Властивості арамідних волокон
Безперервне волокно: Арамідні волокна
Арамідні волокна відносяться до класу ароматичних поліамідних волокон. Вони являють собою хімічні волокна, отримані на основі лінійних волокнообразующих поліамідів, в яких не менше 85% амідних груп безпосередньо пов'язано з двома ароматичними кільцями. Такі волокна відрізняються високими значеннями міцності, модуля пружності, теплостійкості і химстойкости. Вперше вони стали відомі під маркою «кевлар».
Отримання і виробництво
Арамідні волокноутворюючих полімери отримують методом поліконденсації в розчині при низькій температурі (5. 10 ° C). Полімер отримують додаванням до розчину реагентів при інтенсивному перемішуванні. Полімер виділяється з вихідного розчину у вигляді гелю або крихти, потім він промивається і висушується.
Отриманий полімер розчиняється в одній з сильних кислот, наприклад, в концентрованої сірчаної кислоти. З розчину полімеру методом екструзії через фільєри формуються волокна і нитки. Температура формування 50. 100 ° C. Екструдовані волокна проходять невелику повітряний прошарок (5-20 мм) і потрапляють в осадительную ванну з холодною водою (менше 4 ° C). Волокно промивається, збирається на приймальному пристрої і висушується. На виході з осаджувальної ванни волокно може піддаватися додатковій обробці (витягування, термообробка) для підвищення його механічних характеристик. Властивості волокон можуть залежати від складу вихідної сировини, властивостей використаних розчинників, умов технологічного процесу отримання волокон і умов термообробки сформованих ниток.
Волокно кевлар є кристалізується полімер. Хімічна структура волокна відрізняється високим ступенем орієнтованості і жорсткості. Ці характеристики, зокрема, обумовлені наявністю в структурі великої кількості ароматичних (бензольних) кілець. За своєю структурою волокно кевлар може бути віднесено до сітчастим полімерам.
Жорсткі полімерні ланцюги знаходяться в распрямления стані і утворюють дуже щільну упаковку в обсязі волокна, що визначає високі механічні властивості волокна типу кевлар. Кристалічна природа полімеру забезпечує високу термічну стабільність волокон, а наявність ароматичних кілець в структурі макромолекули обумовлює хімічну стабільність волокон. Завдяки жорсткій сітчастої структурі макромолекул арамідні волокна при нагріванні не відчувають ніяких фазових перетворень аж до температури термічного розкладання.
Волокна кевлар виробляються у вигляді технічних ниток з різною лінійної щільністю і структурою. Число елементарних волокон в типових нитках може змінюватися від 130 до 1000 при виготовленні тканин і від 500 до 10000 при виготовленні канатів і корду. Кевлар випускається також у вигляді пряжі, ровінгу і тканин. Волокна непрозорі, звичайний діаметр близько 11 мкм.
Властивості арамідних волокон
Арамідні нитки серед всіх органічних волокон мають найбільш високі експлуатаційні характеристики. Вони відрізняються стійкістю до впливу полум'я, високих температур, органічних розчинників, нафтопродуктів і т. П. Арамідні волокна менш крихкі в порівнянні з вуглецевими і скляними волокнами і придатні для переробки на звичайному обладнанні текстильних виробництв.
Арамідні волокна відрізняються найбільш високими значеннями міцності і модуля пружності серед органічних волокон.
Підвищення температури призводить до зниження міцності арамідних волокон від 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практично не проявляють повзучості під навантаженням. У всьому інтервалі навантажень аж до руйнування залежність напружень від деформацій є лінійної. На властивості арамідних волокон помітний вплив робить скручування ниток: при підвищенні ступеня кручення модуль пружності і міцність волокон помітно знижуються. Вважають, що цей ефект пов'язаний з поверхневим пошкодженням волокон при скручуванні. Це припущення підтверджується результатами випробувань волокон на втому, які показують, що волокна можуть витримувати велике число циклів навантаження, якщо вони не відчувають поверхневого тертя. При наявності такого тертя довговічність волокон дуже невисока.
Вплив різних факторів на механічні властивості КМ, армованих арамідними волокнами
Вплив сполучного на механічні властивості композиту визначається в основному двома параметрами: адгезію і модулем пружності. Ці два фактори впливають на тип руйнування КМ і, в кінцевому рахунку, визначають рівень міцності властивостей композиту. Низькомодульної сполучні зазвичай не здатні забезпечити перерозподіл навантаження між армуючими волокнами у всьому обсязі композиту. При цьому окремі волокна деформуються незалежно один від одного. Руйнування (розрив) одного волокна в таких випадках може привести до значного перерозподілу навантаження в його околиці і перенапруження сусідніх волокон. Як наслідок, в таких випадках часто спостерігається лавиноподібний процес руйнування матеріалу. Середня міцність волокна в композиті виявляється низькою.
Якщо ж вбрання поєднання адгезії і модуля пружності забезпечує приблизно рівномірний розподіл навантажень між усіма волокнами матеріалу, то середня (ефективна) міцність композиту матиме більш високе значення. Зазвичай на практиці вдається реалізувати деякий середнє значення потенційної міцності матеріалу.
Зі збільшенням об'ємного вмісту волокна міцність матеріалу зазвичай спочатку збільшується, а при досягненні деякого рівня наповнення стабілізується або навіть знижується.
Підвищення температури призводить до деякого зниження міцності мікропластіков з арамідних волокон. Зниження температури на властивості міцності практично не впливає.
Залежність напруги від деформацій композитів на основі арамідних волокон близька до лінійної. Витримування зразків виготовлених з односпрямованого композиту на основі арамідних волокон під постійним навантаженням протягом тривалого часу супроводжується збільшенням їх деформації - ползучестью. Зі збільшенням рівня навантаження деформація, обумовлена ползучестью, зростає, причому, при тривалому навантаженні залежність деформації від часу стає лінійної для широкого інтервалу початкових навантажень.
Жорсткість і міцність композиційних волокнистих матеріалів (КВМ) на основі арамідних волокон при поперечному по відношенню до напрямку армування навантаженні значно менше, ніж при навантаженні в напрямку армування. Є різні дані про характеристики композиту при такому вигляді навантаженні, які залежать від методу випробувань, але всі вони показують, що навантаження в поперечному напрямку є невигідним з точки зору використання потенційних міцності якостей матеріалу.
Проблема підвищення характеристик матеріалу при поперечному навантаженні зазвичай вирішується шляхом додаткового включення в композит армуючих волокон інших видів, наприклад, вуглецевих або скляних. Вибір вуглецевих волокон пов'язаний з тим, що їх температурні характеристики (коефіцієнт температурного розширення) схожі з характеристиками арамідних волокон. Такі композити прийнято називати «гібридними». Кевлар-вуглецеві композити відрізняються меншою вартістю і меншою крихкістю в порівнянні з вуглецевими, що робить їх досить привабливими, незважаючи на деяке зниження міцності в порівнянні з вуглецевими матеріалами.
Ще один спосіб підвищення експлуатаційних властивостей односпрямованих композитів - додавання до основного армуючому матеріалу невеликої об'ємної частки коротко нарізаних волокон (штапель). Такі волокна орієнтовані в матеріалі менш однорідно в порівнянні з довгими волокнами і забезпечують додаткове перерозподіл навантажень в обсязі матеріалу крім сполучного. Межа міцності і модуль пружності таких матеріалів зазвичай нижче, ніж у односпрямований, але робота, яку необхідно затратити на їх руйнування значно вище (приблизно в півтора рази).