Текстильная стекловолоконная пряжа

Текстильная стекловолоконная пряжа — это собранные вместе одиночные параллелизованные волокна или стренги, которые в дальнейшем могут быть переработаны в текстильный материал. Непрерывные одиночные жгуты (стренги), полученные непосредственно из бушинга, представляют собой простейшую форму текстильной стекловолоконной пряжи, известной как «простая пряжа». Для использования такой пряжи в дальнейшей текстиль­ной переработке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 м-¹). Однако для большого числа тканей необходима более толстая пряжа, чем получается непосредственно при вытяжке из бушинга. Такой ассортимент текстильной пряжи может быть получен методом скручивания и трощения. Типичным при­мером является скручивание двух или более простых стренг вместе с одновременным трощением (т.е. последующим скручи­ванием двух или более уже предварительно скрученных жгутов).

Пряжа или жгут имеют S-крутку, если скручиваемые элементы располагаются справа — вверх — налево, и Z-крутку, когда скручиваемые элементы располагаются слева — вверх — направо. Просто скрученный жгут (при числе кручений более 40 м^-1) будет образовывать петли, скрутки и запутываться, так как все эле­менты закручены в одном направлении. Для избежания этого явления при трощении общая крутка производится, в направле­нии, противоположном «простой» крутке. Например, при Z-крутке, первичные элементы пряжи должны иметь S-крутку, что обеспе­чивает получение «уравновешенной» пряжи. В результате опера­ций кручения и трощения получают пряжу, прочность, гибкость и диаметр которой могут варьироваться. Это является важной предпосылкой для создания различных тканей, из которых в даль­нейшем получают композиты.

Текстурированная пряжа.

Текстильная стекловолоконная пряжа («простая» или троще­ная) может быть подвергнута воздействию струи воздуха, кото­рое вызывает случайное, но контролируемое разрушение эле­ментарных стекловолокон, расположенных на поверхности пряжи, и «распушение» пряжи (пряжа — нить, состоящая из относительно коротких текстильных волокон, соединенных с помощью скручивания). Этот процесс известен как «текстурирование», или создание «объемной» пряжи. Эффект текстурирования контролируется давлением воздуха и скоростью подачи пряжи. Хотя происходит разрушение поверхностных элементарных воло­кон, пропитываемость такой пряжи повышается. Использование текстурированной пряжи в тканях наиболее выгодно тогда, когда необходимо сочетание максимальной прочности с низким содержанием связующего в композите.

Ткани из стекловолокон.

Свойства и условия получения стеклотканей зависят от строе­ния этих тканей, плотности переплетения, извитости пряжи, плот­ности исходной пряжи и от условий ткачества.

Плотность нитей в основе и утке определяется числом нитей в 1 см ткани соответственно в продольном и поперечном направ­лениях. «Основа» — это пряжа, расположенная вдоль длины ткани, а «уток» перевивает ткань в поперечном направлении. Сле­довательно, плотность ткани, ее толщина и прочность при разрыве пропорциональны числу нитей и типу пряжи, используемой при ткачестве. Эти параметры могут быть определены, если известна конструкция ткани.

Существуют различные виды переплетений основы и утка для создания прочных тканей. Варьируя вид ткани, можно создать разнообразные армирующие структуры, влияющие в определен­ной степени на свойства композитов из них. В ряде случаев при­менения стеклотканей требуются специальные виды переплетений.

Простая ткань с полотняным переплетением, в которой уток проходит под каждой нитью основы и над ней, обладают самой высокой степенью устойчивости относительно проскальзывания пряжи и менее всего повреждается. Такая ткань стабильна как по плотности утка и основы, так и по расходу пряжи (рисунок 15.9).

Рисунок 15.9 - Схема полотняного переплетения [9].

Сеточное переплетение («рогожка»): два и более элементов основы переплетены двумя или более нитями утка. Эти ткани ме­нее стабильны, чем ткани полотняного переплетения, но более гибки и легче принимают необходимую форму при выкладке.

Саржевое («диагональное») переплетение создается переплете­нием одного или более элементов основы двумя или более элемен­тами утка в правильном чередовании. В результате получают ткань с прямым или изломанным диагональным рисунком. Осо­бенностью такой ткани является большая гибкость и лучшая драпирующая способность, нежели у тканей е полотняным или сеточным переплетениями.

