Виды волокнистых материалов

Длинные нитеобразные или короткие штапельные волокна яв­ляются исходным материалом для производства пряжи и тканей.

По происхождению волокнистые материалы, используемые для резиновой промышленности, могут быть подразделены на три группы: природные, искусственные и синтетические. К природным материалам относятся: растительные (целлюлозные) —хлопок и лен; минеральные — асбест; животные — шелк и шерсть. К искус­ственным относятся продукты переработки целлюлозы (вискозное и ацетатное волокна); продукты переработки минерального сырья (силикатное, стеклянное волокно). В последнее время значительно возросло применение группы синтетических волокнистых мате­риалов (полиамиды, полиэфиры, производные этилена).

Волокна растительного происхождения. Основу важнейших растительных волокнистых материалов, как и ряда искусственных, составляет целлюлоза. Растительные волокнистые материалы (и их производные) отличаются своей способностью поглощать влагу из окружающей среды. Содержание влаги в волокнистом мате­риале зависит от относительной влажности окружающего воздуха. Нормальными условиями принимают: 65 ±5% относительной влажности при 20 ± 5°. Изменение влагосодержания волокон ска­зывается на их физико-механических свойствах. У хлопка с уве­личением влажности повышается прочность волокна. Максималь­ная прочность соответствует 70—80% относительной влажности воздуха; далее прочность несколько падает. Влагосодержание хлопка в нормальных условиях составляет 7—8%. У льна с увеличе­нием влажности также наблюдается повышение прочности, особенно значительное при 70% относительной влажности. Нормальное влагосодержание льноволокна— 12%.

Минеральные волокна. Асбест — волокнистый мате­риал минерального происхождения, влажность его 2—3%. Основ­ное значение имеет асбест змеевиковый или хризотиловый, пред­ставляющий собой водный силикат магния. Подвергнутый скру­чиванию асбест теряет до половины своей прочности. Асбест обладает ценными техническими свойствами как огнестойкий, нетеплопроводный, щелочестойкий материал. Будучи расщеплен на тонкие волокна, асбест в смеси с 15—20% хлопка может быть переработан в пряжу. Текстильные сорта асбеста имеют длину волокон 9—15 мм. Коротковолнистый (1—9 мм) асбесг приме­няется как наполнитель в пароните и смесях для изготовления теплостойкого эбонита. Асбестовые ткани и пряжа применяются в производстве теплостойких технических изделий, некоторых ви­дов паропроводных рукавов и транспортерных лент.

Искусственные волокна получают при химической переработке высокомолекулярных соединений, в первую очередь целлюлозы. Среди нескольких видов искусственных волокон наибольшее зна­чение имеет вискозное волокно (искусственный шелк) с элемен­тарным звеном —C₆H10O₅—. Это гидратцеллюлозное волокно по­лучают путем продавливания щелочного раствора натриевой соли тиокарбонового эфира целлюлозы (ксантогенат целлюлозы) в осадительную подкисленную ванну через фильеры из химически стойкого сплава. Фильеры имеют вид колпачков, в донышках ко­торых имеются тонкие отверстия, В осадительной ванне происходит регенерация целлюлозы в форме тонких непрерывных нитей (филаментов).

Характерной особенностью вискозного волокна является сни­жение его прочности на 40—50% с увеличением влажности. Даже у новейших типов сверхпрочного вискозного волокна это снижение составляет 20—30%. В присутствии окислительных и гидролизующих агентов при повышенной температуре происхо­дит значительная деструкция вискозного волокна.

Поэтому механическая обработка влажных вискозных изделий с применением к тому же щелочей или кислот недопустима. Нор­мальное влагосодержание вискозного волокна—11%. В условиях хранения или эксплуатации приводных ремней, транспортерных лент или шин, изготовленных с применением вискозных мате­риалов, влагосодержание последних повышается, и, следова­тельно, прочность их может стать ниже расчетной.

В правильно проведенном технологическом процессе проч­ность нитей, вынутых из вискозного каркаса, незначительно от­личается (при одинаковой влажности) от исходного суровья. Однако теплостойкость и удлинение их снижается, неровность толщины нити по удлинениям возрастает.

Некоторое промышленное применение получило ацетатное волокно, представляющее собой уксуснокислый эфир целлюлозы. Разновидность частично омыленного ацетатного волокна, форти-зан, обладает значительной прочностью.

