2.3. Термостойкие и трудногорючие волокна и нити на основе

54
Армирующие волокна и нити на основе линейных полимеров
Новое и весьма важное применение — это замена асбеста параарамидными волокнами
и пульпой, в частности в безасбестовых фрикционных материалах.
Позже, в связи с необходимостью армирования более широкого круга резинотекстильных изделий японская фирма Teijin Ltd. создала параметаарамидные нити
со средними значениями модуля деформации — технора.
В настоящее время рекордно высокие механические и термические свойства
(модуль деформации до 280 ГПа, прочность до 5,5–6,0 ГПа) и очень высокую теплотермостойкость (температуры эксплуатации до 400 °C и выше) имеют нити и волокна
на основе полулестничных полимеров типа PBZ — полипарафениленбензобистиазола
(ПБТ) и полипарафениленбензобисоксазол ПБО (зилон, zylon), а также некоторые
другие. Однако они из-за сложной технологии получения и высокой стоимости их
применение лимитируется только наиболее ответственными изделиями.
2.3. Термостойкие и трудногорючие волокна и нити
на основе ароматических полимеров
В ограниченных количествах для армирования композитов (в основном специального назначения, например термостойких электроизоляционных, антифрикционных
и фрикционных и других) применяются термостойкие волокна и нити на основе
различных карбо- или гетероциклических полимеров, для которых температура сохранения функциональных свойств, а значит и длительной эксплуатации превышает
200–250 °C и достигает для отдельных их видов 300–350 °С. Эти виды нитей имеют
умеренные механические свойства, но достаточно высокие термические характеристики.
Основные виды термостойких волокон и нитей суммированы в табл. 2.9 и 2.10,
где приведены также их основные свойства [48–54].
Эти волокна и нити имеют высокие температуры стеклования (выше 200–250
°С), неплавки и имеют высокую термическую и термоокислительную стойкость
(температуры разложения выше 400–500 °С).
Сохранение прочности этих волокон и нитей при указанных температурах в указанном выше диапазоне составляет не менее 50–60%. Следует обратить внимание
на волокна с полулестничной структурой, которые обладают наиболее высокими
показателями термических свойств.
Трудногорючие волокна характеризуются малыми значениями теплоты горения
на воздухе (10–15 кДж/г, недостаточными для поддержания горения (пиролиза полимера и компенсации теплопотерь). Для сравнения теплоты горения обычных видов
волокон составляют 20–40 кДж/г.
Относительно новым дешевым видом термостойких и трудногорючих волокон
являются окисленные полиакрилонитрильные волокна (panox и др.). Эти волокна
и нетканые материалы на их основе термостойки на воздухе до температуры приблизительно 300 °С. Механические свойства этих волокон позволяют производить
их текстильную переработку и получать на их основе термостойкие композиты.
55
Армирующие волокна и нити на основе линейных полимеров
Таблица 2.9. Основные свойства тепло- и термостойких волокон и нитей
4–5
1,34–1,35 5–9
1,41–1,43 9–15
35–60
40–60
10–25
—
6–12 55–65
—
50–80
2–3,5
3–6
1,40–1,41 10–15 30–50
1,43–1,45
—
40–60
1,42–1,44 25–50 50–80
1,4–1,5 30–45 35–45
10–20 60–80
10–15
—
4–10 40–60
3–6
70–85
40–45
—
75–80
80–95
10–15
10–15
3–8
2,5–3,5
Влажность при
норм. услов., %
Удлинение при
разрыве, %
60–70
после
нагрева при
300 °C/100 ч
Прочность, кН/
текс
15–30 40–50
при 300 °C
Модуль
деформации, ГПа
40–50
Плотность, г/см3
1,37–1,38 8–20
Волокна (нити)
Метаарамидные (фенилон, nomex,
conex)
Полиамидоимидные (kermel)
Полиимидные
(аримид, capton, R-84)
Полибензимидазольные (PBI)
Полиамидобензимидазольные
Полиоксадиазольные (арселон)
Полулестничные (BBB, лола)
Сохранение
прочности
Таблица 2.10. Термические свойства тепло- и термостойких ароматических волокон и нитей
Температуры, °C
Волокна
Стеклования Плавления
Эксплуатации
(предельная)
Разложения
Полиметафениленизорфталамидные
275–300
420–480
250–300
370–400
Полиамидоимидные
270–280
—
250–300
370–400
Полиимидные
360–380
550
270–320
420–450
Полибензимидазольное
Полиоксазольное
Полипарафенилентерефталамидное
Параарамидное с гетероциклами
в цепи
Полулестичные
Дегидрированное
полиакрилонитрильное
420–430
360–370
345–360
270–280
Не плавится
550–600*
550–560
550–560
300–350
270–320
250–300
250–300
420–500
450–550
450–550
450–550
—
—
Не плавятся
Не плавятся
350–450
300–350
500–600
Карбонизуется **
Примечание: * С разложением.
