Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Химические волокна и нити, композиты


Тенденции/Химические волокна и нити, композиты/Применение нетканых полотен «Холлофайбер» для изготовления композиционных материалов

Применение нетканых полотен «Холлофайбер» для изготовления композиционных материалов

15 января 2014
Технический текстиль №32, 2014

Киселев Андрей Михайлович
Трещалин Юрий Михайлович

Применение нетканых полотен позволяет реализовать разные подходы к изготовлению композитов для различных областей применения, где необходимо сохранение работоспособности в условиях динамического нагружения, включая специфические сочетания напряжений от механических, термических и ударных воздействий. В отличие от металла, бетона и других традиционных строительных материалов, композиты на волокнистой основе обладают большей вязкостью разрушения, т.е. способностью поглощать энергию ударов, сотрясений и других динамических воздействий.

Определяющим фактором при разработке и проектировании композиционных материалов и изделий из них является соблюдение требований, обусловленных условиями эксплуатации. При этом важнейшими показателями являются величина и направление прикладываемых нагрузок, которые должна выдерживать конструкция без потери прочности.

Использование сложных форм заданной конфигурации для укладки и последующей пропитки связующим нетканой основы, позволяет сделать несущий элемент с повышенным сопротивлением изгибу, сдвигу и сжатию.

Подобные подходы возможны и при решении вопроса об изготовлении изделий опорного назначения: различных балок открытого и замкнутого профиля, уголков, подкрепленных или монолитных колонн, труб и других второстепенных несущих элементов.

Выбранный вариант должен соответствовать всем эксплуатационным требованиям и быть удобным и экономичным. Однако текстильные изделия с фиксированным расположением структурных элементов (ткань, трикотаж, плетеные преформы) обладают ярко выраженной анизотропией, высокой стоимостью сырья, сложной и дорогостоящей технологией изготовления, что неизбежно ведет к удорожанию композитов на их основе.

Следует отметить, что широкое применение углеродных и стеклянных волокон в качестве армирующих элементов позволяет обеспечить в большинстве случаев требуемые физико-механические свойства. Но, учитывая значительные затраты на производство таких композитов, не всегда целесообразно их использовать для проведения строительных и отделочных работ, в частности, для изготовления столбов, опор, трубопроводов технического назначения.

При рассмотрении композиционных материалов с точки зрения «цена-качество»  обращают на себя внимание нетканые полотна, известные под торговой маркой холлофайбер®.

Они производятся из высококачественного первичного полиэфирного волокна путем термической обработки, обладают достаточно высокой прочностью и являются существенно более экономичными по сравнению с иной текстильной продукцией по технологии изготовления и виду используемого сырья.

Прочность композитов определяется полнотой заполнения связующим пор волокнистого каркаса, поскольку от этого зависит достижение согласованной реакции изделия на внешние воздействия. Недопустима неравномерная пропитка или наличие пузырьков воздуха в структуре композита, так как в этом случае при наличии неоднородностей возникают зоны зарождения процессов ползучести, изменений размеров и в конечном итоге разрушения изделия.

Кроме того, композиционный материал и, как следствие, его волокнистая основа часто должны обладать изотропными свойствами. Для многих областей применения композитов именно изотропность (определяет эксплуатационные свойства) и пористость или плотность (определяет интенсивность процесса пропитки) – важнейшие характеристики текстильных каркасов.

Учитывая важность влияния распределения и взаимодействия волокон основы на свойства создаваемых композитов, проведено исследование структуры некоторых материалов холлофайбер® при помощи микроскопа Биолам с 130-кратным увеличением (рис. 1).

Как видно на фотографиях, структура различных материалов отличается количеством волокон, попадающих в поле зрения объектива микроскопа, что связано с их различной поверхностной плотностью. Принципиальное строение рассматриваемых материалов не имеет больших различий с точки зрения случайного распределения одиночных волокон по объему материала. Случайное расположение структурных элементов дает возможность предположить наличие изотропных свойств рассматриваемых полотен. С точки зрения структуры нетканых материалов они представляют идеальный упрочняющий  каркас будущего композиционного материала при соблюдении условия превышения механических свойств волокон нетканого материала по отношению к тем же свойствам связующего. Кроме того, капиллярно-пористое строение позволяет реализовать качественную пропитку связующим нетканых полотен холлофайбер®.

Определяющий параметр изготовляемых композитов - прочность. Поэтому одной из самых актуальных задач является прогнозирование эксплуатационных свойств будущих изделий.  Это связано с сокращением сроков разработки новых материалов в широком диапазоне требуемых свойств, определяемых условиями эксплуатации. Решение таких задач невозможно без применения математического моделирования, позволяющего прогнозировать механические свойства как нетканой основы, так и будущих композитов с учетом технологии изготовления, волокнистого состава и применяемого связующего.

Таким образом, возникает необходимость построения моделей, позволяющих провести оценку структуры и свойств нетканых полотен и композитов на их основе по заранее заданным техническим характеристикам. При этом наиболее важными показателями нового материала являются его физико-механические характеристики, а такжи способность выдерживать нагрузки без разрушения в течение заданного срока службы изделия.

