Виды волокон для сверхпрочных и лёгких полимерных композитов.

В мире выпускается довольно большое количество всевозможных волокон для наполнения полимеров. Волокна бывают неорганическими и органическими, природными и искусственными . Все используемые для наполнения полимеров волокна делят на короткие и непрерывные.

Непрерывные волокна получают только искусственными путем. Короткие волокна классифицируются на природные и искусственные.

Непрерывные синтетические волокна.

Стеклянные, базальтовые, углеродные, борные волокна, волокна из УВ полимеров, металлические, керамические (из оксидов металлов) и др. волокна. Свойства некоторых видов волокон.

Рассмотрим стеклянные волокна. Наиболее распространенными являются стеклянные волокна (СВ). В мире выпускается большое количество стеклянных волокон из различных марок стекла.

В зависимости от марки стекла, механические свойства и цена волокон различается. СВ получают путем продавливания расплава стекла через керамические фильеры с одновременным вытягиванием расплава в нити и последующим их охлаждением и смоткой. Эти волокна выпускаются в виде непрерывных нитей, крученых и неопасных жгутов (робница) , тканей, нетканых листов материалов, рубленых волокон, измельчённых волокон, матов из перепутанных непрерывных волокон.

СВ сравнительно недорогие (2-42$ за кг) , поэтому полимерные композиты на их основе нашли самое широкое применение. Главным недостатком стеклянных волокон является их высокая плотность (2100-2900 кг/м³, из за этого арнированные ими пластики уступают по удельной прочности и удельному модулю углеродным полимерным и борным волокнами.

Базальтовые волокна.

Получают их специальным образом из очищенных от примесей базальтовых пород по технологии, аналогичных технологии получения стеклянных волокон. В зависимости от породы содержания оксида кремния в базальтовых волокнах колеблется от 30 до 60%. Чем больше оксида кремния в базальтовом волокне, тем оно прочнее.

Базальтовые волокна по механическим свойствам незначительно уступают стеклянными, но заметно дешевле их, но они дешевле стеклянных.

Стекловолокно и базальтовое волокно при производстве покрывается замасливателем, который соединяет элементарные волокна в первичную нить и облегчает размотку. И кручение нитей при производстве из них жгутов. Важная роль замасливателя заключается и в том, что он защищает волокна от истирания и разрушения в процессе производства текстильных материалов из нитей, а также препятствует накоплению заряда статического электричества. Волокна имеют довольно сильные абразивные свойства, что крайне пагубно влияет на трущиеся о волокна детали оборудования. Замасливатель в некоторой степени защищает технологическое оборудование от истирания волокнами. Содержание замасливателя в волокнах колеблется в пределах от 0,1 до 1 процентов масс. Замасливатели бывают водорастворимыми и на масляной основе. В качестве водорастворимых замасливателей часто используется полиэфиргликоли. Довольно распространены замасливатели, предоставляющие собой эмульсию какого-либо масла в воде. Замасливатели делят на инертные и активные. Названные ранее замасливатели относятся к инертными. К активным относят замасливатели, которые помимо роли замасливатели ещё могут выполнять роль аппрета. Примером таких замасливателей являются глицидоксипропил3этоксиксилан, аминопропил3этоксисилан.

После производства текстильного материала и выполнения своих функций инертные замасливатели удаляют, тк они мешают пропитке волокнистого наполнителя полимерным связующим и крайне отрицательно влияют на адгезию между волокном и связующим. Удаление замасливателя обычно производят путем его выжигания при температуре около 800 градусов в течение 30-40 минут или путем промывания подходящим для данного замасливателя растворителей

УВ волокна являются весьма дорогими (40-200$ за кг) из за сложной технологии производства. Их получают медленной карбонизацией УВ полимерных волокон. Чаще всего карбонизации подвергают волокна из полиакриланитрила. Благодаря невысокой плотности углеродные волокна по удельной плотности и удельному модулю упругости превосходит большинство других волокон.

Это свойство является очень важным для различных летательных аппаратов, что определило их широкое использование в авиакосмической и ракетной технике. Существует большое количество углеродных волокон, отличающимися свойствами.

Различные свойства обусловлены использованием различного сырья и степени графитизации волокна. Если волокно довольно долго выдерживать в инертной атмосфере при высокой температуре (около 2000°), то в волокне образуется графит. Чем больше доля графита в волокне, тем у него выше модуль упругости и ниже предельная деформация. Также немного падает прочность, поэтому в зависимости от требований к ПКМ (полим. конструкционным материалам) подбирают наиболее подходящие волокна.

Для упрочнения полимеров широко используют волокна из органических полимеров. Наибольшее распространение получили волокна из ароматических полиамидов, которые получили название аромидные волокна (АВ). Помимо амидной группы в основной цепи макромолекулы таких полимеров содержатся ароматические ядра. Эти волокна получают продавливанием горячего раствора полимера через фильеру с последующим экстрагированием растворителя и продольным вытягиванием полученной волокнистой заготовки при определенной температуре. В качестве растворителя обычно используются серная кислота. За счёт большой молекулярной массы полимера и высокой степени ориентации макромолекул удается получать высокомодульные и высокопрочные органические волокна. Благодаря низкой плотности эти волокна во многих областях вытесняют стеклянные волокна. Недостатком ПКМ с аромидными волокнами являются более низкие значения прочности и модулем упругости. В направлении поперечным оси ориентации волокнам. По сравнению с ПКМ

Борные волокна (БВ) получают методом химического выделения бора и его осаждением из газовой фазы на непрерывно движущуюся нагретую вольфрамовую нить. Такой сложный метод получения волокон обуславливает их высокую цену (более 450 $ за кг) при довольно большой толщине, но их уникальные свойства оправдывают такие расходы при использовании в авиакосмической и ракетной технике.