CC BY
125
УДК 623.445
Морозова Т.В., Дворцевая А.М., Куприянова Е.В., Осипчик В.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АРАМИДНЫХ ВОЛОКОН РУСАР-С В СРЕДСТВАХ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ БРОНЕЗАЩИТЫ
Морозова Татьяна Владимировна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс, инженер 1 категории АО «ЦНИИСМ», e-mail: [email protected];
Дворцевая Анастасия Миркаримовна, аспирант кафедры технология переработки пластмасс; Куприянова Елена Владимировна, ведущий конструктор отделения АО «ЦНИИСМ»; Россия, 141371, Московская область, Сергиево-Посадский район, г.Хотьково, ул.Заводская 1. Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технология переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
На протяжении многих десятилетий учеными ведутся работы по созданию высокопрочных арамидных волокон с рекордными характеристиками, используемых в различных сферах промышленности. В настоящей работе изучаются свойства текстильных и композитных материалов на основе волокон третьего поколения Русар-С и возможность их применения в средствах индивидуальной бронезащиты с целью расширения ассортимента высокопрочных тканей и повышения защитных свойств изделий.
Ключевые слова: арамидные волокна, ткани, композитные материалы, бронезащита
RESEARCH OF PROMISING ARAMID FIBERS RUSAR-S IN PERSONAL PROTECTIVE EQUIPMENT
Morozova T.V., Dvortsevaya A.M., Kupriyanova E.V., Osipchik V.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Joint-stock company «Central Scientific Research Institute of Special Machine Building», Russia, Hotkovo
For many decades, scientists have been working to create high-strength aramid fibers with record-breaking characteristics used in various industries. In this paper, we study the properties of textile and composite materials based on the third generation Rusar-S fibers and the possibility of their use in individual armor protection in order to expand the range of high-strength fabrics and increase the protective properties of products.
Keywords: aramid fibers, fabrics, composite materials, armor.
Арамидные волокна для средств индивидуальной бронезащиты разработали в 70-х годах прошлого века. Сначала это были Кевлар и СВМ, схожие по химическому составу, но отличающиеся технологией производства. Несмотря на довольно высокую стоимость, данные материалы показали наилучшие физико-механические свойства при снижении веса изделий и поэтому нашли широкое применение в текстильных и композитных защитных конструкциях. Позже, в результате непрекращаемой работы российских ученых по улучшению характеристик арамидных волокон разработаны нити второго поколения Армос и Руслан с еще более высокой прочностью. При плотности в 5 раз меньше, прочностные свойства арамидов в 3,5 раза больше самых высокопрочных марок стали.
За счет своих высоких характеристик арамидные волокна нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: армирование
автомобильных шин, изготовление сверхпрочных тросов, оплетки оптических и иных кабелей, спортивного оборудования и инвентаря, в судостроении, горном деле, но все же большую популярность снискали в производстве средств индивидуальной бронезащиты, а также армированных композиционных материалов для ракетной, авиационной и атомной отраслей.
Во времена «холодной войны» и бесконечных военных конфликтов в различных странах разработка вооружений не стоит на месте. Постоянно
появляются все новые виды боеприпасов и оружия, что влечет повышение требований к защитным свойствам средств бронезащиты. Поэтому непрерывно ведутся работы по поиску новых материалов для обеспечения необходимого уровня стойкости изделий.
С 2003 года предприятие АО НПП «Термотекс» начало выпуск отечественных супернитей третьего поколения Русар-С, идентичных по составу нитям Армос и Руслан. Они имеют самые высокие в мире физико-механические характеристики (таблица 1).
