Обоснование выбора красителей при крашении технической ткани из арамидных волокон

Содержание
Введение
1Строение арамидных волокон
2Свойства арамидных волокон
3Области применения и назначения арамидных волокон
3.1Применение арамидных волокон в одежде
4Красители, которые используют для арамидных волокон
5Уникальность крашения
6Обоснование выбора красителей для ткани из арамидных волокон
Вывод
Библиографический список

Обоснование выбора красителей при крашении технической ткани из арамидных волокон

16000
3,5
1,46
3,0
Тварон, Нидерланды
350
12000
3,5
1,46
3,0
Технора, Япония
300
до 12500
4
1,46
3,0
Отечественные производства выпускают армос в виде нитей линейной плотности 14,7...100 текс и жгутов - до 600 текс.
Пара-арамидные волокна характеризуются высоким уровнем огне- и термостойкости. Так,  для пара-арамидов характерны почти полная безусадочность при высоких температурах (только при достижении температуры 400...450°С наблюдается усадка, не превышающая 3-4%) и 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.
Этот вид волокон используется в основном для изготовления высоконапряженных конструкционных пластиков, средств баллистической защиты, в резинотехнике, а также там, где нужно получить прочные малодеформативные текстильные изделия для средств спасения или обеспечения профессиональной безопасности.
В настоящее время планируется создание отечественного пара-арамидного волокна с повышенными баллистическими и механическими свойствами.
В конце 1990-х годов были созданы арамидные волокна пара-мета структуры, так как разработанные ранее термо- и огнестойкие волокна широкого использования - фенилон - были утрачены: завод по их производству перешел к Республике Казахстан и в дальнейшем был демонтирован.
Зарубежным аналогом этого волокна является волокно номекс (ТМ «Дюпон», США), объем выпуска которого в мире достигает ныне около 18 тыс. тонн/год9. Отечественное волокно по некоторым показателям превосходит номекс (таблица 4): в частности, по гидрофильности, достигая сорбции влаги до 10...12% (у номекса - 3...4%), имеет больший кислородный индекс - до 36% (у номекса - 28...30%).
Таблица 4. Основные свойства нитей на основе пара-метаармидного волокна.
Показатель
Значение показателя
Прочность, Сн/текс
35…50
Сохранение прочности, %:
в мокром состоянии
до 80
после нагревание на воздухе
60
Удлинение, %
12…17
Усадка, %
менее 5
Влагосодержание, %
до 12
Кислородный индекс, %
до 36
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.
Они могут быть использованы для изготовления профессиональной защитной одежды, облицовочных и драпировочных изделий, фильтровальных текстильных материалов для горячих газов, а также огнетермостойких оплеток для проводов.
Трибологические свойства
На графике (рис. 1) представлена зависимость скорости износа материала от содержания армирующего компонента. Видно впечатляющее уменьшение износа на двадцать порядков для ПА66, армированного Twaron, и Technora на 10% и более, по сравнению с неармированным ПА66. Больший эффект можно наблюдать для Technora по сравнению с Twaron при 5% уровне армирования. Не наблюдалось существенной разницы в результатах при использовании более высоких процентных долей. При тех условиях, которые использовались в ходе испытаний, снижение износа было менее выраженным по мере того, как использовалась все возрастающая процентная доля волокна10.
Рис. 1. Зависимость скорости износа материала от содержания армирующего компонента.
Дополнительным преимуществом использования Twaron и Technora в качестве армирующих волокон для ПА66 является относительно небольшое повышение коэффициента трения, как показано на графике (рис. 3.). Этим повышением можно в большей или меньшей степени пренебречь там, где в качестве армирующего волокна используется 5% Twaron.
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения материала от содержания армирующего компонента.
На практике получается, что при необходимости можно уменьшить коэффициент трения простым добавлением к компаунду ПТФЭ, и это не скажется отрицательно на очень низкой скорости износа11.
Высокомодульные и высокопрочные органические (арамидные) волокна характеризуются меньшей плотностью, высокими модулями упругости при сжатии и изгибе, а также большим модулем упругости и прочности при растяжении по сравнению с теми же показателями для волокон из Е- или S-стекла.
По удельной прочности и модулю упругости в случае растяжения органические волокна с амидными группами превосходят все известные на сегодня армирующие волокна и сплавы, уступая по этим показателям лишь углеродным и борным волокнам. В связи с этим такие волокна часто называют высокомодульными и высокопрочными (прочность достигает 4,5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа).
Плотность арамидных волокон (1450 кг/м3) значительно ниже, чем плотность волокон из Е-скла (2500 кг/м3). Модуль упругости при растяжении арамидных волокон типа Кевлар-49 около 130 Гпа, а для волокон из Е-скла он составляет 70 Гпа, или из S-скла – 86 Гпа. Это обусловливает высокую жесткость композиционных материалов на основе этих волокон, чем у стеклопластиков. Из арамидних волокон могут быть получены почти все типы волокнистых армирующих наполнителей: нити, ровинги, ткани разного плетения, бумага и тому подобное.
