Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Виды параарамидных нитей и особенности их свойств, определяющие области их применения 10
1.1 Основные виды параарамидных нитей .10
1.2 Применение сверхпрочных и сверхвысокомодульных волокон и нитей 12
1.3 Способы получения параарамидных волокон .15
1.4 Структура и свойства параарамидных нитей 20
1.5 Механические свойства .26
1.6 Изменение свойств при термическом и химическом воздействиях 30
Выводы по главе 1 .33
Глава 2 Методическая часть 35
2.1 Характеристика объектов исследования 35
2.2 Стандартные методы испытаний .40
2.3 Методы термомеханического анализа 41
2.3.1 Метод термического анализа исходных нитей 41
2.3.2 Разработанный метод оценки термических характеристик химически обработанных параарамидных нитей .42
2.4 Методы исследования структуры нитей с помощью ИК–спектроскопии... 43
2.5 Методы изучения влияния термического старения на механические свойства исходных нитей 44
2.6 Методы оценки хемостойкости и радиационной стойкости нитей 45
2.6.1 Усовершенствованный метод оценки хемостойкости параарамидных нитей по сохранению механических свойств 45
2.6.2 Разработанный метод оценки хемостойкости термосостаренных параарамидных нитей 46
2.6.3 Метод оценки радиационной стойкости нитей по сохранению механических свойств .47
2.6.4 Исследования поверхности нити 47
2.7 Метод оценки теплостойкости нити 48
2.8 Методика определения модуля деформации 48
2.9 Обработка результатов исследования 50
Выводы по главе 2 .51
Глава 3 Исследование термических характеристик параарамидных нитей и их теплостойкости .52
3.1 Исследование термических характеристик параарамидных нитей методами термического анализа .52
3.1.1 Исследование протекания термоокислительных процессов .53
3.1.2 Сравнительный анализ полученных данных для различных групп парааарамидных нитей .55
3.1.3 Изменение термических свойств параарамидных нитей после воздействия агрессивной среды .60
3.2 Исследование влияния кратковременного воздействия температуры на механические свойства параарамидных нитей 72
3.2.1 Изменение относительной разрывной нагрузки после кратковременного воздействия температуры .73
3.2.2 Изменение удлинения после кратковременного воздействия температуры .76
3.2.3 Изменение разрывного напряжения и модуля деформации 79
3.3 Исследование структуры параарамидных нитей с помощью ИК–спектроскопии... 82
Выводы по главе 3 .89
Глава 4 Исследование изменения механических свойств параарамидных нитей, находящихся в свободном и фиксированном состоянии, при длительном термическом воздействии и при воздействии агрессивной среды 91
4.1 Исследование изменения механических свойств параарамидных нитей, находящихся в фиксированном и свободном состоянии при длительном термическом воздействии .91
4.1.1. Исследование зависимости разрывной нагрузки от температуры .92
4.1.2 Исследование удлинения под действием термического старения 104
4.2 Исследование разрывных характеристик параарамидных нитей после воздействия агрессивной среды 113
4.3 Исследование изменения механических свойств параарамидных нитей после комплексного воздействия температуры и агрессивной среды .119
Выводы по главе 4 .121
Глава 5 . Исследование влияние ионизирующего излучения на механические свойства параарамидных нитей .123
Выводы по главе 5 .130
Общие выводы по работе 131
Список использованных источников 133
Приложения
- Применение сверхпрочных и сверхвысокомодульных волокон и нитей
- Усовершенствованный метод оценки хемостойкости параарамидных нитей по сохранению механических свойств
- Исследование влияния кратковременного воздействия температуры на механические свойства параарамидных нитей
- Исследование изменения механических свойств параарамидных нитей после комплексного воздействия температуры и агрессивной среды
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие наукоемких областей техники: авиа-, ракето-и судостроения, космической и электронной промышленности и др., невозможно без использования конструкционных материалов на основе термо- и огнестойких волокон, способных сохранять необходимые свойства при высоких температурах, при одновременном воздействии на них агрессивных сред и ионизирующего излучения.