Стеклянное волокно представляет собой тонкие стек­лянные нити, получаемые при вытекании расплавленной стеклян­ной массы через фильеры. Вытекающую вязкую стеклянную массу с большой скоростью вытягивают в тонкие волоски. Хруп­кость, свойственная стеклу в массе, в этом тонковолокнистом виде уступает место гибкости. Застывшие стеклянные нити за­масливают смесью парафина и жирных кислот. При этом элемен­тарные нити склеиваются в пряди, взаимное трение их уменьшается. Прочность стеклянного волокна на единицу поперечного сечения тем выше, чем тоньше волокно; влажность стеклянного волокна около 0,2%. Изготовляется также и штапельное стеклян­ное волокно. Ткани из стеклянных волокон применяют для теп­лостойких транспортерных лент, рукавов, назначаемых для пере­дачи агрессивных сред, и ряда других изделий.

Синтетическими волокнами называют нитевидные продукты, получаемые переработкой органического сырья. Для резиновой промышленности наибольшее значение имеют гетероцепные поли­амидные волокна: анид (найлон), капрон, энант — продукты по­ликонденсации диаминов и аминокислот и полиэфирное волок­но— лавсан (терилен). Полиамидное волокно — капрон— с элементарным звеном —NH(CH₂)sCO— получают путем слож­ной химической переработки фенола в лактон аминокапроновой кис­лоты и последующей конденсации этого продукта; анид (найлон) с элементарным звеном —СО—(СН₂)₄—СО—NH—(СН₂)₆—NH— из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты; энант с элементарным звеном —NH—(СН₂)б—СО— из аминоэнантовой кис­лоты. Полученное полиамидное волокно подвергают вытяжке в 3,5—4,5 раза. Создаваемая таким образом ориентация молекул приводит к значительному упрочнению, так как чем больше ориен­тация, тем больше волокон, одновременно участвующих в раз­рыве. Стойкость полиамидных волокон к кислотам при кипении невелика, но к щелочам значительна; влагосодержание при 60% относительной влажности воздуха около 3,5%. В отличие от вискозного волокна, прочность полиамидных волокон при увлаж­нении снижается очень мало; полиамидные волокна не подвергаются гниению. Перспективным является полиэфирное волокно лавсан (полиэтилентерефталат) с элементарным звеном —СН₂—СНгООС—СбН4—СОО—, получаемое из терефталевой кислоты и этиленгликоля, обладающее хорошим сопротивлением к растяжению и к термообработке; оно размягчается лишь при 260 °С. Значительный интерес может представить полипропиле­новое волокно, получаемое конденсацией изотактического поли­пропилена, более дешевого исходного материала, нежели мате­риалы для полиамидных волокон и карбоцепные волокна: хлорин (хлорированный полихлорвинил) и полифен с элементарным зве­ном —CF₂—CF₂—.

Следует иметь в виду, что некоторые синтетические волокна способны реагировать с пластификаторами и мягчителями рези­новой смеси, а это может вести к снижению прочности таких во­локон. В табл. 9 приведены некоторые данные по физико-механи­ческим свойствам волокнистых материалов.

С конструкционной точки зрения не только f или е волокон определяют их механические свойства, а также их разрывная длина и величина начального модуля продольной упругости Е.

Для расчета модуля продольной упругости волокон может быть принят только такой прямой участок на кривой напряже­ние— деформация, который отвечает обратимой деформации. При малых нагрузках, действующих на волокна кратковременно, из трех видов деформации, составляющих полную, преобладает обратимая ее часть — упругая, а также эластичная с малым (10—15 с) периодом релаксации. При больших нагрузках зна­чительно возрастает доля пластической деформации. Модуль Е вычисляют по зажимной длине l₀, поперечному сечению s₀, условному упругому удлинению Аl (состоящему из истинно упругого, совместно с названной частью эластичного и истинно эластичного) и нагрузки Р. Минимальная величина нагрузки Р принимается такой, чтобы названная обратимая часть составляла в полной деформации не менее 90%. Рекомендуется предвари­тельная запарка волокон в горячей воде, сушка и кондициониро­вание, однократная (не постепенно возрастающая) нагрузка. Площадь поперечного сечения волокон определяется расчетным путем из их длины, массы и уплотненности (в 0,001 сН/мм³).  Величина начального модуля Е волокон составляет:

Начальный модуль волокна лавсана при е = 1 % составляет 1080-10 Н/мм².