Пластик из микро- и нановолокон СВМПЭ и связующих смол

В настоящее время получение пластика из лёгких, высокопрочных, износостойких волокон СВМПЭ является первостепенной задачей. А применение волокон СВМПЭ в баллистической защите делает эту задачу стратегической. Попытки изготовить суперпрочный, суперлёгкий 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 всё же ожидания были значительно выше.

Когда речь идёт 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 жёсткости пластика.

Получение нановолокон методом электроспиннинга для таких полимеров, как СВМПЭ, малоэффективно 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 путём 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 высокопрочных, высокомодульных волокон СВМПЭ в твёрдой фазе и их прочёса 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 объёме самых лёгких 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 сверхлёгких материалов. Мы применили вакуумный способ пропитки эпоксидной смолой.

Сравнение механических свойств высокопрочных волокон и КМ на их основе

Фото: 1 — микро- и нановолокна из СВМПЭ после выхода из установки;
2 — смоченные водой (гидрофильность);
3 — прессованные пластины из микро- и нановолокон для пропитки;
4 — готовый пластик.