Содержание

Листовые наполнители

 

Листовые и слоистые наполнители, к которым относятся ткани, холсты, сетки, бумага, пленки, ленты, фольга, шпон и др., находят широкое применение в производстве плоских и крупногабаритных изделий из ПКМ.

Ткани - получают в процессе ткацкого производства путем переплетения взаимно перпендикулярных продольных (основы) и поперечных (утка) стеклянных волокон диаметром 3-100 мкм. В зависимости от типа чередования нитей различают полотняное, саржевое, сатиновое переплетение; также, в определенных случаях могут использоваться многослойные и трикотажные ткани. Кроме типа плетения, ткани характеризуются плотностью (количеством нитей на 1 см2), толщиной и впитывающей способностью. Ткани изготавливаются в основном из крученых нитей, однако для  изготовления тканей используются также жгуты (стеклянные, углеродные). Такие ткани хорошо формуются и позволяют регулировать анизотропию свойств в изделиях.
В производстве различных видов изделий используют ткани из хлопковых, льняных, асбестовых, базальтовых, углеродных, стеклянных волокон, а также ткани на основе синтетических, в том числе высокопрочных углеродных волокон.

Свойства получаемых слоистых пластиков определяют: толщина, прочность и ее проницаемость для связующего раствора. Поэтому в производстве текстолита и стеклотекстолита чаще всего используют ткани полотняного и сатинового переплетения, а для изготовления изделий неправильной формы, получаемых методами прессования или штамповки, используют ткани с большей подвижностью нитей (например, атласного или трикотажного плетения). Увеличение плотности тканей ведет к повышению прочности при растяжении, но одновременно снижается прочность при межслоевом сдвиге.

Основными потребителями тканых наполнителей являются производство текстолита, стеклотекстолита и конструкционных изделий из стекло- и углепластиков, а также органопластиков.

Бумага - представляет собой слоистый материал из хаотически распределённых волокон, скрепленных связующим. Преимуществом материалов на основе бумаги является низкая стоимость, гладкая поверхность, легко регулируемая толщина, возможность изменения формы и размеров.

Бумаги, применяемые в качестве наполнителя, производятся главным образом из различных видов сульфатной целлюлозы; кроме того, для изготовления бумаги могут использоваться сульфитная целлюлоза, хлопковая целлюлоза, а также древесная масса. Бумаги отличаются по толщине, прочности, впитывающей способности и массе 1 м2. Основные области применения бумаги в качестве наполнителя - производство декоративных бумажно-слоистых пластиков (ДБСП) и производство электротехнического гетинакса,а также для изготовления сотового заполнителя при производстве сэндвич-панелей, в основном в самолето- и судостроении.

В производстве ДБСП применяют два вида бумаг - для внутренних слоев (крафт-бумага) и для наружных декоративных слоев (бумага-оверлей). Эти бумаги имеют существенные различия как в требованиях к используемому исходному сырью, так и предъявляемым свойствам. В производстве электротехнического гетинакса также используют два вида бумаг, что связано с различной технологией получения листового материала и изделий в виде труб и цилиндров. Такими сортами являются пропиточная и намоточная бумаги, отличающиеся впитывающей способностью.

В последние годы в связи с повышением требований к теплостойкости электроизоляционных изделий появились новые сорта бумаг на базе синтетических волокон.

Наряду с тканями и бумагой в качестве наполнителей ПКМ находят применение другие виды тканых и нетканых материалов из нитей и волокон. Для увеличения толщины пакета наполнителей, а также при изготовлении изделий сложной формы находят применение сетки — редкие ткани различного переплетения, в том числе трикотажные, жгутовые. Однако наибольшее распространение для этих целей, а также при изготовлении изделий из армированных пластиков, когда не предъявляются высокие требования к механическим характеристикам, находят маты и холсты из стеклянных, базальтовых, асбестовых и других видов волокон.

Холст - представляет собой полотно из дезориентированных рубленых стеклянных волокон, связанных друг с другом полимерным связующим.