Наиболее перспективными для этих целей являются волокна и нити, сохраняющие высокую механическую прочность и модуль упругости, при одновременном воздействии комплекса агрессивных сред. Несмотря на высокую стоимость, их применение оправдано эксплуатационной востребованностью.
Основными областями применения параарамидных нитей и изделий из них являются:
– теплоизолирующая продукция, рукава, приводные ремни, канаты, кабели, провода зажигания, термопластические трубы и пр. – изделия, для которых влияние температурного фактора, сопряжено с механическими напряжениями и воздействием химических сред;
– шины, конструкционные пластики для автомобильной, кораблестроительной промышленности и пр. – изделия, для которых существенное значение имеют температурный фактор и агрессивные среды;
– композиционные материалы для космической промышленности и ракетостроения – изделия, эксплуатируемые в условиях ионизирующего излучения, совместно с температурным фактором.
При всей актуальности и востребованности сведений об эксплуатационных характеристиках параарамидных волокон, до настоящего времени не проводилось системных исследований их надежности при комплексном воздействии различных агрессивных сред, а опубликованные сведения не носят системного характера.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы являлась оценка ресурса надежности параарамидных нитей при комплексном воздействии эксплуатационных факторов.
Для достижения указанной цели работы решались следующие задачи:
– изучение влияния кратковременного и длительного воздействия температуры на механические свойства указанных параарамидных нитей;
– оценка влияния химических сред на основные механические свойства параарамидных нитей;
– экспериментальные исследования характера изменения механических свойств параарамидных нитей при совместном воздействии высоких температур и агрессивных сред;
– проведение сравнительной оценки надежности исследуемых параарамидных нитей при комплексном воздействии факторов среды;
– изучение воздействия ионизирующего излучения на механические свойства параарамидных нитей;
– определение поведения нитей в различных условиях эксплуатации, полученных на основании экспериментальных данных и рекомендации по расширению области их применения.
Работа проведена в соответствии с планом госбюджетных НИР СПГУТД по проекту Лентек 1.10.07 «Разработка физических моделей, методологии и алгоритмов оценки экстремальных механических, термических, средостойкости и др. свойств материалов на основе элементов 2-го и 3-го периодов Периодической системы элементов»
Научная новизна работы заключается в прогнозировании изменения механических свойств при комплексном исследовании параарамидных нитей Технора Т200 и группы нитей Тварон под воздействием условий эксплуатации, а именно:
– установлен характер изменения механических свойств параарамидных нитей при термическом старении, при кратковременном воздействии высоких температур, при влиянии агрессивных сред, а также при комплексном воздействии температуры и агрессивных сред;
– с помощью сравнительного анализа методами ТГА и ДТА определена термическая выносливость исходных параарамидных нитей и нитей, подверженных воздействию агрессивной среды;
– получены аналитические зависимости механических свойств параарамидных нитей от влияния высоких температур (250, 275 и 300 0С) и продолжительности их воздействия на механические свойства, позволяющие прогнозировать их изменения в изученных пределах;
– установлен характер влияния ионизирующего излучения на механические свойства параарамидных нитей, свидетельствующие о возможности их применения при производстве композитов для космической промышленности, в авиа- и ракетостроении.
Практическая значимость результатов работы заключается в оценке надежности параарамидных нитей Технора и группы нитей Тварон в экстремальных условиях эксплуатации, при этом:
– выявлены температурные пределы эксплуатации исследуемых параарамидных нитей при термическом старении и при кратковременном воздействии высоких температур;
– определена допустимая продолжительность воздействия агрессивных сред, а также материальный ресурс работы при комплексном воздействии температуры и агрессивной химической среды;
– разработаны методики оценки термических характеристик химически обработанных параарамидных нитей; хемостойкости термосостаренных параарамидных нитей;
– усовершенствованы методики определения хемостойкости параарамидных нитей;
– результаты диссертационной работы внедрены в ООО НПФ «ТЕХИНКОМ» и используются в учебном процессе при подготовке студентов Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна в курсах лекций, включающих сведения о волокнах и нитях с экстремальными свойствами.
Достоверность результатов подтверждается апробацией результатов исследований на всероссийских и международных конференциях, публикациями в научной печати, использованием сертифицированных программ и стандартных математических методов для обработки результатов измерений.