Таблица 1. Свойства некоторых марок арамидных
волокон
Наименование показателя Кевлар Руслан Русар-С
Плотность, г/см3 1,44 1,46 1,45
Удельная разрывная нагрузка нити, сН/текс до 220 от 240 от 260
Удлинение нити при разрыве, % 2,7-3,5 2,0-3,0 2,0-3,0
Модуль упругости при растяжении, ГПа 130-140 150-155 165-175
Прочность нити в микропластике, кг/мм2 380-400 450-475 530-600
Количество филаментов, шт. 1000 300 200
Существенным отличием технологии их производства от нитей СВМ, Армос и Руслан является сухо-мокрое формование. Такие показатели
нитей Русар-С достигнуты еще и за счет максимальной реализации резервов, заложенных в химическом составе волокнообразующего полимера, и за счет оптимизации технологических операций на всех стадиях изготовления нитей.
Качественное отличие технологии сухо-мокрого формования заключается в том, что создание нити протекает в газовой среде, образованной воздушной прослойкой в 3-5 мм между зеркалом фильеры и поверхностью осадительной ванны. При этом волокна образуются в результате испарения растворителя прядильного раствора. Наличие сложной по составу газовой среды, насыщенной парами растворителя, осадителя и др., позволяет смягчить режим структурирования филаментов за счет резкого снижения сдвиговых нагрузок на гель-волокно, испытываемых в жидкой среде осадительной ванны. Сухо-мокрое формование позволяет убрать эффект «луковицы», создавать нити с менее дефектной оболочкой и более плотным ядром, чем у аналогичных Армоса и Руслана мокрого способа формования.
Таблица 2. Сравнительные физико-механические и баллистические характеристики тканей на основе волокон Русар-С и Руслан_____
Описание ткани Поверхностная плотность, г/м2 Разрывная нагрузка полоски ткани 25х100 мм, Н Удлинение при разрыве полоски ткани 25х100 мм, % Противоосколочная стойкость У50, м/с
основа уток основа уток
29,4 текс саржа 2/2 Руслан 127 3800 3640 5,6 4,9 586
Русар-С 125 3420 3740 4,9 4,8 618
саржа 3/3 Руслан 142 4050 3767 5,5 4,6 562
Русар-С 147 4407 4493 4,5 4,0 579
58,8 текс полотно Руслан 153 3930 5180 6,0 5,2 539
Русар-С 155 4860 3720 7,3 4,8 553
саржа 2/2 Руслан 148 4100 4840 5,2 5,1 543
Русар-С 154 4560 3670 5,0 4,0 565
100 текс полотно Руслан 236 5210 5520 8,9 4,3 475
Русар-С 226 5450 4400 6,9 2,6 538
саржа 2/2 Русар-С 228 5340 6190 3,4 4,0 537
саржа 3/3 Русар-С 230 5540 8630 3,5 4,7 540
мкм против 12 мкм нитей Руслан и 9 мкм нитей Кевлар. Увеличенный диаметр филаментов и, как следствие, более высокая скорость звука в них, по мнению авторов [1], играют существенную роль в волновых процессах, протекающих в ткани при баллистическом ударе.
Крутка нитей Русар-С находится в пределах 0-50 круток/м, у аналогичных нитей Руслан - 50-100 круток/м, Кевлар - 0 круток/м. Пониженное количество кручений несколько негативно влияет на разрывную нагрузку тканей, однако при воздействии поражающих элементов приводит к повышению защитных свойств средств индивидуальной бронезащиты за счет более плотного распределения высокопрочных волокон в структуре изделия, повышения площади взаимодействия и силы трения с пулей или осколком.
Влагопоглощение оранопластиков на основе волокна Русар-С в разы меньше, чем на нитях первого и второго поколения, и составляет примерно
До сегодняшнего дня арамидные нити Русар-С использовались в небольших количествах при создании конструкционных высоконагруженных органопластиков для ракетной, авиационной и атомной отраслей промышленности. Но уже сейчас начались работы по внедрению нитей третьего поколения Русар-С и в средства индивидуальной бронезащиты, для чего они всесторонне исследуются в составе изделий такого рода.
