Арамидопластики: способ получения, свойства, применение

Получение арамидопластиков

Получение органопластиков не имеет заметных отличий от получения других видов армированных композитов, разница состоит лишь в выборе компонентов и технологических режимов.

Процессы получения изделий из композиций с бесконечно длинными волокнами очень специфичны и зависят не только от вида связующего и наполнителя, но и в значительной степени от конфигурации формуемого изделия. В зависимости от метода изготовления изделий ориентация волокон в нем может быть одноосной, двухосной, слоистой и многоосной.

Современное производство элементов конструкций из полимерных КМ (ПКМ) в значительной мере ориентируется на препреговую технологию изготовления изделий. Препреги – это композиционные материалы, полуфабрикаты – ткани и волокна, предварительно пропитанные пред-катализированной смолой при высокой температуре и давлении. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. Ее полное отверждение происходит при формовании [2].

Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала, обеспечить заданные электротехнические, механические и др. параметры. Препреги с ориентированным расположением волокон изготавливают на специальных установках вертикального (шахтного) или горизонтального типа. При изготовлении препрега на основе тканей, сеток и т.п. (рисунок 10.1) материал поступает из разматывающего устройства, разглаживается, пропускается через ванны со смолой, тщательно отжимается при помощи системы специальных прецизионных валов, высушивается в специальных сушилках, а затем сматывается в рулон или разрезается на листы заданного размера. Сушильно пропиточные линии представляют собой крупногабаритные и технически сложные инженерные системы, обеспечиваемые современными средствами автоматического управления, безопасности.

Таким образом, технологический процесс получения изделий из композиционных полимерных материалов делится на два этапа: получение заготовки заданной конфигурации и ее формование для достижения высокой прочности и жесткости. Полимерные КМ, состоящие из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения являются твердыми телами. Характеристики готового изделия (такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обусловливают выбор состава композиции, способа ее получения и формования.

1 -вакуумный насос; 2 - вакуумная камера; 3 - нагреватель; 4 - компенсатор уровня связующего; 5 - отжимное устройство; 6 - сушильная печь; 7 - бобина с разделительной пленкой; 8 – рулон с готовым препрегом; 9 - калибрующее устройство; 10 - нагреватель; 11 - ресивер; 12 - фильтр; 13 - вакуумный затвор; 14 - ванна со связующим; 15 - нагреватель; 16 – шпулярник с нитяным наполнителем; 17 - распределительный барабан.

Рисунок 10.1 – Схема пропиточной установки для получения препрега:

Наибольшее практическое применение находят следующие способы производства изделий из армированных пластиков:

а) контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму;

б) напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;

в) различные способы формования в закрытой форме;

г) намотка пропитанного смолой волокна на форму;

д) пултрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру.

В зависимости от технологии формования значения свойств полимерных композитов могут отличаться в несколько раз. Выбор технологии зависит от конструкции изделия, условий его эксплуатации, объема изготовления и имеющихся производственных ресурсов.

Влияние различных факторов на механические свойства КМ, армированных арамидными волокнами. Влияние связующего на механические свойства композита определяется в основном двумя параметрами: адгезией и модулем упругости. Эти два фактора влияют на тип разрушения КМ и, в конечном счете, определяют уровень прочностных свойств композита. Низкомодульные связующие обычно не способны обеспечить перераспределение нагрузки между армирующими волокнами во всем объеме композита. При этом отдельные волокна деформируются независимо друг от друга. Разрушение (разрыв) одного волокна в таких случаях может привести к значительному перераспределению нагрузки в его окрестности и перенапряжению соседних волокон. Как следствие, в таких случаях часто наблюдается лавинообразный процесс разрушения материала. Средняя прочность волокна в композите оказывается низкой [3].

Если же выбранное сочетание адгезии и модуля упругости обеспечивает приблизительно равномерное распределение нагрузок между всеми волокнами материала, то средняя (эффективная) прочность композита будет иметь более высокое значение. Обычно на практике удается реализовать некоторое среднее значение потенциальной прочности материала.

С увеличением объемного содержания волокна прочность материала обычно сначала увеличивается, а при достижении некоторого уровня наполнения стабилизируется или даже снижается.

