Свойства арамидных волокнистых наполнителей

Разработан большой ассортимент волокон из ароматических полиамидов различного строения (таблица 18.1).

На основе поли-n-арамидов в России производятся волокна СВМ, Русар, Терлон, Армос (таблица 18.2).

Волокна Терлон сохраняют при 250°С 55 – 60% σ⁺; 70% σ⁺ после 100 час. при 300°С, во­локна СВМ соответственно 55 – 65% и 35 – 60 %.

Для них характерна ярко выраженная анизотропия свойств [12]:

Волокна	Е+, ГПа	α · 10 – 6/°С
║		║
Терлон		3,5 – 5,5	– (1 – 3)	55 – 60
СВМ		4 – 6	– (0 – 3)	60 – 65

Таблица 18.1 - Свойства волокон из ароматических полиамидов.

Тип волокна	Страна, фирма	ρ, г/см3	σ+, ГПа	Е+, ГПа	ε+,%
Кевлар PRD, В, 29, К-29	США Дюпон	1,45	2,75-2,8	63-83	-
Кевлар 49, К-49, Т969, Т981	США Дюпон	1,44-1,45	3,6-4,0	130-140	1,9-2,3
Кевлар PRD-149	США Дюпон	1,47-1,48	3,8-4,2	150-180	2-4
Twaron, Arenka 900, Arenka 930	Голландия Епка АКЗО	1,44 1,45	2,5-3,0 2,5-3,0	68-70	- -
Technora, HM-50	Япония Тэйдзин	1,39	3,1	71-75	4,4
СВМ	Россия	1,43-1,44	3,8-4,2	120-130	2-4
Армос	Россия	1,43-1,44	4,5-5,0	145-170
Терлон СД	Россия	1,45	3,5-3,8	Терлон 85-120 184	—
Терлон С	Россия	1,45	3,5-3,8		1-2,5
ВМН-88	Россия	1,45-1,46	3,7-4,5	157-167	2,9
Фенилон	Россия	1,37-1,38	0,62-0,65		-
Nomex	США	1,37-1,38	0,73-2,70		-
Коnех	Япония	1,37-1,38	0,65		-

Таблица 18.2 - Свойства высокомодульных волокон на основе ароматических по­лиамидов [2].

Свойства	СВМ	Армос	Терлон
СД	С	СБК1)
ρ, г/см3	1,43	1,43	1,45	1,45	1,34
σ+,ГПа 5)	3,8 – 4,2	4,5 – 5,5	3, 5 – 3,82)	3,5 – 3,82)	3,0 – 3,4
Е+,ГПа		145 – 160
ε+, %	3,4	3,0 – 3,5	2,6 – 2,8	2,5 – 2,7	2,7 – 3,0
В.П., 65% Н2О	6,5 – 13,2	2,5 – 3,2	3,2 – 7,2	2,9	2,5 – 10,2
КИ,%3)	32 – 34	34 – 35	32 – 34	32 – 4	28 – 30
рН волокна	2,5 – 3,5 (не отмытое 5,8 – 6,5)	6,7	6,2	-	-
Концентрация С1-ионов4)	0,18 (не отмытое < 0,002)	0,012	0,005	-	-

Примечания: 1) повышенная адгезия к резине и устойчивость к знакопеременным нагрузкам (10% поликапроамида); 2) сохраняют 60% σ⁺ при 300°С, 50% σ⁺ после 100 ч. при 250°С; 3) после специальной обработки (например, хлорирования) – 60%; 4) Кевлар 49: рН 6,5; С_Cl – 0,08; 5) угол разориентации 6,5° (Терлон, Кевлар 49), 11° (Армос), 12 – 17° (СВМ, в зави­симости от т.о.: 12° – т.о. в шахте при 350 – 450°С, 14° – т.о. на бобинах при 250 – 300°С, 18° – без т.о.).

Предварительное нагружение влияет на деформационные и прочностные свой­ства волокон СВМ, Армос, Терлон. Пластические деформации возникают из-за "замо­роженной" водородными связями эластической деформации и ориентации молекуляр­ных цепей. При этом прочностьволокон Армос и СВМ повышается, у волокон Терлон остается без изменений [13].

Волокна Кевлар имеют самую высокую удельную прочность среди приме­няемых для получения ПКМ волокон. По удельной жесткости волокна Кевлар–49 в 3 раза превосходят сталь и алюминий, по удельной прочности в – 5 и 10 раз соответственно. Волокна криогенностойки до 77 К, карбонизуются при 700 К, имеют отрицательный КЛТР (-2)·10 ^–6 К^–1 в осевом направлении, отличаются высокими демпфирующими свойствами и стойкостью к циклическим нагрузкам (таблица 18.3).