Арамидные волокна характеризуются достаточно высокой термостойкостью (в сравнении с другими типами органических волокон). Они не плавятся и не деструктируют вплодь до температур 400°С и выше.
Рис. 3. Шпуля с арамидным непрерывным волокном
Арамидные волокна, которые производятся в мире, сохраняют свои свойства при длительной выдержке при температуре не выше 180°С , следовательно, эта температура является предельной для длительной эксплуатации материалов на их основе. Это ограничивает возможность применения арамидних волокон в качестве наполнителя для ряда полиамидов и полимидных связующих, которые предназначенны для изготовления изделий, которые работают длительное время при температурах свыше 300°С. Арамидные волокна характеризуются очень высокой химической стойкостью. Например, для волокон Кевлар-49 характерная высокая стойкость к действию плавиковой кислоты и гидроксида натрия.
Таблица 5
Органические волокна, которые введены в состав термопласта, как правило, не ухудшают его химическую стойкость к различным средам, електроизоляционные свойства и морозоустойчивость. В то же время существенно уменьшается текучесть материалов при длительной нагрузке, повышается на несколько порядков длительная прочность, повышается стабильность размеров при тепловом воздействии, повышается верхний температурный предел эксплуатации и др12.
Кроме того, синтетические волокна более эластичны, чем, например, углеродные хотя и подвержены стиранию в ходе переработки композитов в изделия.
За последние годы были разработаны новые, высокопрочные и высоко модульные органические волокна, которые позволяют использовать их для получения конструкционных материалов. Первые высокопрочные волокна на основе ароматических полиамидов были независимо созданы в СССР и США. Потом были получены высокопрочные волокна на основе поли-пара-бензамида, поли-пара-фенилентерефталамида и другие сверхпрочные и высокомодульные синтетические волокна, среди которых можно выделить волокна из полиазометинов, ароматических сополиэфиров и полиоксадигидразидов. Наиболее высокий комплекс свойств имеют арамидные волокна. По прочности на растяжение и модулю упругости они превышают все органические и стеклянные волокна. Их прочность в два, а модуль в четыре разы выше, чем у полиамида-6 и на 50 % выше, чем у стеклянных волокон.
Процесс получения волокон состоит из двух стадий: синтеза полиамидов и формирования. Синтез полиамидов – это низкотемпературная поликонденсация хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматических диаминов. Из полученного продукта вытягивают волокна через фильеры со скоростью 60 м/с. Прочность таких волокон достигает 4.5 Гпа, а модуль упругости – до 160 Гпа. Взаимодействие между фибриллами из-за водородных связей оказывается слабым. Это обстоятельство определяет общий для всех высокоориентированных волокон недостаток: низкую поперечную прочность. В связи с этим упруго-прочносные свойства полимерных композиционных материалов, армированных волокнами в направлении, которое не совпадает с осью волокна, определяются в основном свойствами связующего и величиной адгезионного взаимодействия.
По химическому составу: «терлон» - полифенилентерефталамид (ПФТА), СВМ - полиамидбензимидазол (ПАБЕ), и «армос»– сополимер ПФТА и ПАБЕ.Прочность СВМ объясняется отсутствием ослабленных участков типа аморфных прослоек.
Органопластики широко применяют: в авиа- и космич. технике, авто- и судостроении, машиностроении для изготовления элементов конструкций, пулезащитной брони, радиопрозрачного материала; в электро-, радио- и электронной технике-для обмотки роторов электродвигателей, производства электронных плат с регулируемой жесткостью и высокой стабильностью размеров; в хим. машиностроении - для произ-ва трубопроводов, емкостей; для производства спортивного инвентаря и в др. отраслях промышлености.
Рис. 4. Кордовое усиление колеса транспортного средства
Арамидные волокна способны выдерживать в течение 1000 ч статическую нагрузку, по величине равной 90% от разрушающего напряжения при растяжении, длительно работают при повыш. температурах (180-200 °С), обладают высокой усталостной прочностью. Способность поглощать механические вибрации и звук в 2-4 раза выше, чем стеклопластики , и в 10-40 раз выше, чем у алюминиевых сплавов.
Для арамидных волокон характерна низкая диэлектрическая проницаемость ( 3,7-4,2) в широком диапазоне частот (1 кГц-10 ГГц); tg 0,018-0,025, 5•1015 Ом•см, 5•1015Ом, дугостойкость 120-130 с, электрич. прочность 250-380 кВ/см.
