Файл: УП Наполнители.doc

7 – торец фибриллы

Рисунок 14.1 – Модель волокнистой структуры частиц древесины

Частицы древесной муки характеризуются удельной наружной поверхностью S_нар, которая изменяется в зависимости от размера частиц. Например, для древесной муки из опилок и стружки ели с размером частиц 0,25 мм S_нар = 212 м²/кг, а для частиц в размером 4,6 мм S_нар = 8,1. Для волокнистой структуры древесины характерны еще два типа удельной поверхности: внутренняя капиллярная (S_к) и межфибриллярная (S_м). Значения S_к и S_м определяют степень проникновения связующего внутрь древесного наполнителя (т.е. степень наполнения и качество пропитки наполнителя, величину межфазного слоя и его структуру и свойства) и также изменяются в широких пределах, в зависимости от природы древесины (от 173 м²/г для сосны до 215 м²/г для осины).

Важным показателем для частиц древесной муки является влажность, т.к даже размеры частиц могут значительно увеличиваться при повышенном содержании влаги, кроме того влага находится и в капиллярах и в межфибриллярном пространстве, что как правило требует тщательной сушки наполнителя перед совмещением со связующим.

Свойства частиц древесной муки определяется породой древесины, возрастом и местом расположения частицы в стволе. Плотность, кроме этого, сильно зависит от влажности, например, для сухой древесной муки из ели плотность равна 0,42 г/см³, а при 8%-ной влажности уже 0,437 г/см³; для сухой древесной муки из сосны 0,47 г/см³, при 8%-ной влажности – 0,491 г/см³.

Насыпная плотность древесной муки зависит от многих факторов (влажность, размеры и формы частиц, порода древесины) и находится в пределах  0,100 – 0,220 г/см³. Древесная мука обладает выраженными сорбирующими свойствами, а  также тиксотропными качествами (мажется, но не течет).

Характер разрушения при механическом нагружении древесины хрупкий. Прочность при растяжении вдоль волокон древесины из сосны составляет 103 МПа, из ели 100 МПа, из пихты 65,5 МПа; прочность при сжатии 45, 39, 34,5 МПа соответственно.

Основными недостатками древесной муки являются низкие влаго-, тепло- и химстойкость.

Основная литература:

1. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие / Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски; Пер. с англ./Под ред. П.Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1981. – 736 с.

2. Энциклопедия полимеров. – М.: Советская энциклопедия, 1972-1977. – Т. 1-3.

3. Вигдорович А.И., Сагалаев Г.В., Поздняков А.А. Древесные композиционные материалы в машиностроении: Справочник. – М.: Машиностроение, 1991. – 240 с.

15 Стеклянные волокна

Одним из основных типов армирующих наполнителей для получения ПКМ (или армированных пластиков, АП) являются волокнистые наполнители на основе стеклянных волокон. Стеклянные волокна получают высокоскоростной вытяжкой из однородной стекловидной массы, представляющей собой искусственно получаемый сплав различных оксидов, основным из которых является оксид кремния SiО₂. Состав и количество других типов оксидов определяет особенности и состава и свойств получаемого стекловолокна. Стеклянные волокна изготавливают в виде непрерывных или штапельных волокон и ваты. Непрерывные и штапельные волокна применяют в качестве армирующих наполнителей, стекловату, получаемую методом раздува, использую в качестве теплоизоляционного материала и в производстве фильтров. Из стеклянных волокон путем специальной обработки (вытяжки, кручения, плетения) получают различные стекловолокнистые наполнители: нити и жгуты, ровинги и плетеные ленты, ткани, рубленную стеклопряжу и маты на ее основе, комбинированные и измельченные волокна. Стеклянные волокна являются также исходным материалом для получения стеклянных чешуек, грубых холстов, пропитанной связующими пряжи и плетеных веревок, фильтрующих материалов, элементов волоконной оптики и т.п. Стекловолокнистые наполнители могут быть получены из волокон различного диаметра и состава.

Изделия конструкционного и общего назначения из стеклопластиков находят широкое применение в автомобиле-, приборо-, самолето- и судостроении, электротехнике, строительстве, производстве технологической оснастки и инструментов, транспортных средств, антикоррозионной защиты. Области их применения неуклонно расширяются по мере совершенствования составов и технологии получения стекловолокнистых форм.

Наполнители на основе стеклянных волокон характеризуются высокой твердостью, грибо-, хим- и термостойкостью, исключительно высокой прочностью при растяжении, идеальной упругостью вплоть до разрушения (предел текучести не проявляется, а удлинение при разрыве не превышает 3-5%), высокой удельной поверхностью и наличием на ней гидроксильных групп, обеспечивающих полное смачивание наполнителя полимерными связующими, химическое взаимодействие гидроксильных групп волокна с функциональными группами связующего и высокую прочность сцепления матрицы с волокном на границе раздела фаз, низкие механические потери даже по сравнению с металлами. Стеклянное волокно хорошо перерабатывается на текстильном оборудовании благодаря малому диаметру волокон и относительно низкому модулю упругости волокна (не более 100 ГПа).

В настоящее время разработаны различные составы стекол специального назначения, из которых получают волокна отличающиеся повышенными электрическими свойствами, термо-, щелоче- или кислотостойкостью, прочностью или жесткостью, способностью поглощать жесткие излучения, например, рентгеновские.

