- •Федеральное агентство по образованию
- •Введение
- •1 Классификация и общая характеристика дисперсных наполнителей
- •2 Карбонат кальция
- •3 Каолин
- •4 Полевой шпат и нефелин
- •5 Диоксид кремния
- •5.1 Пирогенетический (коллоидальный) аморфный диоксид кремния
- •5.2 Осажденный (гидратированный) аморфный диоксид кремния и силикагель
- •5.3 Измельченный кварцит (кварцевая мука)
- •5.4 Стеклообразный диоксид кремния (плавленый кварц)
- •6 Тальк
- •7 Металлические порошки
- •8 Технический углерод
- •9 Графит
- •10 Сферические наполнители (микросферы)
- •10.1 Сплошные микросферы
- •10.2 Полые сферические наполнители
- •10.2.1 Неорганические полые микросферы
- •10.2.2 Свойства органических полых микросфер
- •10.3 Применение полых микросфер
- •11 Слюда
- •12 Волластонит (силикат кальция)
- •13 Асбест
- •14 Древесная мука
- •Основная литература:
- •15 Стеклянные волокна
- •15.1 Исторический очерк
- •15.2 Общие сведения о получении стекол и стеклянных волокон
- •Влияние состава стекла на его свойства.
- •15.3 Характеристика стекловолокон
- •15.4 Поверхностные свойства стеклянных волокон
- •15.5 Текстильные формы стекловолокнистых наполнителей
- •Литература:
- •16 Базальтовые волокна
- •16.1 Общая характеристика базальтовых волокон
- •16.2 Составы и свойства базальтовых волокон
- •16.3 Текстильные формы базальтоволокнистых наполнителей
- •Литература:
- •17 Углеродные волокна
- •17.1 Исторический очерк
- •17.2 Особенности структуры волокнистых форм углерода
- •17.3 Типы и свойства углеродных волокнистых наполнителей
- •Литература:
- •18 Арамидные волокна
- •18.1 Исторический очерк
- •18.2 Особенности структуры арамидных волокон
- •18.3 Свойства арамидных волокнистых наполнителей
- •18.4 Текстильные формы арамидных волокон
- •Литература:
18.3 Свойства арамидных волокнистых наполнителей
Разработан большой ассортимент волокон из ароматических полиамидов различного строения (таблица 18.1).
На основе поли-n-арамидов в России производятся волокна СВМ, Русар, Терлон, Армос (таблица 18.2).
Волокна Терлон сохраняют при 250°С 55 – 60% σ+; 70% σ+ после 100 час. при 300°С, волокна СВМ соответственно 55 – 65% и 35 – 60 %.
Для них характерна ярко выраженная анизотропия свойств [12]:
Волокна
|
Е+, ГПа |
α · 10 – 6/°С | ||
║ |
|
║ |
| |
Терлон |
130 |
3,5 – 5,5 |
– (1 – 3) |
55 – 60 |
СВМ |
125 |
4 – 6 |
– (0 – 3) |
60 – 65 |
Таблица 18.1 - Свойства волокон из ароматических полиамидов.
Тип волокна |
Страна, фирма |
ρ, г/см3 |
σ+, ГПа |
Е+, ГПа |
ε+,% |
Кевлар PRD, В, 29, К-29 |
США Дюпон |
1,45 |
2,75-2,8 |
63-83 |
- |
Кевлар 49, К-49, Т969, Т981 |
США Дюпон |
1,44-1,45 |
3,6-4,0 |
130-140 |
1,9-2,3 |
Кевлар PRD-149 |
США Дюпон |
1,47-1,48 |
3,8-4,2 |
150-180 |
2-4 |
Twaron, Arenka 900, Arenka 930 |
Голландия Епка АКЗО |
1,44 1,45 |
2,5-3,0 2,5-3,0 |
68-70 130 |
- - |
Technora, HM-50 |
Япония Тэйдзин |
1,39 |
3,1 |
71-75 |
4,4 |
СВМ |
Россия |
1,43-1,44 |
3,8-4,2 |
120-130 |
2-4 |
Армос |
Россия |
1,43-1,44 |
4,5-5,0 |
145-170 |
4 |
Терлон СД |
Россия |
1,45 |
3,5-3,8 |
150 Терлон 85-120 184 |
— |
Терлон С |
Россия |
1,45 |
3,5-3,8 |
|
1-2,5 |
ВМН-88 |
Россия |
1,45-1,46 |
3,7-4,5 |
157-167 |
2,9 |
Фенилон |
Россия |
1,37-1,38 |
0,62-0,65 |
90 |
- |
Nomex |
США |
1,37-1,38 |
0,73-2,70 |
70 |
- |
Коnех |
Япония |
1,37-1,38 |
0,65 |
77 |
- |
Таблица 18.2 - Свойства высокомодульных волокон на основе ароматических полиамидов [2].