На основе волокон Русар-С изготавливаются низкокрученые нити линейной плотностью 29,4, 58,8, 100 текс для переработки их в ткани специального назначения. Для исследования их свойств и сравнения со штатными тканями на основе нитей Руслан с целью оценки возможности применения в изделиях бронезащиты были изготовлены различные образцы и проведены испытания. Основные физико-механические характеристики тканей и противоосколочная стойкость бронепакетов на их основе приведены в таблице 2.
Далее были изготовлены серийно выпускаемые изделия из тканей на основе волокон Русар-С. Проведены испытания по определению осколочной стойкости, результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3. Противоосколочная стойкость серийно выпускаемых изделий на основе волокон Русар-С и Руслан____
Противоосколочная стойкость Уз0, м/с На основе волокна Руслан На основе волокна Русар-С Разница, %
Общевойсковой шлем 673 710 5,5
Общевойсковой бронежилет 564 575 2,0
Хорошие баллистические свойства нитей Русар-С обусловлены, видимо, бездефектной структурой волокна, низкой круткой и диаметром филаментов. Диаметр элементарных нитей Русар-С составляет 16
1% [2]. Данное свойство открывает широкую возможность применения нитей третьего поколения в композитных материалах. Ведь известно, что при набухании волокон происходит резкое ухудшение их механических свойств вследствие эффекта пластификации и увеличения их поперечного сечения [3].
Для баллистической защиты экономически целесообразно использовать композитные
600
Крутка, кр/м Прочность при Прочность лри Осколочная изгибе, МПа растяжении, МПв стойкость, м/с
и Руслан и Русар-С
Рис. 1. Сравнительная гистограмма основных характеристик композитных материалов на основе нитей Руслан и Русар-С
Из данных таблиц и рисунка видно, что использование новых волокон приводит к улучшению главной характеристики защитных изделий - осколочной стойкости. Применение нитей Русар-С в средствах индивидуальной бронезащиты возможно и оправдано. Различие осколочной стойкости в 10% является очень существенным показателем композита из нитей Русар-С. Ведь при прочих равных условиях повышение баллистической стойкости защитной панели на 1% требует увеличения прочности исходной нити на 45% [4]. В рассматриваемом же случае прочность нити Русар-С повысилась на 20%, что в очередной раз доказывает высокую эффективность ее применения. Кроме того, при грамотном подборе
материалы на основе нитей высоких линейных плотностей. По опыту известно, что в композите вес нити не играет большой роли, а трудоемкость изготовления изделий снижается с уменьшением количества слоев ткани. Поэтому для исследований нами выбраны материалы на основе нитей Русар-С 100 текс и полиуретанового связующего. Физико-механические характеристики и осколочная стойкость приведены в таблице 4 и на рисунке 1.
свзязующих, замасливателей, гидрофобных составов, переплетений тканей и др. можно оптимизировать свойства новых волокон для создания еще более высокопрочных изделий.
Список литературы
1. Бова В.Г. и др. Новый ассортимент арамидных нитей «Русар-С» для баллистической защиты и конструкционных органокомпозитов // Материалы конференции «Полимерные композиционные материалы нового поколения для гражданских отраслей промышленности». Научное электронное издание локального распространения. ФГУП ВИАМ. - М., 2015. - С. 129-135.
2. Тихонов И.В. и др. Арамидные нити Русар-НТ и сферы их применения // Материалы конференции «Полимерные композиционные материалы нового поколения для гражданских отраслей промышленности». Научное электронное издание локального распространения. ФГУП ВИАМ. М. -2015. - С. 31-41.
3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. - СПб.: Научные основы и технологии, 2009. - 380 с.
4. Харченко Е.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Том 2. Современные защитные структуры и средства индивидуальной бронезащиты. - М., 2014. - 332 с.
Таблица 4. Свойства композитных материалов на основе разных типов арамидной ткани
Тип армирующей ткани Прочность при изгибе, МПа Прочность при растяжении, МПа Осколочная стойкость, м/с
Волокно Крутка, кр/м
Руслан 50 80 400 430
Русар-С 16 100 500 475
Различие, % 25 25 10
