Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

На основе технологий и модульного оборудования для производства БНВ с 2000 года организовано производство БНВ на заводах в Украине, Китае и России.

Однако по своим свойствам (особенно это касается прочностных характеристик, модуля упругости и плотности) базальтовое волокно уступает многим видам других высокопрочных высокомодульных волокон (углеродное, СВМПЭ, арамидное).

Полиэтиленовое (СВМПЭ) волокно относится классу полиолефиновых волокон, оно в 10 раз прочнее стали и на 40% прочнее Ке в- лара. Стойкость СВМПЭ брони к баллистическому удару на 25% выше стойкости кевларовой брони, при этом СВМПЭ волокно в 1,5 раза легче Кевлара. СВМПЭ волокно обладает плотностью 0,98 г/см3 [30], эластичностью, морозостойкостью и практически нуле-

вым коэффициентом трения. Известно, что трение волокон играет важную роль при замедлении пуль и осколков, оно способствует деформации пули и ее остановке. Если волокно имеет малый коэффициент трения, то даже при высоком уровне прочности материал из него не оказывает достаточного сопротивления при баллистическом воздействии [31]. Недостатком СВМПЭ волокна при создании композитов так же является его абсолютная инертность, которую, однако, можно устранить известными методами модификации.

Одним из самых эффективных и технологичных способов получения высокопрочных нитей из СВМПЭ является метод гельформования с дальнейшим ориентационным вытягиванием волокон. СВМПЭ волокна с помощью указанного метода производятся в Голландии (фирма DSM), США (фирма Allied Signal Corp.), Японии (фи р- ма Мицуи).

Однако в России до сих пор нет производств выпускающих данный вид волокна в промышленных масштабах, что существенно затрудняет выпуск изделий на его основе. В РФ Всероссийский научноисследовательский институт синтетического волокна (г. Тверь) осуществляет опытное производство волокна из СВМПЭ с прочностью 3 ГПа, что составляет лишь 10% от теоретического предела. Масштабный импорт СВМПЭ из-за рубежа может вызвать отток определенной доли капитала, кроме того, производители СВМПЭ волокна при его экспорте налагают запрет на использование волокна в качестве армирующего материала в военной и бронетехнике, наиболее перспективной и в полной мере реализующей свойства волокна отрасли.

41

Производство поливинилспиртовых волокон было широко развито в СССР в 60-70 года двадцатого столетия. Но позднее вследствие сложности получения исходного полимера поливинилового спирта производство ПВС волокон сократилось [32].

На сегодняшний день самым большим производителем ПВС в Китае и экспортером ПВС волокон является Sinochem Corporation. Дочернее предприятие данной корпорации Liwei Chemical Co. Ltd производит 150 000 тонн поливинилового спирта и 20 000 тонн ПВС волокна в год.

Высокомодульные высокопрочные ПВС волокна устойчивы к щелочам, обладают высокой прочностью и модулем упругости (в сравнении с нитями технического назначения). По плотности эти волокна сравнимы с арамидными (1,4 г/см3). К достоинствам ПВС волокон можно отнести сравнительно невысокую стоимость, но их механические характеристики уступают другим современным высокопрочным высокомодульным волокнам (прочность достигает 2,0 ГПа, что в два раза меньше прочности некоторых марок базальтовых и арамидных волокон), а температура эксплуатации практически не отличается от соответствующего показателя волокон и нитей общего назначения [32]. К тому же производство ПВС волокон характеризуется высокой степенью энергоемкости, что в современных условиях является неблагоприятным фактором.

Полипарафениленбензобисоксазольные (ПБО) волокна относятся к классу теплостойких полимеров, основанных на ациклических ароматических структурах. Это самая новая разработка ученых относительно других видов волокон. Их основные преимущества– высокая прочность (5,6-5,8 ГПа) и модуль упругости (180 ГПа) при растяжении, а так же термическая стойкость (предельная температура экс-

плуатации 400 °C) [30, 31, 33].

Но, несмотря на все их п реимущества ПБО волокна являются очень дорогостоящими и вследствие сложности и неэкологичности технологии [30] производятся в ограниченном количестве (400 тонн в год) единственной фирмой – Toyobo.Co.Ltd (Япония).

Арамидное волокно – синтетическое волокно, формуемое из полиамидных соединений, в которых как минимум 85% амидных связей (-CO-NH-) присоединены к двум ароматическим кольцам. Вытягивание арамидных волокон осуществляется из растворов волокнообразующих полимеров в сильных кислотах (например, концентрированной серной кислоте).