Свойства
|
СВМ
|
Армос
|
Терлон | ||
СД |
С |
СБК1) | |||
ρ, г/см3 |
1,43 |
1,43 |
1,45 |
1,45 |
1,34 |
σ+,ГПа 5) |
3,8 – 4,2 |
4,5 – 5,5 |
3, 5 – 3,82) |
3,5 – 3,82) |
3,0 – 3,4 |
Е+,ГПа |
135 |
145 – 160 |
150 |
184 |
140 |
ε+, % |
3,4 |
3,0 – 3,5 |
2,6 – 2,8 |
2,5 – 2,7 |
2,7 – 3,0 |
В.П., 65% Н2О |
6,5 – 13,2 |
2,5 – 3,2 |
3,2 – 7,2 |
2,9 |
2,5 – 10,2 |
КИ,%3) |
32 – 34 |
34 – 35 |
32 – 34 |
32 – 4 |
28 – 30 |
рН волокна |
2,5 – 3,5 (не отмытое 5,8 – 6,5) |
6,7 |
6,2 |
- |
- |
Концентрация С1-ионов4) |
0,18 (не отмытое < 0,002) |
0,012 |
0,005 |
- |
- |
Примечания: 1) повышенная адгезия к резине и устойчивость к знакопеременным нагрузкам (10% поликапроамида); 2) сохраняют 60% σ+ при 300°С, 50% σ+ после 100 ч. при 250°С; 3) после специальной обработки (например, хлорирования) – 60%; 4) Кевлар 49: рН 6,5; СCl – 0,08; 5) угол разориентации 6,5° (Терлон, Кевлар 49), 11° (Армос), 12 – 17° (СВМ, в зависимости от т.о.: 12° – т.о. в шахте при 350 – 450°С, 14° – т.о. на бобинах при 250 – 300°С, 18° – без т.о.).
Предварительное нагружение влияет на деформационные и прочностные свойства волокон СВМ, Армос, Терлон. Пластические деформации возникают из-за "замороженной" водородными связями эластической деформации и ориентации молекулярных цепей. При этом прочность волокон Армос и СВМ повышается, у волокон Терлон остается без изменений [13].
Волокна Кевлар имеют самую высокую удельную прочность среди применяемых для получения ПКМ волокон. По удельной жесткости волокна Кевлар–49 в 3 раза превосходят сталь и алюминий, по удельной прочности в – 5 и 10 раз соответственно. Волокна криогенностойки до 77 К, карбонизуются при 700 К, имеют отрицательный КЛТР (-2)·10 –6 К–1 в осевом направлении, отличаются высокими демпфирующими свойствами и стойкостью к циклическим нагрузкам (таблица 18.3).
Таблица 18.3 - Свойства волокон "Кевлар"[1,3].
Свойства |
Кевлар 29 |
Кевлар 49 |
Кевлар 149 |
ρ, г/см3 |
1,44 |
1,45 |
1,47 – 1,48 |
σ+, ГПа |
2,8 – 3,2 |
2,8 – 3,8 |
2,4 – 3,2 (до 4,1; теор. 17) |
Е+, ГПа |
62 – 70 (до 96) |
125 – 135 |
160 – 184 (теор. 350) |
ε+, % |
3,9 – 4,0 |
2,3 – 2,4 |
1,8 – 2,1 |
В.П., 65% Н2О, % |
4,8 – 7,0 |
4,0 – 4,381) |
1,0 – 1,2 |
Примечания: Диаметр филамента 0,17 текс 11,9 – 12,0 мкм; 1) в воде сохраняет 85 – 95% σ+. Для Кевлар – 49 в петле - 35% от σ+; ползучесть при нагружении 90% от σ+ - 0,0011; коэффициент трения: 0,46 (нить по нити), 0,41 (нить по металлу).