Повышение температуры приводит к некоторому снижению прочности микропластиков из арамидных волокон. Понижение температуры на прочностные свойства практически не влияет.

Зависимость напряжений от деформаций композитов на основе арамидных волокон близка к линейной. Выдерживание образцов изготовленных из однонаправленного композита на основе арамидных волокон под постоянной нагрузкой в течение длительного времени сопровождается увеличением их деформации – ползучестью. С увеличением уровня нагрузки деформация, обусловленная ползучестью, растет. При продолжительном нагружении зависимость деформации от времени становится линейной для широкого интервала начальных нагрузок.

Жесткость и прочность композиционных волокнистых материалов (КВМ) на основе арамидных волокон при поперечном по отношении к направлению армирования нагружении значительно меньше, чем при нагружении в направлении армирования. Проблема повышения характеристик материала при поперечном нагружении обычно решается путем дополнительного включения в композит армирующих волокон других видов, например, углеродных или стеклянных. Выбор углеродных волокон связан с тем, что их температурные характеристики (коэффициент температурного расширения) сходны с характеристиками арамидных волокон. Такие композиты принято называть «гибридными». Кевлар-углеродные композиты отличаются меньшей стоимостью и меньшей хрупкостью по сравнению с углеродными, что делает их достаточно привлекательными, несмотря на некоторое снижение прочности по сравнению с углеродными материалами.

Еще один способ повышения эксплуатационных свойств однонаправленных композитов — добавление к основному армирующему материалу небольшой объемной доли коротко нарезанных волокон (штапеля). Такие волокна ориентированы в материале менее однородно по сравнению с длинными волокнами и обеспечивают дополнительное перераспределение нагрузок в объеме материала помимо связующего. Предел прочности и модуль упругости таких материалов обычно ниже, чем у однонаправленных, но работа, которую необходимо затратить на их разрушение значительно выше (примерно в полтора раза) [3].

Высокие механические свойства арамидных волокон сами по себе еще не гарантируют наличия высоких механических свойств у композитов на их основе. Характеристики композита во многом определяются взаимодействием волокон со связующим. Такое взаимодействие приводит к перераспределению внешних нагрузок между элементами структуры армирования композита. Поэтому оценка характеристик композита должна проводиться не только по свойствам его компонентов, но и по свойствам некоторых характерных объемов материала, обладающих всеми характерными характеристиками композита: структурой армирования, объемным соотношением компонентов и т. п.

Свойства арамидопластиков

Арамидопластики могут быть выделены в особый вид органопластиков с наиболее высокими механическими и термическими характеристиками.

Достижение наиболее высоких механических характеристик требует использования высокомодульных армирующих наполнителей: нитей, жгутов, лент, тканей, материалов на основе резаных волокон, а также высокопрочных термореактивных связующих с высокой адгезией к арамидным волокнам. Применение резаных арамидных волокон и нетканых материалов менее эффективно, так как в этих случаях высокие механические свойства арамидных волокон не реализуются полностью, однако оно все же позволяет рационально использовать отсортированные партии арамидных волокон или волокнистых наполнителей с более низкими показателями свойств.

В качестве матриц часто используются эпоксидные, эпоксифенольные, полиимидные и другие модифицированные связующие на основе эпоксидов и полиимидов. Реже - термостойкие термопласты. Применение обычных типов термореактивных и термопластичных матриц, как правило, не позволяет использовать высокие механические и термические свойства арамидных волокон и потому малоэффективно [11].

Свойства арамидопластиков наиболее высокие среди различных видов органокомпозитов. По удельному модулю упругости арамидопластики превосходят стеклопластики почти в 2 раза, а по прочности – в 1,3-1,8 раза. Они имеют высокие усталостные характеристики, устойчивы к вибрации и обладают высоким коэффициентом поглощения звука и вибрации.

Свойства арамидопластика на основе эпоксидного связующего представлены в таблице 10.1.

Таблица 10.1 – Свойства арамидопластика на основе эпоксидного связующего [3]

Основные свойства арамидопластиков на основе различных связующих и наполнителей представлены в таблице 10.2.

