Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

А. Р. Ибатуллина, Е. А. Сергеева

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Учебное пособие

Казань Издательство КНИТУ

2017

1

УДК 620.22-419(075)

ББК 30.3я7 С32

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

начальник сектора лаборатории СИЗ ОАО «КазХимНИИ», канд. техн. наук И. Ф. Сайфутдинова

канд. техн. наук, доц. каф. материаловедения, сварки и производственной безопасности КНИТУ им. Туполева В. Х. Абдуллина

Ибатуллина А. Р.

С32 Композиционные материалы специального и технического назначения : учебное пособие / А. Р. Ибатуллина , Е. А. Сергеева; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ,

2017. – 112 с.

ISBN 978-5-7882-2275-2

Рассмотрено современное состояние науки и техники в области проектирования и производства композиционных текстильных материалов специального и технического назначения, их классификация и области применения. Проанализированы способы модификации текстильных материалов, в том числе плазменная модификация. Рассмотрены классификация конструкционных композиционных материалов и технология их получения. Показаны возможности применения композицитов на основе текстильных материалов в различных отраслях промышленности.

Предназначено для магистров, обучающихся по направлению «Технология и проектирование текстильных изделий», профиль «Инновационные технологии композиционных материалов на текстильной основе».

Подготовлено на кафедре технологии химических и натуральных волокон и изделий.

УДК 620.22-419(075)

ББК 30.3я7

ISBN 978-5-7882-2275-2 © Ибатуллина А. Р., Сергеева Е. А., 2017

©Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2017

2

ВВЕДЕНИЕ

По данным Всемирной торговой организации, в ракурсе мировогопромышленного комплекса легкая промышленность входит в состав ведущих отраслей, на ее долю приходится 5,7 % мирового валового продукта.

Мировая легкая промышленность характеризуется постоянным экономическим ростом, связанным с увеличением населения Земли, повышением его благосостояния и покупательной способности.

Мировой рынок продукции текстильной и легкой промышленности развивается динамично. За последние пятнадцать лет товарооборот увеличился более чем в 2 раза. Потребление тканей, одежды и обуви выросло в странах ЕС на 90,5 %, в США – на 99,3 %, в Японии – более чем в 2 раза.

На сегодняшний день научно-технический прогресс способствует интенсификации инновационного развития текстильной и легкой промышленности, созданию технологического базиса, включающего совокупность «прорывных» технологий, обеспечению соответствия объемов производства, качества и ассортимента продукции совокупному спросу потребителей, повышению национальной значимости, конкурентоспособности отрасли и ее имиджа в мировом сообществе.

Композиционный материал в широком смысле представляет собой материал, состоящий из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей. Композиционные материалы приобретают новый комплекс свойств за счет сочетания имеющихся в них компонентов. Эта технология успешно применяется и в текстильной промышленности. Одним из направлений развития данной технологии является «умный» текстиль.

Сектор «технического текстиля» (включая последние разработки «умного» текстиля), как показывают маркетинговые исследования, является самым перспективным и растущим бизнесом в мировой текстильной и легкой промышленности, его доля в объемах продаж товарного рынка из года в год только увеличивается.

Композиционный технический текстиль (нетканые материалы и технические ткани) обеспечивает жизнедеятельность стратегически важных отраслей народного хозяйства: черной и цветной металлургии, строительной индустрии, автомобильной и пищевой промышленности, авиакосмического комплекса, нефте- и газоперерабатывающей про-

3

мышленности, швейной и обувной отраслей. Кроме того, он незаменим в изделиях, предназначенных для медицины, гигиены и экологии.

Рынок композиционных текстильных материалов специального

итехнического назначения включает в себя средства баллистической защиты, защитную одежду и аксессуары к ней, респираторы, фильтры

имногое другое.

Существенное место в ассортиментной структуре занимает продукция стратегического назначения. Только в США выпускаемые материалы для автомобилестроения оцениваются в 356 млн долл в год, а передовая огнезащитная одежда – в 429 млн долл. Производство з а- щитных тканей от химического и биологического воздействия оцениваются в 340 млн долл., а вспомогательного снаряжения – более чем в 1,2 млрд долл.

Важность текстильных композиционных материалов технического и специального назначения трудно переоценить потому, что области применения их практически безграничны. Это связано с тем, что быстрое развитие всех отраслей промышленности, характерное для нашего времени, постоянно расширяет границы применения текстильных материалов для технических целей.

4

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУКИ И ПРАКТИКИ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ И ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ

ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОТРАСЛИ

Разработка новых текстильных материалов специального назначения и технологии их получения является объективной необходимостью технического и социального развития общества. Новые материалы специального назначения принято называть материалами XXI века. Без них нельзя представить существенные достижения ни в одном из важных направлений развития науки и техники. Роль новых текстильных материалов с каждым годом возрастает. По оценкеамериканских экспертов, в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники [1].