Личный вклад автора состоит в выборе цели исследования, постановке задач, разработке методик экспериментов и их реализации, а также в разработке математических моделей, позволяющих прогнозировать поведение нитей в процессе эксплуатации, подготовке материалов для публикации совместно с соавторами.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки), 2006 г., Санкт-Петербург (СПГУТД); международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс), 2006, 2007 г.г., Иваново (ИГТА); международной научно-технической конференции и IX всероссийской олимпиаде молодых ученых «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» 2013 г., Санкт-Петербург (СПГУТД); VIII Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» 2013 г., Тирасполь (ПГУ им. Т.Г. Шевченко); VI Всероссийской Каргинской конференции "Полимеры – 2014", 2014г., Москва (МГУ); на научных семинарах кафедры материаловедения и товарной экспертизы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 4 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, 5 приложений. Работа выполнена на 155 страницах, содержит 64 рисунка, 30 таблиц, список использованных источников состоит из 215 наименований.
Применение сверхпрочных и сверхвысокомодульных волокон и нитей
Создание высокопрочных арамидных волокон обусловлено идеей их использования в качестве армирующих наполнителей полимерных композитов, предназначенных для изготовления облегченных элементов конструкций летательных аппаратов.
Не смотря на высокую стоимость параарамидных волокон (из-за высокой стоимости исходных мономеров и полимеров), их применение оправдано эксплуатационной необходимостью и экономически выгодно [37]. Благодаря своим высоким механическим и термическим свойствам, волокна третьего поколения успешно используются для нужд различных областей техники, в т. ч. для оборонной промышленности [1, 9, 38–40].
Преимущественными областями применения параарамидных нитей отечественного производства являются композиционные материалы и изделия на их основе, выдерживающие высокие растягивающие механические нагрузки, при этом учитываются неоднородность свойств нити при продольном и поперечном направлениях.
Высокая адгезия параарамидных волокон практически ко всем реактопластам – эпоксидным, фенольным, а также ацетатным, полиуретановым и др. – позволяет получать композиты с высокой монолитностью и прекрасными механическими свойствами. Наиболее эффективны композиционные материалы и изделия, получаемые методами «сухой» или «мокрой» намотки арамидных материалов различной структуры (в виде некрученых и крученых нитей, жгутов, ровингов, лент, тканей различного переплетения) на вращающуюся оправку, имеющую конфигурацию внутренней поверхности изделия (это крупногабаритные детали летательных аппаратов, емкости для работы при высоких давлениях и другие изделия, где требуются экономия массы.
Полимерные композиционные материалы на основе параарамидных волокон обладают весьма высокими упруго–прочностными свойствами, особенно привлекательными в сочетании с низкой плотностью материала. Это определило перспективность использования органопластиков в авиационно–космической технике [41].
Параарамидные волокна широко используются как усилители в авиационной промышленности и космической технике, в судостроении, в производстве спортивных товаров и кузовов для гоночных автомобилей, в электротехнической промышленности и как заменители асбестовых фрикционных прокладок [5, 42–49].
Арамидные волокна используются вместо асбестовых при изготовлении разнообразных прокладок и фрикционных накладок. Арамидные нити в некоторых случаях могут использоваться совместно с углеродными. Такая композиция находит применение при глубоководном бурении, а также при изготовлении деталей для автомобилей [50]. Высокопрочные высокомодульные органические волокна могут эффективно использоваться в качестве энергопоглощающих материалов различного назначения [51]:
– конструкционных элементов с высоким уровнем демпфирующих свойств, длительно выдерживающих интенсивные вибрационные и акустические нагрузки (элементы конструкций несущих и декоративных деталей летательных аппаратов);
– конструкционных материалов для экранирующих устройств авиационных двигателей, выдерживающих высокоэнергетическое механическое воздействие с кинетической энергией 30-50 Дж/м2 (удерживание в аварийных случаях осколков лопаток вентиляторов или фрагментов маховиков с массой до 8 кг при скорости 300-400 м/с);
– материалов в составе комбинированной мягкой брони, способных сопротивляться динамическому воздействию высокоскоростного баллистического удара (элементы броневой защиты техники и средств индивидуальной броневой защиты) [5, 50–54].
