Классификация волокнистых наполнителей и требования , предъявляемые к ним

 

В настоящее время нет научной классификации волокнистых наполнителей. Поэтому их классификацию проводят иерархическим способом по каким-либо характерным признакам. Наиболее часто в качестве характерных признаков выбирают материаловедческий и конструкционный.

По материаловедческому признаку, т. е. природе наполнителя, известны следующие волокнистые материалы:

- неорганические;

- органические;

- смешанные или гибридные;

- комбинированные (полимерные волокна с металлическими покрытиями).

К неорганическим волокнистым наполнителям относят материалы, полученные из стеклянных, высокосиликатных, борных, базальтовых, сапфировых волокон, а также металлические проволочные волокна и волокна на основе измельченной минеральной ваты, карбидов, нитридов, асбеста, оксидов и других соединений.

Органические наполнители представлены материалами, полученными из натуральных и искусственных высокополимеров и синтетических ВМС, углеродных волокон, а также отходов целлюлозно-бумажного производства и переработки древесины, лигноцеллюлозного сырья.

Смешанные или гибридные волокнистые наполнители представляют собой материалы, приготовленные из волокон различной природы, например: карбоволокно сочетают с борными волокнами или металлические проволочные волокна с текстильными, полимерными.

Комбинированные волокнистые наполнители КМ состоят из волокна - подложки (например, полиэтиленового, вольфрамового), на которое различными методами нанесено покрытие. Примером такого типа волокон может служить волокно «борсик», состоящее из борного волокна, на которое нанесено покрытие карбида кремния.

Классификация волокнистых наполнителей по конструкционному признаку более распространена и совершенна. Все известные волокнистые наполнители по конструкционному признаку (или его еще называют классификацией по текстильным формам) делят на 5 групп:

- непрерывные волокна;

- тканые армирующие элементы;

- коротковолокнистая арматура;

- листовые и пленочные материалы;

- объемно-каркасные.

Очень часто непрерывные волокна, листовые, пленочные материалы, а также коротковолокнистую арматуру объединяют в одну группу - нетканые материалы.

Армирующие волокна, применяемые в композиционных материалах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по плотности, прочности в интервале рабочих температур, растворимости в матрице, химической стойкости и т.п.

Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительной технологии изготовления изделий на их основе. Важным требованием является также совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи на границе раздела матрица-волокно [2].

 

 

НЕТКАНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ

 

Одними из самых дешевых наполнителей, используемых при изготовлении ВКМ, являются нетканые материалы. К числу нетканых материалов (НВМ) относят однонаправленные моноволокна; крученые и некрученые нити, коротковолнистую арматуру в виде штапельного волокна, нитевидных кристаллов, усов; холсты (маты) из перекрещенных непрерывных волокон и нитей, из рубленных штапельных волокон; листовые материалы с хаотичным расположением коротких волокон (бумага, шпон, фанера) и сплошной структурой (фольга, полимерные пленки).

Промышленные волокна. В волокнистых композиционных материалах для армирования используются практически все виды волокон, производимых промышленностью. Рассмотрим общие свойства основных групп нетканых наполнителей.

 

Непрерывные волокна и нити

 

Текстильные формы волокон

 

Непрерывные волокна применяются в виде однонаправленных моноволокон или пучков волокон, называемых текстильными формами. Известны следующие текстильные формы волокон: нити (крученые и некрученые), пряжи, жгуты или ровинги, концы, стренги, канаты и т. п.

Волокно однонаправленное непрерывное - это элементарное волокно большой (бесконечной) длины, сформованное из одного отверстия фильеры. Часто волокна однонаправленные непрерывные называют филаментами.

Нить - текстильная форма волокон, полученная компоновкой (без скрутки) или скручиванием двух или более непрерывных волокон (филаментов) в один пучок. Известно несколько видов нитей: непрерывная или пряжа, комплексная и трощеная (полученная скручиванием двух и более одиночных нитей в одной операции). Количество элементарных волокон в нитях составляет от 5 до 1000 шт.; диапазон линейной плотности - от нескольких единиц до 300 текс. Текс - единица линейной плотности, характеризующая толщину волокон и нитей.

