Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

Контрольные вопросы

1.Из чего вырабатываются нетканые материалы и каковы основные стадии их получения?

2.Какие способы скрепления нетканых материалов Вы знаете?

3.Дайте определение понятия «раппорт». На что влияет переплетение нитей в ткани?

4.Какиепереплетения входят в класс простых переплетений?

5.Какие процессы включает в себя стадия отделки тканей?

Рекомендуемая литература

1. Бузов, Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова // М.: Академия, 2004. – 448 с.

2. Жихарев, А.П. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности: учебник для Вузов / А.П. Жихарев, С.К. Кузин, Д.Г. Петропавловский // М.: Академия, 2004. – 448 с.

31

6 ВИДЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕЦИАЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

6.1 Ассортимент современных технических тканей и области их применения

Производство продукции технического назначения является наиболее быстро развивающимся в текстильной промышленности ведущих мировых стран. Основой интенсивного увеличения объемов выпуска технического текстиля и расширения сфер его применения является активная научно-исследовательская деятельность, на которую направляются значительные финансовые средства и в результате которой появляются многочисленные инновационные разработки [12].

Технические ткани широко используются в различных отраслях народного хозяйства. В отличие от тканей бытового назначения они характеризуются более высокими показателями разрывной нагрузки, поверхностной плотности и толщины. Эксплуатационные показатели технических тканей обусловлены их назначением. К таким свойствам относятся водо- и воздухопроницаемость, электропроводность и электризуемость, термо-, свето- и химостойкость, прочность связи с покрытием, линейная усадка от воздействия температур, стабильность релаксационных свойств при работе в условиях нагрузок, не превышающих 10% от разрывных, и др. [13].

Вместе с тем следует отметить, что к внешнему виду технических тканей не предъявляют таких жестких требований, как к внешнему виду бытовых тканей. Технические ткани широко применяются: для производства конвейерных лент, резинотканевых рукавов, плоских и клиновых приводных ремней; для обивки сидений и внутренней облицовки автомобилей; для тентов и укрывочных материалов, оболочек аэростатов и надувных ангаров, складных гаражей и туристских палаток, автомобильных и авиационных шин; в качестве фильтрующих перегородок. Технические ткани, покрытые резиной или поливинилхлоридом, используются при изготовлении емкостей для хранения и перевозки жидкостей и сыпучих грузов, надувных лодок, спасательных жилетов и плотов на морских судах, гибких ограждений (юбок) судов на воздушной подушке, ремней для опускания и подъема труб большого диаметра при строительстве нефте- и газопроводов, труб для подачи воздуха в шахты [13, 14].

В табл. 6.1 представлены сведения о применении технических тканей [15].

32

Таблица 6.1 – Области применения технических тканей

Около 60% вырабатываемых технических тканей используется для изготовления резиновых технических изделий (рис. 6.1) [16].

33

эксплуатации прокладки является потеря ею формоустойчивости. Вследствие этого, в процессе многократной закатки сырых резиновых заготовок на их поверхности образуются рубцы. Кроме того, увеличение истирания поверхности прокладочного материала приводит к проникновению кислорода воздуха к невулканизованным резинам и снижению их потребительских свойств.

До недавнего времени в качестве прокладочных материалов использовали хлопчатобумажные и комбинированные ткани: бязь, миткаль, перкаль, чефер и лавсанохлопковый чефер. Для снижения адгезии прокладочных материалов на основе этих тканей к сырым резиновым заготовкам требовалась их дополнительная обработка антиадгезионным составом на основе солей жирных кислот «кисабор» или на основе коллоидной кремниевой кислоты [19].

Интерес представляет исключение этой обработки за счет широкого использования химических нитей и специальных волокон, что позволит создать принципиально новые, надежные и долговечные материалы с заранее заданными эксплуатационными свойствами. В ведущих зарубежных странах для выработки таких материалов используют полиамидные, полиэфирные, поливинилспиртовые, вискозные, стеклянные волокна, а также полиэтиленовые и целлофановые пленки. Ткани либо подвергаются пропитке, либо дублируются с пленочным материалом, либо покрываются различными эмульсиями на основе полимеров низкомолекулярных каучуков.