Таблица 18.3 - Свойства волокон "Кевлар"[1,3].

Свойства	Кевлар 29	Кевлар 49	Кевлар 149
ρ, г/см3	1,44	1,45	1,47 – 1,48
σ+, ГПа	2,8 – 3,2	2,8 – 3,8	2,4 – 3,2 (до 4,1; теор. 17)
Е+, ГПа	62 – 70 (до 96)	125 – 135	160 – 184 (теор. 350)
ε+, %	3,9 – 4,0	2,3 – 2,4	1,8 – 2,1
В.П., 65% Н2О, %	4,8 – 7,0	4,0 – 4,381)	1,0 – 1,2

Примечания: Диаметр филамента 0,17 текс 11,9 – 12,0 мкм; 1) в воде сохраняет 85 – 95% σ⁺. Для Кевлар – 49 в петле - 35% от σ⁺; ползучесть при нагружении 90% от σ⁺ - 0,0011; ко­эффициент трения: 0,46 (нить по нити), 0,41 (нить по металлу).

Механические свойства волокон при увлажнении снижаются (таблица 18.4), но после сушки практически полностью восстанавливаются. 100-часовая выдержка волокон Кевлар – 49 (К-49) в кипящей воде приводит к необратимому снижению их прочности на 2%, выдержка в морской воде в течение 6 месяцев — к необратимому снижению σ⁺ на 2,4%.

Таблица 18.4 - Свойства при растяжении прядей из волокон Кевлар-49 (166 текс) [1,3].

Условия	ε+, %	% сохранения Е+	% сохранения σ+
20°С, воздух	2,2	—	—
20°C, вода	2,1
93°С, воздух	2,0
88°С, вода	1,9

Благодаря высокой жесткости цепей АПА и высокой плотности упаковки макромолекул полиамида в волокнах Кевлар, они работоспособны как при повышенных, так и при пониженных температурах. Усадка волокон при нагреве не превышает 4-10" %/°С. Диаграммы деформирования волокон в диапазоне от - 55 до + 90°С практически идентичны. Механические свойства их не меняются при нагреве до 100°С. Нагрев до 200°С в течение 0,5 ч приводит к снижению прочности на воздухе на 15% - с 3,17 до 2,72 ГПа, модуль упругости в этих условиях снижается до 1 ГПа. С увеличением длительности выдерж­ки при этой температуре до 100 ч прочность падает на 25%, модуль упругости на 7%. Повышение температу­ры выдержки на воздухе до 240°С и времени её воздействия до 450 ч вызывает до­полнительное снижение прочности ещё на 5%. Арамидные волокна устойчивы к воздейст­вию низких температур вплоть до - 196°С и циклическому тепловому воздействию. После 150 циклов резкого перепада температур (30 мин. выдержка при +150°С - охла­ждение до - 180°С) механические свойства волокон К-49 практически не изменяются. Волокна не плавятся, не воспламеняются и не способствуют распространению пламе­ни. При 420 - 500°С в них активно развиваются процессы термодеструкции с об­разованием до 40% кокса. Теплота сгорания волокон К-49 составляет 34,8 кДж/ч.

Арамидные волокна отличаются высокой химической стойкостью. Они сохра­няют свои свойства при действии многих растворителей, спиртов, жиров, масел, доста­точно стойки к воздействию щелочей и кислот. Свойства К-49 сохраняются при воз­действии 99,7% - ной СН₃СООН и 37% - ной НС1. Прочность снижается на 10% под воз­действием 48% - ной HF, на 60% — 70% - ной HNO₃, на 100% — 96% - ной H₂SO₄. К-49 устойчиво к действию NH₄OH, ацетона, бензола, МЭК, толуола, прочность снижается на 10% после воздействия КОН, на 0,5% - соленой воды.

Для арамидных волокон характерно взаимодействие с УФ - излучением и сол­нечным светом, сопровождающееся фотодеструкцией волокнообразующего полимера (таблица 4.5). При выдержке пряди волокон К-49 (157,7 текс) в течение 500 ч при облуче­нии дуговой лампой и периодической сменой влажного и сухого воздуха прочность снижается на 37%. В этих же условиях толстые нити К-49 (42,2 текс) сохраняют 67% прочности (21,6 текс - 50%).