Механические свойства волокон при увлажнении снижаются (таблица 18.4), но после сушки практически полностью восстанавливаются. 100-часовая выдержка волокон Кевлар – 49 (К-49) в кипящей воде приводит к необратимому снижению их прочности на 2%, выдержка в морской воде в течение 6 месяцев — к необратимому снижению σ+ на 2,4%.
Таблица 18.4 - Свойства при растяжении прядей из волокон Кевлар-49 (166 текс) [1,3].
Условия |
ε+, % |
% сохранения Е+ |
% сохранения σ+ |
20°С, воздух |
2,2 |
— |
— |
20°C, вода |
2,1 |
99 |
95 |
93°С, воздух |
2,0 |
90 |
87 |
88°С, вода |
1,9 |
80 |
78 |
Благодаря высокой жесткости цепей АПА и высокой плотности упаковки макромолекул полиамида в волокнах Кевлар, они работоспособны как при повышенных, так и при пониженных температурах. Усадка волокон при нагреве не превышает 4-10" %/°С. Диаграммы деформирования волокон в диапазоне от - 55 до + 90°С практически идентичны. Механические свойства их не меняются при нагреве до 100°С. Нагрев до 200°С в течение 0,5 ч приводит к снижению прочности на воздухе на 15% - с 3,17 до 2,72 ГПа, модуль упругости в этих условиях снижается до 1 ГПа. С увеличением длительности выдержки при этой температуре до 100 ч прочность падает на 25%, модуль упругости на 7%. Повышение температуры выдержки на воздухе до 240°С и времени её воздействия до 450 ч вызывает дополнительное снижение прочности ещё на 5%. Арамидные волокна устойчивы к воздействию низких температур вплоть до - 196°С и циклическому тепловому воздействию. После 150 циклов резкого перепада температур (30 мин. выдержка при +150°С - охлаждение до - 180°С) механические свойства волокон К-49 практически не изменяются. Волокна не плавятся, не воспламеняются и не способствуют распространению пламени. При 420 - 500°С в них активно развиваются процессы термодеструкции с образованием до 40% кокса. Теплота сгорания волокон К-49 составляет 34,8 кДж/ч.
Арамидные волокна отличаются высокой химической стойкостью. Они сохраняют свои свойства при действии многих растворителей, спиртов, жиров, масел, достаточно стойки к воздействию щелочей и кислот. Свойства К-49 сохраняются при воздействии 99,7% - ной СН3СООН и 37% - ной НС1. Прочность снижается на 10% под воздействием 48% - ной HF, на 60% — 70% - ной HNO3, на 100% — 96% - ной H2SO4. К-49 устойчиво к действию NH4OH, ацетона, бензола, МЭК, толуола, прочность снижается на 10% после воздействия КОН, на 0,5% - соленой воды.
Для арамидных волокон характерно взаимодействие с УФ - излучением и солнечным светом, сопровождающееся фотодеструкцией волокнообразующего полимера (таблица 4.5). При выдержке пряди волокон К-49 (157,7 текс) в течение 500 ч при облучении дуговой лампой и периодической сменой влажного и сухого воздуха прочность снижается на 37%. В этих же условиях толстые нити К-49 (42,2 текс) сохраняют 67% прочности (21,6 текс - 50%).
Промышленные волокна Кевлар фирмы Du Pont широко используются в различных областях техники (таблица 18.6). Сравнительные свойства волокон различных типов приведены на рисунках 18.6 - 18.8.
Таблица 18.5 - Устойчивость пряжи Кевлар-49 к УФ [1].