Переход к использованию преимущественно синтетических волокон в тканях технического назначения привел к стабильному наращиванию мирового производства комплексных нитей, преимущественно на основе полиэфира (ПЭФ), полиамида (ПА), полипропилена, спандекса и др. Рост спроса на ПА и ПЭФ технические (кордные) нити обусловлен вниманием к готовой продукции на их основе – шинам и резинотехнических изделиям [21, 22].

Отечественные заводы РТИ и шинные заводы в качестве тканых прокладочных материалов используют технические ткани, выработанные преимущественно из ПА нитей линейной плотности 93,5 текс и 187 текс и ПЭФ нитей линейной плотности 111 текс, 27,7 текс, 28 текс, 28,3 текс [19].

Ткани для фильтрации жидкостей должны хорошо задерживать твердые частицы, иметь небольшое гидравлическое сопротивление потоку фильтрата, легко отделяться от осадка, обладать устойчивостью к химическому воздействию разделяемых веществ, не набухать

35

при соприкосновении с жидкой фазой, иметь достаточную механическую прочность, обладать теплостойкостью при температуре фильтрования [23]. Фильтровальные ткани, применяемые для очистки газов, должны хорошо задерживать частицы пыли, обладать малым сопротивлением, легко регенерироваться (освобождаться от осадка пыли), иметь достаточную прочность при минимальной поверхностной плотности. Такие ткани изготовляют из хлопковых, шерстяных, синтетических, асбестовых и стеклянных нитей, металлической проволоки. В последнее время довольно часто находят применение ткани для фильтрации, в которых в качестве основы используются мононити, а в качестве утка ‒ комплексные синтетические нити или пряжа из химических волокон.

Увеличение числа автомобильных перевозок на дальние расстояния вызвало необходимость производства тканей для автомобильных тентов и материалов для укрытий. Ткани для тентов должны быть легкими, прочными, достаточно плотными, стойкими к воздействию солнечного света и атмосферных осадков, не должны вытягиваться под действием собственного веса. Примерно такие же требования предъявляются к обувным и обивочным тканям, тканям для вентиляционных труб и пневматических строительных конструкций, относящимся к группе тканей для искусственной кожи.

На основе технических тканей разрабатываются новые виды материалов, которые находят широкое применение в различных областях деятельности человека. В последнее время в странах Западной Европы получили распространение специальные транспортировочные чехлы, изготовленные из технических тканей с водонепроницаемым покрытием и теплоизолирующим слоем. Эти чехлы характеризуются высокой эластичностью и износоустойчивостью, небольшой массой и минимальной площадью. Для перевозки продуктов на дальние расстояния в изолирующие чехлы монтируются емкости для сухого льда.

Выпуск тканей, отнесенных по классификации к «прочим» пока невелик, но значение и целесообразность их применения очевидны.

Например, одним из направлений исследований в настоящее время является производство и переработка углеродных и керамических волокон. Специфические свойства этих видов сырья – высокая прочность и очень малый вес – сделали их весьма привлекательными для производителей облегченных конструкций. Именно неповторимый комплекс свойств позволяет открывать все новые и новые области применения углеродных и керамических волокон и тканей на их осно-

36

ве. Например, детали фюзеляжа и несущих плоскостей аэробуса А 380 изготовлены из армированного углеродными волокнами полимерного материала, что позволило снизить их вес примерно на 30 %. Армирование текстильными волокнами позволяет также повысить эффективность работы и надежность лопастей роторов ветросиловых установок [12]. Керамическая ткань широко применяется во многих областях промышленного производства, в качестве теплоизоляционного, огнеупорного, прокладочного и изоляционного материала. Особо широкое применение керамическая ткань нашла в сталелитейном, чугунолитейном, стеклолитейном производстве, в алюминиевой промышленности, в химической и нефтехимической индустрии, в энергетике и т.д. Ткань представляет собой экологически чистый продукт, не содержащий токсичных веществ и тяжелых металлов.