Промышленные волокна Кевлар фирмы Du Pont широко используются в раз­личных областях техники (таблица 18.6). Сравнительные свойства волокон различных типов приведены на рисунках 18.6 - 18.8.

Таблица 18.5 - Устойчивость пряжи Кевлар-49 к УФ [1].

Тип волокна, (линейная плотность, текс)	Экспозиция	Разрывная нагрузка, Н	Потери σ+,%1)
Вид	Время, ч
29(166,6)	УКК, С		33,1
49(157,7)	УКК, ВС		32,4 32,4	25-32 37-46
29(веревка, d= 12,7 мм)	Ф, С	6 мес. 12мес. 24 мес.
49 (крученый корд, d=7,7 мм)	КК, С, В	100-200	—	41-52
49(плетеная ве­ревка, d=3,2 мм)	УКК, С		—

Примечания: УКК - климатрон с дуговой лампой, КК - климатрон, Ф - широта Флориды, С - сухая атмосфера, В - влажная атмосфера. 1) - изменения могут быть сведены к минимуму и полностью исключены при ис­пользовании не одиночных пучков волокон, а скрученных или плетеных нитей или нанесением светостойких покрытий. Многослойные текстолиты и волокиты обла­дают относительно высокой стойкостью к УФ.

Таблица 18.6 - Свойства промышленных волокон Kevlar фирмы Du Pont [14].

Свойства	Типы волокон
Kevlar	Kevlar Ht (129)	Kevlar He (119)	Kevlar Нр (68)	Kevlar 49	Kevlar Hm (149)
σ+, сН/текс
σ+, МПа
Е+, ГПа
ε+, %	3,6	3,6	4,5	3,1	1,9	1,5
Водопоглощение, %				4,2	3,5	1,2
ρ, г/см3	1,44	1,44	1,44	1,44	1,45	1,47
Тдест. , ºС	-500	-500	-500	-500	-500	-500

Примечание:

- Kevlar 29. I960 (1670 и 16700 д.текс), Т962 (1670, 3300) - веревки и кабели, Т961 (1670, 3300) - электромеханические кабели, Т963 (3300) - броня, Т 964 (220, 440) - для тканей, Т964 (1100, 1670) - броня воен­ной техники, Т973 (3300), Т974 (1670) - наполненные пластики, Т977 (1670) насос­ные прокладки.

- Kevlar Не (100): T964F (1100, 1670) - бронежилеты (различная окраска), T970F - штапели 38 мм.

- Kevlar Ht (129) высокопрочный, Т964С (840, 930, 1100), Т965С (1580) - броня воен­ной техники, Т956С (1670) - для РТИ.

- Kevlar Hm (149) высокомодульный Т968А (1580), Т965А (1270) - для ПКМ (без обра­ботки поверхности).

- Kevlar Нр (68) среднемодульные Т968В (для КМ и оплетка оптических воло­кон), Т956В - РТИ.

- Kevlar 49. Т965 (215, 420, 1270, 1580, 2400) - для КМ, бронежилетов, электромеханиче­ских кабелей; Т968 (215, 420, 1270, 1580, 2400, 3160, 4600, 5070, 7900) - для намот­ки, Т969 (5070) - для намотки; Т978 (1580) - канаты и кабели; Т989 (1580, 2400, 3160, 4800, 7900) -для оплетки оптических волокон. Kevlar staple T970 штапельные волокна длиной 6, 13, 38, 63 мм.

1 - Кевлар-29; 2 - Кевлар-49; 3 - полиэфир ПЭТФ Дакрон; 4 - найлон, ПА-6;

5 - стальная проволока; 1 -4 сухие крученые нити.

Рисунок 18.6 - Деформационные свойства органических волокон

(20°С, рабочая часть образцов 250 мм) [3].

1 - Кевлар-29, Кевлар-49; 2 - найлон (ПА-6); 3 - ПЭТФ Дакрон; 4 - ПАН Рейон.

(выдержка при температуре испытания 5 мин.)

Рисунок 18.7 - Температурная зависимость прочности нитей из полимерных волокон [3].

1 - борные, Е⁺ 379 ГПа; 2 - углеродные, Е⁺ 414 ГПа; 3 - углеродные, Е⁺ 260 ГПа; 4 - Кевлар-49 (ровннг крученый, Е⁺ 130 ГПа); 5 - стекло S (ровинг, Е⁺ 82,7 ГПа), 6 - стекло Е (ровинг, Е⁺ 68,9 ГПа); 7 - Nomex (Фенилон).

Рисунок 18.8 - Диаграммы σ⁺ - ε⁺ для различных волокон [1].