42

Достоинствами арамидных волокон являются их очень высокая разрывная прочность, а также стойкость к высоким температурам и химическим воздействиям. По прочности и модулю упругости органические волокна с амидными группами превосходят многие виды армирующих волокон (прочность достигает 5,5 ГПа, а модуль упругости– 195 ГПа) и при этом арамидные волокна имеют относительно невысокую стоимость. Мировой объем производства арамидных волокон составляет более 60 000 тонн в год [34], ежегодный прирост выпуска составляет около 10%. Производителей арамидного волокна немало, как в России, так и за рубежом.

Зарубежные производители арамидного волокна:

-DuPont (США);

-Kolon Industries Inc (Ю.Корея);

-Teijin Ltd (Япония);

-Teijin Twaron (Нидерланды);

-Kermel (Франция);

-ОАО «СветлогорскХимволокно» (Беларусь);

-ТОО «Казхимволокно» (Казахстан).

Производителями арамидных волокон в России являются:

-ООО «Арамид» (г. Каменск-Шахтинский);

-ООО НПП «Термотекс» (г. Мытищи);

-ООО «Лирсот» (г. Мытищи);

-ОАО НПК «Тверьхимволокно» (г. Тверь);

-ОАО «Каменскволокно» (г. Каменск-Шахтинский).

Из предприятий отечественной промышленности лидером в производстве арамидного волокна является ОАО «Каменскволокно», которое выпускает порядка 20 тонн волокон в год. Данное предприятие работает преимущественно на государственный заказ. При этом необходимо отметить, что арамидные волокна российского производства неоднократно подвергались испытаниям зарубежных специалистов и проявили себя как отличный баллистический материал [35]. По некоторым данным марки отечественных арамидных волокон превосходят по разрывной прочности и модулю упругости аналоги зарубежных производителей. Отечественными специалистами проводятся многочисленные исследования по совершенствованию технологии производства и технических характеристик арамидных волокон и нитей.

Первые марки арамидного волокна имели свойство потери прочности при намокании. Это вызвало необходимость защиты волок-

43

на от влаги. Для этой цели были разработаны технологии аппретирования поверхности волокна, при которой волокно приобретает гидрофобные свойства. Но при создании КМ это свойство является нежелательным. Для создания прочного соединения между компонентами композита возникает необходимость придания гидрофильных свойств волокну. Более полной реализации свойств арамидного волокна в КМ можно достичь с помощью активации его поверхности посредством модификации.

Основные свойства рассмотренных выше высокомодульных высокопрочных волокон представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2 – Свойства высокопрочных высокомодульных волокон

6.3 Трикотажные материалы для производства термобелья

Одежда, предназначенная для занятий различными видами спорта, а также для активного отдыха, является продуктом массового промышленного производства и должна отвечать сложному комплексу требований, которые предъявляют к ней потребители. Термобелье относится к первому слою одежды, который соприкасается с телом человека и должен обеспечивать необходимый воздухо- и влагообмен [36]. В зависимости от своего назначения одежда первого слоя может способствовать отводу излишков тепла от человеческого тела, поддерживать температурное равновесие с окружающей средой либо защищать тело от воздействия низкой температуры окружающего воз-

44

духа. Термобелье используют для носки во время занятий спортом, активного отдыха и туризма, во время какой-либо физической деятельности в неблагоприятных климатических условиях [37]. Термобелье используется для в профессиональной деятельности сотрудников служб спасения, подразделений министерства внутренних дел, армии, природоохранных инспекций, работников метеослужб и лесных хозяйств, а также нефтяной и газовой промышленности.

Термобелье – это функциональное нижнее белье, назначение которого заключается в обеспечении терморегуляции организма человека, на качественно более высоком уровне, чем тот, который может обеспечить обычное белье [38]. Терморегуляция– поддержание оптимальной для организма человека температуры глубоких областей тела в условиях меняющейся температуры окружающей среды путем регулирования процессов теплопродукции и теплоотдачи (в том числе в результате потоотделения) [39]. Термобелье должно обладать хорошей способностью сохранять оптимальную температуру воздуха в пододежном пространстве, что достигается путем использования специальных разработанных технологий и материалов.

В качестве материала для производства термобелья используются трикотажные полотна. Трикотаж (фр. tricotage– вязаные изделия) – текстильный материал (трикотажное полотно), структура которого представляет соединенные между собой петли, в отличие от ткани, которая образована в результате взаимного переплетения двух систем нитей (основы и утка), расположенных по двум взаимно перпендикулярным направлениям [40]. Для трикотажного полотна характерны растяжимость, эластичность и мягкость, что делает его оптимальным материалом для изготовления термобелья, используемого для занятий спортом и активного отдыха. При изготовлении термобелья наиболее часто используются трикотажные материалы, так как трикотажное переплетение по сравнению с тканым, обеспечивает наибольшую гибкость и мягкость полотна, что позволяет создавать одежду с высокими эргономическими показателями [36].