Другой вид нетканых материалов  - иглопробивные холсты, которые получаются при пробивке иглами волокнистого холста; за счет возвратно-поступательного движения игл происходит перепутывание волокон, фиксирующее волокнистую структуру, которая потом закрепляется с помощью связующего.

Стекломаты - это рулонные материалы, состоящие из хаотически расположенных штапельных нитей или волокон. Получают методом раздува стекловолокон, выходящих из фильер, с последующим осаждением на подложку и скреплением стежками, связующим или без него. Стекломаты используют для формирования покрывного слоя, тогда как холсты наряду со жгутовыми тканями обладают рядом технологических преимуществ по сравнению со стеклянными тканями при формировании крупногабаритных изделий. Маты из случайно ориентированных волокон позволяют реализовывать в изделиях двумерную жесткость.

Шпон – листовой наполнитель, представляющий собой тонкий лист материала, имеющего волокнистую структуру, ориентированную в одном  направлении. Так, в производстве дельта-древесины используется шпон из лиственных пород деревьев (в первую очередь березы). Другой разновидностью такого рода наполнителей является стеклошпон, получаемый путем нанесения связующего на непрерывное стекловолокно, выходящее из плавильной печи. Волокно наматывается на цилиндрическую оправку и по достижении необходимой толщины разрезается и снимается в виде листового полуфабриката. Таким материалом в частности является СВАМ.


В качестве слоистых наполнителей в ПКМ также находят применение различные материалы в виде монолитных лент (стеклолента) или полученные путем ткачества - из стеклянных, базальтовых, углеродных и синтетических волокон. Ленточные наполнители значительно расширяют технологические возможности при формовании изделий методами намотки и выкладки, упрощают операции формования всевозможных ребер, отбортовок, местных утолщений и т. д.

Стеклолента как армирующий наполнитель обладает уникальными свойствами. Из этих свойств следует отметить отличные механические (прочность и жесткость), теплофизические  (термический коэффициент расширения), химические свойства (коррозионная стойкость и стойкость к химическим реагентам) и диффузионные характеристики (коэффициент проницаемости).

Наиболее привлекательная сторона использования ленты как армирующего наполнителя, обусловлена исключительно ее геометрией и заключается в изотропном увеличении жесткости и прочности в плоскости ленты.

Жесткость и прочность ленточных композитов в плоскости ленты аналогичны свойствам композитов на основе матов из случайно ориентированных волокон. Материалы, обладающие двумерной жесткостью и прочностью, находят применение в строительстве, в аэрокосмической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности. В частности, ленточные композиты могут иметь преимущества при использовании в элементах конструкции летательных аппаратов, например в крыльях самолетов, в производстве корпусов судов, цистерн, трубопроводов, корпусов автомобилей, шин с ленточным кордом, в качестве армирующих элементов в строительстве и в различных деталях машин.

Указанные преимущества ленты также способствуют уменьшению доли наполнителя в композите и как следствие – снижению стоимости производства, в результате  того, что лента,  в отличии от волокна не требует ориентации для достижения изотропных свойств. Кроме того, благодаря прямоугольному сечению ленты степень наполнения может быть увеличена по сравнению с волокнами. При одинаковых механических свойствах степень наполнения ленточных композитов на 50-60% меньше, чем степень наполнения композитов на основе волокна. Другими словами, ленты, в 2 раза менее прочные, чем волокно, могут обеспечить такую же прочность композита, как композит на основе волокна при их квазиизотропном распределении.

Обычно для изготовления квазиизотропного композита из непрерывного волокна необходимо уложить достаточно большое число слоев однонаправленных жгутов под различными углами, например 0°, ±45°, 90°. Однако в некоторых областях применения, особенно в аэрокосмической промышленности, требуются более тонкие изотропные элементы, чем те, которые могут быть получены описанным способом, поэтому использование ленточных наполнителей становится особенно заманчивым. Толщина однонаправленного жгута составляет 0,05—0,15мм, а для достижения квазиизотропных свойств необходима укладка жгутов как минимум по трем или четырем направлениям, В противоположность этому плоские изотропные ленточные структуры могут быть получены в виде очень тонких листов, поскольку толщина ленты может  быть  доведена до  0,01мм (при использовании специальных марок стекла и могут иметь толщину от 0,0076 мм при ширине до 400-500 мм).
Изотропное упрочнение, обеспечиваемое ленточными наполнителями, обусловлено большим коэффициентом формы ленты (отношение ширины к толщине) аналогично однонаправленному упрочнению композитов на основе волокон.

Композиты на основе ленточных наполнителей имеют меньшее термическое расширение и диффузионные свойства по сравнению с композитами, упрочненными волокнами. Из-за повышенной  жесткости стекла ленты,  достаточно ее небольшой объёмной доли (около 0,3), для того чтобы понизить коэффициент расширения композита на десятичный порядок. Это свойство стеклоленты особенно важно  в тех случаях, когда  необходимо  сохранение стабильности размеров изделий.

Коэффициент проницаемости композитов со стеклолентой для низкомолекулярных веществ также значительно меньше, чем в случае композитов, упрочненных волокнами, вследствие извилистости диффузионного пути, обеспечиваемого большим коэффициентом формы ленты.  Низкая проницаемость является очень важным фактором в таких изделиях из композитов, как контейнеры, сосуды высокого давления и трубопроводы, в  которых хранятся и транспортируются ценные жидкости.

Описанные выше уникальные свойства ленточных композитов реализуются при использовании стеклоленты для армирования пластмассовых труб. Экономичным способом изготовления таких труб может быть намотка ленты с нанесенной на нее матрицей на оправку намоточного станка. Свойства полученных таким образом труб превосходят стальные по всем характеристикам, кроме жесткости, хотя по удельной жесткости они эквивалентны.


Одним из принципиальных недостатков композитов из стеклоленты является высокая чувствительность к дефектам. Наличие отверстий и щелей значительно снижает их прочность. Например: трансверсальная прочность трубы диаметром 50,8 мм c двумя диаметрально противоположными отверстиями диаметром 3,175 мм или бруска со свежеотрезанными краями уменьшается в 2-5 раз из-за концентрации напряжений и наличия вторичных микротрещин вблизи отверстий и надрезов. Травление поверхности около отверстий и надрезов смесью HF с HNO3 уменьшает концентрацию напряжений из-за увеличения радиуса дефекта и восстанавливает прочность до значения, соответствующего бездефектному образцу. Другой способ уменьшения потери прочности заключается в использовании ленты с меньшим коэффициентом формы (около 90).


Кроме стеклянных лент, в последнее время находят применение ленты на основе графита и бора. Возможность получать на подложке графитовые пленки очень малой толщины (0,0025-0,01мм) делает их исключительно интересными для получения тонких листов графитовых композитов, для которых достижение необходимой прочности при использовании волокон недостижимо из-за большой толщины нитей (~0,127 мм). Представляют интерес также борные ленты (пленки), однако до сих пор ожидаемых прочностных показателей у этих пленок достигнуть не удалось.

Значительно более широкое применение находят тканые ленты, в первую очередь из углеродных и стеклянных волокон. Из-за особенностей технологии получения углеродных волокон ленты получают на стадии ткачества исходных поли-акрилонитрильных нитей; в дальнейшем лента проходит все технологические стадии получения углеродных волокон. Такая технология получения лент связана также с хрупкостью углеродных волокон, что препятствует получению лент из уже сформированных углеродных волокон.

В качестве наполнителя в ПКМ могут использоваться также металлические пленки (фольги); однако они, как правило, используются в целях формирования специфических свойств — как токопроводящие жилы (в том числе в ленточных проводах), как проводящие компоненты печатных плат в электротехнике и электронике, для экранирования электромагнитного излучения и для защиты от него в радиотехнических и радиолокационных устройствах.