Текстильная и легкая промышленность, наряду с изделиями бытового назначения (одежда, головные уборы, белье различного применения, обувь, галантерея и т.д.), создает и производит новые виды продукции практически для всех обрабатывающих отраслей и других секторов экономики и культуры. Сейчас отрасль производит продукцию производственно-технического и специального назначения для горной, металлургической, нефтехимической, резинотехнической, электро- и радиотехнической, оборонной, химической, станкостроительной, полиграфической, пищевой промышленностей; авиационной и космической техники; водного, железнодорожного и автомобильного транспорта; строительства; здравоохранения; сельского хозяйства; рыболовства; теплоэнергетики и др.

Удельный вес продукции производственно-технического назначения в текстильной промышленности составляет не менее половины ее валового выпуска, а в легкой – более одной трети. По имеющимся расчетам и при современном состоянии экономики спрос на продукцию отрасли указанной номенклатуры достигает 400 млрд рублей (13 млрд долл. США). Очевидно, по мере создания новых текстильных изделий производственно-технического и специального назначения спрос на них будет увеличиваться. Объем выпуска этих изделий будет возрастать и по мере роста экономики страны.

В настоящее время химические волокна и нити получили широкое распространение, и их баланс в общем производстве текстильных материалов все более увеличивается. За последнее время значительно

5

расширяется применение в различных отраслях техники волокон, обладающих специфическими свойствами. Большое внимание уделяется получению армированных пластиков с применением химических волокон, ионообменных тканей и волокон, обладающих бактерицидными свойствами, негорючих и термостойких волокон. Мировое потребление всех видов волокон ежегодно возрастает. Так потребление волокон в 2007 г. явилось рекордным за всепредыдущие годы – более 72,5 млн т, что на 5,2 % превышает уровень 2006 г., в том числепо химическим волокнам и нитям – на 8% (44,1 млн т). При этом доля химических волокон возросла до 61%, а натуральных составляла

39% [2].

В настоящее время отраслевые научно-исследовательские институты и вузы обладают сотнями патентов на новую текстильную продукцию для техники, но, к сожалению, потребляющие ее отрасли не обладают достаточными средствами на инновационную деятельность, поэтому многие российские изобретения реализуются за рубежом, а в Россию уже поступают готовые изделия.

Одной из проблем развития Российского рынка волокон и текстиля специального назначения является износ основных фондов текстильной и легкой индустрии, который превышает 50%. В структуре внутреннего потребления в последнее время возросла доля импорта химических волокон и нитей – до 65%. Можно констатировать, что сегодня в России практически отсутствует, например, производство уникального высокопрочного полиэтиленового волокна, а большинство промышленных технологий, оборудование и способы организации производства в российской промышленности, морально устарели [1].

Однако сегодня в России есть предпосылки и для дальнейшего развития рынка синтетических волокон и тканей специального назначения: наметился выход из кризисного состояния текстильной промышленности, прогнозируется развитие другого крупного потребителя технического текстиля– шинной промышленности, ожидается рост реальных доходов населения. По прогнозам, объем внутреннего рынка в 2015 г. составит 541 тыс. т. Также ожид ается некоторое снижение доли экспорта в производстве в связи с необходимостью растущего отечественного рынка и сокращение до разумных пределов доли импорта в потреблении (до 30-40% в 2015 г. против 65% в 2005 г.) [3].

Однако для успешного развития текстильной отрасли, снижения доли импорта, роста объемов производства синтетических волокон и тканей на их основе и, соответственно, полимерных волокнистых ком-

6

позиционных материалов, получаемых из различных армирующих волокнистых наполнителей и полимерных матриц, необходимо внедрение инновационных технологий в производство и повышение качества продукции.

Кратко можно указать на основные направления научных исследований в изучаемой области:

-новые текстильные, трикотажные материалы специального назначения в медицинских целях;

-создание новых технологий переработки льна и изготовления из этого сырья, являющегося по существу национальным, текстильной продукции, обладающей целым комплексом преимуществ перед дру-

гими волокнами;

-разработка с помощью текстильных материалов средств жизнеобеспечения и поддержания экологического равновесия на планете;

-создание спецодежды для работающих в производствах с вредными условиями труда;

-проектирование пакетных (многослойных) тканей для различных специальных целей;

-создание нового поколения химических волокон, отличающихся экологичностью и более высокими потребительскими и физикомеханическими показателями, по сравнению с натуральными волок-

нами;

- в целях глубокой переработки текстильного сырья, изготовление из отходов производства разнообразных строительных конструкций, нетканых материалов для укрепления дорожных покрытий, берегов рек, размывов и возникающих оврагов;

- изучение возможности переработки волокнистых растительных полимеров в целлюлозу с последующим изготовлением из нее волокна, бумаги и др.;

- создание и производство новых текстильных материалов для оборонной техники и личного состава силовых структур [4].

