Органические (арамидные) волокна (new)

Высокомодульные и высокопрочные органические (арамидные) волокна характеризуются меньшей плотностью, высокими модулями упругости при сжатии и изгибе, а также большим модулем упругости и прочности при растяжении по сравнению с теми же показателями для волокон из Е- или S-стекла.

По удельной прочности и модулю упругости в случае растяжения органические волокна с амидными группами превосходят все известные на сегодня армирующие волокна и сплавы, уступая по этим показателям лишь углеродным и борным волокнам. В связи с этим такие волокна часто называют высокомодульными и высокопрочными (прочность достигает 4,5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа).

Плотность арамидных волокон (1450 кг/м3) значительно ниже, чем плотность волокон из Е-скла (2500 кг/м3). Модуль упругости при растяжении арамидных волокон типа Кевлар-49 около 130 Гпа, а для волокон из Е-скла он составляет 70 Гпа, или из S-скла – 86 Гпа. Это обусловливает высокую жесткость композиционных материалов на основе этих волокон, чем у стеклопластиков. Из арамидних волокон могут быть получены почти все типы волокнистых армирующих наполнителей: нити, ровинги, ткани разного плетения, бумага и тому подобное.

Арамидные волокна характеризуются достаточно высокой термостойкостью (в сравнении с другими типами органических волокон). Они не плавятся и не деструктируют вплодь до температур 400°С и выше.

Арамидные волокна используются в производстве полимерных композитов, поскольку температура переработки и эксплуатации полимерных матриц ниже температуры деструкции арамидних волокон. В процессе получения и переработки композиционных материалов на основе термопластичных полимерных матриц в результате длительной выдержки при температуре плавления термопластов может происходить некоторое ухудшение механических свойств арамидних волокон.

Арамидные волокна, которые производятся в мире, сохраняют свои свойства при длительной выдержке при температуре не выше 180°С , следовательно, эта температура является предельной для длительной эксплуатации материалов на их основе. Это ограничивает возможность применения арамидних волокон в качестве наполнителя для ряда полиамидов и полимидных связующих, которые предназначенны для изготовления изделий, которые работают длительное время при температурах свыше 300°С. Арамидные волокна характеризуются очень высокой химической стойкостью. Например, для волокон Кевлар-49 характерная высокая стойкость к действию плавиковой кислоты и гидроксида натрия.

Органические волокна, которые введены в состав термопласта, как правило, не ухудшают его химическую стойкость к различным средам, електроизоляционные свойства и морозоустойчивость. В то же время существенно уменьшается текучесть материалов при длительной нагрузке, повышается на несколько порядков длительная прочность, повышается стабильность размеров при тепловом воздействии, повышается верхний температурный предел эксплуатации и др.

Кроме того, синтетические волокна более эластичны, чем, например, углеродные хотя и подвержены стиранию в ходе переработки композитов в изделия.

За последние годы были разработаны новые, высокопрочные и высоко модульные органические волокна, которые позволяют использовать их для получения конструкционных материалов. Первые высокопрочные волокна на основе ароматических полиамидов были независимо созданы в СССР и США. Потом были получены высокопрочные волокна на основе поли-пара-бензамида, поли-пара-фенилентерефталамида и другие сверхпрочные и высокомодульные синтетические волокна, среди которых можно выделить волокна из полиазометинов, ароматических сополиэфиров и полиоксадигидразидов. Наиболее высокий комплекс свойств имеют арамидные волокна. По прочности на растяжение и модулю упругости они превышают все органические и стеклянные волокна. Их прочность в два, а модуль в четыре разы выше, чем у полиамида-6 и на 50 % выше, чем у стеклянных волокон.

Процесс получения волокон состоит из двух стадий: синтеза полиамидов и формирования. Синтез полиамидов – это низкотемпературная поликонденсация хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматических диаминов. Из полученного продукта вытягивают волокна через фильеры со скоростью 60 м/с. Прочность таких волокон достигает 4.5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа. Взаимодействие между фибриллами из-за водородных связей оказывается слабым. Это обстоятельство определяет общий для всех высокоориентированных волокон недостаток: низкую поперечную прочность. В связи с этим упруго-прочносные свойства полимерных композиционных материалов, армированных волокнами в направлении, которое не совпадает с осью волокна, определяются в основном свойствами связующего и величиной адгезионного взаимодействия.

По химическому составу: «терлон» - полифенилентерефталамид (ПФТА), СВМ - полиамидбензимидазол (ПАБЕ), и «армос»– сополимер ПФТА и ПАБЕ.Прочность СВМ объясняется отсутствием ослабленных участков типа аморфных прослоек.

В таблице приведены физико – механические характеристики некоторых видов арамидних волокон в сравнении с характеристиками типичных конструкционных сталей.

Органопластики широко применяют: в авиа- и космич. технике, авто- и судостроении, машиностроении для изготовления элементов конструкций, пулезащитной брони, радиопрозрачного материала; в электро-, радио- и электронной технике-для обмотки роторов электродвигателей, производства электронных плат с регулируемой жесткостью и высокой стабильностью размеров; в хим. машиностроении - для произ-ва трубопроводов, емкостей; для производства спортивного инвентаря и в др. отраслях промышлености.

Арамидные волокна способны выдерживать в течение 1000 ч статическую нагрузку, по величине равной 90% от разрушающего напряжения при растяжении, длительно работают при повыш. температурах (180-200 °С), обладают высокой усталостной прочностью. Способность поглощать механические вибрации и звук в 2-4 раза выше, чем стеклопластики , и в 10-40 раз выше, чем у алюминиевых сплавов.

Для арамидных волокон характерна низкая диэлектрическая проницаемость ( 3,7-4,2) в широком диапазоне частот (1 кГц-10 ГГц); tg 0,018-0,025, 5•1015 Ом•см, 5•1015Ом, дугостойкость 120-130 с, электрич. прочность 250-380 кВ/см.

Теплопроводность органических волокон (наполнитель-ткани, жгуты или нити) в направлении, перпендикулярном слоям, составляет 0,012-0,020 Вт/(см•К), а коэф. линейного термического расширения вдоль волокон может иметь отрицатательное значение (напр., от -2•10-6 до -4•10-6 К-1). Для арамидных волокон характерна высокая хим. стойкость к действию органических растворителей, смазочных масел, жидких топлив и воды. Арамидные композиты на основе полиимидных и фенольных связующих обладают огнестойкостью и низким дымовыделением при горении.