Полимерные композиционные материалы (ПКМ) применяются для производства разнообразных изделий, начиная от спортинвентаря и заканчивая аэрокосмической областью применения. В зависимости от назначения продукции, производимой из ПКМ, особое внимание уделяется технико-экономической стороне вопроса, а именно — целесообразности замены изделий, изготовленных из традиционных материалов, на полимерные. Во времена «холодной войны» наиболее прогрессивными областями разработки и использования ПКМ были и остаются до настоящего времени аэрокосмическая и военно-промышленная отрасли. Например, в американских истребителях около 20% от общей массы приходится на ПКМ; это элементы крыльев, элеронов, люков, стабилизаторов и т. д. Их применение обусловлено не только высокими эксплуатационными показателями армированных пластиков, но и снижением массы изделия. Цены на ПКМ достаточно высоки, но благодаря тому, что ресурс работы узлов из них гораздо выше, чем из традиционных материалов, спрос на такие материалы не ослабевает. Применение армированных пластиков расширяется, разрабатываются программы перевода технологий из военной сферы в области строительства, гражданской авиации, спорта, автомобилестроения и т. д.
В последние годы наблюдается тенденция замены традиционных материалов полимерными композитами. Во-первых, правильно подобрав полимерную композицию, можно получить сочетание тех свойств, которые нужны в конкретном эксплуатационном случае. Во-вторых, бывает, что технологический процесс производства изделия из ПКМ более экономичен, нежели процесс получения этого же изделия из металла. Опыт показывает, что проблема современных производств полимерных изделий во многих случаях решается за счет эффекта, достигаемого введением различных волокнистых наполнителей. Достаточно актуальным для таких производств является вопрос, оправданы ли будут затраты, связанные с изменением или разработкой нового ПКМ, а также с отклонением от технологического процесса производства изделий из нового композита.
В данной статье рассматриваются армирующие волокнистые наполнители и свойства композитов, армированные такими волокнами. Проблема получения изделий из ПКМ гораздо более сложная, чем, кажется на первый взгляд. Казалось бы, что может быть проще: подобрать необходимые армирующие волокна для достижения определенных целей, опытным путем определить необходимое количество вводимых волокон и получать потом изделия с качественно новыми свойствами. На самом деле не всегда бывает так. Говоря о предположительных свойствах будущей композиции, следует учитывать, с одной стороны, эффект сложения свойств полимерного материала со свойствами армирующих волокон. С другой стороны, следует просчитать термодинамическую совместимость матрицы и волокна. Технологически бывает достаточно трудно подобрать совмещающиеся друг с другом полимерный материал и армирующие волокна и получить при этом качественный материал. Вот только некоторые особенности, которые могут проявиться при решении, казалось бы, простой задачи — освоении производства изделий из ПКМ.
Говоря о ПКМ, следует уделить особое внимание наиболее распространенным армирующим волокнам, которые придают полимерной матрице новые свойства. К таким перспективным волокнистым материалам относятся:
• углеродные;
• арамидные;
• борные;
• стеклянные;
• базальтовые;
• волокна растительного происхождения.
Углеродные волокна
Для производства углеродных волокон используют два основных типа сырья: вискозные или полиакрилнитрильные (ПАН) волокна, а также нефтяные и каменноугольные пеки. Наибольшим интересом пользуются высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна на основе ПАН-волокон. Около 80% углепластиков в мире армируется именно этими волокнами. Лидером в области их разработки и производства считается Япония. Углеродные волокна условно можно классифицировать на две группы: высокомодульные (модуль упругости 300–700 ГПа) и высокопрочные (прочность 2,5–4 ГПа). Говоря об углеродных волокнах вообще, следует отметить, что им присущи высокая теплостойкость, низкие коэффициент трения и термического расширения, стойкость к химическим реагентам, различные электрофизические свойства (от полупроводников до проводников). Углеродные волокна могут иметь сильно развитую поверхность (1000–2000 м2/г), что определенным образом сказывается на свойствах конечной композиции в целом. В таблице 1 приведены механические свойства углеродных волокон, выпускаемых в России, США и Японии. | Таблица 1. Свойства углеродных волокон | | | Страна–производитель, марка волокна | Плотность, кг/м3 | Диаметр волокна, мкм | Модуль упругости, ГПа | Средняя прочность на базе 10 мм, ГПа | Предельная деформация, % | | Россия | | ВМН-4 | 1710 | 6,0 | 270 | 2,2 | 0,8 | | Кулон | 1900 | – | 500 | 2,0 | 0,4 | | Урал-24 | 1800 | – | 200 | 2,0 | 1,1 | | Элур | 1600 | – | 150 | 2,0 | 1,3 | | США | | Торнел-800 | 1800 | 6,0 | 273 | 5,46 | 2,0 | | Магманит JM6 | 1740 | 5,4 | 280 | 4,44 | 1,5 | | Целион ST | 1770 | 7,0 | 235 | 4,34 | 1,8 | | Хитекс 33 | 1800 | 7,0 | 238 | 3,50 | 1,5 | | Япония | | Карболон-L | 1950 | 6,0 | 380 | 2,42 | 0,6 | | Тормолон-S | – | – | 414 | 1,79 | 0,4 | | Бесфайт HT | – | 7,0 | 240 | 3,30 | 1,3 | | Торейка T-300 | 1760 | 8,4 | 235 | 3,53 | 1,5 |
Сравнивая углеродные волокна, например, со стеклянными, следует отметить, что они гораздо дороже, а следовательно, область их применения определяется совокупностью характеристик цена/свойства. Можно сказать, что углеродные волокна используют для производства изделий, где определяющим фактором является не цена, а эксплуатационные свойства. Углепластики используют для производства дорогостоящего спортинвентаря, в авто- и мототехнике.