Тип волокна, (линейная плотность, текс)
|
Экспозиция |
Разрывная нагрузка, Н
|
Потери σ+,%1)
| |
Вид |
Время, ч | |||
29(166,6) |
УКК, С |
200 |
33,1 |
27 |
49(157,7) |
УКК, ВС |
200 500 |
32,4 32,4 |
25-32 37-46 |
29(веревка, d= 12,7 мм) |
Ф, С |
6 мес. 12мес. 24 мес. |
6532 6532 6532 |
10 19 31 |
49 (крученый корд, d=7,7 мм) |
КК, С, В |
100-200 |
— |
41-52 |
49(плетеная веревка, d=3,2 мм) |
УКК, С |
100 |
— |
22 |
Примечания: УКК - климатрон с дуговой лампой, КК - климатрон, Ф - широта Флориды, С - сухая атмосфера, В - влажная атмосфера. 1) - изменения могут быть сведены к минимуму и полностью исключены при использовании не одиночных пучков волокон, а скрученных или плетеных нитей или нанесением светостойких покрытий. Многослойные текстолиты и волокиты обладают относительно высокой стойкостью к УФ.
Таблица 18.6 - Свойства промышленных волокон Kevlar фирмы Du Pont [14].
Свойства
|
Типы волокон | |||||
Kevlar 29 |
Kevlar Ht (129) |
Kevlar He (119) |
Kevlar Нр (68) |
Kevlar 49 |
Kevlar Hm (149) | |
σ+, сН/текс |
205 |
235 |
205 |
205 |
205 |
170 |
σ+, МПа |
2900 |
3320 |
2900 |
2900 |
2900 |
2400 |
Е+, ГПа |
60 |
75 |
45 |
90 |
120 |
160 |
ε+, % |
3,6 |
3,6 |
4,5 |
3,1 |
1,9 |
1,5 |
Водопоглощение, % |
7 |
7 |
7 |
4,2 |
3,5 |
1,2 |
ρ, г/см3 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,44 |
1,45 |
1,47 |
Тдест. , ºС |
-500 |
-500 |
-500 |
-500 |
-500 |
-500 |
Примечание:
- Kevlar 29. I960 (1670 и 16700 д.текс), Т962 (1670, 3300) - веревки и кабели, Т961 (1670, 3300) - электромеханические кабели, Т963 (3300) - броня, Т 964 (220, 440) - для тканей, Т964 (1100, 1670) - броня военной техники, Т973 (3300), Т974 (1670) - наполненные пластики, Т977 (1670) насосные прокладки.
- Kevlar Не (100): T964F (1100, 1670) - бронежилеты (различная окраска), T970F - штапели 38 мм.
- Kevlar Ht (129) высокопрочный, Т964С (840, 930, 1100), Т965С (1580) - броня военной техники, Т956С (1670) - для РТИ.
- Kevlar Hm (149) высокомодульный Т968А (1580), Т965А (1270) - для ПКМ (без обработки поверхности).
- Kevlar Нр (68) среднемодульные Т968В (для КМ и оплетка оптических волокон), Т956В - РТИ.
- Kevlar 49. Т965 (215, 420, 1270, 1580, 2400) - для КМ, бронежилетов, электромеханических кабелей; Т968 (215, 420, 1270, 1580, 2400, 3160, 4600, 5070, 7900) - для намотки, Т969 (5070) - для намотки; Т978 (1580) - канаты и кабели; Т989 (1580, 2400, 3160, 4800, 7900) -для оплетки оптических волокон. Kevlar staple T970 штапельные волокна длиной 6, 13, 38, 63 мм.
1 - Кевлар-29; 2 - Кевлар-49; 3 - полиэфир ПЭТФ Дакрон; 4 - найлон, ПА-6;
5 - стальная проволока; 1 -4 сухие крученые нити.
Рисунок 18.6 - Деформационные свойства органических волокон
(20°С, рабочая часть образцов 250 мм) [3].
1 - Кевлар-29, Кевлар-49; 2 - найлон (ПА-6); 3 - ПЭТФ Дакрон; 4 - ПАН Рейон.
(выдержка при температуре испытания 5 мин.)
Рисунок 18.7 - Температурная зависимость прочности нитей из полимерных волокон [3].
1 - борные, Е+ 379 ГПа; 2 - углеродные, Е+ 414 ГПа; 3 - углеродные, Е+ 260 ГПа;4 - Кевлар-49 (ровннг крученый, Е+ 130 ГПа); 5 - стекло S (ровинг, Е+ 82,7 ГПа),6 - стекло Е (ровинг, Е+ 68,9 ГПа); 7 - Nomex (Фенилон).
Рисунок 18.8 - Диаграммы σ+ - ε+ для различных волокон [1].