Сверхпрочные волокна и нити. Области их применения для изготовления изделий технического назначения.

На сегодняшний день во всем мире неуклонно растут объемы производства синтетических волокон, что, несомненно, связано с возможностью получать волокна и нити с любыми заданными свойствами, обусловленными областями их применения. Сверхпрочные волокна и нити занимают одну из первых позиций среди всех синтетических нитей с экстремальными и специальными свойствами. Их производство, начатое еще в середине прошлого столетия, быстро развивается в настоящее время с использованием результатов новейших научных разработок.
При изучении хронологии развития мирового производства химических волокон было отмечено, что с конца 60 годов в нескольких странах начинается активное развитие производства «волокон третьего поколения», что стало возможным благодаря применению новых и существенному развитию старых т ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1 Виды, способы производства и свойства сверхпрочных волокон и нитей 5
1.1 Виды сверхпрочных волокон и нитей 5
1.2 История развития производства 6
1.3 Процесс получения 8
1.4 Механические свойства 11
2 Виды волокон и нитей 14
2.1 Параарамидные 14
2.1.1 Армос 15
2.1.2 Кевлар 15
2.1.3 Русар 16
2.1.4 Тварон 17
2.1.5 Технора 17
2.1.6 Терлон 18
2.2 Параарилатные (ароматические полиэфирные) 18
2.3 Полиэтиленовые 20
2.3.1 Спектра 20
2.3.2 Дайнема 21
2.4 Поливинилспиртовые 21
2.4.1 Виналон 22
2.4.2 Куралон 22
2.5 Полипарафениленбензобисоксазольные сверхпрочные волокна 23
3 Применение для изготовления изделий технического назначения 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 29

В настоящее время появились новые виды волокон и волокнистых материалов специального назначения: сверхпрочные, термостойкие, трудногорючие, хемостойкие, электропроводные и другие. Наличие у каждого вида волокон особых механических, физических или физико-химических свойств определяет сферу их применения для производства изделий с заданными свойствами. Именно функциональные свойства определяют потребность в таких волокнах, их высокая техническая и социальная эффективность применения перекрывает недостатки, связанные с повышенными затратами на их производство и как следствие, высокой стоимости готовой продукции.
Волокна и ткани нового поколения используются не только в сфере производства швейных изделий, но и во многих других отраслях промышленности, включая машиностроение, строительство, доб ывающую промышленность, авиационную и космическую промышленность, военно-промышленный комплекс и другие.
Большое внимание уделяется производству сверхпрочных и сверхвысокомодульных нитей и волокон. В отраслях, где они применяются, к изделиям предъявляют повышенные требования надёжности, от свойств волокон зависит обеспечение работы оборудования и безопасности людей в условиях опасного производства или экстремальных условий окружающей среды.
Целью работы является изучение сверхпрочных волокон и нитей и областей их применения для изготовления изделий технического назначения.
Для достижения данной цели в ходе выполнения курсовой работы требуется решить следующие задачи:
- ознакомиться с видами сверхпрочных волокон и нитей;
- изучить процесс получения синтетических волокон и нитей повышенной прочности;
- выявить свойства, имеющие наибольшую важность для рассматриваемых волокон, методы их оценки и значения показателей свойств для каждого вида нитей;
- проанализировать ассортимент современных сверхпрочных волокон и нитей, их отличительные особенности, влияющие на область применения;
- рассмотреть области применения сверхпрочных волокон и нитей для изготовления изделий технического назначения.