К недостаткам стекловолокнистых наполнителей можно отнести высокую хрупкость, обусловливающую резкое снижение прочности стекловолокон при наличии поверхностных дефектов. Это требует защиты поверхности стекловолокон нанесением замасливателей и/или аппретов. Для стекловолокон характерна очень гладкая поверхность без волнистости или выступов, что затрудняет фиксирование их при укладке по слоям. Для стекло и волокон на их основе характерен относительно низкий уровень усталостной прочности при действии напряжений, превышающих предел пропорциональности, а также сравнительно низкий модуль упругости при растяжении. Высокая гидрофильность поверхности стекловолокон обусловливает повышенное водопоглощение, что отрицательно сказывается на прочностных характеристиках изделий на их основе во влажной атмосфере.

15.1 Исторический очерк

По всей вероятности первым творцом стеклянных волокон была природа. При извержении вулканов капли лавы, подхваченные сильными порывами ветра, вытягивались в достаточно длинные волокна и оседали в виде волокнистой массы на деревьях. Такие природные стеклянные волокна известны под названием «волос Пеле». Птицы использовали их для упрочнения своих гнезд. Природные стеклянные волокна встречались во многих точках земного шара, например, на Гавайях вблизи вулкана Килауи и в 1906 г. около Везувия [1].

Стеклоделы древней Сирии, Греции и Египта умели вытягивать волокна из нагретого стеклянного прутка и украшать ими изделия. Они владели техникой вытягивания стеклянных волокон задолго до изобретения метода раздува трубок (примерно в 250 г. до н.э.). Получаемые стеклянные волокна укладывали на поверхности с помощью специального инструмента, создавая искусные узоры на изделиях их стекла.

Позже, в 16-17 вв., тонкие стеклянные волокна и нити использовали стеклодувы Венеции и Рима для «сплетения кружев», украшавших тонкостенную посуду. В 1650-1720 гг. английские, немецкие и французские ремесленники научились вытягивать тонкие волокна из расплавленной стеклянной массы, а позже, в 1832 г., стали получать стеклянные нити из разогретого стеклянного блока, вытягивая их с помощью вращающегося колеса. Однако в это время стеклянные волокна получали только ради любопытства. Пытались, правда использовать их в производстве тканей в сочетании с другими типами волокон, а также для изготовления елочных украшений, например, хвостового оперения птиц.

В конце 19 в. Стеклянные волокна, получаемые вытягиванием из нагретых прутков (штабиков), пытались использовать в производстве одежды и галстуков, что было продемонстрировано на ярмарке в Чикаго в 1893 году. Впервые промышленный выпуск стеклянного волокна в США был осуществлен в 1930 г. для производства полупрозрачных стеклянных панелей конструкционного назначения, изготавливаемых из плоских листов оконного стекла с проложенными между ними цветными стеклянными волокнами. Однако такое использование стеклянных волокон не могло стимулировать значительного расширения их производства.

Массовое промышленное производство стеклянного волокна в США явилось итогом десятилетних исследований фирм «Оуэнс-Иллинойс Глас Компании» и «Корнинг Глас Воркс», объединившихся в 1937 г. в компанию «Оуэн Корнинг Файберглас Корпорейшн», совместно с университетом Пурдью. Были разработаны принципы массового производства стеклянного волокна и конкретные технологические процессы получения нерпрерывного и штапельного волокна, а также стеклянной ваты. Один из первых заводов по производству стеклянного волокна был построен в г. Ньюарке (штат Огайо, США) и принадлежал фирме «Оуэн Корнинг Файберглас Корпорейшн». Из производимой на этом заводе стеклянной ваты изготавливали теплоизоляцию и грубые воздушные фильтры. А из непрерывных волокон – ткани, после пропитки которых лаком получали слоистые пластики электротехнического назначения. Разработка в 1935 г. полиэфирных смол и стеклопластиков на их основе послужила мощным стимулом для быстрого развития промышленности стеклянного волокна и композиционных материалов на его основе.

Особенно широко применялись стеклянные волокна стали с СА во время второй мировой войны, и в первую очередь в качестве наполнителей пресс-композиций и слоистых пластиков. Достаточно быстро и с большой изобретательностью были разработаны методы формования изделий из стеклопластиков на основе полиэфирных связующих, отверждающихся при низком давлении, и различных типов стекловолокнистых наполнителей. Из этих материалов изготавливали непробиваемые баки одноразового использования для горючего, антенные обтекатели, приклады для винтовок, облегченные элементы конструкций самолетов, наземных транспортных средств и военного снаряжения.

В послевоенное время большие усилия были направлены на то, чтобы, воспользовавшись накопленным в течение войны опытом, найти применение стекловолокнистым материалам и в мирной жизни. Основным препятствием для этого служил высокий уровень цен. Несколько американских и иностранных фирм купили производство стеклянного волокна. Проведение широких научных исследований по совершенствованию технологии получения стеклянного волокна и различных типов армирующих наполнителей на его основе подготовило почву для быстрого роста объема их производства, начавшегося в 1965 г.

К 1980 г. в США ежегодно производилось более 450 тыс. т стеклопластиков. Совершенствование рецептуры и технологии позволило освоить промышленный выпуск стеклянных волокон с повышенной химической стойкостью, с более высоким модулем упругости и другими специфическими свойствами. Использование новых типов полимерных матриц, обладающих высокими физико-механическими характеристиками, и усовершенствованной технологии формования позволяет в настоящее время получать из стеклопластиков корпуса судов длиной более 45 м, балки сложной конфигурации и опорные фермы, используемые в конструкциях, работающих в контакте с химически агрессивными средами, отделочные материалы, применяемые в строительстве, элементы конструкций автомобилей, которые могут быть изготовлены значительно быстрее, чем аналогичные элементы конструкций из металлов, а по уровню конструкционных свойств, качеству поверхности и окрашиваемости не уступающие им, а в некоторых случаях и превосходящие их (например, по вибростойкости, ударостойкости, массовым характеристикам, ремонтопригодности и т.п.)[1].