Жгут - текстильная форма волокон, состоящая из большого числа филаментов (линейная плотность свыше 300 текс). Обычно жгуты составляются не из волокон, а из нитей.

Ровинг - это жгут, образованный пучками непрерывных нитей в виде некрученых элементарных волокон и пучков или крученых нитей.

Стренг - пучок непрерывных нитей, собранных в единый компактный жгут без скрутки. Обычно в жгут собирают по 51, 102 и 204 непрерывных нити.

Конец - пучок ровинга, состоящий из определенного количества волокон, собранных вместе.

Общепринято считать, что группа волокон после их соединения без скрутки - это концы, стренги; а после скрутки - нить, пряжа.

 

Строение волокон

 

Волокна (филаменты) имеют сложное физическое строение, которое определяется в основном их природой, и большинство из них имеет высокую молекулярную массу. Волокна асбеста это кристаллы природных водосодержащих магниевых силикатов (солей кремниевых кислот). Иглоподобные тончайшие кристаллиты асбеста, объединенные в более крупные агрегаты силами межмолекулярного взаимодействия, имеют вытянутую форму и обладают свойствами волокон. Элементарные волокна асбеста объединены в комплексы (технические волокна).

Полимерные волокна весьма разнообразны по своему строению. Из природных полимеров наибольшее распространение в промышленности получили вискозные, ацетатные, триацетатные волокна и нити. Вискозные волокна - группа одинаковых по химическому составу (полученных из гидратцеллюлозы) волокон и нитей, но существенно отличающихся по строению и свойствам. Отличие состоит в пространственном расположении элементарного звена целлюлозы, что оказывает существенное влияние на свойства волокон. Например, гидратцеллюлозные волокна сильнее поглощают разные вещества и глубже окрашиваются. Структура вискозных волокон аморфно-кристаллическая. Обычные вискозные волокна отличаются также неоднородностью, заключающейся в разной степени ориентации фибрилл и микрофибрилл. Микрофибриллы в наружном слое ориентированы в продольном направлении, тогда как во внутреннем слое степень ориентации их очень низкая. Вискозные высокомодульные и особенно полинозные волокна отличаются высокой степенью ориентации и однородностью структуры, повышенной степенью кристалличности. Благодаря высокой ориентации, однородности структуры изменяется и морфология волокон. Поперечное сечение этих волокон в отличие от поперечного сечения обычных вискозных нитей не имеет извилин, оно овальное, близкое к кругу.

Ацетатные волокна по химическому составу представляют собой ацетилцеллюлозу. Структура волокон аморфно-кристаллическая, с небольшой степенью кристалличности.

Синтетические волокна получили широкое распространение, и их баланс в общем производстве текстильных волокон все более увеличивается.

Из синтетических волокон большую группу представляют полиамидные волокна (капрон, перлон, дедерон, нейлон и др.). Структура волокон из поликапроамидов аморфно-кристаллическая, степень кристалличности может достигать 70%. Кристаллиты включают несколько звеньев, ориентированных вдоль волокон. Форма сечений волокон может быть разной, обычно сечение круглое, но может быть и другой формы. К этой группе относятся и волокна из полиэнантоамида, отличающиеся от поликапроамидных волокон химическим строением элементарного звена. Конфигурация молекулярной цепи волокон этого вида, как и у капроамидных, вытянутая, зигзаг с несколько большей длиной элементарного звена.

Полипропиленовые и полиэтиленовые волокна относятся к полиолефиновым волокнам. Форма поперечного сечения волокон овальная, фибриллы ориентированы вдоль оси. Структура макромолекул стереорегулярная. Степень полимеризации волокон может меняться в широких пределах. Структура надмолекулярных образований – аморфно-кристаллическая, содержание кристаллической фракции достигает 85-95%. Морфология полиэтиленовых волокон существенно не отличается от морфологии полипропиленовых волокон. Полиуретановые волокна состоят из макромолекул, элементарные звенья которых содержат уретановую группу. Строение волокон аморфное, температура стеклования низкая. Гибкие сегменты макромолекул при обычной температуре находятся в высокоэластическом состоянии. Благодаря такому строению волокна обладают очень большой растяжимостью (до 500 - 700%) при нормальной температуре.