Как отмечалось выше, текстиль используется практически во всех отраслях экономики и культуры, причем потребность в нем ежегодно возрастает. В целом, мировое производство технических тканей сейчас составляет около 30 млрд м/год при ежегодном приросте более 6 %. Из общего объема технических тканей до 40 % составляют пол и- пропиленовые ткани, сети, тесьма и канаты, обычные ткани технического назначения: укрывочные, парусные и т.п. – приблизительно 30-35%, сложные ткани, к которым относят бронезащитную, арамид-

7

ную, транспортерную и другие специальные ткани – до 16%, наконец, приблизительно около 15-18% составляют ткани из стекловолокна и базальтовых волокон, асбеста [5].

В последние годы все большее распространение приобретают нетканые текстильные материалы, подкупающие своей дешевизной, неприхотливостью к использованию исходного сырья и разнообразием их применения. Мировое производство нетканых материалов в настоящеевремя превышает 2,5 млрд м/год и почти все они использую т- ся в производственно-технических целях. Области использования нетканых материалов практически те же, что тканых.

В настоящее время существуют следующие направления качественного улучшения продукции текстиля специального назначения:

-разработка и использование новых видов сырья;

-освоение в отрасли новых видов оборудования отечественного

изарубежного производства и создание на этой базе новых видов полотен и изделий;

-модернизация действующего в промышленности оборудования с целью расширения его технологических возможностей;

-разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования текстильных полотен специального назначения;

-разработка новых технологических приемов и принципов соз-

дания полотен специального назначения и изделий на основе новых видов переплетений;

-создание полотен новых структур, в том числе облегченных и имитирующих ткани;

-расширение номенклатуры красителей и аппретов, используемых для отделки текстильных полотен специального назначения и изделий из них;

-применение новых видов отделки текстильных полотен, позволяющих изменять поверхность полотна, придавать ему новый гриф, изменять его свойства.

Контрольные вопросы

1.Какое место, на Ваш взгляд, занимает производство технического текстиля в легкой промышленности?

2.Какиеотрасли производства обеспечивает материалами легкая промышленность?

8

3. Какие преимущественно нити используются при производстве текстиля специального назначения?

4. В чем заключается основная проблема развития рынка те к- стильной продукции специального назначения?

5. Каковы основные направления качественного улучшения продукции текстиля специального назначения?

Рекомендуемая литература

1. Евдокимова, Ж.В. Проблемы сырья в производстве тканей / Ж.В. Евдокимова, С.Н. Вотчикова // Легпромбизнес. Директор. - СПб.: Торговля и промышленность. - 2000. - № 4. - С. 18-19.

2. Перепелкин, К.Е. Настоящее и будущее химических волокон: Взгляд в следующее столетие / К.Е. Перепелкин // Легпромбизнес. Директор. - СПб.: Торговля и промышленность. - 2000. - № 9 - С. 26-31.

3. Айзенштейн, Э.М. Сырье для текстиля: мировая перспектива / Э.М. Айзенштейн // Текстильная промышленность. - 2003. - №4. - С. 34-38

4. Фомченкова, Л.Н. Текстильные химические волокна и нити на отечественном рынке / Л.Н. Фомченкова // Текстильная промышленность. - 2006. - №12. - С.16-22.

5. Геллер, В.Э. Состояние и перспективы развития технологии производства полиэфирных волокон и нитей / В.Э. Геллер // Хим. волокна. - 2006. - № 4. - С. 28-39.

9

2 КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Текстильными называются материалы, состоящие из текстильных волокон. К ним относятся волокна, нити, а также изделия, изготовленные из них, и полуфабрикаты, т. е. промежуточные продукты, получаемые при производстве каких-либо текстильных материалов.

Текстильные волокна - это протяженные гибкие и прочные тела с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, используемые для производства пряжи и некоторых текстильных изделий (хлопок, шерсть, лен и др.).

Текстильные нити - это волокна, длина которых составляет десятки и сотни метров, пригодные для производства текстильных изделий (нити натурального шелка, искусственные и синтетические нити).

Волокна и нити являются основными структурными элементами текстильных изделий. От химического состава, геометрических, физических, механических и химических свойств волокон и нитей зависят внешний вид, эксплуатационные свойства, качество и долговечность текстильных изделий.

В основу классификации волокон положены их происхождение (получение) и химический состав. Все волокна делятся на два класса: натуральные (природные) и химические.

Натуральные волокна существуют в природе, а химические изготавливаются в условиях промышленного производства. К натуральным относятся волокна растительного (хлопок, лен, пенька, джут и др.), животного (шерсть, натуральный шелк) происхождения. Химические волокна делятся на искусственные, синтетические и минеральные.

Искусственные волокна получаются в результате переработки природных высокомолекулярных соединений, например из целлюлозы, из белков. К искусственным волокнам относятся: вискозное, ац е- татное, триацетатное, медно-аммиачное, казеиновое, зеиновое и др.

Синтетические волокна изготовляют из полимерных материалов, полученных синтезом простых веществ (этилена, бензола, фенола, пропилена и др.), которые вырабатывают из нефтяных газов, нефти и каменноугольной смолы. Синтетические полимерные материалы, предназначенные для производства волокон, изготовляют на основе полимеризационных и поликонденсационных смол. В зависимости от условий проведения процессов полимеризации и поликонденсации

10