Теплопроводность органических волокон (наполнитель ткани, жгуты или нити) в направлении, перпендикулярном слоям, составляет 0,012-0,020 Вт/(см•К), а коэффициент линейного термического расширения вдоль волокон может иметь отрицательное значение (напр., от -2•10-6 до -4•10-6 К-1). Для арамидных волокон характерна высокая хим. стойкость к действию органических растворителей, смазочных масел, жидких топлив и воды. Арамидные композиты на основе полиимидных и фенольных связующих обладают огнестойкостью и низким дымовыделением при горении.
Рис. 3 Усиление диффузора динамика арамидной тканью.
4 Области применения и назначения арамидных волокон
Арамидные волокна используются в производстве полимерных композитов, поскольку температура переработки и эксплуатации полимерных матриц ниже температуры деструкции арамидних волокон. В процессе получения и переработки композиционных материалов на основе термопластичных полимерных матриц в результате длительной выдержки при температуре плавления термопластов может происходить некоторое ухудшение механических свойств арамидних волокон13.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) применяются для производства разнообразных изделий, начиная от спортинвентаря и заканчивая аэрокосмической областью применения. В зависимости от назначения продукции, производимой из ПКМ, особое внимание уделяется технико-экономической стороне вопроса, а именно — целесообразности замены изделий, изготовленных из традиционных материалов, на полимерные. Во времена «холодной войны» наиболее прогрессивными областями разработки и использования ПКМ были и остаются до настоящего времени аэрокосмическая и военно-промышленная отрасли. Например, в американских истребителях около 20% от общей массы приходится на ПКМ; это элементы крыльев, элеронов, люков, стабилизаторов и т. д. Их применение обусловлено не только высокими эксплуатационными показателями армированных пластиков, но и снижением массы изделия. Цены на ПКМ достаточно высоки, но благодаря тому, что ресурс работы узлов из них гораздо выше, чем из традиционных материалов, спрос на такие материалы не ослабевает. Применение армированных пластиков расширяется, разрабатываются программы перевода технологий из военной сферы в области строительства, гражданской авиации, спорта, автомобилестроения и т. д.
В последние годы наблюдается тенденция замены традиционных материалов полимерными композитами. Во-первых, правильно подобрав полимерную композицию, можно получить сочетание тех свойств, которые нужны в конкретном эксплуатационном случае. Во-вторых, бывает, что технологический процесс производства изделия из ПКМ более экономичен, нежели процесс получения этого же изделия из металла. Опыт показывает, что проблема современных производств полимерных изделий во многих случаях решается за счет эффекта, достигаемого введением различных волокнистых наполнителей. Достаточно актуальным для таких производств является вопрос, оправданы ли будут затраты, связанные с изменением или разработкой нового ПКМ, а также с отклонением от технологического процесса производства изделий из нового композита.
В данной работе рассматриваются армирующие волокнистые наполнители и свойства композитов, армированные такими волокнами. Проблема получения изделий из ПКМ гораздо более сложная, чем, кажется на первый взгляд. Казалось бы, что может быть проще: подобрать необходимые армирующие волокна для достижения определенных целей, опытным путем определить необходимое количество вводимых волокон и получать потом изделия с качественно новыми свойствами. На самом деле не всегда бывает так. Говоря о предположительных свойствах будущей композиции, следует учитывать, с одной стороны, эффект сложения свойств полимерного материала со свойствами армирующих волокон. С другой стороны, следует просчитать термодинамическую совместимость матрицы и волокна. Технологически бывает достаточно трудно подобрать совмещающиеся друг с другом полимерный материал и армирующие волокна и получить при этом качественный материал. Вот только некоторые особенности, которые могут проявиться при решении, казалось бы, простой задачи — освоении производства изделий из ПКМ.
Говоря о ПКМ, следует уделить особое внимание наиболее распространенным армирующим волокнам, которые придают полимерной матрице новые свойства. К таким перспективным волокнистым материалам относятся14:
• углеродные;
• арамидные;
• борные;
• стеклянные;
• базальтовые;
• волокна растительного происхождения.
Интерес к неметаллической арматуре возник в середине XX столетия в связи с рядом обстоятельств. Расширилось применение армированных бетонных конструкций в ответственных сооружениях, эксплуатируемых в сильно агрессивных средах, где трудно было обеспечить коррозионную стойкость стальной арматуры. Возникла необходимость обеспечения антимагнитных и диэлектрических свойств некоторых изделий и сооружений. И, наконец, надо учитывать на перспективу ограниченность запаса руд, пригодных для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в стали и всегда дефицитных легирующих присадках.
Практическое решение возникшей проблемы стало возможным благодаря ускоренному развитию химической промышленности. В ряде технически развитых стран (Германия, Нидерланды, CCCР Япония, США и др.) были начаты соответствующие научные исследования.