В волокнах из фторсодержащих полимеров по сравнению с винилиденхлоридом водород и хлор замещаются фтором. Элементарные звенья волокон тефлон —CF₂—, волокон фторлон —СН₂—CHF—. Особенностью структуры этих волокон является значительная энергия связи атомов углерода и фтора, ее полярность, определяющая высокую стойкость к действию агрессивных сред.

Углеродные волокна - жаропрочные волокна, конфигурация цепи макромолекул слоисто-ленточная, степень полимеризации очень высокая. На рис. 1 представлены различные по своей структуре волокна.

Структуру волокон и нитей исследуют многими способами, однако наиболее широкое применение нашел метод микрокалориметрии, основанный на измерении тепловых эффектов, сопро-

1     2        3     4      5    6      7        8    9 Рис. 1. Структура химических волокон: 1 – шелковое; 2 – вискозное матированное; 3 – медно-аммиачное; 4 – ацетатное; 5 – капроновое; 6 – амидное; 7 – лавсановое; 8 – хлориновое; 9 - нитроновое

вождающих нагревание или охлаждение веществ, составляющих волокно. Большинство изменений, происходящих в веществах при нагревании или охлаждении, связано с поглощением тепла (соответственно экзотермические и эндотермические процессы). При этом плавление и дезориентация связаны с эндотермическими процессами,

кристаллизация же - с экзотермическими процессами, в то время как процессы стеклования происходят без изменения энтальпии, но с резким изменением удельной теплоемкости. Все эти изменения, зафиксированные на теплограммах, позволяют судить об особенностях структуры и свойств текстильных волокон [3].

 

Структура нитей

 

Строение (структура) нитей в значительной мере определяет их свойства и возможность использования в качестве наполнителя в различных КМ. Обычно структура определяется размерами, формой элементов, из которых состоят текстильные нити, взаимным расположением элементов и их свойствами. Необходимо иметь в виду, что элементы в структуре нитей имеют много уровней (от мельчайших элементарных частиц до волокон и нитей).

Характеристики структуры включают характеристики элементов, их взаимного расположения и связей между элементами. Из характеристик элемента наиболее важными являются показатели размеров, формы, его состояния и свойств.

Характеристики взаимного расположения элементов в нити весьма разнообразны, полной систематизации их еще нет. Широкое распространение получили такие характеристики, как направление крутки, число волокон (нитей), распределение волокон в отдельных сечениях, полнота сечения, заполненность сечения, ворсистость. Для оценки полноты сечения как числовой характеристики формы поперечного сечения нитей, сечение которых существенно отклоняется от круга, предложена иная характеристика - заполненность сечения К_э, %, определяемая методом минимального эллипса:

                            (1)

где S_ф - фактическая площадь поперечного сечения, S₀ - расчетная площадь сечения по контуру.

На зарисованном контуре поперечного сечения нити проводится максимальная хорда, принимаемая за большую ось эллипса (рис. 2). Посередине ее восстанавливают перпендикуляр, на котором откладывают малую ось b, размер которой выбирается таким, чтобы весь контур был описан эллипсом. Тогда фактическая площадь сечения S может быть определена расчетным путем, если волокна в нити одинакового сечения, или измерением и суммированием площади всех отдельных волокон в сечении. Расчетная площадь сечения нити по контуру равна .

Характеристики связи элементов структуры еще не разработаны. В настоящее время определяется лишь косвенный показатель связи элементов друг с другом - показатель интенсивности скрученности. Примеры расположения волокон пряжи при различных степенях крутки показаны на рис. 3.

