Высокомодульные и высокопрочные органические (арамидные) волокна характеризуются меньшей плотностью, высокими модулями упругости при сжатии и изгибе, а также большим модулем упругости и прочности при растяжении по сравнению с теми же показателями для волокон из Е- или S-стекла.
По удельной прочности и модулю упругости в случае растяжения органические волокна с амидными группами превосходят все известные на сегодня армирующие волокна и сплавы, уступая по этим показателям лишь углеродным и борным волокнам. В связи с этим такие волокна часто называют высокомодульными и высокопрочными (прочность достигает 4,5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа).
Плотность арамидных волокон (1450 кг/м3) значительно ниже, чем плотность волокон из Е-скла (2500 кг/м3). Из арамидних волокон могут быть получены почти все типы волокнистых армирующих наполнителей: нити, ровинги, ткани разного плетения, бумага и тому подобное.
Арамидные волокна характеризуются достаточно высокой термостойкостью (в сравнении с другими типами органических волокон). Они не плавятся и не деструктируют вплодь до температур 400°С и выше.
Арамидные волокна используются в производстве полимерных композитов, поскольку температура переработки и эксплуатации полимерных матриц ниже температуры деструкции арамидних волокон.
Арамидные волокна, которые производятся в мире, сохраняют свои свойства при длительной выдержке при температуре не выше 180°С, следовательно, эта температура является предельной для длительной эксплуатации материалов на их основе. Это ограничивает возможность применения арамидних волокон в качестве наполнителя для ряда полиамидов и полимидных связующих, которые предназначенны для изготовления изделий, которые работают длительное время при температурах свыше 300°С. Арамидные волокна характеризуются очень высокой химической стойкостью.
Органические волокна, которые введены в состав термопласта, как правило, не ухудшают его химическую стойкость к различным средам, электроизоляционные свойства и морозоустойчивость. В то же время существенно уменьшается текучесть материалов при длительной нагрузке, повышается на несколько порядков длительная прочность, повышается стабильность размеров при тепловом воздействии, повышается верхний температурный предел эксплуатации и др.
Процесс получения волокон состоит из двух стадий: синтеза полиамидов и формирования. Синтез полиамидов – это низкотемпературная поликонденсация хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматических диаминов. Из полученного продукта вытягивают волокна через фильеры со скоростью 60 м/с. Прочность таких волокон достигает 4.5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа. Взаимодействие между фибриллами из-за водородных связей оказывается слабым. Это обстоятельство определяет общий для всех высокоориентированных волокон недостаток: низкую поперечную прочность. В связи с этим упруго-прочносные свойства полимерных композиционных материалов, армированных волокнами в направлении, которое не совпадает с осью волокна, определяются в основном свойствами связующего и величиной адгезионного взаимодействия.
В таблице приведены физико-механические характеристики некоторых видов арамидних волокон в сравнении с характеристиками типичных конструкционных сталей.
Органопластики широко применяют: в авиа- и космической технике, авто- и судостроении, машиностроении для изготовления элементов конструкций, пулезащитной брони, радиопрозрачного материала; в электро-, радио- и электронной технике - для обмотки роторов электродвигателей, производства электронных плат с регулируемой жесткостью и высокой стабильностью размеров; в химической машиностроении - для производства трубопроводов, емкостей; для производства спортивного инвентаря и в др. отраслях промышленности.
Арамидные волокна способны выдерживать в течение 1000 ч статическую нагрузку, по величине равной 90% от разрушающего напряжения при растяжении, длительно работают при повышенных температурах (180-200 °С), обладают высокой усталостной прочностью. Способность поглощать механические вибрации и звук в 2-4 раза выше, чем стеклопластики, и в 10-40 раз выше, чем у алюминиевых сплавов.
Теплопроводность органических волокон (наполнитель-ткани, жгуты или нити) в направлении, перпендикулярном слоям, составляет 0,012-0,020 Вт/(см•К), а коэффициент линейного термического расширения вдоль волокон может иметь отрицатательное значение (напр., от -2•10-6 до -4•10-6 К-1). Для арамидных волокон характерна высокая хим. стойкость к действию органических растворителей, смазочных масел, жидких топлив и воды. Арамидные композиты на основе полиимидных и фенольных связующих обладают огнестойкостью и низким дымовыделением при горении.
Полиолефиновые волокна
Полиолефиновые волокна, синтетические волокна, получаемые главным образом из изотактического полипропилена, полиэтилена. Формуют из расплавов полимеров экструзионным методом; выпускают в виде комплексных нитей, мононитей, нитей из ориентировочной пленки (плоской и фибрилллированной) и резаного волокна. Ориентационное вытягивание сформованных волокон (в 5-10 раз) осуществляют на обогреваемой металлической поверхности или в воздушной среде при т-ре на 20-30 °С ниже температуры плавления полимера. Фибриллированные нити изготовляют из ориентированных полосок пленки шириной 1-50 мм и толщиной 25-80 мкм, пропуская их через вращающийся валок-фибриллятор, на поверхности которого размещены иглы (6-64 на 1 см). При контакте с ними на поверхности пленки образуются надрезы, увеличивающиеся в размерах. Фибриллирующее устройство включает: фибриллятор; "плавающий" вал для изменения угла обхвата фибриллятора пленкой; тянущий блок, состоящий из трех валков, с помощью которых пленка получает необходимое натяжение.
