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; СCl – 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].