ТЕЛЕФОНЫ РЕДАКЦИИ: +7 812 380-9475, +7 812 764-5529
На главную страницуНаши изданияЖурнал Легкая Промышленность, Курьер

Армирование композитов кулирным трикотажем из параарамидной нити

Отношение прочности композита к прочности пластмассы без армирования («коэффициент армирования» Карм ), растет с увеличением доли рядов кулирной глади в структуре двойного трикотажа.  В самом деле, в ластике 1+1 их нет совсем (Карм=2,8), в репсе – 50 % (Карм=3,5), в миланском ластике – 67 % (Карм=3,7). Наибольший коэффициент армирования (Карм=6,5) достигается в композите на основе собственно кулирной глади (см. таблицу 2).

Следовательно, при необходимости получить более прочный материал, целесообразно использовать кулирную гладь, преодолевая её закручиваемость путем фиксации краев трикотажа на период изготовления композита до полного высыхания смолы. Если же создаваемый объект имеет сложную форму, воспроизведение которой требует использования структуры с большой облегаемостью и растяжимостью, то следует выбирать в качестве армирующего компонента трикотаж двойных переплетений, несколько теряя в прочности получаемого композита. Из вышесказанного следует вывод, что наиболее рациональным армирующим компонентом может служить трикотаж переплетения «кулирная гладь», обеспечивающий максимальную прочность из всех рассмотренных переплетений.

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Композиционные материалы: справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

2. Агапов В. А. Будущее за мультиаксиальным трикотажем/ В. А. Агапов, А. А. Карасева // Курьер. Легкая промышленность. – 2005. - № 3. – С. 12-14.

3. Кобляков А. И. Структура и механические свойства трикотажа: монография/ А. И. Кобляков. – М.: Легкая индустрия, 1973. – 239 с.

Композиционные материалы представляют собой систему, состоящую из нескольких различных компонентов. Последние сохраняют свою индивидуальность, но их объединение дает эффект, равносильный созданию нового материала. Принципиальных компонентов у такой системы два: матрица, или связующее, и наполнитель, зачастую являющийся армирующим компонентом. Известно, что свойства композита зависят не только от свойств каждого элемента в отдельности, но и от характера их взаимодействия на границе раздела компонентов [1].

 Ткани, нетканые материалы и мультиаксиальный основовязаный трикотаж в качестве наполнителя конструкционных композитов используются достаточно давно [2]. Эти материалы много лет с успехом применяются в качестве заменителя металлов в конструкциях самолетов, автомобилей, автобусов, катеров такими фирмами как «Боинг», «Мерседес», «Тойота» и др. При этом вклад композитов в уменьшение веса конструкции транспортных средств в 1990-е годы составлял 10%, а сейчас в отдельных моделях приближается к 30%. Этот поразительный эффект достигается за счет того, что  данные материалы по многочисленным показателям, и, прежде всего, по отношению прочности к весу или жесткости к весу, превосходят металлы.

 Представить в роли наполнителя «обычный» кулирный трикотаж до сих пор представлялось маловероятным, поскольку, согласно классическим представлениям теории композитов, материал годится для армирования  только в случае, если его разрывное удлинение меньше, чем у матрицы, а прочность – больше, иначе от армирования не будет достигнуто никакого полезного эффекта. Так как кулирный трикотаж не соответствует данным требованиям [3], то и сама возможность его применения в подобном качестве не рассматривалась.

Однако уникальные свойства трикотажных полотен, в частности, способность принимать сложные пространственные формы, определяют актуальность попытки использования кулирного трикотажа в качестве армирующего элемента композиционного материала. Кулирный трикотаж обладает рядом уникальных свойств, отличающих его от ткани (высокая пористость, высокая драпируемость, «локальная» растяжимость, возможность формовки без дополнительного раскроя). Высокая пористость кулирного трикотажа позволяет связующему равномерно заполнять объем формы.

