додати матеріал


Волокна

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство Освіти Російської Федерації

Алтайський Державний Університет ім. І.І. Ползунова

Контрольна робота

з фізикохімії композиційних матеріалів

на тему: Волокна

м. Барнаул

2009

Скляне волокно

Скляне волокно (скловолокно), штучне волокно, якi формуються з розплавленого неорганічного скла. Розрізняють безперервне скляне волокно-комплексні скляні нитки довжиною 20 км (і більше), діаметром монониток 3-50 мкм, і штапельне скляне волокно довжиною 1-50 см, діаметром волокон 0,1-20 мкм.

Отримання

Безперервне скляне волокно одержують фільєрним формуванням пучка тонких філаментів з розплавленої скломаси з наступною витяжкою, замаслювань намотуванням комплексної нитки на бобіну при високих (10-100 м / с) лінійних швидкостях. Штапельне скляне волокно формують шляхом розриву струменя розплавленого скла після виходу з фільєри повітрям, парою, гарячими газами або іншими методами. Його також отримують розрубанням комплексних ниток.

З безперервного скляного волокна роблять кручені комплексні нитки, односпрямовані стрічки, джгути. З крученої нитки виготовляють тканини, сітки, стрічки на ткацьких верстатах. Штапельні скляні волокна і пасма ниток, зрізані з бобін (довжина 0,3-0,6 м), використовують для виготовлення скловати, полотен, матів, плит.

Склад і властивості скляного волокна визначаються складом і властивостями волокнообразующего скла, з якого його виготовляють. У залежності від складу розрізняють кілька марок такого скла (табл. 1).

Найбільш важливі характеристики скляних волокон наведено в табл. 2.

Підвищена міцність скляного волокна (в порівнянні з вихідним склом) пояснюють по-різному: "заморожуванням" ізотропної структури високотемпературного розплаву скла або наявністю міцного поверхневого шару (товщина бл. 0,01 мкм), який утворюється в процесі формування внаслідок більшої деформації і витяжки по порівняно з внутрішніми шарами.

При короткочасному навантаженні скляне волокно веде себе практично як пружне тендітне тіло, аж до розриву підкоряючись закону Гука. При тривалій дії навантаження спостерігається зростання деформації, пружне післядія, залежне від складу скла і вологості повітря. Зі збільшенням діаметра волокна зростає опір вигину і кручення і зменшується міцність при розтягуванні. У вологому повітрі, у воді і у водних розчинах ПАР міцність скляного волокна знижується на 50-60%, але частково відновлюється після сушіння.

Додаткова обробка поверхні скляного волокна заоливлювача і шліхтою призводить до її гідрофобізації, зниження поверхневої енергії і електрізуемості, зниження коефіцієнта тертя від 0,7 до 0,3, збільшення міцності при розтягуванні на 20-30%. Поверхневі властивості скляного волокна і капілярна структура виробу визначають малу (0,2%) гігроскопічність для волокон і підвищену (0,3-4%) для тканин.

Застосування

Скляні волокна служать конструкційними, електро-, звуко-та теплоізоляційними матеріалами. Їх використовують у виробництві фільтрувальних матеріалів, склопластиків, скляної папери та ін

Для захисту від дії рентгенівського і радіоактивного випромінювання використовують т. зв. многосвінцовие і многоборние скляні волокна. Оптичні (світлопрозорі) скляні волокна застосовуються у виробництві світловодів і скловолокнистих кабелів.

Базальтове волокно

Сучасні темпи посилення впливу виробництва на природу і людину вимагають активізації робіт зі створення нових екологічно чистих матеріалів для теплоізоляції і звукоізоляції. Найбільший інтерес з таких матеріалів представляє базальтове волокно, одержуване з природних мінералів шляхом їх розплаву і наступного перетворення у волокно без використання хімічних добавок. Волокно, про який йде мова тільки умовно називається базальтовим. Насправді його виробляють з різних гірських порід близьких за хімічним складом - базальту, базанітов, амфиболитов, габродіабаз або їх сумішей.

