Пластик из микро и нановолокон СВМПЭ и связующих смол

В настоящее время получение пластика из легких, высокопрочных, износостойких волокон СВМПЭ является первостепенной задачей. А применение волокон СВМПЭ в баллистической защите делает эту задачу стратегической. Попытки изготовить суперпрочный, суперлегкий пластик из волокон СВМПЭ на основе различных смол предпринимаются постоянно. Из-за недостаточной адгезии волокна к связующему применяются различные методы – обработка волокна плазмой, коронным разрядом на воздухе или в среде, обработка УФО, травление. Применяют и гибридные волокна при получении армирующих тканей - сочетание волокон СВМПЭ с арамидным, углеродным или стекловолокном чтобы нивелировать плохую адгезию к СВМПЭ,. Предпринимаются попытки и модифицировать связующие смолы введением наноразмерных частиц различных материалов. Нельзя сказать, что эффект от этих модификаций не оправдывает надежд, но все же ожидания были значительно выше. Когда речь идет о баллистическом волокне Dyneema , то изначально эти волокна представляют собой высокопрочные полифиламентные нити с условным диаметром от 100 до 500 мкм(в зависимости от числа мононитей) с прочностью 3.5-5.0 ГПа. Микроволокна из СВМПЭ, полученные электроспинингом раствора имеют прочность 7.0-8.0 ГПа, а теоретическая прочность нановолокон из СВМПЭ составляет по данным различных источников 10-20 ГПа. Помимо повышения адгезии за счет большой поверхности применение микро и нановолокон СВМПЭ это один из путей повышения прочности и жесткости пластика. Получение микро и нановолокон методом электроспининга для таких полимеров как СВМПЭ малоэффективен из-за высокой вязкости расплава, а из раствора очень дорого и с ограниченной производительностью. На нашем предприятии разработана технология, претендующая на промышленную, производства микро и нановолокон СВМПЭ путем дефибриллизации полифиламентных высокопрочных волокон, полученных по традиционной гель-технологии. Дефибрилляция — это процесс разделения волокна на более тонкие, часто микронные или даже наноразмерные волокна. В настоящее время применяют специальные методы дефибриллизации с помощью ультразвука и растворителей. Мы применили ультразвуковой способ дефибриллизации волокон СВМПЭ в твердой фазе на специально сконструированном дефибриллизаторе и добились получения микро и нановолокон. Микроволокна -это волокна в диапазоне 1-100 мкм .Нановолокна полимеров — это волокна диаметром менее 100 нм, характеризующиеся высокой плотностью поверхности, гибкостью и удивительной прочностью. Чем тоньше волокно, тем выше прочность из-за снижения числа и размеров дефектов. Появление на рынке в промышленном объеме самых легких высокопрочных, высокомодульных микро и нановолокон из СВМПЭ, имеющих совершенно другие, неожиданные свойства по сравнению с исходными имеет существенное значение для получения пластиков. Прежде всего такие волокна не требуют дополнительной обработки активации поверхности, из за их огромной поверхности. Во-вторых, эти волокна легко поддаются прессованию и термоскреплению в жесткий сверхударопрочный пластик.

Достаточно высокая микропористость этих пластин - практически идеальный армирующий каркас для пропитки различными смолами. Варьирование давлением прессования препрегов позволяет изменять физико-механические свойства в широких пределах и получать материалы с заданными свойствами, что очень важно для создания эффективных высокопрочны, сверхлегких материалов. Мы применили вакуумный способ пропитки различными двухкомпонентными и однокомпонентными смолами. В таблице приведены данные по сравнению композиционных материалов (КМ), полученных-

а) на основе матов из волокон Dyneema, сложенных ортогонально, и пропитанных эпоксидной смолой под вакуумом.
б) вакуумной пропиткой пластин из микро и нановолокон СВМПЭ.

Фото:

Микро и нановолокна из СВМПЭ после выхода из установки.
Смоченные водой (гидрофильность)
Прессованные пластины из микро и нановолокон до пропитки 4-готовый пластик

Таблица. Сравнения мех. свойств высокопрочных волокон и КМ на их основе:

Материал волокна	Прочность, МПа	Модуль упругости, МПа
Dyneema (волокно)	2500–3600 (по литер.данным)	70–110 (по литер.данным)
КМ на основе матов из волокон Dyneema +эпоксид. Смола (ортотропный пластик-направление Х-У)	400–600	20–40
Микроволокно из СВМПЭ	4000–7000 ( по литер. данным)	100–150 (по литер. данным)
КМ на основе микро и нановолокна волокон термоспрессованных + эпоксид. Смола (изотропный пластик)	500–700	25–50

Фото вакуумной пропитки пластин из микроволокна СВМПЭ: