Общая характеристика трудногорючих и огнестойких волокон и материалов на их основе

К числу трудногорючих и огнестойких волокон относятся: пара-арамидные; углеродные; карбидокремниевые; термоогнестойкие.

Пара-арамидные волокна - это волокна, которые получаются из ароматических полиамидов и содержат в своей цепи не менее 85% амидных групп. К числу данных волокон относятся кевлар (фирма Дюпон, США), тварон (фирма Тейджин-Акзо, Нидерланды), технора (фирма Тейджин, Япония), армос (ООО Лирсот, Россия).[1]

Механические свойства параарамидных волокон достаточно высоки. При этом соответствующие показатели волокон этого класса отечественного производства заметно превышают показатели зарубежных (рисунок 1).

Рисунок 1 основные механические свойства пара-арамидных высокомодульных нитей

Параарамидные волокна характеризуются высоким уровнем огне- и термостойкости. Так, для параарамидов характерны почти полная безусадочность при высоких температурах, только при достижении температуры 400...450°С наблюдается усадка, не превышающая 3-4%. Также характерна высокая устойчивость к воздействию открытого пламени до 500°С; после удаления из пламени волокно гаснет, что обусловлено высоким кислородным индексом – 38-40% и высокой температурой разложения – 450-550°С. Кроме того, эти волокна мало меняют свои свойства в мокром состоянии, так как они достаточно гидрофобны и после сушки восстанавливают свои свойства.

Углеродные волокна - волокна, состоящие из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Созданные на их основе теплозащитные и конструкционные материалы обладают регулируемыми электрофизическими свойствами, низкой плотностью, высокими механическими показателями. По прочности эти волокна в настоящее время являются непревзойденными.

Ведущие производители углеродных волокон действуют в Японии и США.

Углеродные материалы могут выпускаться в виде нитей, жгутов и тканей. Хотя в настоящее время прочность по углеродному волокну достигла свыше 700 кгс/мм2 (марка: Т 1000 фирмы Торей, Япония), наиболее широко используется материал с прочностью 300 - 350 кгс/мм2.

В России НПО Химволокно (Мытищи) разработало технологии получения углеродных волокон на основе вискозы, которые относятся к числу передовых.

Углеродные волокна могут заменять собой до 10 кг металла, при этом при их производстве электроэнергии расходуется в 3 - 20 раз меньше, чем при выпуске металла. Ресурс эксплуатации изделий на основе этих волокон увеличивается до 300%, а трудоемкость при изготовлении изделий снижается до 40 - 60%.

Карбидокремниевые волокна - высокопрочные и высокомодульные волокна являются наиболее перспективным армирующим материалом для создания высокотемпературных композитов.

Применяются жаростойкие материалы, к числу которых относится керамика, способная работать при высоких температурах в окислительной среде. Однако керамика обладает низким коэффициентом трещиностойкости. Для устранения этого недостатка и используются карбидокремниевые волокна. Их применение позволяет получать металлокомпозиты на основе интерметаллидных сплавов титана, работающие при 800°С, а также создать керамические композиты на рабочие температуры в окислительной среде - выше 1300°С.

Карбидокремниевые волокна получают специалисты фирмы Текстрон (США), используя в качестве подложки углеродные моноволокна. Такого волокна производится по некоторым данным до 1000 тонн/год, однако оно отличается большим диаметром (до 80 - 140 мкм) и худшей текстильной переработкой, чем бескерновое волокно.

Бескерновое карбидокремниевое волокно разработала японская фирма Ниппон Карбон. Его выпускают значительно меньше, около 20 тонн/год, оно отличается абсолютно низким диаметром элементарного волокна и высокими физико-механическими характеристиками, особенно на сжатие - до 280 кгс/мм².

ООО Лирсот продолжает начатые в 1980-х годах работы в области получения и выпуска карбидокремниевых волокон. Этой фирмой были получены нити с прочностью до 230 кгс/мм², с модулем упругости до 20000 кгс/мм².

К числу наиболее термо- и огнестойких волокон по праву относятся полиамидные волокна. Если их сравнить с выпускаемыми за рубежом аналогами - мета-арамидным номексом и полибензимидозольным, можно убедиться в более высоких функциональных характеристиках полиамидного волокна (рисунок 2).

Рисунок 2 Сравнительные характеристики огнестойких волокон

 

Кроме этих достоинств данное волокно отличается высокой свето- и радиационной устойчивостью, сохранением гибкости при температуре жидкого азота (- 195°С).

Полиамидные волокна технологичны в текстильной переработке, выпускаются в виде тканей и нетканых материалов, лент, шнуров и комбинированных изделий.[2]

Нужно отметить, что в лабораторных условиях получены нити на основе сополиамидов с прочностью на разрыв до 170 Сн/текс и модулем упругости до 23000 кгс/мм2. Производятся эти волокна на заводе ООО Лирсот.

Зарубежным аналогом этого волокна является волокно номекс (ТМ Дюпон, США), объем выпуска которого в мире достигает ныне около 18 тыс. тонн/год. Отечественное волокно по некоторым показателям превосходит номекс в частности, по гидрофильности, достигая сорбции влаги до 10 - 12%, у номекса – 3 - 4%, имеет больший кислородный индекс - до 36%, у номекса – 28 - 30%.

Ткани относятся к группе трудногорючих материалов, устойчивы к открытому пламени, воздействию теплового потока, контакту с нагретой поверхностью (до 400°С). В виде пряжи (прочностью до 18 сН/текс) волокна хорошо окрашиваются в черный, синий, красный и зеленый цвета различными красителями.