Загальні відомості про базальтовому волокні

Відомо два основних типи базальтового волокна - штапельне і безперервне. Одним з найбільш важливих параметрів штапельного базальтового волокна є діаметр окремих волокон. У залежності від діаметра волокна ділять на: мікротонкіе, діаметром менше 0,6 мкм; ультратонкі, 0,6 - 1,0 мкм; тонкі, 1,0 - 3,0 мкм; тонкі, 9 - 15 мкм; потовщені, 15 - 25 мкм і грубі - діаметром 50 - 500 мкм. Діаметр волокон істотно впливає на найважливіші властивості виробів з нього: теплопровідність, звукопоглинання, щільність і ін У залежності від діаметра волокна використовується для різних цілей:

  • мікротонкое - для фільтрів дуже тонкого очищення газоповітряної середовища і рідин; виготовлення тонкого паперу і спеціальних виробів;

  • ультратонкі - для виготовлення надлегких теплоізоляційних і звукопоглинаючих виробів, паперу, фільтрів тонкого очищення газоповітряних та рідинних середовищ;

  • тонкі для виготовлення прошивних теплозвукоізоляційних і звукопоглинаючих виробів, картону, багатошарового нетканого матеріалу, теплоізоляційного в'язально-прошивного матеріалу, довгомірних теплоізоляційних смуг і джгутів, м'яких теплоізоляційних гідрофобізованих плит, фільтрів тощо

  • тонкі і потовщені волокна з гірських порід представляють собою шар безладно розташованих волокон діаметром 9-25 мкм і довжиною 5-30 мм. Отримують їх, в основному, методом вертикального роздування струменя розплаву повітрям і виробляють у вигляді полотен, прошивних матів;

  • грубі волокна являють собою відносно сипучу дисперсно-волокнисту масу з довжиною волокон 3-15 мм, діаметром 30-500 мкм, міцністю на розрив 200-350 МПа, питомою поверхнею 28-280 см2 / г. Волокна є корозійно-стійкими і можуть бути використані замість металу для армування матеріалів на основі в'яжучих.

Застосування в промисловості

Німецьке інженерне бюро EDAG розробило концепт автомобіля, при виробництві якого використано базальтове волокно. Як повідомляється "матеріал відрізняє легкість, міцність і екологічність, до того ж у виробництві він обійдеться дешевше алюмінію або вуглепластика".

Середній діаметр волокна

не більше 3,0 мкм

Масова частка неволокнистих включень "корольків" розміром понад 0,25%

не більше 4,8



Щільність

не більше 30,0 кг / м 3

Товщина

50,0 мм



Ширина

1000 мм

Коефіцієнт теплопровідності, Вт / м х К, не більше


при (25 ° +5 °) З

0,036

при (125 ° +5 °) З

0,058

при (300 ° +5 °) З

0,095

Температурний інтервал застосування

від -200 ° С до 700 ° С

Температура спікання волокна

1050 С.

Вологість не більше

1,0%

Вищелачіваемость в перерахунку на Na2O на 5000 см3

не більше 5,0%

Масова частка іонів хлору

не більше 5,0%

Коефіцієнт звукопоглинання для частот

від 100 до 2000 Гц 0,85-0,95

Група горючості

(Не горючий по ГОСТ 30244 і СНіП 21-01-97)

Розмір матів:

1000х3000 мм

Товщина

60, 80 мм.

Вуглецеве волокно

Вуглецеве волокно - матеріал, що складається з тонких ниток діаметром від 5 до 15 мікрон, утворених переважно атомами вуглецю. Атоми вуглецю об'єднані в мікроскопічні кристали, вирівняні паралельно один одному. Вирівнювання кристалів надає волокну більшу міцність на розтягання. Вуглецеві волокна характеризуються високою силою натягу, низькою питомою вагою, низьким коефіцієнтом температурного розширення та хімічної інертністю.

Отримання

Рис. 1 - Структури, які утворюються при окисленні ПАН-волокна

УВ зазвичай отримують термічною обробкою хімічних або природних органічних волокон, при якій в матеріалі волокна залишаються головним чином атоми вуглецю. Температурна обробка складається з декількох етапів. Перший з них являє собою окислення вихідного (поліакрилонітрильні, віскозного) волокна на повітрі при температурі 250 ° C протягом 24 годин. В результаті окислення утворюються сходові структури, представлені на рис. 1. Після окислення слід стадія карбонізації - нагрівання волокна в середовищі азоту або аргону при температурах від 800 до 1500 ° C. У результаті карбонізації відбувається утворення графітоподобних структур. Процес термічної обробки закінчується графітизації при температурі 1600-3000 ° C, яка також проходить в інертному середовищі. У результаті графітизації кількість вуглецю у волокні доводиться до 99%. Крім звичайних органічних волокон (найчастіше віскозних і поліакрилонітрильних), для отримання УВ можуть бути використані спеціальні волокна з фенольних смол, лігніну, кам'яновугільних і нафтових пеків.

Властивості

УВ мають виключно високу теплостійкість: при тепловій дії аж до 1600-2000 ° С у відсутності кисню механічні показники волокна не змінюються. УВ стійкі до агресивних хімічних середовищ, проте окислюються при нагріванні в присутності кисню. Їх гранична температура експлуатації в повітряному середовищі складає 300-350 ° С. Завдяки високій хімічній стійкості УВ застосовують для фільтрації агресивних середовищ, очищення газів, виготовлення захисних костюмів та ін Змінюючи умови термообробки, можна отримати ВВ з різними електрофізичними властивостями (питомий об'ємний електричний опір від 2.10 -3 до 10 6 му / см) і використовувати їх в якості різноманітних за призначенням електронагрівальних елементів, для виготовлення термопар і ін

Активацією УВ отримують матеріали з великою активною поверхнею (300-1500 м ² / м), що є прекрасними сорбентами. Нанесення на волокно каталізаторів дозволяє створювати каталітичні системи з розвиненою поверхнею.

Зазвичай УВ мають міцність порядку 0,5-1 Гн / м ² і модуль 20-70 Гн / м ², а піддані орієнтаційної витяжці - міцність 2,5-3,5 Гн / м ² і модуль 200-450 Гн / м ² . Завдяки низькій щільності (1,7-1,9 г / см ³) за питомою значенням (відношення міцності та модуля до щільності) механічних властивостей УВ перевершують всі відомі жаростійкі волокнисті матеріали.

Застосування

УВ застосовують для армування композиційних, теплозахисних, хемостойкіх в якості наповнювачів в різних видах вуглепластиків. Найбільш ємний ринок для УВ в даний час - виробництво первинних і вторинних структур в літаках «Боїнг» і «Аеробус» (до 30 тонн на один виріб). Через різке збільшення попиту в 2004-2006 рр.. на ринку спостерігався великий дефіцит волокна, що призвело до його різкого подорожчання.

З УВМ виготовляють електроди, термопари, екрани, які поглинають електромагнітне випромінювання, вироби для електро-і радіотехніки. Вуглецевий повсть - єдино можлива термоізоляція у вакуумних печах, що працюють при температурі 1100 ° C і вище. Завдяки хімічній інертності углеволокністого матеріали використовують в якості фільтруючих шарів для очищення агресивних рідин і газів від дисперсних домішок, а також в якості ущільнювачів і сальникових набивок. Ува і углеволокністого іонообмінники служать для очищення повітря, а також технологічних газів і рідин, виділення з останніх цінних компонентів, виготовлення засобів індивідуального захисту органів дихання. Широке застосування знаходять Ува (зокрема, актілен) в медицині для очищення крові та інших біологічних рідин. Широко застосовується в автоспорті як виготовлення деталей кузова.

Органічні (арамідні) волокна

Високомодульного і високоміцні органічні (арамідні) волокна характеризуються меншою щільністю, високими модулями пружності при стискуванні і вигині, а також великим модулем пружності і міцності при розтягуванні в порівнянні з тими ж показниками для волокон з Е-або S-скла.

За питомої міцності та модуля пружності в разі розтягнення органічні волокна з амідні групи перевершують всі відомі на сьогодні армуючі волокна і сплави, поступаючись за цими показниками лише вуглецевим і борним волокнах. У зв'язку з цим такі волокна часто називають високомодульних і високоміцними (міцність досягає 4,5 ГПа, а модуль пружності - до 160 гПа).

Щільність арамідних волокон (1450 кг/м3) значно нижче, ніж щільність волокон з Е-скла (2500 кг/м3). З арамідних волокон можуть бути отримані майже всі типи волокнистих армуючих наповнювачів: нитки, Ровінги, тканини різного плетіння, папір тощо.

Арамідні волокна характеризуються досить високою термостійкістю (у порівнянні з іншими типами органічних волокон). Вони не плавляться і не деструктуючих вплодь до температур 400 ° С і вище.

Арамідні волокна використовуються у виробництві полімерних композитів, оскільки температура переробки та експлуатації полімерних матриць нижче температури деструкції арамідних волокон.

Арамідні волокна, які виробляються у світі, зберігають свої властивості при тривалій витримці при температурі не вище 180 ° С, отже, ця температура є граничною для тривалої експлуатації матеріалів на їх основі. Це обмежує можливість застосування арамідних волокон в якості наповнювача для ряду поліамідів і полімідних сполучних, які призначені для виготовлення виробів, які працюють тривалий час при температурах понад 300 ° С. Арамідні волокна характеризуються дуже високою хімічною стійкістю.

Органічні волокна, які введені до складу термопласту, як правило, не погіршують його хімічну стійкість до різних середовищ, електроізоляційні властивості і морозостійкість. У той же час істотно зменшується плинність матеріалів при тривалому навантаженні, підвищується на кілька порядків тривала міцність, підвищується стабільність розмірів при тепловій дії, підвищується верхній температурний межа експлуатації та ін

Процес отримання волокон складається з двох стадій: синтезу поліамідів і формування. Синтез поліамідів - це низькотемпературна поліконденсація хлорангидридов ароматичних дикарбонових кислот і ароматичних діамінів. З отриманого продукту витягають волокна через фільєри зі швидкістю 60 м / с. Міцність таких волокон досягає 4.5 ГПа, а модуль пружності - до 160 ГПа. Взаємодія між фибриллами через водневих зв'язків виявляється слабким. Ця обставина визначає загальний для всіх високоорієнтованих волокон недолік: низьку поперечну міцність. У зв'язку з цим пружно-прочносние властивості полімерних композиційних матеріалів, армованих волокнами в напрямку, який не збігається з віссю волокна, визначаються в основному властивостями пов'язує і величиною адгезійного взаємодії.

У таблиці наведені фізико-механічні характеристики деяких видів арамідних волокон в порівнянні з характеристиками типових конструкційних сталей.



Органопластікі широко застосовують: в авіа-і космічної техніки, авто-і суднобудуванні, машинобудуванні для виготовлення елементів конструкцій, пулезащітной броні, радіопрозорого матеріалу; в електро-, радіо-та електронної техніки - для обмотки роторів електродвигунів, виробництва електронних плат з регульованою жорсткістю і високою стабільністю розмірів; в хімічній машинобудуванні - для виробництва трубопроводів, ємностей; для виробництва спортивного інвентарю та в ін галузях промисловості.

Арамідні волокна здатні витримувати протягом 1000 год статичне навантаження, за величиною рівної 90% від руйнівного напруження при розтягуванні, довгостроково працюють при підвищених температурах (180-200 ° С), мають високу втомної міцністю. Здатність поглинати механічні вібрації і звук в 2-4 рази вище, ніж склопластики, і в 10-40 разів вище, ніж у алюмінієвих сплавів.

Теплопровідність органічних волокон (наповнювач-тканини, джгути або нитки) в напрямку, перпендикулярному шарам, складає 0,012-0,020 Вт / (см • К), а коефіцієнт лінійного термічного розширення вздовж волокон може мати отріцатательное значення (напр., від -2 • 10 -6 до -4 • 10-6 К-1). Для арамідних волокон характерна висока хім. стійкість до дії органічних розчинників, мастил, рідких палив і води. Арамідні композити на основі поліімідних і фенольних сполучних володіють вогнестійкістю і низьким Димовиділення при горінні.

Поліолефінові волокна

Поліолефінові волокна, синтетичні волокна, одержувані головним чином з ізотактичного поліпропілену, поліетилену. Формують з розплавів полімерів екструзійних методом; випускають у вигляді комплексних ниток, монониток, ниток із орієнтовною плівки (плоскою і фібрілллірованной) і різаного волокна. Орієнтаційне витягування сформованих волокон (у 5-10 разів) здійснюють на обігрівається металевої поверхні або в повітряному середовищі при т-рі на 20-30 ° С нижче температури плавлення полімеру. Фібрильованих нитки виготовляють з орієнтованих смужок плівки шириною 1-50 мм і товщиною 25-80 мкм, пропускаючи їх через обертовий валок-фібріллятор, на поверхні якого розміщені голки (6-64 на 1 см). При контакті з ними на поверхні плівки утворюються надрізи, що збільшуються в розмірах. Фібріллірующее пристрій включає: фібріллятор; "плаваючий" вал для зміни кута обхвату фібріллятора плівкою; тягне блок, що складається з трьох валків, за допомогою яких плівка отримує необхідне натягнення.

Частина волокон і ниток випускають пофарбованими; фарбування проводять в масі органічними і неорганічними пігментами. Для підвищення стійкості поліолефінових волокон при нагріванні і УФ опромінення в поліолефіни на стадії їх синтезу або грануляції вводять стабілізатори (феноли, ароматіч. Аміни, аминофенол або ін з'єднання).

Основні властивості поліолефінових волокон наведені в таблиці. Міцність фібриля-ліррованних ниток з підвищенням ступеня фібриляції знижується. Волокна й нитки володіють високими діелектричними властивостями (е 2,1-2,5 при частоті 1.10 6 Гц). Важко спалахують, але горять. Гідрофобні, стійкі в кислота і лугах. Не розчиняються в неполярних органічних розчинниках (бензол, толуол, декалін, тетралін) через високу кристалічності поліолефінів при кімнатній температурі, але з підвищенням температури набухають, а потім розчиняються. Стійкі до дії мікроорганізмів.



Переваги поліолефінових волокон - висока еластичність і низька вартість завдяки доступності сировини; недоліки - низька світлостійкість і відносно невисока температура плавлення.

Розроблено спосіб отримання високомодульних (до 200 МПа) і високоміцних (до 5 ГПа) поліолефінових волокон з 2-3%-них розчинів поліетилену високої щільності (мол. м. 1,5-10 6). Сформовані нитки піддають високооріентаціонной витяжці до 40000%; використовують їх головним чином для одержання композиційних матеріалів.

Металеві волокна

Металеві волокна, отримують з металів (наприклад, Аl, Сu, Аu, Ag, Mo, ​​W) і сплавів (латуні, сталі, тугоплавких, напр. Ніхрому). Мають полікристалічну структуру. Випускають волокна, мононитки (тонкі дроту), дуже вузькі смужки (зазвичай шириною 0,5-1,5 мм). Основні методи отримання: волочіння дротів, стругання металевих заготовок, розрізання фольги на дуже вузькі смужки; охолодження струменя розплаву на холодній поверхні; розтягнення розплаву.

Механічні, термічні, хімічні та ін властивості більшості металевих волокон близькі до таких для відповідних металів і сплавів. Металеві мононитки, одержувані волочінням, мають осьову орієнтацію кристалів, менш дефектні, ніж інші види металевих волокон, і володіють високою міцністю і пружністю. Всі види металевих волокон електропровідні, негігроскопічні.

До металевих волокнах близькі також металізовані органічні волокна і нитки, властивості яких визначаються як властивостями підкладки, так і металевого шару. Широке поширення отримали покриті металами дуже вузькі смужки, нарізані з полімерних плівок.

Металеві волокна і металізовані волокна і нитки використовують для виготовлення текстильних виробів і їх обробки (наприклад, парчеві тканини, трикотаж із люрексом, неткані матеріали, повсть, антистатичні тканини і килими, галуни, шнури, військові відзнаки, шиття золотом і сріблом, ялинкові прикраси ). Високоміцні і термостійкі металеві волокна (молібденові, вольфрамові, сталеві) - армуючі наповнювачі для легких металів і сплавів, а також керамічних матеріалів, що істотно підвищує їх механічні властивості і теплостійкість. Металеві нитки, а також тканини та сітки з них - наповнювачі полімерних композиційних матеріалів (наприклад, фрикційних - для гальмівних колодок транспортних засобів); сітки застосовують також для розділення дисперсних систем (сита), у виробництві паперу та картону, сітки і повсть - для фільтрації рідин і газів (в т.ч. агресивних і гарячих); повсть - прокладочні й ущільнювальні матеріали. Багато видів металевих волокон (нитки, сітки, джгути та ін) використовують в електро-і радіотехніці.