Сверхпрочные технические нити (в частности параарамидные – Армос, Русар, Тварон, Кевлар, Технора) применяются также для получения нитепрошивных нетканых полотен, предназначенных для армирования композитов [55].
Целесообразным является использование параарамидных нитей в кабельной промышленности для производства оптических кабелей [56–58]. Такие кабели, благодаря параарамидным волокнам, способен выдерживать высокие растягивающие и раздавливающие нагрузки, устойчив к действию влаги, нефтепродуктов, микроорганизмов и грызунов. Параарамидные волокна и нити применяются также при производстве кабелей дальней связи. Высокомодульные параарамидные нити (Тварон 2200, Кевлар 49) могут использоваться для армирования кабеля по периметру, а также для воздушной прокладки и прокладки в кабельной канализации, коллекторах, блоках, трубах; водоблокирующие параарамидные нити (Тварон 1052), располагаясь вокруг оптического волокна, защищают его от влаги при повреждении кабеля; центральный силовой элемент кабеля может представлять собой композит арамидных нитей и эпоксидной смолы, обеспечивая малый вес кабеля и увеличение диапазона рабочих температур; обмотка кабеля и воздушные прокладки могут представлять собой баллистические параарамидные ленты [24]. Подводя итоги, следует отметить, что высокопрочные нити применяются для изготовления нагруженных текстильных материалов и изделий (тросы, канаты, ремни, ленты, ткани и др.), резинотехнических изделий (транспортные ленты, шланги высокого давления, приводные ремни, мембраны и др.), автомобильных и авиационных шин, средств страховки, спасения и безопасности [59], для производства фильтрованных, тарных и укрывающих тканей, различных видов сеток, специальной одежды и перчаток [5]. 1.3 Способы получения параарамидных волокон Строение и свойства волокнообразующих полимеров оказывают сильное влияние на методы и условия формования, а также на последующую обработку химических волокон. Молекулярное строение полимеров – химический состав, пространственная форма макромолекул, гибкость (жесткость), полярность макромолекул и другие показатели существенно влияют на их свойства, способность к ориентационному и кристаллизационному упорядочению при структурообразовании. Принципиальное значение имеют два основных показателя строения макромолекул – их гибкость (жесткость) и полярность (наличие полярных функциональных групп). От этих показателей зависят температурные характеристики волокнообразующих полимеров – температуры стеклования Тс, плавления Тп, разложения Тр, а также растворимость в различных растворителях [1 – 3, 60–62]. Параполиамиды и сополиамиды получают путем концентрации дихлорангидрида терефталевой кислоты и параароматических диаминов (парафенилендиамина и/или гетероциклических диаминов параструктуры. Принципы получения параарамидных волокон отличны от тех, на которых основаны традиционные процессы получения химических волокон. Вследствие неплавкости параполиамидов волокна формуют только из растворов. Используют в основном два вида исходных растворов:
– концентрированные жидкокристаллические (анизотропные) растворы, например 15 – 25 % растворы полипарафенилен-терефталамида или близких к нему ароматических сополимеров в 100 % серной кислоте;
– умеренно концентрированные (5 – 6 %) изотропные растворы параполиамидов с гетероциклами в цепи и близких к ним сополимеров в амидных растворителях с добавкой лиофильных солей, в частности в диметилацетамиде с хлоридом лития. В процессах истечения из отверстий фильеры и первичного структурообразования эти растворы переходят в анизотропное состояние [63–69].
Для ароматических высокопрочных и высокомодульных, термостойких волокон и нитей применяются процессы формования из растворов по мокрому методу (часто по «сухо-мокрому» методу через воздушную прослойку) с использованием водных осадительных ванн, хотя не исключено и применение органических ванн. Скорость первичного приема нити при формовании обычным методом составляет примерно 20 м/мин, а при формовании через воздушную прослойку – 200-300 м/мин. Формование высокопрочных, высокомодульных волокон из ароматических полиамидов параструктуры осуществляется из растворов, уже находящихся в упорядоченном состоянии, (в некоторых случаях при дополнительном пластификационном вытягивании) происходит первичная ориентация и упорядочение структуры. Сформованные нити промывают от остатков растворителя и осадительной ванны.
