12	6	350	20	Полотняное	90	30	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	600	420	60	700	500	На базе неправильного четырехремизного сатина или полотняное с последующей перевязкой слоев	4-24
МТБС-1,8	1,85	480	240	60	800	650		4-20
МТБС-2,1	2,1	480	350	50	1000	800		4-16
МТБС-2,5	2,5	720	400	57	1000	800		4-16
МТБС-4,35	4,35	360	250	50	1030	1300		1,5-10
МТБС-5,20	5,20	280	220	44	-	-		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.