           Поскольку наиболее доступным материалом для матрицы композита можно считать эпоксидную смолу, авторами был разработан композиционный материал на базе матрицы из эпоксидной смолы, армированной кулирным трикотажем. Использование подобного материала для изготовления реплик изделий сложной формы, таких как шлемы, каски, наручи, поножи, кирасы и т.п. представляется крайне актуальным для мелкосерийного производства при подготовке киносъемок, театральных постановок и различных исторических реконструкций. По предлагаемой технологии можно сделать слепок прямо с оригинальной вещи, не повреждая её. Использование композита вместо обычной эпоксидной смолы даёт существенное улучшение прочностных характеристик материала. Для демонстрации возможностей технологии был изготовлен опытный образец реплики исторического предмета с использованием кулирного трикотажа. В качестве оригинального объекта была использована подлинная пехотная каска, принятая на вооружение Францией и Россией в 1915 году (рис. 1). Легко видеть, что кулирный трикотаж позволяет вполне удовлетворительно воспроизвести конфигурацию оригинала без каких-либо швов.

В современных текстильно-армированных композитах обычно применяются армирующие текстильные материалы из высокопрочных нитей. Однако переработка подобных нитей на вязальном оборудовании недостаточно отработана и может вызывать трудности. При этом целесообразность использования именно высокопрочных нитей еще следует обосновать: далеко не всегда армирующий компонент композита должен быть прочным. Например, в дисперсно-армированных композитах наполнитель вообще не выполняет функцию несущей конструкции (песок в бетоне, к примеру, лишь препятствует развитию трещин, но и этого вполне достаточно [1]). Конечно, очень важно, чтобы композиты были прочными, но с косвенным упрочнением материала за счет торможения развития трещин теоретически справится любая нить, не обязательно специальная.

В задачу настоящего исследования входила проверка гипотезы о возможности армирования композитов кулирным трикотажем из традиционных видов пряжи, применяемой для бытового текстиля. Для проведения эксперимента были выбраны три вида текстильных нитей разной природы со сравнимыми значениями линейной плотности (таблица 1).

Образцы трикотажа были связаны переплетением «кулирная гладь» при одинаковой глубине кулирования. В качестве матрицы будущего композита была выбрана эпоксидная смола 128 и отвердитель полиэтиленполиамин (ПЭПА).

Таблица 1. Параметры образцов трикотажа переплетения «кулирная гладь»

Вид нити

 

Линейная плотность нити, текс

Плотность

по горизонтали, петель/дм

Плотность

по вертикали,  петель/дм

Поверхност-ная плотность, г/м2

Комплексная нить «Херакрон» (Южная Корея)

110

25

34

278

ПАН пряжа (Беларусь)

31 х 2 х 2

24

49

210

Хлопчатобу-мажная пряжа

(ФРГ)

29 х 2 х 2

30

39

214

Полученные образцы композитов, армированных трикотажем, были испытаны на растяжение до разрыва в направлении петельных столбиков на универсальном измерительном комплексе Instron 4302. Результаты сведены в таблицу 2, из которой можно видеть, что кулирный трикотаж способен выступать в качестве армирующего компонента в композите.

Таблица 2.  Механические свойства образцов

Варианты армирующих материалов

Удельная разрывная нагрузка нитей,

 сН/текс

Разрывная нагрузка трикотажа, Н

Разрывная нагрузка композиционных материалов, Н

Отношение прочности композита к прочности пластмассы

(коэффициент армирования)

Без армирования

677

1

Комплексная нить

«Херакрон»