Обычно все указанные выше операции протекают последовательно по мере движения нити, для чего используют машины непрерывного процесса. В случае низкоскоростного формования из растворов в органических растворителях применяют машины, близкие по конструкции к машинам для формования вискозных или полиакрилонитрильных нитей. Для процесса сухо-мокрого формования через воздушную прослойку применяют нетрадиционные машины.
Дальнейшие операции термической обработки позволяют регулировать свойства сформованных нитей. Термическую обработку можно осуществлять как периодическим, так и непрерывным методами, при температуре выше температуры стеклования примерно на 100 град, без натяжения или при небольшом его значении. Для повышения модуля упругости возможно также незначительное термическое вытягивание нитей. При термической обработке и последующем даже небольшом вытягивании происходит дальнейшее упорядочение структуры параарамидных волокон и повышаются их механические свойства [37, 65, 70–71].
Усовершенствованный метод оценки хемостойкости параарамидных нитей по сохранению механических свойств
Для изучения хемостойкости параарамидных нитей (устойчивости нитей к воздействию агрессивных сред: 10 % раствору H2S04, 10 % раствору NaOH, С3НбО и С6Н6), образцы подвергали химическому воздействию в течение следующего времени: 24, 48, 72, 96, 120, 168 и 240 ч.
Нити, в виде моточков, помещали в реагент, где выдерживали их заданное время. После чего образец промывали под проточной водой до нейтральной реакции. Затем образец высушивали на воздухе до полного удаления влаги.
Оценку хемостойкости нитей проводили по совокупности механических характеристик:
- химическая устойчивость по степени сохранения прочности определяется по формуле:
где Рх/о - удельная разрывная нагрузка химически обработанной нити; Рисх - удельная разрывная нагрузка исходной нити.
- хемостойкость по удлинению при разрыве определяется по формуле:
где Sх/о - удлинение при разрыве химически обработанной нити; єисх - удлинение при разрыве исходной нити 2.6.2 Разработанный метод оценки хемостойкости термосостаренных параарамидных нитей
Для изучения влияния химического воздействия на механические свойства нитей, предварительно подверженных длительному воздействию высоких температур (процесса хемостойкости термосостаренных нитей), образцы в свободном состоянии (в виде моточков) подвергали термическому воздействию на воздухе при следующих температурах 250, 275 и 300 0С и времени воздействия 25, 50, 75 и 100 ч.
Затем, для изучения хемостойкости параарамидных нитей (устойчивости нитей к воздействию агрессивных сред: 10 % раствору H2SO4, 10 % раствору NaOH, C3H6О и C6H6), образцы подвергали химическому воздействию в течение следующего времени: 24, 48, 72, 96, 120, 168 и 240 ч.
Нити, в виде моточков, помещали в реагент, где выдерживали их заданное время. После чего образец промывали под проточной водой до нейтральной реакции. Затем образец высушивали на воздухе до полного удаления влаги.
Оценку хемостойкости термосостаренных нитей проводили по совокупности механических характеристик:
– химическая устойчивость термосостаренных нитей по степени сохранения прочности определяется по формуле: где Рх/о+т/о – удельная разрывная нагрузка химически обработанной предварительно термосостаренной нити;
Рисх – удельная разрывная нагрузка исходной нити. – хемостойкость термосостаренных нитей по удлинению при разрыве где Sх/о+т/о - удлинение при разрыве химически обработанной термосостаренной нити; єисх - удлинение при разрыве исходной нити. Методика оценки хемостойкости термостаренных нитей по механическим показателям приведена в приложении А.
Метод оценки радиационной стойкости нитей по сохранению механических свойств
Параарамидные нити помещали в поток тепловых нейтроной разной интенсивности с выдержкой 23 часа. Поток был направлен параллельно расположению нитей.
После этого механическую прочность облученных нитей определяли по стандартной методике с применением формул 2.1, 2.2.
aСканирование поверхности волокон проводили по стандартной методике с помощью сканирующего электронного микроскопа Supra-55 VP фирмы Carl Zeiss с предварительным напылением золота на поверхность нити.