В качестве несущей основы разработанной высокопрочной неметаллической арматуры было сна-чала принято непрерывное щелочестойкое стеклянное волокно диаметром 10-15 микрон, пучок которой объединялся в монолитный стержень посредством синтетических смол (эпоксидной, эпоксифенольной, полиэфирной и др.). В СССР (Минск, Москва, Харьков) была разработана непрерывная технология изготовления такой арматуры диаметром 6 мм из щелочестойкого стекловолокна малоциркониевого состава марки Щ-15 ЖТ, подробно исследованы ее физико-механические свойства. Особое внимание уделялось изучению химической стойкости и долговечности стекловолокна и арматуры на ее основе в бетоне в различных агрессивных средах. Выявлена возможность получения стеклопластиковой арматуры со следующими показателями: временное сопротивление разрыву до 1500 МПа, начальный модуль упругости — 50 000 МПа, плотность 1,8-2 т/м3 при весовом содержании стекловолокна 80%, рабочая диаграмма при растяжении прямолинейна вплоть до разрыва, предельные деформации к этому моменту достигают 2,5-3%, долговременная прочность арматуры в нормальных температурно-влажностных условиях составляет 65% от временного сопротивления, коэффициент линейного расширения 5,5-6,5•10-6.
Были всесторонне исследованы опытные предварительно напряженные изгибаемые элементы с такой арматурой под воздействием статических нагрузок, разработаны технологические правила по изготовлению арматуры и рекомендации по проектированию бетонных конструкций с неметаллической арматурой, намечены целесообразные области их применения15.
Были разработаны экспериментальные образцы электроизолирующих траверс опор ЛЭП, изготовленные экземпляры установлены на опытных участках линий электропередачи в Белоруссии, России и Аджарии. Проведены исследования по использованию стеклопластиковой арматуры в опорах контактной сети и в напорных трубах. Стекло-пластиковая арматура нашла также применение в ваннах из полимер-бетона в цехах электролиза на предприятиях цветной металлургии, в плитах на нескольких складах минеральных удобрений.
К сожалению, заводского производства стеклопластиковой арматуры организовать не удалось; в небольших количествах такая арматура изготавливается на лабораторной установке в Минске в НТПО "Белстройнаука".
В последние годы в России начали больше внимания уделять изучению неметаллической арматуры из базальтового волокна, производство которого менее трудоемко, а сырье вполне доступно. Можно констатировать, что в нашей стране разработаны основные исходные данные для промышленного производства стеклопластиковой арматуры диаметром 6-8 мм, проектирования и изготовления различных предварительно напряженных конструкций с такой арматурой, намечены области их целесообразного применения.
В ряде стран научные исследования в области неметаллической арматуры и использования ее в различных сооружениях в последние десятилетия продвинулись значительно дальше.
В Германии разработана и подробно изучена стеклопластиковая арматура диаметром 7,5 мм из алюмоборосиликатного стекловолокна и полиэфирной смолы под названием "Полисталь". Испытания на статические, динамические и длительные нагрузки позволили установить следующие исходные характеристики этой арматуры: кратковременная прочность на растяжение 1650 МПа, модуль упругости 51 000 МПа, удлинение при разрыве 3,3%, долговременная прочность 1 100 МПа, потери напряжения от релаксации 3,2%, перепад напряжений при 2•106 циклов нагружений 55 МПа, коэффициент температурного расширения 7•10-6.
После испытания опытных балок были разработаны основные положения по расчету и конструированию ответственных инженерных сооружений. За последние годы было возведено десять одно-, двух- и трехпролетных автодорожных и пешеходных мостов с арматурой "Полисталь". Пролетные строения мостов, достигавшие 25 м, армировались пучками из стеклопластиковых стержней диаметром 7,5 мм с натяжением на бетон. На стержни наносилось защитное полиамидное покрытие толщиной 0,5 мм. Стержней в пучке было 19, рабочее усилие натяжения пучка составляло 600 кН.
Особое внимание разработке проблемы создания и применения высокопрочной неметаллической арматуры уделяется в Японии. Освоено производство фибропластической арматуры на базе углеродных и арамидных волокон, исследованы их физико-механические свойства. Проволока и канаты изготавливаются из углеродного волокна диаметром 7 микрон с пределом прочности 3 600 МПа. Проволока собирается из 12 тыс. волокон, соединяемых между собой пластиком. Из проволоки свиваются канаты различной несущей способности, подвергаемые после свивки термической обработке16.
Разработан перспективный сортамент арматуры, в который входят проволока и 7-, 9- и 37-проволочные канаты с разрывным усилием от 10 до 100 кН. Так, например, установлены следующие характеристики 7-проволочных углепластиковых канатов: временное сопротивление 1 750 МПа, модуль упругости 140 000 МПа, удлинение при разрыве 1,6%, плотность 1,5 т/м3, релаксация напряжений 2,5%, теплостойкость 200°С, высокая кислото- и щелочестойкость.