Разработка и создание ударопрочных многослойных композиционных материалов с использованием нетканых полотен и плетеных изделий

УДК 677.026.424:625.877

Ю. М. Трещалин, В. В. Хамматова, М. Ю. Трещалин, А. М. Киселев

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УДАРОПРОЧНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН И ПЛЕТЕНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Ключевые слова: композиционный материал, нетканое полотно, плетеная лента, структура, нить, волокно.

Рассматривается возможность создания многослойных композитов на основе нетканых полотен и плетеных лент. Приводятся результаты анализа структуры и взаимодействия отдельных слоев в образцах композиционных материалов.

Keywords: composite material, non-woven cloth, woven tape, fabric, thread, fiber.

The possibility of creating multi-layered composites based on non-woven cloths and woven tapes. The results of the analysis of the structure and interaction of the individual layers in the samples of composite materials.

Введение

Результаты проведенных исследований композитов на основе нетканых полотен дают возможность сделать вывод о высокой эффективности применения таких материалов в гражданских секторах экономики во многом благодаря наличию изотропных свойств.

Для создания ударопрочных композиционных материалов, используемых, например, для изготовления изделий, предназначенных для механической защиты различных инженерных сооружений, включая магистральные трубопроводы, представляется целесообразным использовать комбинированную основу, состоящую из нетканых полотен и плетеных изделий, изготовленных из углеволокнистых и полиамидных нитей.

Причем, учитывая неориентированное расположение мононитей, нетканое полотно помещается между плетеными структурами. В этом случае, особенно при применении вакуумной пропитки, происходит сжатие текстильных структур и, можно предположить, что единичные мононити будут проникать в структуру плетеных изделий, способствуя более тесному контакту и улучшению взаимодействия отдельных слоев основы, что, в конечном итоге, позволит повысить сопротивление слоистого композита нагрузкам в процессе эксплуатации.

Таблица 1 - Характеристики образцов нетканых полотен «Холлофайбер»

Учитывая, что пропитку слоев основы связующим предполагается осуществлять совместно в едином пакете, следует ожидать значительного увеличения прочности композиционного материала при его растяжении и изгибе за счет ориентированного расположения нитей в плетеных структурах.

Экспериментальная часть

В процессе создания слоеных композитов использовались следующие составляющие основы и связующее:

1. Нетканые полотна «Холлофайбер», характеристики которых приведены ниже (табл. 1).

2. Плетеные изделия в виде ленты, изготовленные из полиамидных и углеволокнистых нитей. Характеристики изделий даны в табл. 2.

Измерения геометрических размеров указанных образцов проводились при помощи прибора для определения толщины FC - 01 (Венгрия) и штангенциркуля электронного MATRIX (погрешность измерений ± 0,02 мм). Фотографии образцов составляющих основы представлены на рис. 1.

Обозначение образца Марка образца Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Длина, мм Ширина, мм Масса, г Поверхностная плотность, г/м2 Объемная плотность, кг/м3 Пористость, 4

1х Холлофай-бер хард 19,21 204 47,25 4,663 483,774 25,183 0,9595

1с Холлофайбер софт 8,41 209,3 48,5 3,934 387,546 46,082 0,9259

3с Холлофайбер софт 13,25 204,75 47,75 3,731 381,637 28,803 0,9537

1200х Холлофайбер хард 60,74 209,8 59,10 15,745 1269,815 20,906 0,9664

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №°23 Таблица 2 - Характеристики образцов плетеных изделий

Обозначение образца Волокнистый состав нити Угол плетения, град Количество нитей (веретен) Толщина, при удельном давлении 2,0 кПа, мм. Длина, мм Ширина, мм Масса, г Поверхностная плотность, г/м2 Объемная плотность, кг/м3

П1 Полиамид 50 48 1,64 132,33 33,1 4,643 1060,107 646,407

П2 Полиамид 50 60 2,475 143 78,5 15,594 1389,123 561,262

ПУ Угле-волокно 30 168 1,725 134,38 132,7 20,012 1122,127 649,925

а б

Рис. 1- Составляющие волокнистой основы: а -нетканые полотна; б - плетеные изделия

3. Связующее, приготовленное на базе полиэфирной смолы POLYLITE 516-М855, что обусловлено его высокой адгизонной способностью с полиамидными нитями и полиэфирными мононитями, как было экспериментально установлено, а также с углеродными волокнами [1 - 3].

Полиамидные нити формируются из расплавов полиамидов - группы пластмасс на основе синтетических соединений. Как правило, для производства полиамидных нитей применяют линейные алифатические полиамиды или ароматические растворы полиамидов [4, 5].