Исследование влияния кратковременного воздействия температуры на механические свойства параарамидных нитей
В процессе эксплуатации параарамидные волокна и нити, а также изделия из них могут быть подвержены не только длительному термическому воздействию, но и кратковременному воздействию высоких температур (до 250–300 0С), что влечет изменение механических свойств нитей и изделий из них.
Исследования проводились на универсальной измерительной установке фирмы Instron 1122, со скоростью нагружения = 4,17 10-3 с -1 при следующем ряде температур Т = 20, 100, 150, 200, 250 и 300 0С. Образцы помещались в термокамеру и доводились до разрыва при указанной температуре с регистрацией разрывного напряжения.
Теплостойкость нитей оценивалась по степени сохранения механических характеристик после термического воздействия.
Изменение относительной разрывной нагрузки после кратковременного воздействия температуры Графики изменения относительной разрывной нагрузки для параарамидных нитей Технора Т200, Тварон 1000, Тварон 2000 и Тварон 2200 после воздействия температур 100, 150, 200, 250 и 300 0С, представлены на рисунке 3.18, данные по изменению разрывных характеристик – в приложении В.
Как показывает статистический анализ результатов измерений, все приведенные выше зависимости относительной разрывной нагрузки от температуры кратковременного воздействия 20 – 300 0С для нитей Технора Т200, Тварон 1000, Тварон 2000 и Тварон 2200, могут быть описаны при помощи квадратичной функции регрессии:
Анализ коэффициентов говорит о том, что для высокопрочных нитей Технора Т200 и Тварон 2000 график представляет из себя прямую линию и эти нити образуют отдельную группу. Анализ графиков и таблицы показывает, что коэффициент В2 для всех нитей отрицателен, график имеет выпуклую форму вверх. Гистограмма изменения относительной разрывной нагрузки (Рts,, сН/текс) в зависимости от температуры воздействия для исследуемых параарамидных нитей представлена на рисунке 3.19.
Как видно из представленных данных, с повышением температуры воздействия, прочностные показатели нитей падают.
При этом, при температуре 100, 150, 200 0С, высокомодульные нити имеют прочностные характеристики лучше, чем высокопрочные.
Для нити Технора Т200 при температуре воздействия 100 0С происходит потеря прочности на 12 %. С повышением температуры происходит постепенное понижение прочности нити. Вплоть до 250 0С нить сохраняет более 54 % прочности. При 300 0С потеря прочности составляет около 55 %.
Для нити Тварон 1000 при температуре воздействия 100 0С происходит упрочнение нити – показатель сохранения прочности равен 104 %. Возможно это связано с тем, что при невысокой температуре и кратковременном воздействии мелкие дефекты нити устраняются. При температуре воздействия 150 0С нить сохраняет 92 % прочности. В отличие от данного образца, нить Тварон 2000 теряет около 20% прочности, нить Тварон 2200 – около 12%. При температуре воздействия 250 0С, нить Тварон 1000 сохраняет около 68 % прочности. Остальные образцы на основе ПФТА менее устойчивы к воздействию температуры – показатель сохранения прочности при температуре 250 0С для Тварона 2000 составляет 52 %, для Тварона 2200 – 55 %. При температуре воздействия 300 0С нить Тварон 1000 сохраняет более 52 % прочности. Показатели прочности при данной температуре воздействия для остальных образцов на основе ПФТА более низкие: для Тварона 2000 потеря прочности составляет 56 %, для Тварона 2200 – около 54 %.
Графики изменения удлинения после воздействия температур 100, 150, 200, 250 и 300 0С, для исследуемых параарамидных нитей представлены на рисунке 3.20, данные по изменению разрывных характеристик – в таблице 1 приложения Б.
Все приведенные выше зависимости удлинения от температуры кратковременного воздействия 20 – 300 0С для нитей Технора Т200, Тварон 1000, Тварон 2000 и Тварон 2200, могут быть описаны квадратичной функцией регрессии:
Исследование изменения механических свойств параарамидных нитей после комплексного воздействия температуры и агрессивной среды
Приведенные выше результаты показывают, что нить Технора Т200 сохраняет свои механические характеристики при воздействии температуры и агрессивных сред лучше, чем нити группы Тварон. Поэтому было проведено исследование совместного воздействия агрессивной среды и температуры на нить Технора Т200.
Термосостаренная нить (температура 300, время нагрева 25 ч) подвергалась действию 10 % растворов H2S04 и NaOH, С6Н6 (бензол) и С3Н6О (ацетон). Образцы нитей подвергали химическому воздействию в течение 25, 50 и 75 часов в свободном состоянии.
На рисунке 4.31 приведены данные по изменению прочности нити Технора Т200 при суммарном воздействии агрессивной среды и температуры. Из приведенных данных следует, что в качестве аналитической зависимости, описывающей химическое старение предварительно термосостаренной нити Технора Т200 можно, как и в случае термостарения, использовать полиноминальную функцию регрессии:
Следует отметить, что для температуры 300 0С при описании чистого термостарения для нити Технора работала экспоненциальная модель, а хемостарение при времени обработки до 75 час. было незначительно, прочность сохранялась на уровне 90% от исходной и выше. При воздействии агрессивной среды на термосостаренную нить потеря прочности при действии органических растворителей составляет 50% при времени воздействия 75 ч. Тем самым время надежной эксплуатации при суммарном воздействии температуры и агрессивной среды существенно ниже, чем при отдельном термическом или химическом воздействии.
1. Проведенные исследования длительного воздействия высоких температур (250 - 300 С, время нагрева до 100 ч) на механические свойства параарамидных нитей показали, что повышение температуры и увеличение длительности нагрева вызывает протекание термодеструктивных процессов, сопровождающихся постепенным снижением механических свойств. Кроме того, практически все параарамидные нити, подверженные воздействию температуры в свободном состоянии, уступают по прочности нитям, обработанным в фиксированном состоянии.
2. Наиболее термостойкой из исследуемых образцов в температурном диапазоне 250-300 С и при времени воздействия 25-100 ч является нить Технора Т200, которая существенно выделяется и по прочностным и по деформационным характеристикам.
3. Исследуемые образцы в порядке возрастания прочности можно выстроить следующим образом: высокопрочная нить Тварон 1000 - высокомодульные нити Тварон 2000 и Тварон 2200 - высокопрочная нить Технора Т200.
4. Прочностные и деформационные характеристики параарамидных нитей, при времени воздействия химической среды (10 % раствора H2SO4 и NaOH, С6Н6, С3Н6О) до 48 часов, практически не меняются. При более длительном воздействии, нить Технора Т200 сохраняет свои свойства в кислой и щелочной средах, но теряет прочность под действием органических растворителей. Группа нитей Тварон, наоборот, сохраняет свойства при действии органических растворителей и теряет их при действии растворов щелочей и кислот.
5. При комплексном воздействии температуры и агрессивной среды на нить Технора Т200 происходит существенная потеря прочностных свойств, а время возможной эксплуатации существенно уменьшается (не более 50 ч). Зависимость прочности от времени воздействия агрессивной среды в этом случае носит практически линейный характер.
6. Математические модели, описывающие поведение нити Технора Т200 и группы нитей Тварон при воздействии высоких температур и позволяющие прогнозировать изменение механических свойств, существенно отличаются. Мы считаем, что это связано с тем, что нить Технора Т200 относится к сополимерам, и, соответственно, имеет менее равномерную структуру, нежели нити на основе ПФТА.
Исследование влияния ионизирующего излучения на механические свойства параарамидных нитей
По литературным источникам известно, что изделия из параарамидных нитей могут подвергаться воздействию космических лучей [43, 87, 96, 105, 110].
Существует два вида космических лучей – первичные (до входа в атмосферу земли) и вторичные, которые возникают в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с земной атмосферой. Источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся при взрывах сверхновых. Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени постоянна в течение 109 лет. В таблице 5.1 приведены характеристики первичных космических лучей [211– 212].
В результате взаимодействия с ядрами элементов, находящихся в атмосфере
Земли, первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц - пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые в свою очередь взаимодействуют с ядрами атмосферы [213]. При прохождении через атмосферу поток космических лучей поглощается и рассеивается. Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей ( 0.01 см-2с-1).