Для  моделирования структуры волокнистой основы и композита, вследствие сложности и вероятностного характера геометрических размеров и формы компонентов композиционного материала, наиболее целесообразно использовать численные методы расчета, в частности, метод конечных элементов.

В качестве программного комплекса выбран ANSYS Mechanical APDL ver, 14.1. Исходные данные для построения геометрической модели нетканых полотен холлофайбер® сведены в табл. 1 и табл. 2.

Наибольшую сложность при моделировании структуры представляет разработка ее геометрической модели. Для решения данной задачи разработано оригинальное программное обеспечение, учитывающее вероятностный характер распределения одиночных волокон нетканых полотен (рис.2).

Качество построенной геометрической модели кроме указанных выше количественных показателей структуры материала можно оценить и визуально. Для этого была сфотографирована структура элемента  материала Холлофайбер Софт  Р5190  размером 20×20×7 мм и произведено сравнение с геометрической моделью при соблюдении масштабного фактора. Наглядное сравнение изображений (рис. 3) показывает удовлетворительное совпадение расчетной геометрической модели материала и его реального строения. При этом, элемент нетканого материала  является одним из большого количества возможных вариантов его структуры.

Построение геометрической модели нетканого материала является первым, хотя и наиболее трудоемким этапом построения геометрической модели композита. Следующим этапом построения композита являлось моделирование связующего материала в виде прямоугольника, содержащего армирующую основу нетканого материала внутри себя. В качестве связующего в композиционном материале выбрана полиэфирная смола Polylite 516-М855. Диаграммы деформирования материалов, составляющих композит принимались идеально упругими. Геометрическая модель композиционного материала на основе нетканых полотен, построенного в SolidWorks, показана на рис. 4. Полученная геометрическая модель композиционного материала экспортировалась в ППП ANSYS.

После задания физико-механических свойств полиэфирных волокон и связующего необходимо наложить на модель граничные условия, которые имитировали испытания образца на разрывной машине. Для определения момента разрушения согласно теории слабого звена Пирса использовался метод последовательных нагружений. Один из вариантов расчета в виде распределения интенсивности напряжений в композиционном материале приведен на рис. 5, а, б.

Как следует из результатов расчета, наибольшие напряжения в композите испытывает нетканая основа. Это связано с тем, что предел прочности полиэфирных волокон почти на порядок больше предела прочности полимеризованного связующего. Матрица испытывает равномерное напряженное состояние, характерное для такого вида деформации. 

Наибольший интерес вызывает напряженное состояние нетканой основы, так как при ее разрушении начинается катастрофическое разрушение композита. Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния нетканой основы  (рис. 6) показывают, что вследствие своего хаотичного расположения и отсутствия четкой ориентации одиночных волокон по отношению к направлению действия нагрузки они испытывают существенно различные напряжения. Диапазон изменения напряжений в композиционном материале доходит до величины одного порядка.

Следовательно, можно утверждать, что характер расположения волокон нетканой основы значительно влияет на прочность композиционного материала в целом.

С целью проверки адекватности модели были изготовлены пять образцов композитов на основе материала Холлофайбер Софт Р 5190, 70 г/м2.

При изготовлении образцов композиционных материалов на основе нетканых полотен холлофайбер® применялось связующее на базе смолы Polylite 516-М855,  значения состава и пропорций которого сведены в табл. 3.

Экспериментальные исследования полученных пластин композиционного материала проводились в испытательной лаборатории Костромского государственного технологического университета по ГОСТ 6943.10-79.

Результаты испытаний и расчета на растяжение композита на основе нетканого полотна Холлофайбер Софт Р 5190, 70 г/м2, а также экспериментальные данные по определению предела прочности на разрыв полимерной матрицы, cведены в табл. 4.

Адекватности разработанной конечно-элементной модели оценивалась путем сравнения среднего значения напряжения при разрыве, полученного экспериментальным и теоретическим методами. Численное сравнение показывает, что погрешность расчетов находится в пределах 6,5%. Различие теоретических и экспериментальных данных можно объяснить множеством факторов, основным из которых, безусловно, является случайный характер строения нетканых материалов. Учитывая относительно небольшую погрешность теоретических расчетов можно рекомендовать разработанную модель для решения задач прогнозирования физико-механических свойств композиционных материалов на основе нетканых полотен.

Кроме того, эксперимент показал, что нетканая основа Холлофайбер Софт Р 5190, оказывает существенный упрочняющий эффект: предел прочности композита в 7,1 раза больше аналогичного показателя полимерной матрицы. Эффективность повышения прочностных свойств композиционного материала за благодаря армированию нетканой основой хорошо иллюстрирует график на рис.7.

Выполненные исследования показывают, что использование нетканых полотен , в частности нетканых полотен холлофайбер®,  для производства на их основе композиционных материалов с учетом их низкого водопоглощения полотен  (до 1%), повышенных физико-механических свойств            и низкой стоимости исходного сырья является перспективным направлением для обеспечения потребности в изделиях гражданских секторов экономики.

Summary. In article results of researches on application of nonwoven fabric холлофайбер® as the basis of composites. Designed geometrical models of composite material and non-woven basis. Performed numerical analysis of stress intensity distribution in composite caused by polymerization of the binder in the pore space of the basics. Comparison of the calculated and experimental data.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