-
70-80
3,0-3,5
4,0-4,5
-
Таблица 3 – Основные свойства сверхпрочных и сверхвысокомодульных нитей (кроме параарамидных)
Волокна (нити)
Плотность, г/см3
Модуль деформации, ГПа (без термовытяжки)
Прочность, ГПа
Удлинение при разрыве, %
Влажность, %
Параарилатные: вектран, эконол
1,39–1,40
70-140
3,1-4,0
2,4-4,0
0,1-0,2
Полиэтиленовые: спектра, дайнема, термилон
0,97
60-160
1,5-4,0
3,0-6,0
Поливинилспиртовые: виналон НМ, винол МВМ
1,32
30-70
1,3-2,0
3,0-5,0
3-6
Полипарафенилен-бензобисоксазольные (РВО – зилон) и –тиазольные (РВТ)
1,56-1,58
250-300
5,6-5,8
2-2,5
0,5-0,6
Как видно по таблице, среди всех параарамидных нитей наиболее высокие значения механических свойств у гетероциклических параарамидных нитей, к которым относятся СВМ, армос и русар. Данные видынитей являются российской разработкой. Из-за большей стоимости гетероциклического мономера по сравнению с карбоциклическим, ароматические гетероциклические параарамидные нити более дорогостоящие, однако сочетание самых высоких механических свойств, наибольшей термостойкости и максимальной устойчивости к действию открытого пламени делает их уникальными среди всех параарамидов, и их применение в ряде областей имеет огромные эксплуатационные преимущества и оправдано экономически [1].
Важной особенностью параарамидных волокон и нитей является отсутствие заметной усадки до температур 350-450°С, что позволяет использовать их в экстремальных условиях.
Среди всех сверхпрочных волокон и нитей наибольшее значение модуля деформации и прочности принадлежит полипарафениленбензобисоксазольным, а наименьшее – поливинилспиртовым.
2 Виды волокон и нитей
2.1 Параарамидные
Параарамидные волокна представляют собой класс термостойких и сверхпрочных синтетических волокон. Представляют собой синтетическое волокно, в котором волокнообразующее вещество представляет собой синтетический полиамид с длинной цепью, в которой по меньшей мере 85% амидных связей (-CO-NH-) присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам [6]. Мировой потенциал производства параарамидного волокна оценивался примерно в 41 000 тонн в год в 2002 году и ежегодно увеличивается на 5-10%. В 2007 году это составило общую производственную мощность около 55 000 тонн в год [6]. К параарамидным волокнам и нитям относятся армос, кевлар, русар, СВМ, тварон, терлон и технора. Рассмотрим наиболее широко используемые.
2.1.1 Армос
Армос (Армос®) – это параарамидное волокно, выпускаемое ОАО НПК «Тверьхимволокно», Россия.
Армос занимает первое место среди арамидов по двум основным показателям – механической прочности и устойчивости к открытому огню. Кроме этого, нити армос имеют высокие термические характеристики, полное отсутствие усадки до температур 300-350°С, негорючесть на воздухе и устойчивость к действию открытого пламени. Волокна армос могут длительно храниться без изменения свойств, незначительно меняются свойства в мокром состоянии, устойчивы к длительному пребыванию в воде, биостойки [7].
Отмеченные свойства позволяют применять Армос в высокопрочных композитных материалах, для авиационной, ракетной и космической техники, бронежилетов и других средств мягкой броневой защиты, в органокомпозитах, шинах, для изготовления шлангов, рукавов высокого давления, тросов, канатов, приводных ремней [8].
2.1.2 Кевлар
Кевлар (Kevlar®) является зарегистрированной торговой маркой для параарамидного синтетического волокна, получаемого из полимера полипарафенилентерефталамида. Данное волокно было разработано Стефани Кволек (Stephanie Kwolek) в DuPont в 1965 году. Коммерчески использоваться кевлар стал впервые в начале 1970 годов при производстве гоночных шин.
К достоинствам кевлара можно отнести низкое растяжение, сохранение свойств при низких (до -190°С) и высоких (до 350°С) температурах с незначительной потерей разрывной нагрузки. Разрывная прочность кевлара может колебаться от 270 до 540кг/мм2 (для стали 50-170кг/мм2). Кроме этого волокно отличается малым весом. Недостатками является высокая стоимость производства и деградация под действием ультрафиолетового излучения, чего можно избежать, используя защиту.
В настоящее время производятся несколько сортов кевлара, различные по свойствам. Области применения волокна:
- армирование автомобильных шин, медных и волокно-оптических кабелей, армирующее волокно в композитных материалах;
- протезно-ортопедическая промышленность для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп;
- в качестве армирующего компонента в смешанных тканях;
- в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек;
- для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) – бронежилетов и бронешлемов;
- судостроение. Ограниченное применение из-за технологических сложностей и высокой цены;
- авиационная промышленность – в конструкции ряда беспилотных аппаратов для повышения защиты.