Таблица 10.2 – Основные свойства арамидопластиков на основе различных связующих и наполнителей [3]

Теплофизические свойства арамидопластиков непосредственно зависят от расположения армирующего наполнителя. Их теплопроводность в направлении, перпендикулярном к волокнам, невысока. Коэффициент термического расширения в направлении армирования может быть даже отрицательным (варьируется в диапазоне 2•10^-5 -4•10^-6 1/°С).

Диэлектрические характеристики арамидопластиков находятся на уровне показателей других органопластиков.

Термостойкость арамидо­пластиков достаточно высокая, применение термостойких связующих позволяет длительно эксплуатировать их при температуре до 200-250 °С. Это трудногорючие материалы. При использовании фенольных и полиимидных связующих в процессе высокотемпературного пиролиза они способны к коксованию с высоким выходом кокса. Арамидопластики устойчивы к действию активных сред, многих органических растворителей, нефтепродуктов, воды.

Применение арамидопластиков

Применение арамидопластиков определяется их высокими механическими и термическими свойствами. Они эффективны в тех областях, где требуются высокие удельные механические характеристики - в летательных аппаратах, транспортных средствах, защитном (бронежилеты, каски), спасательном и спортивном снаряжении, медицинской технике.

Благодаря высокой анизотропии свойств арамидных волокон арамидопластики целесообразно эксплуатировать в условиях действия растягивающих нагрузок в направлении армирования. В то же время их прочность при растяжении в других направлениях, при сжатии и сдвиге сравнительно невысока. Для ее повышения находят применение гибридные армирующие наполнители с включением в их состав углеродных, стеклянных и других неорганических волокон и нитей, расположение которых определяется необходимыми механическими характеристиками изделий. Как материалы с весьма высокими механическими показателями однонаправленные органопластики рассматриваются отдельно.

КВМ на основе арамидных волокон (кевлара) применяются в авиации при изготовлении частей несущих конструкций, переборок, дверей, полов, обтекателей. При изготовлении военной техники и снаряжения эти материалы находят применение при производстве корпусов ракетных двигателей, пулезащитной одежды, легких бронеплит и т. п. Применение кевлара в данных изделиях связано с малой плотностью и высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

Все вышеуказанные особенности арамидных волокон и нитей распространяются и на изделия на их основе:

- высокопрочные конструкционные композитные материалы и изделия;

- ответственные резинотехнические изделия;

- изделия для обеспечения профессиональной безопасности и средства спасения.

Применение конструкционных материалов и изделий из арамида наиболее целесообразно в тех видах композитных материалов и изделий, которые должны обладать максимальной прочностью при минимальной массе. При изготовлении композиционных материалов и изделий используется типовое оборудование для прессования, намотки и других способов переработки. Основные виды композиционных материалов и изделий следующие:

- детали летательных аппаратов;

- высокопрочные емкости;

- упрочнение наружной обмотки газовые баллоны;

- быстровращающиеся роторы центрифуг, маховиков - накопителей энергии;

- безасбестовые фрикционные материалы для тормозных устройств автотранспорта и высокоскоростного технологического оборудования;

- легкие и прочные спортивные изделия и детали, например армирующие слои в конструкциях лыж.

Применение эластомерные (резинотехнические) материалы и изделия армированных арамидными волокнами особенно целесообразно в изделиях, предназначенных для эксплуатации в условиях очень высоких нагрузок и/или повышенных температур - это шланги высокого давления, специальные приводные ремни, мембраны [11].

Сочетание высоких механических и термических характеристик, устойчивости к действию открытого огня делает арамидные волокна и нити материалом для изготовления средств безопасности и спасения людей как в жестких условиях профессиональной деятельности, так и, особенно, при чрезвычайных ситуациях. Изготовление этих изделий базируются на текстильных структурах, так и полимерных композитах; они обладают значительными преимуществами в сравнении с традиционными средствами профессиональной защиты и спасения. Основные варианты их применения таковы:

- непрорезаемые детали и защитные накладки на рабочей одежде для лесорубов, литейщиков, заточников инструмента, монтажников;

- канаты, ленты, специальные гибкие лестницы и другое снаряжение в качестве средств эвакуации людей;

- текстильные «мякгие» и композитные «жесткие» бронежилеты различных типов и назначения, каски, щиты и многие другие изделия.