Особенности получения и отделки трудногорючих и огнестойких волокон и материалов на их основе

Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре 5-10 °C. Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.

Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку 5-20 мм и попадают в осадительную ванну с холодной водой менее 4 °C. Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. На выходе из осадительной ванны волокно может подвергаться дополнительной обработке (вытягивание, термообработка) для повышения его механических характеристик.

Волокна кевлар производятся в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой. Число элементарных волокон в типичных нитях может меняться от 130 до 1000 при изготовлении тканей и от 500 до 10000 при изготовлении канатов и корда. Кевлар выпускается также в виде пряжи, ровинга и тканей.

Штапель кевлар (рисунок 3) состоит из точно нарезанных коротких волокон длиной 1/4 дюйма (6,3 мм). Он используется для производства пряжи, которая обеспечивает большую износостойкость и комфортность по сравнению с филаментным волокном. Так как пряжа − рубленое волокно, ее применение базируется больше на барьерных свойствах Кевлара, чем на прочности и жесткости. Штапель Кевлара также используется в производстве войлока и нетканых изделий для улучшения теплоизоляционных свойств и виброизоляции. Другое важное применение штапеля − в композициях с термопластами и реактопластами для увеличения прочности и износостойкости в широком диапазоне температур.

 

Рисунок 3 Штапель Кевлар

Флок (хлопья) Кевлара (рисунок 4) представляют собой точно и коротко нарезанные волокна, короче штапеля, до 1 мм длиной.

В термопластах добавка флока Кевлара ведет к увеличению износостойкости с минимальным изнашиванием контртела. В реактопластах добавка ведет к увеличению прочности и сильно влияет на вязкость системы.

Рисунок 4 Флок Кевлар

Пульпа Кевлар, которая показана на рисунке 5, является высокофибриллизованной формой волокна, которая может быть распределена в различных полимерных матрицах.

Рисунок 5 Пульпа Кевлар

 

Фибриллярная структура волокна, показанная на рисунке 6, приводит к существенному увеличению удельной поверхности − до 7-10 г/м² (по сравнению с 0,1-0,3 г/м² для обычного волокна). Пульпа Кевлар не обладает хрупкостью, и при смешении с полимером на стандартном оборудовании для смешения не меняет размеров волокна.

Пульпа Кевлар может быть доступна в мокром виде (приблизительно 50% влажности) для разбавленных водных дисперсий, и в сухой форме (около 6% влажности) для дисперсий, базирующихся на растворителях, и сухого смешения. При этом длина волокна может меняться в соответствии с назначением пульпы.

Пульпа Кевлар используется для повышения уровня свойств термопластичных и термореактивных полимеров и эластомеров, особенно в тех случаях, когда необходимо применение при высоких температурах.[3]

Рисунок 6 Микрофотография пульпы Кевлар

 

Углеродные волокна получают из волокон полиакрилонитрила, жидкокристаллических пеков и обычных пеков. В производственном процессе прежде всего изготавливаются исходные волокна, которые затем нагревают в воздушной среде до температуры 200 - 300 °С. Этот процесс для волокон из полиакрилонитрила называют предварительной обработкой или обработкой для придания огнестойкости, а для пековых волокон - обработкой для придания неплавкости. В ходе такого процесса происходит частичное окисление углеродных волокон. Затем окисленные волокна подвергаются высокотемпературному прогреву. Процесс прогрева в зависимости от режима может привести к карбонизации или графитизации волокон. На заключительной стадии процесса осуществляют обработку поверхности карбонизованных или графитизированных волокон, после чего поверхность подвергают аппретированию или шлихтованию.

Окисление в воздушной среде придает волокнам огнестойкость за счет частичного дегидрирования или окисления, межмолекулярного сшивания и других процессов. При этом повышается стойкость волокон к плавлению при прогревании и сдерживается чрезмерное удаление атомов углерода. В процессе карбонизации по мере роста температуры происходит газификация и удаление всех атомов органического полимера, за исключением атомов углерода. Образовавшиеся углеродные волокна состоят из фрагментов полициклических ароматических молекул, имеющих плоскую шестиугольную сотовую структуру. В процессе графитизации накапливаются ароматические фрагменты. При этом повышаются модуль упругости и электропроводность волокон.[4]

Углеродные волокна (рисунок 7) весьма хрупки и легко подвергаются повреждениям и разрушению при переработке. Чтобы предотвратить ухудшение свойств, вызванное этим явлением, осуществляют шлихтование нитей и жгутов, стремясь к образованию шлихтующего покрытия на элементарных волокнах (монофиламентах). При этом шлихтующий агент должен находиться в достаточно размягченном состоянии. Шлихтующие составы могут улучшать адгезию полимерной матрицы к углеродным волокнам, что позволяет использовать такие волокна для армирования пластмасс без дополнительной обработки.

Рисунок 7 углеродное волокно

 

Мета-арамид Номекс является полимером и получается из мета-фенилен-диамина и изофталоил хлорида в амидном растворе. Номекс имеет меньшую прочность, по сравнению с кевларом однако является более гибким полимером, что придает номексу хорошие текстильные качества.

По своим физическим характеристикам номекс можно сравнить с нейлоном 6.6. Относительно высокий модуль эластичности номекса означает, что он может выдержать экстремальные нагрузки без серьезной постоянной деформации.

Штапельные волокна номекс (рисунок 8) применяются для изготовления иглопробивных каркасных фильтровальных материалов, используемых в промышленных рукавных фильтрах для фильтрации пыли. Такой материал получают путем многократного пробивания зазубренными тонкими иглами волокнистых слоев и сетчатой основы, сотканной из мультифиламентных нитей из номекса или из тефлона. Изготовленная таким образом ткань проходит термообработку поверхности для регулирования воздухопроницаемости и обеспечения легкого отделения пылевого осадка. Иглопробивные ткани являются объемными трехмерными структурами со средним объемом пор порядка 80% и относительно высокой воздухопроницаемостью, что позволяет сочетать в фильтре высокую производительность, высокую степень очистки газа и относительно небольшую общую площадь фильтрации.

Рисунок 8 штапельные волокна номекс

Иглопробивные ткани номекс (рисунок 9) изготавливаются из штапельных волокон тонкостью 1.1, 1.7, 2.2, 6.1 и 11 дтекс (1 дтекс = 1 г / 10000 м). Чем тоньше волокна, тем выше задерживающая способность ткани к мелким частицами.

Рисунок 9 иглопробивная ткань номекс