** В инертной среде.
Основные характеристики горючести ароматических термостойких, трудногорючих волокон приведены в табл. 2.11, а их механические свойства были представлены
в таблице ранее.
Следует обратить внимание на разработанные в России термостойкие и трудногорючие волокно фенилон на основе полиметафениленизофталамида и волокно
арселон на основе полипарафениленоксадиазола.
Свойства этих волокон представлены в табл. 2.12 [43, 62, 73,76, 78, 79].
56
Армирующие волокна и нити на основе линейных полимеров
Таблица 2.11. Характеристики горючести термостойких, трудногорючих волокон
Волокна
Полиарамидные карбоциклические,
полиоксадизольные
Полиимидные,
полибензимидазольные,
полулестничные
Циклизованные полиакриловые
Температуры, °C
Воспламенения Самовоспламенения
400–550
500–600
Кислородный
индекс, %
27–30
500–650
550–700
35–60
—
600–750
30–50
Таблица 2.12. Термостойкие и трудногорючие ароматические волокна
Показатели
Линейная плотность, текс
Плотность, г/см3
Модуль деформации, ГПа
Прочность, кН/текс
Удлинение при разрыве, %
Влажность при стандартных условиях, %
Усадка в кипящей воде, %
Усадка на воздухе при температуре °C, %
Предельная температура эксплуатации, °C
Температура разложения (по ТГА методу), °C
Кислородный индекс, %
Фенилон, Nomex
Волокно 0,17–0,84
1,37–1,38
13–15
30–50
20–35
4,5–5,0
1,5–2,5
3–6 (при 300 °С)
220–250
28–29
Арселон
Волокно*/нить
0,1–0,4/10–200
1,42–1,43/1,43–1,44
–/12,5–30
25–35/40–70
20–40/5–15
10–12/2–3
1–2/0,5–1,0
1–2/0,7–1,0 (300 °C)
250–300
400–450
28–30
Примечание: * Без термовытяжки.
Ассортимент выпускаемых термостойких и трудногорючих волокон (линейные
плотности от 0,13 до 0,5 текс) и нитей (линейные плотности от 6 до 200 текс) достаточно широкий.
Наиболее доступными среди перечисленных видов ароматических волокон и нитей являются полиметафениленизофталамидные (фенилон) и полиоксадизольные
(арселон). Их устойчивость к открытому пламени достаточно высока — кислородный
индекс фенилона и оксалона (27–29%). Очень важной особенностью является отсутствие заметной усадки у термообработанных волокон и нитей до температур 350–400
°C, что чрезвычайно важно при их использовании в экстремальных условиях. Это
соответствует высоким температурам стеклования.
Трудногорючими являются практически все полностью ароматические сверхпрочные и сверхвысокомодульные волокна, рассмотренные ранее. Они имеют кислородный индекс в пределах 27–45% и в некоторых случаях даже выше.
Применение термостойких и трудногорючих волокон и нитей включает различные текстильные материалы и изделия, а также специальные виды термостойких
композитов.