Свойства и качество термобелья определяются, прежде всего, составом и строением текстильных волокон и материала, а такжет и- пом обработки материала или готового изделия [37].

Трикотажные материалы, используемые для производства термобелья, имеют двухслойную «ячеистую» структуру [41] при этом «ячейки» внутреннего слоя материала отводят влагу от тела человека, а структура внешнего слоя материала работает на максимальное рас-

45

пределение выделенной влаги по поверхности материала и ее быстрое испарение за счет капиллярного эффекта. «Ячеистая» структура материала позволяет задерживать дополнительный объем воздуха внутри текстильного материала, создавая при этом защитную теплоизоляционную воздушную прослойку [42]. За счет разницы давления между прослойкой, состоящей из теплого воздуха, у поверхности человеческого тела и холодной внешней средой, происходит выталкивание паров влаги от тела к поверхности термобелья. Попав на поверхность термобелья, влага испаряется или переходит в слои верхней одежды, с которых осуществляется вывод влаги наружу.

Структура двухслойного трикотажного материала, используемого для производства термобелья, представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Структура трикотажного материала для производства термобелья

Повышение теплоизоляционных свойств материалов достигается использованием в их составе волокон с низкой теплопроводностью (полипропилен, полиэфир, шерсть).

46

Полипропиленовые волокна ‒ синтетические волокна, получаемые формованием из расплава полипропилена. Обладают хорошими теплоизоляционными и эластичными свойствами (по устойчивости к двойным изгибам превосходят полиамидные волокна), стойки к действию кислот, растворов щелочей, органических растворителей [43].

Полипропиленовое волокно относится к классу химических веществ, называемых полиолефинами [43].

Полипропилен получают полимеризацией пропилена. Эти вещества химически инертны, имеют довольно простую молекулярную структуру (состоят только из углерода и водорода).

Одним из преимуществ полипропиленовых волокон является их невысокая стоимость по сравнению с полиамидными и шерстяными волокнами, что позволяет использовать данные волокна для изготовления широкого ассортимента продукции разных ценовых сегментов. Кроме этого, полипропилен является единственным синтетическим материалом, изначально обладающим антистатическими свойствами, что позволяет не обрабатывать его антистатиком. Он является наилучшей основой для материалов (волокон, нитей, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды, термобелья и термоносков, обладает хорошими гигиеническими свойствами, рекомендован даже для производства средств лично гигиены.

Достаточно часто в состав материалов для производства термобелья входит полиэфир. Полиэфирное волокно – синтетическое волокно, формируемое из расплава полиэтилентерефталата или его производных [44].

Строение волокнообазующего полимера полиэфирного волокна представлено на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Строение полиэтилентерефталата

Достоинствами полиэфирных волокон является незначительная сминаемость, отличная свето- и атмосферостойкость, высокая прочность, хорошая стойкость к истиранию и к органическим растворителям. Полиэфир чрезвычайно устойчив к деформации, не сминается и

47

хорошо держит форму, поэтому его часто применяют для улучшения формоустойчивости готовых трикотажных изделий, которые в процессе эксплуатации подвергаются частым деформациям. Волокна полиэфира обладают отличными теплоизоляционными характеристиками, что делает актуальным их применение в составе изделий, обеспечивающих оптимальную терморегуляцию человеческого организма.

Добавление в состав материалов для термобелья натуральных волокон улучшает теплоизоляционные свойства изделий, а хорошие гигроскопические свойства обеспечивают вывод влаги с поверхности тела человека. Наиболее широкое распространение для производства трикотажных материалов для термобелья получили волокна хлопка и шерсти.

Хлопчатобумажное волокно – волокно растительного происхождения, покрывающее семена хлопчатника. Основным веществом (94-96 %), из которого состоит хлопковое волокно, является целлюлоза. Для хлопчатобумажных волокон характерны относительно высокая прочность, химическая стойкость (он долгое время не разрушается под воздействием воды и света), теплостойкость (130-140 °C), средняя гигроскопичность (18-20 %) и малая доля упругой деформации, вследс т- вие чего изделия из хлопка сильно сминаются и дают большую усадку [45]. Стойкость хлопка к истиранию невелика.

Особенностью хлопчатобумажных волокон является их способность прекрасно впитывать влагу: до 20% от собственного веса, не становясь при этом влажными на ощупь, и 65%, не отдавая влагу в формекапель [45]. Полотна из хлоп чатобумажных волокон обладают хорошей воздухопроницаемостью, высокой сорбционной способностью, слабой электризуемостью, но их теплозащитные свойства невелики. Эти свойства делают актуальным использование хлопчатобумажных волокон для изготовления внешнего влаговыводящего слоя двухслойных трикотажных материалов для производства термобелья, которое предназначено для носки в теплое время года.