Арамидные волокна
Для производства высокопрочных и высокомодульных композитов применяются органические волокна. Яркий представитель этого класса армирующих наполнителей — группа арамидных волокон. Они обладают уникальным комплексом свойств: высокой прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, которая дает возможность эксплуатировать изделия из этих композитов в широком интервале температур. Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные армирующие волокна и металлические сплавы, уступая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам. Первым представителем арамидных волокон является продукт американской фирмы «Дюпон де Немур» — волокно «Кевлар». В журнале «Полимеры Деньги» 4(12)/август/ 2005 рассказывалось об этих волокнах. В таблице 2 приведены механические свойства некоторых представителей органических арамидных волокон. | Таблица 2. Свойства арамидных волокон | | Марка волокна | Плотность, кг/м3 | Прочность, ГПа | Удлинение при разрыве, % | Модуль упругости, ГПа | | Кевлар 29 | 1440 | 2,9 | 3,6 | 60 | | Тварон | 1440 | 2,8 | 3,3 | 80 | | СВМ | 1420 | 3,8 | 2,5 | 130 | | Армос | 1420 | 4,5 | 2,5 | 150 | | Терлон | 1450 | 3,2 | 2,0 | 130 |
Борные волокна
Композиты на основе борных волокон обладают высокими прочностными характеристиками и модулем упругости. Все эти свойства обусловлены происхождением армирующих волокон. Борные волокна получают путем химического осаждения бора под воздействием высоких температур в специальной газовой среде на вольфрамовые нити. Получаемые таким образом волокна нашли применение в производстве композитов на основе полимерных и алюминиевой матриц. Следует отметить, что композиты с алюминиевыми матрицами более распространены, чем ПКМ. Это объясняется тем, что изделия из них могут быть получены на стандартном металлургическом оборудовании и способны функционировать при температурах до 640 К. Борные волокна относятся к полупроводникам, поэтому при их введении в полимерный композит последнему придаются пониженные тепло- и электропроводящие свойства. Механические свойства борных волокон достаточно высоки, они представлены в таблице 3. Таким образом, ПКМ, армированные борными волокнами, используются преимущественно для производства изделий, обладающих комплексом специфических свойств.
Таблица 3. Свойства борных волокон | | Страна–производитель, марка волокна | Плотность, кг/м3 | Модуль упругости, ГПа | Средняя прочность на базе 10 мм, ГПа | Удлинение при разрыве, % | | США | | Avco (B/W) | 2500 | 400 | 3,47 | 0,90 | | | Япония | | Toshiba (B/W) | 2500 | 390 | 3,58 | 0,91 | | | Франция | | SMPE (B/W) | 2500 | 408 | 3,57 | 0,88 | | | Россия | | B/W | 2500 | 394 | 3,5 | 0,90 | |
В настоящее время они являются альтернативой стеклянным волокнам. В некоторых случаях, исходя из экономических соображений, гораздо эффективнее армировать пластики базальтовыми волокнами, чем стеклянными. Базальтовые волокна считаются химически более стойкими, чем волокна из Е-стекла (табл. 4). Для достижения определенных свойств, при получении базальтовых волокон не нужно, как в случае стеклянных, вводить специальные добавки, влияющие на их конечные свойства при переработке. Запасы сырья для получения базальтовых волокон практически неограниченны. Те, кто имеет отношение к горному делу, прекрасно знают, что представляет собой базальтовая порода, так как именно из этой породы получают базальтовые волокна.
