CC BY
11
УДК 623.445:677.017
Морозова Т.В., Куприянова Е.В., Осипчик В.С., Яковлева К. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМАЧИВАЕМОСТИ АРАМИДНЫХ ВОЛОКОН НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАНОКОМПОЗИТОВ
Морозова Татьяна Владимировна - аспирант 4-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс, инженер 1-ой категории АО «ЦНИИСМ»; morozova-tv@mail.ru.
Куприянова Елена Владимировна - аспирант 4-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс, ведущий конструктор АО «ЦНИИСМ»;
Осипчик Владимир Семенович - д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Яковлева Ксения Андреевна - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс; АО «ЦНИИСМ»,
Россия, 141371, Московская область, Сергиево-Посадский район, г. Хотьково, ул. Заводская. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Проведены экспериментальные исследования по определению смачиваемости (капиллярности) различных арамидных волокон, в том числе некрученых волокон третьего поколения Русар-С, обладающих рекордными прочностными характеристиками в микропластике, связующими холодного отверждения. Определено влияние данного показателя на физико-механические характеристики органокомпозитов на основе тканых структур, применяемых в средствах индивидуальной бронезащиты.
Ключевые слова: арамидные волокна, ткани, композитные материалы, связующее, бронезащита.
STUDY OF THE INFLUENCE OF WETTABILITY OF ARAMID FIBERS ON STRENGTH CHARACTERISTICS OF ORGANOCOMPOSITES
Morozova T.V.1,2, Kupriyanova E.V.1,2, Osipchik V.S.2, Yakovleva K.A.2
1 Joint-stock company «Central Scientific Research Institute of Special Machine Building», Hotkovo, Russian Federation
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
Experimental studies have been carried out to determine the wettability (capillarity) of various aramidfibers, including untwisted fibers of the third generation Rusar-S, which have record strength characteristics in microplastics, cold-curing binders. The influence of this indicator on the physical and mechanical characteristics of organocomposites based on woven structures, used in personal body armor, has been determined. Key words: aramid fibers, fabrics, composite materials, binder, armor.
Введение
Процесс изготовления композитов в жидкой среде всегда связан с пропиткой волокон, которая зависит, в первую очередь, от капиллярных свойств армирующего материала, а также от сил межмолекулярного взаимодействия связующего. Кроме того, для улучшения качества пропитывания капиллярного текстильного каркаса и формирования монолитного материала используют воздействие повышенных температур и давления прессования.
Одним из условий обеспечения высоких механических свойств композита является наличие значительного взаимодействия волокон с матрицей и его монолитность. Данные условия выполняются при обеспечении хорошей смачиваемости
(капиллярности) волокон связующим, а также высокой адгезией между слоями, характеризуемой усилием расслоения на границе раздела волокно-матрица [1].
Кроме того, механические характеристики композитного материала определяются прочностью волокон армирующей составляющей. Для изделий бронезащиты наибольшее распространение получили арамидные нити, самые прочные из которых волокна российского производства - Руслан, Армос, Русар-С.
Прочность волокна Русар-С в микропластике доходит до 550-600 кг/мм2. Такие высокие механические свойства сочетаются с относительно малой плотностью - 1400-1500 кг/м3. Композиты на основе арамида используются при изготовлении спортивных снарядов, в авиа- и космической технике, в автомобилестроении.
Экспериментальная часть
Для оценки смачиваемости волокон, используемых при изготовлении органокомпозитов для бронезащиты, проведена экспериментальная работа по определению их капиллярности. При определении данной характеристики используют метод измерения высоты поднятия жидкости за определенный промежуток времени при нормальных условиях по ГОСТ 29104.11-91. Суть данного метода продемонстрирована на рисунке 1. Для исследования капиллярности выбраны самые распространенные в настоящее время арамидные нити Армос, Руслан и Русар-С линейной плотности 58,8 текс.
Разрывные нагрузку и удлинение однослойных композитных материалов, изготовленных на основе различных текстильных структур с использованием арамидных волокон определяли на разрывной
машине УТС-110М-100-ОУ с максимальной нагрузкой 10 т. При определении данных показателей руководствовались ГОСТ 29104.4-91.
Композитные образцы изготавливали путем пропитывания арамидной ткани жидким полимерным связующим и отверждения в прессе под давлением 3,5 кг/см2 при комнатной температуре. В качестве матрицы использовано два типа связующих холодного отверждения: эпоксидное (смола ЭД-20, лапролат 803, лапроксид БД, ПЭПА) и эпоксиуретановое (форполимер уретановый СКУ-ПФЛ-100, смола ЭД-20, диамет Х, ацетон), как наиболее часто применяемые при изготовлении бронезащитных изделий методом ручного формования.
В качестве армирующей составляющей выбраны ткани различной текстильной структуры на основе арамидных нитей Русар-С линейной плотностью 58,8 текс.