Для производства теплосберегающего термобелья по-прежнему остается актуальным использование натуральных волокон, которые обладают хорошими теплозащитными свойствами. К таким волокнам относятся, прежде всего, шерстяные. Шерсть– собранные для переработки волокна волосяного покрова млекопитающих животных (овец, коз, верблюдов и др.) [38]. Основное вещество, из которого состоят шерстяные волокна, является кератин, относящийся к белковым соединениям. Шерстяные волокна обладают низкой теплопроводностью,

48

что делает их превосходным материалом для производства изделий, предназначенных для носки при пониженной температуре окружающей среды. Шерсть обладает большим упругим удлинением, поэтому она мало мнется и очень эластична. Гигроскопичность шерстяных волокон в нормальных условиях составляет 15–17%, а в условиях повышенной влажности волокна поглощают до 40% влаги, при этом оставаясь сухими на ощупь [38]. К недостаткам использования шерстяных волокон можно отнести подверженность накапливанию статического заряда, а также высокую стоимость, что приводит к уменьшению пр о- центного содержания шерстяных волокон в составе текстильных материалов, использованию шерсти в качестве теплозащитного компонента для производства теплосберегающего термобелья.

В процессеноски термобелье сорбирует на себя выделения п о- товых и сальных желез, загрязняется пылью, слущивающимся эпителием, обсеменяется микроорганизмами. Разложение органических загрязнений приводит к образованию летучих продуктов распада – антропотоксинов, при этом уменьшается воздухопроницаемость, а вместе с этим увеличивается масса термобелья [46]. Ношение загрязненного термобелья способствует нарушению функции кожи и может благоприятствовать размножению нательных паразитов.

В двухслойных трикотажных материалах, применяемых для производства термобелья, основной средой для развития микроорганизмов является внутренний слой материала, находящийся в непосредственном контакте с поверхностью кожи, и имеющий синтетический волокнистый состав. Структура синтетических волокон отличается от натуральных, и являясь инородным субстратом для микроорганизмов, синтетические волокна не являются для них средой разви-

тия [47].

Таким образом, оптимальным для производства термобелья широкого назначения является использование двухслойных трикотажных текстильных материалов. Структура трикотажа обеспечивает изделию необходимую эластичность, чтобы не стеснять движений при занятиях спортом. Двухслойное строение делает возможным транспорт влаговыделений (потоотделений) от человеческого тела к наружному слою одежды, а также обеспечивает необходимую теплоизоляцию человеческого тела. Для изготовления внутреннего слоя двухслойных трикотажных материалов целесообразно использовать полипропиленовые и полиэфирные волокна, которые благодаря гидрофобности поверхности превосходно осуществляют транспорт влаги с поверхности кожи в

49

верхние слои одежды. Для внешнего слоя оптимальными являются волокна натурального происхождения (хлопок, шерсть), которые обладая хорошей капиллярностью, приводят к распределению по поверхности материала выведенной влаги и дальнейшему ее испарению.

Кроме того, для материалов термобелья необходимыми функциями является уменьшение загрязнений изделий выделениями потовых и сальных желез, блокирование развития микроорганизмов и появления неприятных запахов, что может быть достигнуто путем придания используемым материалам бактериостатических и/или антибактериальных свойств.

6.4 Нетканые материалы медицинского назначения

Использование нетканых материалов для медицинских целей обусловлено, прежде всего, их высокими функциональными характеристиками: микропористость; гидрофильность (гидрофобность); хорошая воздухопроницаемость одновременно с пылезащитной функцией; антисептичность (барьерные свойства к микроорганизмам, низкая бактериологическая проницаемость); отсутствие ворса; комфортность во время использования.

Сырьем для производства нетканых материалов, в основном, служат химические волокна. В настоящее время среди всех видов химических волокон, используемых в текстильной промышленности, доминирующее место занимают полипропиленовые (ПП) волокна [48]. К преимуществам волокон на основе пропилена относят устойчивость к действию кислот, щелочей, микроорганизмов и небольшой удельный вес.

Нетканые материалы, применяемые для производства ОМОБ, ОХОБ и МОСИЗ, в основном сводятся к нескольким типам: айрлейд, спанлейс и спанмелт-материалы.

Технология «Айрлейд» представляет собой формирование нетканых полотен аэродинамическим методом и скреплением за счет воздействия горячего воздуха [49]. Нетканыематериалы производят из волокон с различной температурой плавления. Нагретый воздух, проходя через материал с более низкой температурой плавления, плавится и скрепляет более трудноплавкие волокна. Выбор температуры осуществляется с учетом температур деструкции волокон, входящих в состав материалов. Введение специальных добавок в нетканые материалы, производимые по технологии айрленд, позволяет повысить их впитывающую способность, что делает возможным их широкое при-

50