К техническим показателям полиамидных нитей (волокон) относят: стойкость к истиранию и очень большим нагрузкам, высокую прочность при растяжении, способность противостоять разнообразным биохимическим воздействиям и химическим реагентам. Кроме того, полиамидные нити не являются токсичными, не оказывают никакого вредного влияния на здоровье человека, не окисляются, не гидро-лизуются и не плесневеют со временем.

Полиамидные нити широко применяются в производстве резинотехнических изделий, текстильно-галантерейных, канатных и сетевязальных изделий, бинтовочных лент, тарных, кордонных и фильтровальных тканей [6].

В соответствии с поставленной целью, композиционный материал должен обладать стабильными и ударопрочными свойствами. С учетом этих требований и низкой стоимости сырья наиболее подходят нити, изготовленные из полиамида 6А, плотностью 1130 кг/м3.

Углеродные волокна обладают высокими прочностными свойствами, низкой плотностью и температурным коэффициентом линейного расширения, устойчивостью к ионизирующему излучению, высокотемпературному воздействию, тепло- и электропроводностью, химической стойкостью [7, 8].

Углеродные волокна представляют собой непрерывный жгут из множественного числа отдельных углеродных нитей — филаментов. При производстве ровинг (жгут из углеволокна, получаемый сращиванием нескольких

элементарных углеволокнистых нитей)

подвергается термической обработке при температуре около 1700 °С. Материал применяется при создании элементов конструкций, требующих повышенной жёсткости и прочности, а также при изготовления изделий методом пултурзии и намотки. После пропитки углеродного жгута эпоксидным, полиэфирным или

эпоксивинилэфирным связующим, получаются материалы, обладающие максимальными значениями жёсткости. Углеродные жгуты могут быть использованы в качестве армирующих элементов различных конструкций [9].

При проведении исследований применялись углеволокнистые нити марки Тепах-Е HTS45 Е23 12К 800 tex фирмы То^Тепах (Токио, Япония), успешно используемые в настоящее время в авиационно-космической промышленности [10, 11].

При создании изделий из композитов, основу которых составляют указанные нити, обеспечивается высокая адгезия и баланс механических свойств независимо от смол, применяемых для приготовления связующего. Равномерное распределение волокон дает возможность получить заданную поверхностную плотность изделия [12].

Изготовление образцов композиционных материалов в виде пластин осуществлялось методом вакуумной пропитки. Полученные образцы композитов представлены на рис. 2.

Характеристики изготовленных композитов даны в табл. 3.

Изучение структуры полученных композитов проводилось при помощи микроскопа БИОЛАМ.

Как видно на рис. 3, наблюдается эффект сжатия комплексных полиамидной и углеволокнистой нитей в процессе вакуумной пропитки, состоящих

из отдельных, в большинстве своем, параллельно расположенных филаментов.

На рис. 3 а четко просматриваются расположение и ориентация филаментов углеволокнистой нити. Полиамидная плетеная структура (рис. 3б) имеет четко различимые углы армирования, а также ориентацию отдельных филаментов нити. Хорошо заметно заполнение связующим всего свободного пространства плетеных изделий. В целом, можно отметить, что плетеные составляющие полностью пропитаны связующим и выглядят сплошным композиционным материалом.

Таблица 3 - Характеристики образцов композиционных материалов

г

Рис. 2 - Образцы изготовленных композитов на основе: а - плетеных изделий из полиамидной нити; б - плетеной ленты из углеволокнистой нити; в - нетканых полотен; г - сочетания плетеных изделий из полиамидной и углеволокнистой нитей

Обозначение образца Толщина, мм. Длина, мм Ширина, мм Масса, г Поверхностная плотность, г/м2 ¡2 а ьт с о н т «^ н м е ^ б О

1 2 3 4 5 6 7

X 2,79 200,6 46,204 27,3619 2952,1318 1058,11177

о 2,17 207,2 46,516 2 3 9 6, ,2 2 2354,5267 1085,03537

о СП 2,234 2 0 2 43,94 20,3024 2287,3676 1023,88879

с 1,784 6 9 50,19 17,0009 1728,2185 968,73233 4

сч с 2,47 101,26 59,268 15,0406 2506,1495 1014,6354 1

ПУ 1,366 235,1 ,6 5 23,496 1781,4697 1304,1505 9

1200 х 6,52 0 9 6 3 54,2082 7925,1754 1215,5177 1

Пакет 1хП1 6,258 0 9 48,29 66,4379 7241,1091 1157,0963 7

Пакет 1сП2 6,634 127,2 51,038 48,6909 7500,0998 1130,5546 9

Окончание табл. 3

1 2 3 4 5 6 7

Пакет 3сП1 5,432 190,6 50,746 60,7282 6278,6417 1155,8618 7

Пакет Х1200П2 9,16 00 102,3 9841,2891 1074,3765 4

воздушных включении в пограничном слое не наблюдается.