Саржевое ломаное 3/1-переплетение характеризуется тем, что одна нить основы перекрывается тремя нитями утка сверху и од­ной снизу с образованием нерегулярного рисунка. В результате получают гибкую ткань, хорошо приспосабливающуюся к любым формам выкладки (рисунок 15.10).

Рисунок 15.10 - Схема саржевого переплетения (2X2). (Обратная сторона) [9].

Восьмиремизновое сатиновое переплетение: одна нить основы перекрыта семью нитями утка сверху и одной нитью снизу с обра­зованием нерегулярного рисунка. В результате получают очень гибкую и удобную для различных выкладок ткань. Эта ткань, имеющая высокую плотность по утку и основе, обладает макси­мальной изотропной прочностью в композите (рисунок 15.11).

Рисунок 15.11 - Схема 8-ремизкого сатинового переплетения [9].

Другие переплетения, в которых использованы прочные нити основы и тонкие нити утка носят название однонаправленных. Такие ткани используются при создании композитов с высокой прочностью в направлении армирования.

Нетканые однонаправленные материалы могут быть получены с использованием процесса склеивания основы и утка вместо ме­ханического переплетения их. От вида такой связи зависит гео­метрическая устойчивость КМ. Однако эти материалы получаются обычно жесткими и с трудом могут быть приспособлены к необ­ходимой форме при выкладке.

Другие виды тканей.

Стекловолоконная пряжа может перерабатываться в тесьму, контурные ткани, ткани с гофрированными волокнами и в трехмерные многослойные ткани.

Тесьма представляет собой узкую (менее 30,5 см шириной) ткань, которая может содержать распущенную кромку (т. е. за­полняющую пряжу, выступающую за пределы тесьмы).

Контурные ткани — это такие ткани, в которых геометриче­ская форма совпадает с формой армируемых деталей. Такие ткани изготовляются на специально сконструированных для этой цели станках.

Ткани с гофрированными нитями состоят из двух слоев, соеди­ненных вместе нитями так, что конфигурация соединений представ­ляет собой либо треугольник, либо прямоугольник.

Трехмерных тканей в истинном смысле этого слова не сущест­вует. Обычные плоскостные ткани соединяются пряжей в третьем направлении. Эта пряжа проходит в основном направлении машины (1), затем под углами +45° (2) и —45° (3) от этого направ­ления.

Применяемые в промышленности стеклянные ткани и сетки конструкционного назначения вырабатываются практически из всех известных составов стекла. Наиболее пригодными стеклотканями для производства теплонагруженных изделий, используемых в авиастроении, находят ткани из волокон бесщелочного алюмоборосиликатного состава, а так же применяют волокна из стекла магнезиального алюмоборосиликатного состава (стекло ВМ-1, ВМП, за рубежом - S-994). Они обладают достаточно высокой теплостойкостью, прочностью и модулем упругости, и хорошими диэлектрическими свойствами по сравнению с другими марками стекол. Свойства и характеристики этих тканей, приведены в таблицах 15.8-15.10.

Стеклоткани конструкционного назначения (буква «Т» в обозначении марки ткани) изготавливают из крученых комплексных нитей толщиной 26-320 текс и из ровингов толщиной 505 - 1680 текс. Используемые в стеклотканях комплексные стеклонити изготавливают в основном из волокон диаметром 10-13 мкм. С увеличением диаметра волокна значительно возрастает производительность их выработки и снижается их стоимость, но затрудняется их текстильная переработка. Стоимость единицы массы ровинговой ткани меньше, чем тканей из комплексных нитей.

Обозначение марок тканей конструкционного назначения состоит из трех частей:

1. вид материала: Т - ткани конструкционные; МТ - многослойные конструкционные ткани, А - авиационные ткани;

2. цифровое обозначение - условное изображение структуры ткани, П - ткань выработана на бесчелночном ткацком станке;

3. тип поверхностной обработки.

Таблица 15.8 - Стеклоткани конструкционного назначения из алюмоборосиликатного стекла [4].

