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 УФ-облучением, 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 модифицировать связующие смолы введением наноразмерных частиц различных материалов. Нельзя сказать, что эффект от этих модификаций не оправдывает надежд, но 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. Нановолокна из СВМПЭ, полученные электроспиннингом раствора, имеют прочность 7.0–8.0 ГПа, а теоретическая прочность волокон из СВМПЭ составляет, по данным различных источников, 15–20 ГПа. Помимо повышения адгезии, применение микро- и нановолокон СВМПЭ — это один из путей повышения прочности и жесткости пластика. Получение нановолокон методом электроспиннинга для таких полимеров, как СВМПЭ, малоэффективно из-за высокой вязкости расплава, а из раствора — 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 применяются специальные методы дефибриллизации с помощью ультразвука и растворителей. Мы применили ультразвуковой способ дефибриллизации высокопрочных, высокомодульных волокон СВМПЭ в твердой фазе и их прочеса и добились получения микро- и нановолокон. Нановолокна полимеров — это волокна диаметром менее 100 нм, характеризующиеся высокой плотностью поверхности, гидрофильностью, гибкостью и удивительной прочностью — чем тоньше волокно, тем выше прочность.

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 неожиданной гидрофильности. Во-вторых, эти волокна легко поддаются прессованию (например, в пластины) и термоскреплению. Достаточно высокая гидрофильность и микропористость этих пластин — практически идеальный армирующий материал 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 высокопрочных сверхлегких материалов. Мы применили вакуумный способ пропитки эпоксидной смолой.

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 “ваты” микро- и нановолокон, дефибриллизованных из полифиламентной нити Dyneema.

На фото:

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

Таблица. Сравнение механических свойств высокопрочных волокон и КМ на их основе