а б

Рис. 3- Структура поверхностей слоеного композиционного материала: а -углеволокнистая лента; б - полиамидная лента

При изучении торцевых срезов изготовленных слоеных композитов (рис. 4), в структуре образцов не обнаружены пузырьки воздуха, что указывает достаточно высокое качество пропитки.

Рис. 4 - Торцевой срез слоеного композиционного материала

Следует, также, отметить отсутствие трещин, изломов на границе раздела структурных элементов и связующего, как в нетканом полотне, так и плетеных изделии, что позволяет сделать заключение о хорошем взаимодеиствии отвержденноИ матрицы и волокон (полиэфирных, полиамидных и углеродных) составляющих основы.

Особенный интерес представляет

взаимодеиствие составляющих основы на границах раздела нетканое полотно - углеволокнистая лента (рис. 5), полиамидная лента - нетканое полотно (рис. 6).

Как видно на фотографиях, границы раздела между прослойками не ровные, имеет место проникновение полиэфирных нитей нетканой прослойки в структуру плетеных лент. Трещин и

Рис. 5 - Граница раздела нетканое полотно

На рис. 5 можно наблюдать четкую границу раздела нетканого полотна и углеволокнистого плетеного слоя. Нижняя часть пакета имеет характерное преобладание белого цвета в связи с большей плотностью нетканой прослойки в сжатом состоянии. Хорошо заметны срезы торцов полиэфирных волокон. В верхней, углеволокнистой, части преобладает структура полимеризованной матрицы, что видно по микросколам (волнисто-ребристой поверхности) и дает возможность судить, о большем, по сравнению с нетканым полотном, коэффициенте заполнения порового пространства связующим.

Рис. 6 - Граница раздела полиамидная лента

Если на стыке углеволокнистая лента - нетканое полотно видна четкая граница раздела, то при контакте с полиамидной прослойкой такого эффекта не наблюдается. Анализ рис. 6 позволяет отметить взаимное проникновение структурных элементов нетканой и полиамидной прослоек, вследствие чего четкая граница между слоями отсутствует. Возможно, такой тесный контакт обусловлен

сжатием пакета после создания вакуума до момента

проникновения связующего в образец.

Литература

1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочник.- М.: 1981. -736 с.

2. Васильев В.В. Композиционные материалы. Справочник / В.В. Васильев.- М.: Машиностроение 1990. -510 с.

3. Рабинович Л.Л. Введение в механику армированных полимеров: Л.Л. Рабинович. - М.: Наука, 1970. - 482 с.

4. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: монография / Г.Е. Кричевский. - М.: Изд. РосЗИТЛП. т. 1, 2000 - 436 с.; т. 2, 2001 - 540 с.; т. 3, 2001 - 298 с.

5. Перепелкин К. Е. Физико-химические основы формирования химических волокон: монография / К.Е. Перепелкин. - М., Химия, 1978. - 320 с.

6. Электронный ресурс. - Режим доступа: http: //rotang .rmmti-poliamidnyie/

7. Электронный ресурс. - Режим доступа: М1р://гае.гшМонографии>34-887. Композиционные материалы на основе бутадиен-стирольных каучуков . Химические волокна.

8. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://RusTM.net>catalog/article/185.html Перепелкин К. Е. Полимерные композиты на основе химических волокон, их основные виды, свойства и применение. Журнал «Технический текстиль» №13, 2006

9. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.carbo-carbo.ru/production/carbon_rovings.

10. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7807,

11. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://teijin-russia.ru>business/carbon_fiber/

12. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.waset.org/publications/10000350/adhe sion-problematic-for-novel-non-crimp-fabric-and-surface-modification-of-carbon-fibres-using-oxy-fluorination Adhesion Problematicfor Novel Non-Crimp Fabricand Surface Modificationof Carbon-Fibres Using Oxy-FluorinationlrisKappler, PaulMatthai, ChokriCherif.

© Ю. М. Трещалин - материаловед-исследователь, mtreschalin@mail.ru; В. В. Хамматова - зав. кафедрой "Дизайн", "Казанский национальный исследовательский унтверситет", venerabb@mail.ru; М. Ю. Трещалин, д.т.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, mtreschalin@mail.ru; М. В. Киселев, д.т.н., профессор «Костромской государственный технологический университет», kisselev50@mail.ru.

© Y. M. Treshchalin - a materials researcher, mtreschalin@mail.ru; V. V. Khammatova - head. the Design Department, Kazan National Research Technological University, venerabb@/mail.ru; M. Y. Treshalin, Ph. D., Professor of MSU named after M. V. Lomonosov, mtreschalin@mail.ru; M. V. Kiselev, doctor of technical Sciences, Professor "Kostroma state technological University", kisselev50@mail.ru.