2.1.3 Русар
Русар (Русар-С® и Русар®) – арамидные нити, выпускаемые ООО НПП «Термотекс» и ОАО «Каменскволокно», Россия.
Из достоинств русара следует отметить малый вес, высокую прочность (при равном весе прочнее стали в 5 раз), термостойкость, размеростабильность, жаропрочность и огнестойкость. Волокно не проводит электрический ток, не подвержено коррозии и устойчиво к воздействию большинства химикатов.
Русар применяется для производства не имеющих себе равных по легкости бронежилетов, защитной одежды и перчаток, производстве тяжелонагруженных композитных материалов специального назначения с длительным сроком службы.
2.1.4 Тварон
Тварон (Twaron®) – параарамид, получаемый из полимера р-фенилентерефталамида, был разработан в начале 1970 годов голландской компанией Akzo. C 2007 производством тварона занимается компания Teijin Aramid. Teijin Aramid – дочерняя компания Teijin Group (Нидерланды), один из мировых лидеров в области арамидов.
Волокно обладает высокой прочностью в сочетании с небольшим весом, высоким модулем упругости, размеростабильностью, хемостойкостью, устойчивостью к действию высоких температур (деградация только при 500°С), низкой горючестью.
Тварон доступен в различных типах для применения: нити, штапельного волокна, порошка или ткани. Используется в производстве защитного снаряжения, огнезащитной одежды, резинотехнических изделий, армированного бетона, оптико-волоконных и электромеханических кабелей, армированных термопластических труб и в качестве замены асбеста.
2.1.5 Технора
Технора (Technora®) – арамидное волокно, получаемое путем полимеризации терефталоилхлоридом со смесью п-фенилендиамина и 3,4`-диаминодифенилового эфира. Производится компанией Teijin Aramid.
Технора имеет целый ряд непревзойденных эксплуатационных свойств, в том числе:
- высокая прочность на растяжение;
- хорошее сопротивление усталости;
- размеростабильность;
- устойчивость к коррозии, действию тепла, химических веществ и соленой воды.
Применяется в автомобильной промышленности, волоконно-оптических кабелях, при изготовлении канатов и тросов, парусов для дельтапланов и виндсерфинга.
2.1.6 Терлон
Терлон – это сверхпрочное волокно, созданное в СССР. Терлон получают способом мокрого формования из концентрированного раствора полиамида в серной кислоте [19]. По химическому составу терлон является аналогом волокна кевлар.
К достоинствам терлона относится то, что он не плавится вплоть до температуры разложения (500°С), является трудносгораемым материалом, обладает высокой прочностью.
Терлон применяется в качестве конструкционного армирующего материала (армирование пластмасс и резин) в различных изделиях технического назначения, для изготовления фильтровальных тканей, используемых при фильтрации горячих газов (сажевая промышленность, черная и цветная металлургия) и для других целей [20].
2.2 Параарилатные (ароматические полиэфирные)
Наибольшее распространение среди ароматических полиэфирных волокон и нитей в настоящее время получил вектран.
Вектран (Vectran®) является химическим волокном, сформованным из жидкокристаллического полимера LCP (ароматический сложный полиэфир, полученный поликонденсацией 4-гидроксибензойной и 6-гидроксинафталиновой-2-карбоновой кислоты), созданного Celanese Acetate LLC. Вектран производится Kuraray с 1990 года, и в настоящее время компания является единственным производителем данных волокон. Суммарная мощь производства свыше 1000 тонн в год.
Достоинства волокон вектран:
- термическая стабильность при высоких температурах;
- высокая прочность и высокий модуль деформации;
- хорошая химическая стойкость;
- влагостойкость;
- стабильность в агрессивных средах.