118

967

4397

6,5

ПАН пряжа

10,3

321

783

1,2

Хлопчатобумажная пряжа

10,6

197

1389

2,1

Материал, армированный трикотажем, оказался прочнее пластмассы без армирования, хотя, как отмечалось выше, кулирный трикотаж традиционно считается непригодным для армирования композитов. Указанная общепринятая точка зрения базируется на исследовании свойств трикотажа в свободном состоянии, которое характеризуется возможностью легкого смещения точек контакта между петлями: эта особенность объясняет высокую растяжимость вязаной структуры. Однако, будучи помещенным в связующее, трикотаж принципиально меняет свои свойства. Точки контакта между петлями уже не могут свободно смещаться, и удлинение  трикотажа возможно лишь за счет деформирования нити, растяжимость которой на 1-2 порядка ниже, чем у вязаной структуры в свободном состоянии. Этот феномен объясняет способность кулирного трикотажа выступать в качестве армирующего компонента композиционного материала.

Необходимо добавить, что параарамидная комплексная нить прочнее обоих других видов пряжи в 10 раз, но композит с наполнителем в виде трикотажа из нее – лишь в 3-5 раз (см. таблицу 2). Это требует более детального исследования взаимодействия нити с эпоксидной смолой. Поэтому выбранные нити, как в свободном состоянии, так  и после заливания эпоксидной смолой, были испытаны на разрыв на измерительном комплексе Instron 4302 при зажимной длине 50 мм. Результаты опытов сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Прочность нитей в свободном состоянии и в структуре композита  

Вид нити

Нить в свободном состоянии

Залитая нить

Удельная разрывная нагрузка, сН/текс

Относительное разрывное удлинение, %

Удельная разрывная нагрузка,  сН/текс

Относительное разрывное удлинение, %

Комплексная нить

«Херакрон»

153

3,3

123

4,2

ПАН пряжа

14

18

16

19,6

Хлопчатобумажная пряжа

8

5,6

19

3,6

Как видно из таблицы 3, ПАН пряжа практически не изменяет свои свойства, что может говорить о плохой адгезии между смолой и волокном: поскольку разрывное удлинение пластмассы составляет около 4%, очевидно, что ПАН пряжа выскальзывает из пластмассы и почти не создаёт армирующего эффекта. Это согласуется и с данными таблицы 2. Хлопчатобумажная пряжа, в свою очередь, после заливания смолой разительно меняет свои свойства. Её разрывное удлинение становится практически равным разрывному удлинению пластмассы, а прочность возрастает более чем в два раза: связующее проникает в воздушные промежутки в структуре нити. Однако лучшим армирующим материалом следует считать трикотаж из «Херакрона»,  так как эта нить имеет хорошую адгезию с пластмассой (разрывное удлинение залитой нити равно разрывному удлинению пластмассы) и обеспечивает очень высокую прочность композита (см. таблицу 2). Таким образом, прочность нити, из которой изготовлен армирующий трикотаж, оказывает существенное влияние на механические свойства композита.

Учитывая полученные выше результаты, было решено в дальнейших исследованиях использовать параарамидную нить «Херакрон» 110 текс. 

Выше были исследованы образцы композитов, армированных главным одинарным переплетением «кулирная гладь» , так как оно является базовым в теории вязания. Однако кулирная гладь обладает негативным свойством – закручиваемостью по краям, что усложняет работу с полотном при изготовлении композита. Поэтому было решено обратиться к двойным переплетениям: как правило, их структура уравновешена, и поэтому они не закручиваются. Наиболее простым из них является переплетение «ластик 1+1» Структуры ластика и кулирной глади имеют фундаментальное различие: кулирная гладь является по сути плоской, двухмерной структурой, а ластик 1+1 — структурой объемной, трёхмерной.

Кроме того, для дальнейших экспериментов были связаны образцы трикотажа двойных комбинированных переплетений «репс» (сочетание одного ряда ластика 1+1 и одного ряда кулирной глади)  и «миланский ластик» (сочетание одного ряда ластика 1+1 и двух рядов кулирной глади). Технологические параметры трикотажа сведены в таблицу 4. 

Таблица 4. Технологические параметры кулирного трикотажа двойных переплетений.