Одним из перспективных инженерных решений, имеющим важное значение для защиты окружающей среды, является использование высокопрочных полиэфирных прорезиненных тканей в системах защиты от паводков. Эти ткани абсолютно водонепроницаемы. Из них изготовляют специальные мобильные рукава большого размера, которые при паводке быстро наполняются водой, образуя преграду водному потоку. После паводка вода из рукавов выливается; их скатывают в рулоны и отвозят на склад. П ри строительстве дорог, виадуков и других насыпных сооружений обычно используют землю и песок, которые на склонах легко размываются дождевой или талой водой. Для закрепления склонов от размывания на их поверхности сеют траву, затем накрывают геотканью, армированной полипропиленовой или джутовой сеткой, и прикрепляют ее колышками к земле. Трава прорастает сквозь отверстия в ткани, образуя неразмываемый слой. Через несколько лет ткань под действием светопогоды разлагается, но к эт о- му времени густой травяной покров уже надежно защищает склон от разрушающего воздействия воды.

Таким образом, сфера применения технических тканей в качестве вспомогательных материалов расширяется, растет и потребность в увеличении их выпуска и создании новых модификаций.

Потребность производителей резинотехнических изделий в текстильных материалах технического назначения неизменно растет. Однако, более высокими темпами, чем собственное производство, идет рост их закупок по импорту. Одним из главных вопросов, ставящихся предприятиями РТИ и шинной промышленности перед производителями технических тканей, ‒ обеспечение требований к текстильным

37

материалам по качеству. Следовательно, актуальными остаются вопросы модификации тканей технического назначения, регулирования их свойств. В связи с этим, для успешного развития текстильной отрасли, снижения доли импорта, роста объемов производства технических тканей необходимым остается внедрение инновационных технологий в производство и повышение качества продукции.

6.2 Современное состояние производства сверхпрочных высокомодульных волокон

Волокном в материаловедении называют протяженное, гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами, пригодное для изготовления пряжи и текстильных изделий. Сверхпрочными и высокомодульными принято называть волокна, которые при растяжении показывают высокие значения удельной прочности (от 1,3 ГПа) и модуля упругости (от 50 ГПа). Свойства этих волокон позволяют изготавливать из них текстильные изделия и волокнистые композиционные материалы (КМ) повышенной прочности при малом удельном весе (ок о- ло 2 г/см3). Причиной высоких показателей прочности данных волокон является высокая упорядоченность структуры.

Как правило, к высокомодульным высокопрочным волокнам относят поливинилспиртовые (ПВС), полипарафениленбензо-бисокса- зольные (ПБО), арамидные, углеродные, стеклянные, базальтовые волокна, волокна на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Рассмотрим основные свойства и состояние производства перечисленных видов волокон.

Углеродное волокно характеризуется высокими прочностными характеристиками (некоторые отечественные марки углеволокна обладают прочностью свыше 4,0 ГПа и модулем упругости около 240 ГПа при плотности 1,75 г/см3), что позволяет использовать их при получении волокнистых КМ. Углеродное волокно обладает также высокой биологической и химической стойкостью, низкой плотностью, хорошими электро- и теплоизолирующими свойствами, относится к классу трудногорючих [24].

Производство углеродного волокна основано на термической обработке полиакрилнитрильных (ПАН) волокон. Мировой спрос на углеродные волокна в 2010 году составил около 40000 метрических тонн и прогнозируется в размере 65350 метрических тонн в

2014 году.

38

Ведущие мировые производители углеволокна:

1.Cytec Industries;

2.Hexcel корпорации;

3.Mitsubishi Rayon Лтд;

4.SGL Group;

5.TohoTenax (Teijin Limited);

6.Toray Industries;

7.Zoltek компании.