Борні волокна

Найбільшого поширення набули волокна діаметром 100, 140 і 200 мкм. Безперервне борне волокно одержують методом хімічного осадження бору з газової фази. Реакційна камера являє собою скляну трубу з отворами для подачі газової суміші і видалення газоподібних продуктів реакції. Установка включає подає намотувальний барабан з вольфрамової ниткою підкладкою і прийомний намотувальний барабан для борних волокон. Вольфрамова нитка діаметром 12.7 мкм подається в реакційну камеру, в якій вона нагрівається від джерела постійного струму приблизно до 1300 "С. Перед цим вона нагрівається до сказу для видалення з її поверхні забруднень і змащення, що наноситься при її витяжці. Стехіометрична суміш трихлорида бору і водню вводять у верхню частину реакційної камери, в якій шар бору осідає на вольфрамової підкладці, нагрітої до 1300 ° С. При цьому протікає наступна реакція:

Регулюючи швидкість протягування вольфрамової нитки через реакційну камеру, можна отримувати борні волокна різного діаметру.

Структура і поверхневі властивості борних волокон

Поверхня борних волокон має зернисту структуру, що є результатом того, що в процесі отримання волокон спочатку бор осідає на активних центрах (зародках осадження), наявних на поверхні вольфрамової підкладки. Потім осадження відбувається пошарово з утворенням зерен, розміри яких поступово збільшуються, що призводить до їх зміщення з чітким проявом кордонів розділу. Серцевина борних волокон складається з суміші боридів вольфраму (W 2 B 5 і WB 4).

Мікроскопічними дослідженнями встановлено, що на поверхні борних волокон є тріщини, які обумовлюють зниження міцності. Причини виникнення тріщин: відхилення швидкості осадження від заданої, залишкові напруги, що виникають в процесі осадження бору та подібні (висока температура осадження, наявність домішок у газовій фазі).

Керамічні волокна

Керамічні матеріали мають низьку теплопровідність, мають чудові електроізоляційними властивостями при високих температурах і підвищеній вологості, можуть довго використовуватися при температурі 1000 ° С і короткочасно при більш високих температурах. Вироби з керамічних волокон застосовуються як тепловий бар'єр в різних технологічних процесах, що протікають при високих температурах (до 1150 ° С). Зокрема, при ущільненні дверей і люків теплових камер, рухомих елементів печей, компенсаційних швів футеровки печей і т.д. Хімічна стійкість виробів з керамічних волокон складає РН 5-11. Теплопровідність виробів з керамічного волокна становить 0,07 - 0,1 Вт / м градус.

Тип виробу

Марка

Ширина, мм

Товщина, мм

Щільність, г/м2

Робоча темпера-туру, оС

Керамічна тканину

YCR 105

1000-1500

2,0 - 3,0

1000,0 - 1500,0

800-1200

Керамічна стрічка

YCR 106

20-150

2,0 - 3,0

1000,0 - 1500,0

800-1200

Керамічний плетений шнур

YCR 102

Круглий перетин від 5 до 50 мм

0,4 кг/м3

800-1200


YCR 102

Квадратне перетин від 5 до 50 мм

0,4 кг/м3

800-1200

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Контрольна робота
61.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Оптичні волокна
Синтетичні волокна
Природні і синтетичні волокна
Штучні та синтетичні волокна
Процеси нитки і волокна в ОС Windows
Отримання мідноаміачного волокна целюлози хімічним методом
Модифікування ПАН волокна з метою зниження горючості
Вплив мікроелементів на врожайність і якість волокна льону боргу
Вплив умов вирощування на довжину волокна у зразків бавовнику
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru