Ассортимент и применение
СВ разнообразного состава широко используются в качестве армирующих элементов КМ в виде элементарных волокон разного диаметра, нитей и жгутов различной толщины, лент, тканей разнообразного плетения, матов, холстов и других нетканых материалов. Это обусловлено свойствами СВ, доступностью и распространенностью сырья и относительно простой технологией их получения и переработки.
Из непрерывных и штапельных СВ изготовляются различные волокнистые наполнители (рисунок 2), которые делятся на две большие группы - тканые и нетканые.
Рисунок 2 – Схема переработки СВ
Текстильная стекловолоконная пряжа (пряжа — нить, состоящая из относительно коротких текстильных волокон, соединенных с помощью скручивания) - 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 избегания 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), подвергнутая воздействию струи воздуха, которое вызывает случайное, но контролируемое разрушение элементарных стекловолокон, расположенных на поверхности пряжи, и «распушение» пряжи. Этот процесс известен как «текстурирование», или создание «объемной» пряжи. Происходит разрушение поверхностных элементарных волокон, пропитываемость такой пряжи повышается.
Стекловолоконные ровинги представляют собой объединение непрерывных и параллельных стренг (жгутов) или элементарных волокон. Традиционный ровинг производится совместным прядением нескольких простых стренг, число которых (не более 60 штук) определяется требованиями последующей переработки (параметром ровинга может являться длина единицы его массы). Отдельная стренга (жгут), так называемая составляющая, состоит из объединенных элементарных стекловолокон. Элементарные волокна вытягивают из бушинга, число отверстий в котором соответствует числу филаментов в стренге, что в свою очередь определяется потребностью последующей переработки.
Ровинг получают в основном из G- или К-волокон. Могут быть использованы и более толстые волокна. Развес ровинга лежит в основном в пределах 3600¸450 м/кг (или 276¸2222 текс). В зависимости от назначения различают три типа ровингов: тип Р - рассыпающийся ровинг для изготовления жестких и мягких холстов, получения стеклопластиков способом напыления рубленых нитей, производства премиксов; тип Т - ровинг для выработки тканей; тип Н - ровинг для изготовления стеклопластиков методом намотки и протяжки и наполнения термопластов. Ассортимент, характеристики и требования, предъявляемые к ровингам, регламентированы ГОСТ 17139 - 79.
Большая часть стеклоровинга перерабатывается в грубые ткани, потребность в которых возникает, если есть необходимость быстрого набора толщины материала на большой поверхности. Ткань из ровинга выпускается с различной плотностью (0,407¸1,356 кг/м2) и различной толщины (0,51¸1,02 мм). Ткань из стекловолоконного ровинга, пропитанная термореактивным полиэфирным связующим, может перерабатываться в композиционный материал методом ручной выкладки.
Тканые наполнители (ткани, сетки, ленты) получаются путем текстильной переработки и тканья крученой комплексной стеклонити, стекложгута, штапелированной пряжи и ровницы. Для текстильной переработки используются СВ диаметром 3¸11 мкм. Выпускаемые промышленностью тканые наполнители различаются по составу стекла, характеристикам нитей, лежащих в их основе, виду переплетения, толщине, прочности, виду замасливателя и другим показателям. Ассортимент, характеристики и назначение тканых наполнителей приведены в ГОСТ 5.1737 - 72, 8481 - 75, 19170 - 73, 19907 - 74 и во многих публикациях.
Многослойные стеклянные и комбинированные ткани и цельнотканые контурные заготовки (из стеклянных, углеродных, асбестовых и синтетических нитей) служат наполнителями в КМ, применяемых в изделиях конструкционного, теплозащитного и радиотехнического назначения, которые должны иметь значительную толщину и не расслаиваться при продольном сжатии и интенсивной тепловой нагрузке. В трехмерных армирующих наполнителях с объемной структурой нити расположены по трем взаимно перпендикулярным направлениям (х, y, z). Изготовленные на основе таких наполнителей КМ имеют одинаковые или близкие значения механических характеристик по трем главным направлениям, что определяет их существенные преимущества перед слоистыми КМ и позволяет эффективно использовать в авиа- и судостроении, в космической технике.
Нетканые наполнители обладают рядом технических и экономических преимуществ по сравнению с ткаными. Большинство нетканых наполнителей, предназначенных для получения высокопрочных ПКМ, не имеет характерного для ткани изгиба нитей, что значительно уменьшает степень повреждения элементарных волокон. Нетканые наполнители вырабатываются по непрерывным, менее трудоемким и более высокопроизводительным по сравнению с ткаными технологическим процессам.
Наиболее прочные и высокомодульные КМ получают при использовании элементарных СВ, вытягиваемых непосредственно из фильер стеклоплавильного сосуда при одновременном нанесении на них полимерного связующего. Высокую прочность имеют также комплексные нити (крученые и некрученые), состоящие из непрерывных элементарных СВ (50¸800 штук), склеенных между собой замасливателем. Комплексные стеклянные нити используются непосредственно как нетканый армирующий наполнитель в виде непрерывных, рубленых и однонаправленных нитей и волокон, а также служат основным полуфабрикатом для производства многих нетканых материалов. Однонаправленные стеклянные нити и волокна представляют собой срезы с бобин или других упаковок стеклянных комплексных нитей или непрерывных элементарных волокон. Основные характеристики комплексных стеклянных нитей, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в ГОСТ 8325 - 78, 10727 - 73.
Рисунок 2 – Схема группового распределения нетканых материалов из СВ по видам и способы их получения
Вместо стеклянных нитей и в комбинации со стеклянными тканями, сетками или с другими видами нетканых материалов используются рулонные нетканые материалы (толщина до 2 мм), называемые холстами (матами). Существуют три основных типа матов из стекловолокон: маты из резаных нитей, из непрерывных нитей и декоративные маты или покрытия. Маты из резаных волокон изготовляют обычно в виде нетканых материалов, в которых стекловолокна получают резкой путанки или непрерывного жгута на штапельки длиной 25,4¸50,5 мм. Волокна имеют преимущественно случайное распределение в горизонтальной плоскости и удерживаются вместе химическими связующими. Плотность таких матов составляет 0,229¸0,916 кг/м2, и они могут иметь толщину 50,8¸1930,4 мм.
Маты, получаемые из нерезаных непрерывных жгутов стекловолокна, раскладываются и соединяются в виде спирали. Такие маты достаточно упруги при сравнительной разреженности структуры, а благодаря механическому переплетению не требуют дополнительной связи для создания необходимой прочности. Декоративные маты или покрытия - это очень тонкие маты из простых, непрерывных нитей; используются как декоративные поверхностно-армированные слои при получении композитов методом ручной выкладки или при расплавном прессовании как компонент отделки и армирования поверхности.
Очень близки к стеклотканям по структуре и свойствам вязально - прошивные и перекрестные клееные нетканые материалы, представляющие собой ориентированные рулонные нетканые наполнители, которые лишены некоторых недостатков тканых наполнителей (нити не перегибаются). Нетканые вязально-прошивные материалы - это свободно наложенные друг на друга стеклянные жгуты в 10 или 20 сложений (основа и уток), прошитые кручеными стеклянными, капроновыми или другими нитями. В нетканых перекрестных материалах связь между продольной и поперечной системами нитей или ровингов осуществляется путем склеивания с помощью жидкого связующего или термопластичных нитей, вводимых в структуру материала и подплавляемых на одной из стадий технологического процесса.
Большой деформативностью, хорошей формообразующей способностью, но меньшей прочностью при растяжении обладают стеклотрикотажные материалы. Используются они как наполнители КМ, из которых получают изделия сложной конфигурации, в случае, если к КМ не предъявляются высокие требования по механическим характеристикам.
Для каждого конкретного применения обычно используют то волокно, в котором реализуется максимальное число необходимых свойств. Так, например, в авиа- и ракетостроении при создании обтекателей используются высокие прочностные и хорошие электрические свойства армирующих стекловолокон. При создании печатно-наборных плат должны быть соблюдены условия реализации хороших электрических свойств и высокой размеростабильности. Стекловолокна обеспечивают эти качества и при изменении внешних условий, и в процессе технологических операций.
Большое разнообразие стекловолокон, как армирующего агента в КМ, требует максимального сохранения свойств в условиях высокой влажности. Для этих целей предпочтительнее волокна из L-стекол, так как они максимально устойчивы к воздействию воды. При кипячении в течение 1 ч волокно из Е - стекла теряет 1,7 % массы, в то время как те же потери для волокон из других стекол составляют 0,13 % для S-стёкла и 11,1 % для А-стекла. Хотя при часовой экспозиции потери массы S-стекла меньше, чем L-стекла, при длительном кипячении волокна из S-стекла теряют массу больше, чем из Е-стекла. В результате этого происходит существенное снижение свойств S-волокон. Таким образом, если композиты должны сохранять в течение длительного времени стабильные свойства, желательно использовать для их армирования Е-стекла. Высокая прочность при растяжении и малая диэлектрическая проницаемость волокон из Е-стекол также являются важным фактором при их использовании.
Однако волокна из Е- и А-стекол разрушаются под действием кислот и щелочей, в то время как S-стекла прекрасно сохраняются при воздействии этих реагентов. Поэтому S-стекла применяются в таких средах, как, например, сепараторы в аккумуляторных батареях.