Часть волокон и нитей выпускают окрашенными; крашение проводят в массе органическими и неорганическими пигментами. Для повышения устойчивости полиолефиновых волокон при нагревании и УФ облучения в полиолефины на стадии их синтеза или грануляции вводят стабилизаторы (фенолы, ароматич. амины, аминофенолы или др. соединения).
Основные свойства полиолефиновых волокон приведены в таблице. Прочность фибрил-лиррованных нитей с повышением степени фибрилляции снижается. Волокна и нити обладают высокими диэлектрическими свойствами (е 2,1-2,5 при частоте 1·106 Гц). Трудно воспламеняются, но горят. Гидрофобны, устойчивы в кислота и щелочах. Не растворяются в неполярных органических растворителях (бензол, толуол, декалин, тетралин) ввиду высокой кристалличности полиолефинов при комнатной температуре, но с повышением температуры набухают, а затем растворяются. Устойчивы к действию микроорганизмов.
Достоинства полиолефиновых волокон - высокая эластичность и низкая стоимость благодаря доступности сырья; недостатки - низкая светостойкость и относительно невысокая температура плавления.
Разработан способ получения высокомодульных (до 200 МПа) и высокопрочных (до 5 ГПа) полиолефиновых волокон из 2-3%-ных растворов полиэтилена высокой плотности (мол. м. 1,5-106). Сформованные нити подвергают высокоориентационной вытяжке до 40000 %; используют их главным образом для получения композиционных материалов.
Металлические волокна
Металлические волокна, получают из металлов (например, Аl, Сu, Аu, Ag, Mo, W) и сплавов (латуни, стали, тугоплавких, напр. нихрома). Имеют поликристаллическую структуру. Выпускают волокна, мононити (тонкие проволоки), очень узкие полоски (обычно шириной 0,5-1,5 мм). Основные методы получения: волочение проволок, строгание металлических заготовок, разрезание фольги на очень узкие полоски; охлаждение струи расплава на холодной поверхности; растяжение расплава.
Механические, термические, химические и др. свойства большинства металлических волокон близки к таковым для соответствующих металлов и сплавов. Металлические мононити, получаемые волочением, имеют осевую ориентацию кристаллов, менее дефектны, чем другие виды металлических волокон, и обладают высокой прочностью и упругостью. Все виды металлических волокон электропроводны, негигроскопичны.
К металлическим волокнам близки также металлизированные органические волокна и нити, свойства которых определяются как свойствами подложки, так и металлического слоя. Широкое распространение получили покрытые металлами очень узкие полоски, нарезаемые из полимерных пленок.
Металлические волокна и металлизированные волокна и нити используют для изготовления текстильных изделий и их отделки (например, парчовые ткани, трикотаж с люрексом, нетканые материалы, войлок, антистатические ткани и ковры, галуны, шнуры, воинские знаки различия, шитье золотом и серебром, елочные украшения). Высокопрочные и термостойкие металлические волокна (молибденовые, вольфрамовые, стальные) - армирующие наполнители для легких металлов и сплавов, а также керамических материалов, что существенно повышает их механические свойства и теплостойкость. Металлические нити, а также ткани и сетки из них - наполнители полимерных композиционных материалов (например, фрикционных - для тормозных колодок транспортных средств); сетки применяют также для разделения дисперсных систем (сита), в производстве бумаги и картона, сетки и войлоки - для фильтрации жидкостей и газов (в т.ч. агрессивных и горячих); войлоки - прокладочные и уплотнительные материалы. Многие виды металлических волокон (нити, сетки, жгуты и др.) используют в электро- и радиотехнике.
Борные волокна
Наибольшее распространение получили волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Непрерывное борное волокно получают методом химического осаждения бора из газовой фазы. Реакционная камера представляет собой стеклянную трубу с отверстиями для подачи газовой смеси и удаления газообразных продуктов реакции. Установка включает подающий намоточный барабан с вольфрамовой нитью подложкой и приемный намоточный барабан для борных волокон. Вольфрамовая нить диаметром 12.7 мкм подается в реакционную камеру, в которой она нагревается от источника постоянного тока примерно до 1300 "С. Перед этим она предварительно нагревается до белого каления для удаления с ее поверхности загрязнений и смазки, наносимой при ее вытяжке. Стехиометрическую смесь трихлорида бора и водорода вводят в верхнюю часть реакционной камеры, в которой слой бора осаждается на вольфрамовой подложке, нагретой до 1300 °С. При этом протекает следующая реакция:
Регулируя скорость протягивания вольфрамовой нити через реакционную камеру, можно получать борные волокна различного диаметра.