Арамидные волокна
Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных волокон. Они представляют собой химические волокна полученные на основе линейных волокнообразующих полиамидов в которых не менее 85% амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами. Такие волокна отличаются высокими значениями прочности, модуля упругости, теплостойкости и хемостойкости. Впервые они стали известны под маркой «кевлар».
Получение арамидных волокон
Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5-10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем промывается и высушивается. Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот например в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. На выходе из осадительной ванны волокно может подвергаться дополнительной обработке (вытягиванию, термообработке) для повышения его механических характеристик. Свойства волокон могут зависеть от состава исходного сырья, свойств использованных растворителей, условий технологического процесса получения волокон и условий термообработки сформованных нитей. Волокно кевлар представляет собой кристаллизующийся полимер. Химическая структура волокна отличается высокой степенью ориентированности и жесткости. Эти характеристики, в частности, обусловлены наличием в структуре большого количества ароматических (бензольных) колец. По своей структуре волокно кевлар может быть отнесено к сетчатым полимерам. Жесткие полимерные цепи находятся в распрямленном состоянии, образуют очень плотную упаковку в объеме волокна, что определяет высокие механические свойства волокна типа кевлар. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения. Волокна кевлар производятся в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой. Число элементарных волокон в типичных нитях может меняться от 130 до 1000 при изготовлении тканей и от 500 до 10000 при изготовлении канатов и корда. Кевлар выпускается также в виде пряжи ровинга и тканей. Волокна непрозрачны их обычный диаметр - около 11 мкм.
Свойства арамидных волокон
Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т.п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств. Арамидные волокна отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости среди органических волокон.
| Плотность, | Предел прочности при растяжении,МПа | Предельная деформация, % | Модуль упругости при растяжении, ГПа | |
| Кевлар | 1440 | 2700-3500 | 2,5-4,0 | 100-130 |
Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок плоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей, при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения если они не испытывают поверхностного трения. При наличии такого трения долговечность волокон очень невысока.
Влияние различных факторов на свойства композитов, армированных арамидными волокнами.
Влияние связующего на механические свойства композита определяется в основном двумя параметрами: адгезией и модулем упругости. Эти два фактора влияют на тип разрушения композита и в конечном счете определяют уровень его прочностных свойств. Низкомодульные связующие обычно не способны обеспечить перераспределение нагрузки между армирующими волокнами во всем объеме композита. При этом отдельные волокна деформируются независимо друг от друга. Разрушение разрыва одного волокна в таких случаях может привести к значительному перераспределению нагрузки в его окрестности и перенапряжению соседних волокон. Как следствие в таких случаях часто наблюдается развитие лавинообразного процесса разрушения материала. Средняя прочность волокна в композите оказывается низкой. Если же выбранное сочетание адгезии и модуля упругости обеспечивает приблизительно равномерное распределение нагрузок между всеми волокнами материала, то средняя эффективная прочность композита будет иметь более высокое значение. Обычно на практике удается реализовать некоторое среднее значение потенциальной прочности материала. С увеличением объемного содержания волокна прочность материала обычно сначала увеличивается, а при достижении некоторого уровня наполнения стабилизируется или даже снижается. На рис. 1 представлен характерный вид зависимости предела прочности композитов на основе волокон кевлар от объемной доли волокон. Как видно из рисунка оптимальное содержание волокон в составе композита составляет 65-70%.