Вид переплетения

Плотность по горизонтали, Пг, петель/дм

Плотность по вертикали, Пв, петель/дм

Поверхностная плотность, г/м2

Ластик 1+1

37

47

524

Репс

48

63

566

Миланский ластик

44

76

576

Полученные образцы композитов, армированных двойным кулирным трикотажем, были испытаны на растяжение до разрыва в направлении петельных столбиков на универсальном измерительном комплексе Instron 1195, их механические характеристики представлены в таблице 5 и на рис. 3.

Таблица 5. Средние значения разрывных характеристик образцов кулирного трикотажа двойных переплетений и композитов на их основе

Варианты армирующих материалов

Вид переплетения

Разрывная нагрузка трикотажа РР, Н

Разрушающе напряжение композита σ, МПа

Коэффициент армирования

Трикотаж из нити «Херакрон»

110 текс

Ластик 1+1

1204

164,2

2,8

Репс

1408

207,7

3,5

Миланский ластик

1752

221,5

3,7

Пластмасса без армирования

-

-

59,5

 

1

 

Отношение прочности композита к прочности пластмассы без армирования («коэффициент армирования» Карм ), растет с увеличением доли рядов кулирной глади в структуре двойного трикотажа.  В самом деле, в ластике 1+1 их нет совсем (Карм=2,8), в репсе – 50 % (Карм=3,5), в миланском ластике – 67 % (Карм=3,7). Наибольший коэффициент армирования (Карм=6,5) достигается в композите на основе собственно кулирной глади (см. таблицу 2).

Следовательно, при необходимости получить более прочный материал, целесообразно использовать кулирную гладь, преодолевая её закручиваемость путем фиксации краев трикотажа на период изготовления композита до полного высыхания смолы. Если же создаваемый объект имеет сложную форму, воспроизведение которой требует использования структуры с большой облегаемостью и растяжимостью, то следует выбирать в качестве армирующего компонента трикотаж двойных переплетений, несколько теряя в прочности получаемого композита. Из вышесказанного следует вывод, что наиболее рациональным армирующим компонентом может служить трикотаж переплетения «кулирная гладь», обеспечивающий максимальную прочность из всех рассмотренных переплетений.

. В. Труевцев, Е. С. Цобкалло, К. А. Молоснов(Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна)

ЛИТЕРАТУРА

1. Композиционные материалы: справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

2. Агапов В. А. Будущее за мультиаксиальным трикотажем/ В. А. Агапов, А. А. Карасева // Курьер. Легкая промышленность. – 2005. - № 3. – С. 12-14.

3. Кобляков А. И. Структура и механические свойства трикотажа: монография/ А. И. Кобляков. – М.: Легкая индустрия, 1973. – 239 с.

 

Также в номере:
Нетканые материалы
Состояние и перспективы развития производства и применения нетканых геосинтетических материалов в России и странах Таможенного союза
        Мы продолжаем публиковать статьи, посвященные производству и применению нетканых материалов. На этот раз вашему вниманию предлагается основная часть доклада на Международном симпозиуме по нетканым материалам, организуемом EDANA  в Санкт-Петербурге 15-16 мая 2013 г.   Читать далее »
Нетканые материалы
Нетканые материалы в автомобильной промышленности России
Нетканые материалы  как сырье для производства различных автомобильных компонентов в России применяются со времен СССР. Не смотря на это, до начала локализации производства иностранными автомобильными компаниями в нашей стране, ассортимент нетканых материалов был ограничен. Сейчас ситуация в этой области стала меняться.   Читать далее »
Событие
Techtextil Russia Symposium 2013: шаг вперед для специалистов
18-19 апреля в Москве в отеле «Ренессанс Москва Монарх Центр» состоялся VII Международный симпозиум по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextil Russia Symposium 2013. В этом году главной темой симпозиума  стала «Защитные и строительные материалы на волокнистой основе: новые технологии, опыт применения в России».   Читать далее »