Марка	Толщи-на, мм	Поверх- ностная плот- ность г/м2	Плотность ткани, число нитей, см	Разрывная нагрузка для полоски 25х100 мм, Н, не менее	Пере- плете- ние	Ширина, см	Длина ткани в руло- не, м, не менее	Структура нити
по основе	по утку	по основе	по утку
Т-10	0,23±0,02	290±7	36+1	20±1			Сатин 8/3	70,80,92,100, 110,115		БС6- 26х1х2
Т-10-80	0,25±0,02	290±7	36+1	20±1			Сатин 8/3	70,80,92,100, 110,115		БС6- 26х1х2
Т-11	-	385±12	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС7- 36х1х3
Т-11-752	-	290±7	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС7- 36х1х3
Т-11-ГВС-9	0,30+0,01 -0,05	290±7	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС7- 36х1х3
Т-12	-	370±11	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС8- 52х1х2
Т-12-41	-	370±11	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС8- 52х1х2
Т-12 -ГВС-9	0,30±0,03	370±11	22+1	13±1			Сатин 8/3 или 5/3	70,80,92,100, 110,115		БС8- 52х1х2
Т-13	0,27±0,03	285±9	16+1	10±1			Полотняное	70,80,92,100, 110,115		БС7- 36х1х3
Т-14	0,29±0,03	308±9	16+1	13±1			Полотняное	70,80,92,100, 110,115		БС6- 26х1х4
Т-14-78	0,29±0,03	308±9	16+1	13±1			Полотняное	70,80,92,100, 110,115		БС6- 26х1х4
А-1	0,10±0,01	110±10	20+1	20±1			Полотняное	90, 95, 100, 110
А-2	0,06	68±7	19+1	16±1			Полотняное	90, 95, 100, 110

Таблица 15.9 - Стеклоткани конструкционного назначения из алюмоборосиликатного стекла [4].

Марка	Тол- щи- на, мм	Поверхностная плотность г/м2	Плотность ткани, число нитей, см	Разрывная нагрузка для полоски 25х100 мм, Н	Переплетение	Шири- на, см	Длина ткани в руло- не, м,	Структура нити
по основе	по утку	по основе	по утку
Т-25 (ВМ)-78	0,30						Полотняное			ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток
Т-25 (ВМ)	0,25						Полотняное			ВМС10-42х1х8 основа ВМС10-42х1 уток
Т-26 (ВМ)-78	0,22						Полотняное			ВМС8-26х1х8 основа ВМС8-26х1 уток

Таблица 15.10 - Ткани стеклянные многослойные из алюмоборосиликатного стекла [4].

Марка	Поверхностная плотность, кг/м2	Плотность (число нитей на 10 см)	Разрывная нагрузка, кгс	Переплетение	Длина отрезка, м
основа	уток	основа	уток
в ткани	в ткани	в наружном слое
МТБС-1,25	1,25						На базе неправильного четырехремизного сатина или полотняное с последующей перевязкой слоев	4-24
МТБС-1,8	1,85						4-20
МТБС-2,1	2,1						4-16
МТБС-2,5	2,5						4-16
МТБС-4,35	4,35						1,5-10
МТБС-5,20	5,20				-	-	1,5-10

Измельченные волокна.

Непрерывное стекловолокно может быть разрублено на очень короткие волоконца (длиной 0,40 - 0,35 мм). Реальная длина волокон определяется диаметром отверстий в ситах, через которое оно просеивается. Измельченное волокно используют как инерт­ный наполнитель для термо- и реактопластов.

Для стекловолокнистых пластиков в качестве упрочняю­щего наполнителя применяют стеклянные волокна в раз­личных видах. Стеклянные ткани, если исходить из стои­мости единицы веса, являются наиболее дорогостоящим наполнителем; применение стеклянного волокна нетка­ного типа (маты и ровница) наиболее экономично. Стеклотекстолиты, получаемые на основе тканей, обладают опти­мальными физическими свойствами, поэтому их применяют в тех случаях, когда требуется получить наиболее высокие механические свойства и когда стоимость изделий имеет второстепенное значение, например при изготовлении обте­кателей радиолокационных станций.