В России в настоящее время производством углеродного волокна занимаются ООО «Завод углеродных и композиционных материалов» (г. Челябинск), ООО «Балаково Карбон Продакшн» (г. Саратов),

ООО «СНВ» (г. Саратов). Эти предприятия являются дочерними компаниями ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» – монополиста в области производства углеродного волокна в России.

Существенным недостатком углеродных волокон является наличие на его поверхности дефектов и пористости, что приводит к потере прочности волокна при текстильной переработке и отражается на качестве готового изделия на его основе[24]. К тому же, углеродное в о- локно отличается хрупкостью, которая проявляется при изгибе волокна, что еще больше затрудняет его текстильную переработку, в отличие от арамидного волокна, которое может перерабатываться на обычном ткацком оборудовании.

Стекловолокно представляет собой трехмерный неорганический полимер сетчатой структуры с химическими связями Si–O. Стекловолокно используется, как правило, в качестве электро -, звуко-, теплоизоляционных материалов, а так же армирующего наполнителя стеклопластиков.

Из всех высокопрочных высокомодульных волокон стекловолокно является наиболее распространенным и занимает около 80 % рынка армирующих высокопрочных волокнистых материалов [25], что можно объяснить его сравнительно невысокой стоимостью. Это многотоннажный материал. В России его производство достигает порядка 50 000 тонн в год. Стекловолокно и ткани на их основе не горючи, не подвержены коррозии, химически устойчивы, могут использоваться в диапазоне температур от-200°С до +550°С [24].

Производители стекловолокна и стеклотканей в России:

-ОАО «Сен-Гобен Ветротекс Стекловолокно»;

-ОАО «Стеклонит»;

-ОАО «Завод стекловолокна»;

39

-ОАО «Новгородский завод стекловолокна»;

-ОАО «Астраханское стекловолокно»;

-ОАО «Судогодское стекловолокно».

При производстве стекловолокна используется компонент – окись бора (В2О3), относящийся к сильнодействующим токсичным веществам, что делает производство стекловолокна опасным для здоровья человека. К тому же показатель плотности стекловолокна в зависимости от вида стекла колеблется от 2,2 до 2,8 г/см3, что в сравнении с СВМПЭ (0,92-0,98 г/см3) и арамидным (1,4 -1,5 г/см3) волокном дает ощутимую разницу в весе конечного изделия. Кроме того, прочностные свойства стекловолокна хоть и являются удовлетворительными для многих видов изделий, но для наиболее ответственных узлов и деталей предпочтительно использование более прочных, а, следовательно, и надежных волокнистых материалов.

Базальтовое волокно в последнее время все чаще рассматривают как замену стекловолокна, так как оно обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к агрессивным средам и вибрации, шумопоглощающими свойствами [26-29] при этом некоторые его функциональные характеристики выше чем у стекловолокна: допустимая температура длительной эксплуатации достигает 700 °С, кратковременной – 900 °С. Минимальная температура эксплуатации составляет –260 °С.

Базальтовое волокно производят из различных горных пород: базальта, базанитов, амфиболитов, габродиабазов или их смесей. Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства, изготовленные из жаростойких металлов. В настоящий момент в мире за год производится около 6 млн. тонн базал ь- товой ваты для теплоизоляции и до 1 млн. тонн непрерывного базальтового волокна.

В Китаена ос нове новых технологий и модульного оборудования были организованы производства базальтовых непрерыв-

ных волокон (БНВ). Компании «Chengdu Aerospace Tuoxim Science & Technology Co., LTD» и «Shanghai Russia Gold Basalt Fiber». Компания «Chengdu Aerospace Tuoxim Science & Technology Co., LTD» в настоящее время производит 1800‒2000 БНВ тонн в год.

Компания «Shanghai Russia Gold Basalt Fiber» производит 2000 тонн в год.

40