Они практически полностью способны заменять стеклянные, кроме того, они также заменяют асбестовые волокна. Например, многие производители тормозных колодок используют именно базальтовые волокна. Таблица 4. Свойства базальтовых волокон | | Показатель | Значение | | | | | Плотность, кг/м3 | 2750 | | | | | Граница прочности при растяжении, МПа | 2200–2400 | | | | | Модуль упругости при растяжении, МПа 9х104 – 1х105 | | | | | | Температура начала снижения прочности волокна, °С | 600 | | | | | Коэффициент термического расширения,1/°Сх1015 | 0.45 | | | |
Стеклянные волокна
Это, пожалуй, наиболее распространенные волокна, используемые при получении ПКМ. На долю стеклопластиков приходится около 90% волокнистых композитов, производимых в мире. Причина тому — их относительная дешевизна и ценное сочетание эксплуатационных свойств: при сравнительно малой плотности стеклянные волокна имеют высокую прочность, тепло- и химстойкость, у них высокие диэлектрические свойства. Основную часть стеклянных волокон получают из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла состава «Е» и из магний-алюмосиликатного стекла «S», отличающегося более высоким модулем упругости и прочностью. Стеклянные волокна выпускаются в России, США, Японии, странах западной Европы. В таблице 5 в качестве примера приводятся основные марки стеклянных волокон, выпускаемые в России и США. | Таблица 5. Свойства стеклянных волокон | | Показатель | Россия | США | | УП | ВМП | E | S | | Плотность, кг/м3 | 2470 | 2560 | 2540 | 2490 | | Модуль упругости, ГПа | 85 | 95 | 74 | 87 | | Удлинение при разрыве, % | 5,6 | 4,8 | 4,7 | 5,4 | | Диэлектрическая проницаемость при 107 Гц | 5,18 | 5,93 | 6,23 | 5,21 | | Тангенс угла диэлектрических потерь при 1010 Гц | 0,008 | 0,010 | 0,011 | 0,007 |
Форма сечения выпускаемых стеклянных волокон может быть разнообразной: круглой, треугольной, квадратной, шестиугольной, прямоугольной. Выпускаются также полые стеклянные волокна. При наполнении пластиков стеклянными волокнами получают материалы с достаточно высокими прочностными свойствами, теплостойкостью, химической стойкостью. ПКМ наполненные стеклянными волокнами, наиболее доступны при производстве изделий для самых различных областей жизнедеятельности, так как из всех перечисленных выше волокон они самые дешевые. Из композиций, армированных стеклянными волокнами, производят самые различные изделия, например, стеклопластиковые оболочки, способные работать под давлением в контакте с агрессивными средами, детали машин и механизмов, корпуса яхт, лонжероны вертолетов и т. д. При этом стеклопластики способны конкурировать с более дорогими волокнистыми композитами.
Военно-промышленные объекты из полимерных композитов — не плод воображения фантастов, а реальность недалекого будущего Волокна растительного происхождения
В последнее время все больше внимания уделяется армированию пластиков волокнами растительного происхождения. Такой интерес обусловлен отнюдь не «военным» прошлым, хотя растительные волокна имеют самые низкие прочностные показатели из всех армирующих волокнистых материалов. Интерес к растительным волокнам связан с экономическими факторами, ведь они имеют источник постоянно возобновляемой сырьевой базы, к тому же их себестоимость мала по сравнению со всеми другими волокнами. Именно это делает растительные волокна перспективными для использования в производстве ПКМ в качестве неплохих армирующих наполнителей в композитах, предназначенных для изготовления самых различных изделий и не подвергающихся высоким нагрузкам и неработающих во влажных средах. Благодаря своей пористой структуре, растительные волокна хорошо пропитываются полимерной матрицей, что обеспечивает высокую прочность на границе полимер–волокно. | Таблица 5. Свойства стеклянных волокон | | Волокна | Плотность, г/см3 | Длина волокна, мм | Разрушающее напряжение при растяжении, МПа | Модуль упругости, ГПа | | Деревянные | 1,50 | 3,5 | 500–1000 | 25–40 | | Льняные | 1,45–1,50 | 17–25 | 500–600 | – | | Конопляные | 1,48–1,50 | 10–14 | 360–500 | – | | Джутовые | 1,44–1,50 | 2–4 | 300–330 | – | | Кенаф | 1,50 | 2–5 | 400–460 | – | | Пальмовые | 1,50–2,00 | – | 1250 | - |
В данной статье приведены данные о свойствах армирующих волокон. Что же касается рекомендаций к их применению, а следовательно, рецептов полимерных композиций с определенными эксплуатационными свойствами, то эта задача решается специалистами для каждого конкретного случая отдельно.
Артем Третьяков, к.т.н. |