Использование полиуретанового покрытия позволяет повысить стойкость к истиранию и действовать в качестве водного барьера. Вектран имеет температуру плавления 330°С, с прогрессирующей потерей прочности от 220°С. Благодаря высокой стойкости к ультрафиолетовому излучению, вектран может быть использован в долгосрочной перспективе с условием регулярной проверки износа.
К недостаткам вектрана можно отнести возникновение переломов под действием значительных нагрузок. Кроме этого, тонкие волокна вектрана легко пачкаются и запутываются.
Вектран используется в качестве армирующего волокна для канатов, кабелей, парусины и современных композитных материалов, профессиональных велосипедных шин, а также в электронике [21]. Поскольку волокно может быть окрашено, вектран применяется для изготовления спортивных товаров. Кроме этого, вектран был использован при создании дирижабля в рамках программы Japan's Stratospheric Platform Concept.
2.3 Полиэтиленовые
Сверхпрочные полиэтиленовые волокна и нити изготавливаются из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ). Сверхвысокая масса молекул определяет его уникальные свойства, отличные от других разновидностей полиэтилена. Молекула СВМПЭ состоит из длинных линейных цепочек полиэтилена с относительно слабыми межмолекулярными связями. СВМПЭ не имеет запаха, безвкусный и нетоксичный. Он обладает высокой устойчивостью к воздействию агрессивных химических веществ, за исключением окисляющих кислот, имеет чрезвычайно низкое влагопоглощение и очень низкий коэффициент трения, является самосмазывающимся и обладает высокой устойчивостью к истиранию [25].
2.3.1 Спектра
Спектра (Spectra®) представляет собой белое волокно, изготовленное из СВМПЭ. Производится с использованием запатентованного процесса гель-прядения компанией Honeywell, США.
Волокно обладает высокой стойкостью к воздействию химических веществ, воды и УФ-излучения, устойчивость к деформациям. Прочность выше, чем у стали.
Применяется для изготовления рыболовных лесок с превосходной прочностью, долговечностью и чувствительностью, а благодаря высокой ударной вязкости – для изготовления бронежилетов и транспортной брони.
2.3.2 Дайнема
Дайнема (Dyneema®) – это сверхпрочные волокна, изготовленные из СВМПЭ. Производство волокон принадлежит компании DSM, Нидерланды.
Волокно дайнема обеспечивает максимальную прочность в сочетании с минимальным весом, не тонет в воде, устойчиво к воздействию влаги, УФ-излучению и действию химических веществ. Кроме этого, достоинством является максимальная прочность на разрыв, стойкость к истиранию и порезам.
Недостатками этого волокна являются низкая температура плавления, малая вязкость волокна, усадка при высыхании, легкая воспламеняемость и относительно высокая стоимость.
В современных условиях применение данное волокно нашло чрезвычайно широкое применение:
- грузовые контейнеры для гражданской и военной авиации, благодаря сочетанию большой прочности и малого веса;
- экологически безопасные рыболовные канаты и сетки с повышенной прочностью и гибкостью, швартовые и буксирные канаты;
- защитные перчатки;
- промышленные канаты и стропы малой массы;
- канаты для добычи нефти, обладающие малым относительным удлинением при непрерывной нагрузке;
- обтекатели в радиолокационных и антенных системах, обеспечивающие высокий уровень защиты, прием слабых сигналов, долговечность и работу в широком частотном диапазоне благодаря хорошим показателям электромагнитных свойств.
2.4 Поливинилспиртовые
Поливинилспиртовые волокна (ПВС) – синтетические волокна, формуемые из растворов поливинилового спирта [-CH2CH(OH)-]n. Волокна и нити из ПВС обладают высокими износостойкостью, устойчивостью к действию микроорганизмов, химической стойкостью, малой электризуемостью и способностью хорошо окрашиваться. Обладают лучшей, чем у всех других синтетических волокон, гигроскопичностью (в нормальных атмосферных условиях содержание влаги составляет 5-6%) [1]. К ПВС сверхпрочным волокнам относятся виналон, винол, кремона, мьюлон, куралон и другие.