Маты и заготовки обычно используются в тех случаях, когда стоимость изделий имеет решающее значение, напри­мер при изготовлении прозрачных листов стеклопластика для кровли, корпусов лодок, касок и т. д.

Использование стеклянных волокон обеспечивает возможность получения таких материалов и изделий на их основе, характеристики которых значительно превосходят характеристики обычных пластических масс и которые соче­тают в себе высокие физические свойства наряду с высокой ударной вязкостью. Каждый вид стеклянного волокна имеет свою отличительную характеристику, на основе которой могут быть получены слоистые пластики различных физических свойств и различной стоимости; изготовление любого изделия из стеклопластика требует тщательного рассмотрения вопроса о выборе типа упроч­няющего наполнителя.

Литература:

1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие. /Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски.; Пер. с англ. /Под ред. П.Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1981. – 736 с.

2. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн.: Кн.1. Пер с англ. / Под ред. Дж. Любина. - М.: Машиностроение, 1988, - 448 с.

3. Пластики конструкционного назначения (реактопласты). / Под ред. Е.Б. Тростянской. - М.: Химия, 1974. - 304 с.

4. Армированные пластики: Справ. пособие. / Бунаков В.А., Головкин Г.С., и др. - М.: МАИ, 1997. - 402 с.

5. Калинчев В.А., Макаров М.С. Намотанные стеклопластики. – М.: Химия, 1986. – 272 с.

6. Бартенев Г.М. Строение и прочность стеклянных волокон. / В сб. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон. Ч. 1. Материалы первого Всесоюзного симпозиума по стеклянному волокну. / Под ред. д. хим. наук, проф. М.С. Аслановой. – М.: Химия, 1968. – С. 52–64.

7. Асланова М.С. Микроструктура и свойства стеклянных волокон различных стеклообразных систем. / В сб. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон. Ч. 1. Материалы первого Всесоюзного симпозиума по стеклянному волокну. / Под ред. д. хим. наук, проф. М.С. Аслановой. – М.: Химия, 1968. – С. 8–10.

8. Трофимов Н.Н., Каленчук А.Н., Канович М.З. Анализ физико-химических процессов, проходящих в переходном слое системы стекловолокно-аппрет-связующее. – М.: НИИТЭХИМ, 1991. – 105 с.

9. Стеклопластики. Пер с англ. / Под ред. Я.Д. Аврасина. – М.: Издательство иностранной литературы, 1961. – 482с.

Базальтовые волокна

Базальтовые волокна (БВ) также как и стеклянные относят к классу оксидных волокон, так как базальт на основе которого получают базальтовые волокна представляет собой сплав различных оксидов. В последнее время возрастает спрос на базальтовые волокна различного ассортимента и функционального назначения: нити, ровинги, штапельные волокна, холсты, маты, вата, войлок. Они относятся к числу весьма перспективных материалов XXI века, сочетающих в себе экологическую чистоту, долговечность и пожаробезопасность.

Базальтовые волокна имеют практически все положительные свойства стеклянных волокон, но отличаются при этом еще и рядом преимуществ, например, более высокими тепло- и щелочестойкостью. Химический состав базальтовых волокон определяется составом природного минерала базальта. БВ являются природным аналогом стеклянных волокон (СВ) и состоят из сплавов оксидов, основными из которых являются SiO₂, Al₂O₃, TiO, Fe₂O₃. Наличие ионов Fе придает БВ коричневатый оттенок. В БВ практически отсутствуют ионы щелочных металлов, что означает повышенную химическую стойкость по сравнению с СВ. Для получения базальтовых волокон используют то же оборудование, что и для получения стекловолокон.

Состав базальтовых масс определяется типом месторождения, где его добывают. Базальты, добываемые из разных месторождений, различаются в какой-то степени по составу, но для базальта одного и того же месторождения характерен постоянный химический состав. Вне зависимости от месторождения базальтовые волокна имеют примерно одни и те же свойства. Технологический процесс получения базальтовых волокон не требует смешения каких-то отдельных компонентов. Получению расплава из природного базальта предшествует лишь его дробление и промывание водой. Правильным подбором исходного базальта можно получать волокна со специфическими свойствами, например, с повышенной щелочестойкостью.