нити
Результаты и их обсуждение
Результаты экспериментов по определению капиллярности арамидных нитей представлены в таблице 1. Из нее видно, что капиллярное поднятие
эпоксидного связующего на 70% выше, чем эпоксиуретанового, что возможно связано с их различной вязкостью. Самые высокие показатели смачиваемости получены на эпоксидном связующем и некрученых нитях Русар-С. Волокна Русар-С получают методом сухо-мокрого формования, при котором расплав полимера попадает в осадительную ванну через воздушную прослойку, в отличие от остальных испытанных волокон, полученных методом мокрого формования, непосредственно в осадительную ванну. Благодаря такому способу формования, волокна Русар-С имеют более упорядоченную структуру, что, видимо, влияет на показатель капиллярности. Кроме того, в некрученых нитях процесс смачиваемости связующим происходит еще эффективнее за счет распрямленности волокон.
Таблица 1. Данные по капиллярному поднятию
связующих по арамидным нитям различных марок
Нить Высота капиллярного поднятия связующего, мм
эпоксидное эпоксиуретановое
Армос 7,1 4,1
Руслан 7,3 4,2
Русар-С 7,9 4,6
Русар-С 9,7 5,7
некрученый
В таблицах 2, 3 приведены показатели разрывной нагрузки и относительного удлинения при разрыве однослойных органокомпозитных материалов, изготовленных на основе тканей различного переплетения из нитей Русар-С линейной плотности 58,8 текс и двух типов связующего холодного отверждения в сравнении с аналогичными исходными «сухими» тканями.
Влияние показателя капиллярности волокон на прочностные характеристики композитных материалов на их основе наглядно продемонстрировано на рисунке 2.
Таблица 2. Результаты испытаний по^ определению разрывной нагрузки однослойных органопластиков
Переплетение Разрывная нагрузка Разрывная нагрузка композита, кгс / Прирост (снижение) по
ткани, количество исходной ткани, кгс отношению к исходной ткани
кручений нити Эпоксидное связующее Эпоксиуретановое связующее
саржа 2/2, 50 кр/м 615,5 533,5 -13% 562,1 -9%
саржа 2/2, 0 кр/м 517 611,8 +18% 569,4 +10%
саржа 5/1, 50 кр/м 549,5 509,8 -7% 534,9 -3%
саржа 5/1, 0 кр/м 503 527,6 +5% 502,3 0%
Переплетение Относительное Относительное удлинение композита, % / Прирост (снижение)
ткани, количество удлинение по отношению к исходной ткани
кручений нити исходной ткани, % Эпоксидное связующее Эпоксиуретановое связующее
саржа 2/2, 50 кр/м 6,2 4,5 -27% 5,1 -18%
саржа 2/2, 0 кр/м 5,6 5,2 -7% 5,0 -11%
саржа 5/1, 50 кр/м 6,3 4,4 -30% 4,8 -24%
саржа 5/1, 0 кр/м 5,6 4,4 -21% 4,4 -21%
Таблица 3. Результаты испытаний по определению удлинения при разрыве однослойных органопластиков
Рис. 2. Прочность однослойных органокомпозитных материалов на основе тканей различной текстильной структуры и связующих холодного отверждения в сравнении с прочностью аналогичных исходных тканей
Если провести анализ данных таблиц 1, 2 и рисунка 2, то видно, что в композитах на основе некрученых волокон Русар-С, имеющих самый высокий показатель капиллярности, разрывная нагрузка возрастает по отношению к исходной ткани до 18%, тогда как в аналогичных материалах на основе предварительно скрученных волокон прочностные характеристики снижаются до 13%. Видимо это связано с тем, что связующее лучше и равномернее распределяется в ткани из некрученых нитей, заполняя все межволоконные пространства, и чему способствует повышенная капиллярность. Особенно явно это заметно в материале с переплетением саржа 2/2, где пропитка связующим затруднена из-за наличия большого количества перегибов нитей в структуре ткани.
Относительное удлинение при разрыве во всех исследуемых композитных материалах снизилось до 30% по сравнению с исходной «сухой» тканью, но наименьшее снижение данного показателя установлено в органопластике на основе некрученых нитей. Для композитных материалов свойственно
уменьшение показателя удлинения при разрыве за счет закрепления нитей в структуре пластика связующим, что негативно отражается на возможности их распрямления и вытягивания.
Таким образом, из проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что повышение капиллярности арамидных нитей положительно сказывается на прочностных свойствах органокомпозитных материалов. В случае использования в качестве армирующей составляющей некрученых нитей разрывная нагрузка эпоксипластика возрастает до 18%, а эпоксиуретанопластика - до 10% по отношению к исходной ткани.
Список литературы
1. Ибатуллина А.Р., Сергеева Е.А. Методы исследования поверхностных и физико-механических характеристик арамидных волокон в процессе создания композиционных материалов // Вестник казанского технологического университета. 2012. Т.15. №11. С. 113-117.