2.4.1 Виналон
Виналон (Vinylon или Vinalon) – синтетическое волокно на основе ПВС, производимое на основе синтеза ацетилена, получаемого из антрацита и известняка. Патент на изобретение виталона был выдан в 1941 году Ли Сын Ги (Корея) и его соавторам Хироси Каваками и Ядзава Масахидэ (Япония).
Виналоновые волокна прочны, износо- и светостойки, гигроскопичны, устойчивы к действию кислот, растворов щелочей средних концентраций [30]. К недостаткам волокна относится жесткость, относительно высокая стоимость и плохая окрашиваемость.
Применяется для изготовления армирующих вставок для резины, фильтровальных материалов, брезента, а благодаря водонепроницаемости – при производстве рыболовных сетей.
2.4.2 Куралон
Куралон (Kuralon®) – синтетическое волокно из ПВС. Доступен в виде штапельного волокна, пряжи и нити. Производится компанией Kuraray (Япония).
Достоинства:
- высокая прочность на разрыв;
- низкое удлинение;
- низкая температурная усадка;
- хемостойкость;
- устойчивость к действию смол;
- устойчивость к УФ-излучению.
Волокно применяется для армирования резины (ремни, шланги и другое), армирования в строительной области (производство бетона и цемента), армирования пластиков, в качестве волокна для канатов, шнуров и швейных нитей.
2.5 Полипарафениленбензобисоксазольные сверхпрочные волокна
Полипарафениленбензобисоксазольные (ПБО) волокна относятся к полностью ароматическим синтетическим волокнам, спряденным из жидкокристаллических полимерных растворов. Волокна обладают улучшенными изоляционными характеристиками, высокой теплостойкостью и размеростабильностью. К ним относятся РВТ и получивший широкое распространение РВО (Зилон).
Зилон (Zylon®) – торговое название жидкокристаллического полимера РВО, разработанного компанией Toyobo (Япония) в 1980 годах. Выпускается в форме непрерывной нити, штапельного волокна, ткани и трикотажного полотна.
Зилон представляет собой волокно золотистого цвета, обладающее следующими характеристиками:
- чрезвычайная прочность на разрыв (в два раза прочнее кевлара);
- высокий модуль упругости (также вдвое выше кевлара);
- высокая огнестойкость;
- хемостойкость;
- стойкость к истиранию, в том числе при высоких температурах;
- достаточная гибкость;
- термическая стабильность (температура разложения 1470°С).
Недостатками являются деградация под воздействием УФ-излучения, воздуха и морской воды, поэтому в изделиях используется специальное защитное верхнее покрытие.
Применяется для изготовления пуленепробиваемых жилетов, автомобильной брони, защитной одежды, воздушных шаров.
3 Применение для изготовления изделий технического назначения
Благодаря своим исключительным механическим свойствам сверхпрочные нити и волокна нашли широкое применение в изготовлении изделий технического назначения. Различные сочетания механических и физических свойств позволяют находить все новые способы употребления. Во 2 разделе курсовой работы было указано применение для каждого вида волокон, и наглядно показано, что в одних и тех же отраслях могут использоваться различные виды волокон, в зависимости от целесообразности в каждом конкретном случае. На основании полученных данных, была составлена сводная таблица применения сверхпрочных волокон и нитей для изготовления изделий технического назначения (таблица 4).
Таблица 4 - Области применения высокопрочных волокон и нитей
Область применения
Свойства, обеспечивающие возможность применения в данной области
Виды волокон и нитей
Авиационная и космическая техника
Устойчивость к действию открытого пламени, термостойкость, легкость
Армос, кевлар
Армирование пластмасс, резин, кабеля
Прочность, износостойкость
Армос, вектран, виналон, кевлар, тварон, технора, терлон
Армирование бетона и цемента
Прочность, устойчивость к УФ-излучению, низкая температурная усадка
Куралон, тварон
Грузовые контейнеры для авиации
Малый вес, прочность
Дайнема
Защитная одежда, обувь и перчатки для различных отраслей промышленности
Малый вес, прочность, стойкость к истиранию и порезам
Дайнема, зилон, кевлар, русар, тварон
Канаты, тросы, швейные нити
Высокая прочность на растяжение, малое растяжение