Рис. 2. Схема поперечного сечения пряжи

Рис. 3. Схема расположения нитей в хлопчатобумажной пряже по длине

На рис. 4. показано возможное взаимное расположение элементов для крученых нитей. Такую же структуру имеют комплексные крученые нити. При трубчатой структуре нити располагаются как витки многоходового винта. Для стержневой структуры характерно наличие осевых одной или нескольких нитей, располагающихся в распрямленном виде вдоль оси, тогда как другие нити обвивают их. При штопорной структуре одна или несколько нитей на всей длине или очень длинных участках являются осевыми, а остальные их обвивают. Штопорную струк-

Рис. 4. Структура крученых нитей: а- трубчатая; б – стержневая; в - штопорная

туру имеют нити, при кручении которых отдельные составляющие более натянуты. Аналогичный эффект может иметь место, если скручиваются сильно утоненные нити. При этом получаются нити с дефектами.

Особое место по строению занимают крученые армированные нити, в которых каркасные сердцевинные нити обвиваются текстильными или металлическими нитями. В качестве каркасных используют достаточно прочные нити из натуральных волокон и химические нити. В качестве обвивочных нитей используют тонкую проволоку, в том числе из цветных металлов, узкие полоски фольги и др.

Из таких нитей изготавливают самые разные изделия технического назначения, декоративные и др. Разнообразна структура текстурированных и фасонных нитей. К текстурированным нитям относят чаще всего синтетические нити, подвергшиеся специальным воздействиям (кручению, прессованию, гофрированию, раздуванию и др.), в результате которых их структура, как и свойства, претерпевает существенные изменения (рис. 5.). К текстурированным также относят нити, получаемые путем применения фильер с отверстиями не круглого, а фигурного сечения, бикомпонентные нити из полимеров, обладающих различной усадкой, и комбинированные - из соединенных и скрученных текстурированных нитей с объемными нитями или смычкой из разных штапельных волокон.

Рис. 5. Текстурированные нити разных структур и способов получения:

а – эластик; б – мирок; в – гофрон; г – получение роспуском термообработанного трикотажного полотна; д – извитые, получение при пропускании через зубья нагретых шестерен; е – с извитостью переменного направления; ж – одиночная петлистая; з – комбинированная петлистая; и – фасонная петлистая

 

Особую группу по структуре представляют фасонные нити, которые в зависимости от способа получения разделяют на фасонную пряжу с заработанными в нее комочками волокон, в том числе другого вида и цвета, а также с периодически повторяющимися заметными утонениями и утолщениями.

Фасонные нити различной структуры показаны на рис. 6. Фасонные нити имеют основную нить 1 (рис. 6.а), называемую стержневой или сердцевинной, нагонную (эффектную) нить 2, которая обвивается вокруг основной нити 1, закрепляющую нить 3, закручиваемую вокруг основной, но в обратном направлении для закрепления эффектов, полученных при первом кручении. В фасонной узелковой нити нагонная нить, навиваемая на стержневую нить при переменном натяжении, образует узелки. В зависимости от величины натяжения нагонной нити узелки могут быть плотными и относительно рыхлыми. Периодическое ослабление натяжения нагонной нити приводит к образованию петель и сукрутин.

Рис. 6 – Фасонные нити:

а – спиральная (извилистая); б – узелковая; в – петлистая; г – с сукрутинами; д – застилистая (переслежистая); е – комбинированная (узелки и спирали); ж - комбинированная (эпотаж); з – с ровничным эффектом; и – с внешней обмоткой; к – синель

 

У застилистой (переслежистой) нити составляющие компоненты имеют разные цвета или толщину. Нить с чередованием спиралей и рыхлых петель известна под названием эпонж. Фасонная нить с ровничным эффектом включает плотную или рыхлую ровницу, часть ее может быть цветной. Нить с внешней обмоткой состоит из толстой стержневой нити, плотно обвиваемой другой нитью. В качестве стержневой может быть использована резиновая нить. Синель состоит из двух скрученных нитей с ворсом [3].

 

Предыдущая123456789101112Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: