Статьи»Ткани с эластомерным покрытием для мягких оболочечных конструкций»Характеристики материалов, необходимые для расчета и конструирования изделий

Характеристики материалов, необходимые для расчета и конструирования изделий

Добавлено 28.02.2014

Для каждой группы и подгруппы МОК создают эластомерно-тканевые материалы с определенным комплексом свойств, который зависит от назначения и условий эксплуатации изделий. Наиболее характерные  показатели материала обычно присутствуют в каталогах поставщиков ЭТМ.

При конструировании ЭТМ полимерное покрытие и армирующий текстиль выбирают, исходя из обеспечения оптимальных свойств материала в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделия. Кроме того, учитывают способ соединения элементов конструкции и  технологию изготовления. Опыт конструирования оболочечных конструкций показал, что определенные трудности в конструировании ЭТМ были связаны с недостаточно полным представлением о свойствах материалов и механизме разрушения оболочек под предельной нагрузкой, вследствие чего материал использовался неэффективно или к нему предъявлялись явно преувеличенные требования.

При расчете и конструировании ЭТМ необходимо учитывать такие недостатки современных материалов, как недолговечность под воздействием климатических факторов, ползучесть и усталость вследствие действия нагрузок, характер и значения деформационных характеристик в двухосном напряженном состоянии, а также ряд других внешних воздействий, связанных с особенностями эксплуатации оболочки.

Ассортимент используемых материалов по своим техническим характеристикам, массе и толщине весьма широк. Диапазон прочности материалов на разрыв может колебаться в пределах от 8 до 3000 daN / 5 см, поверхностная плотность – от 30 до 5000 г/ м2, номера используемых нитей  – от 50 до 2200 dtex.

Типичными характеристиками   для подавляющего большинства материалов оболочек являются:

  • прочность на разрыв и к раздирающим нагрузкам;
  • ограниченное удлинение, равномерное по ширине полотка при рабочих нагрузках с узким диапазоном допусков;
  • минимально возможная толщина, обеспечивающая сохранение свойств ткани во времени;
  • технологичность для соединения в швах;
  • качество и товарный вид.

Кроме того, дополнительными нормируемыми свойствами материалов, в зависимости от их назначения, могут быть:

  • непроницаемость по отношению к рабочей среде;
  • стойкость в отношении специальных рабочих сред: газов (углекислому газу, водороду, гелию, пороховым газам и др.), агрессивных жидкостей и их смесей;
  • прочность к действию локальных нагрузок (сопротивление проколам);
  • прочность к истирающим нагрузкам;
  • максимальная устойчивость к многократным изгибам;
  • работоспособность в заданном интервале температур;
  • стойкость к кратковременным тепловым нагрузкам;
  • огнестойкость;
  • стойкость к физическим, химическим, биологическим воздействиям окружающей среды;
  • способность склеиваться или свариваться с другими материалами без уменьшения прочности основного материала
  • стойкость к воздействию атмосферных факторов, в том числе в условиях тропиков;
  • биологическая инертность;
  • отсутствие выделения вредных летучих ингредиентов и компонентов.

Например, при разработке  пневматических строительных конструкций рекомендуют использовать следующие типовые требования при выборе или создании новых материалов:

В качестве силовой основы обычно выбирают однослойную ткань из синтетического или неорганического волокна полотняного переплетения (или «рогожка») из нитей низких номеров и малой крутки. Рекомендуется использовать материал  с двухсторонним покрытием с распределением полимера в 60 – 65% на лицевую сторону и 35 – 40% на внутреннюю. Адгезия к ткани - не менее 2 daN/см. Полимер должен окрашиваться в массе в любые цвета.

Рекомендуется иметь материалы трех групп прочности: легкие с прочностью до 200 daN/ 5 см, средние с прочностью до 400 daN/ 5 см и тяжелые (свыше 400 daN/ 5 см). Срок эксплуатации в условиях средних широт – не менее 7 лет (до потери 50% прочности), а в перспективе до 15 – 25 лет. Светопроницаемость (интегральная) должна быть 0- 20%, или по особому заказу (со снижением срока эксплуатации) -  до 40%.

Для надувных лодок, в зависимости от вместимости, в настоящее время рекомендуют материалы из одного слоя синтетического  (полиэфирного или полиамидного) текстиля полотняного переплетения из нитей 940 – 1100 dtex с числом нитей 120 на 100 мм каждого направления. Снаружи и внутри на ткань наносятся слои газонепроницаемого покрытия на основе пластифицированного ПВХ с не выпотевающим пластификатором или по два слоя резин на основе полихлоропрена и хлорсульфированного полиэтилена.  Считают, что ни ПВХ, ни резина не имеют какого-либо существенного преимущества: при эксплуатации лодок действуют одновременно слишком много переменных факторов, что и не дает возможности однозначно выбрать материал для производства.

Для шлюпок, спортивных и морских лодок рекомендуют использовать более тяжелые ткани из волокна 1940 dtex с  90 – 100 нитями на 100мм. Для них требуется более высокая прочность на раздир, и целесообразно использовать ткани переплетения «рогожка 2 х 2».

Требования к материалам надувных спасательных средств, используемых на море, как уже говорилось, определены Международными нормами и правилами.  Для тентовых тканей плотов и индивидуальных спасательных средств рекомендовано использовать однослойный текстиль из полиамидного или полиэфирного волокна с поверхностной плотностью не более 40 – 70 г/м2 с и прочностью на разрыв по основе и по утку не менее 50 - 90 daN/ 5 см, прочностью на раздир не менее 5 daN, с двухсторонним покрытием полиуретаном с раскладкой  по сторонам  в соотношении 70: 30%.

По другим типам оболочечных конструкций создают материалы, как правило, индивидуально, в зависимости от назначения и расчета изделия.

В композиционном материале за соответствие его характеристик тем или иным требованиям в большей или меньшей степени отвечают свойства каждого компонента. Прочностные свойства и герметичность материала, а также его структурные и технологические свойства зависят от физико-механических и технологических свойств текстилей, комплексных нитей  и волокон, полимерных покрытий и адгезионных подслоев. Функциональные свойства ЭТМ зависят от условий эксплуатации. Степень влияния того или иного компонента на свойства материала можно оценить по таблице1.2.  

Разрывная нагрузка ЭТМ зависит от прочности армирующей основы. Эластомерное покрытие частично может увеличивать прочность материала за счет повышения связанности нитей и, соответственно, увеличения количества одновременно разрываемых нитей. При этом покрытие может вызывать снижение прочности за счет деструкции материала в процессе вулканизации под воздействием компонентов смеси или соединений, выделяющихся из резины в процессе вулканизации.

Необходимую прочность материала выбирают по результатам расчета конструкции с учетом внутренних и внешних нагрузок и коэффициента запаса прочности.   

Прочность к раздирающим нагрузкам зависит от любого  фактора, приводящего к изменению числа одновременно разрываемых нитей: прочности нитей, типа переплетения, эластичных свойств полимерного покрытия, степени проникновения эластомера в ткань, прочности связи покрытия с силовой основой. Более подробно этот вопрос освещен в разделе 2 этой книги.

Считается, что для многих видов МОК значение прочности материала к раздирающим нагрузкам  является критичной для надежного функционирования, и поэтому она должна быть максимально высокой. Цель увеличения этого показателя – уменьшение вероятности полного разрушения оболочки в аварийной ситуации. При достаточно высоком уровне прочности на раздир разрушения при надрыве носят локальный характер, Для оценки достаточности прочности на практике часто используют не очень корректное значение отношения прочности к раздирающим нагрузкам при надрыве (daN) к прочности на разрыв (daN/см). Для лучших образцов однослойных тканей с покрытием относительная прочность к раздирающим нагрузкам достигает 0,9 – 1,1, а для тканей, используемых для производства изделий, работающих в сверхтяжелых условиях эксплуатации (например, в гибких ограждениях судов на воздушной подушке и мягких домкратах) -  1,3 – 1,5.

Удлинение при разрыве. Этот показатель (как и удлинение при промежуточных нагрузках в % от разрывного) определяет изменение геометрических размеров конструкции под действием внутреннего давления и внешних сил и деформации конструкции под нагрузкой. С одной стороны, его величина должна быть минимальной, особенно в конструкциях, работоспособность которых зависит от точности размеров (например, в радиотехнических антеннах). С другой стороны, низкомодульные материалы с высоким удлинением лучше противостоят динамическим нагрузкам и являются более технологичными при сборке сложных оболочек двоякой кривизны с маленьким радиусом.

Герметичность конструкции, прежде всего,  зависит от свойств эластомерного покрытия: газонепроницаемости эластомера, свойств наполнителей, качества и толщины покрытия. Текстильную основу при этом можно рассматривать как непроницаемый наполнитель эластомера. Чем плотнее ткань (больше число нитей на единицу площади), чем она более плоская, тем ниже проницаемость. У синтетических тканейона ниже, чем у хлопчатобумажных (при тех же конструкциях). Герметичность зависит также от прочности связи, так как снижается количество дефектов материала, через которые может происходить не только диффузионная, но и фазовая проницаемость. Повышения газодержащих свойств материала    можно добиться путем дублирования слоев, введением в конструкцию газодержащего внутреннего слоя из полимеров с высоким уровнем непроницаемости  (бутилкаучука, полиуретана), введением в смесь слоистых наполнителей (например, слюды),  или использованием барьерных пленок.

При проектировании некоторых конструкций функции герметизации и обеспечения прочности иногда разделяют между отдельными оболочками: герметизирующей камерой и силовой защитной оболочкой (например, в мягких резервуарах, пневматических арках и стойках, высотных костюмах и др.)

Поверхностная плотность тесно связана с прочностными показателями материала и  его газодержащими свойствами. Конструктивное совершенство мягких материалов определяют по их удельной прочности, которая представляет собой отношение значений прочности на разрыв к массе. Этот показатель существенно снижается при нанесении покрытия. Минимальная масса при заданной герметичности зависит от рельефности ткани (резиноемкость) и удельной плотности резины. Чем тоньше ткань, чем меньше ее рельефность, тем более тонкий слой полимерного покрытия потребуется для обеспечения необходимых газодержащих и защитных свойств, тем совершеннее материал.

Температуростойкость ЭТМ  (теплостойкость и морозостойкость)  в равной степени зависит от температуростойких свойств покрытия и ткани, однако у полимерного покрытия более низкая теплопроводность, что дополнительно обеспечивает его защитные свойства. В то же время у волокон значительно ниже температура кристаллизации, ответственная за морозостойкость.

Стойкость к многократному изгибу у ЭТМ зависит от эластичности покрытия, которое защищает даже относительно нестойкие к изгибу ткани за счет исключения образования острых складок. В частности, ЭТМ на основе арамидных и стеклянных волокон значительно более изгибоустойчивы, чем ткани без покрытия. Нанесение резинового покрытия на стеклоткань увеличивает ее изгибостойкость примерно на порядок.

Прочность связи зависит от природы армирующих тканей. Значение прочности связи полимерного покрытия с текстильным материалом влияет на герметичность оболочки, стойкость к знакопеременным нагрузкам и прочность швов. По литературным данным, для получения максимальной прочности сварного и шитого шва на материалах с покрытием ПВХ, прочность связи покрытия с текстилем должна быть не ниже 20 – 40 N/см. 

Переход от хлопчатобумажной основы к синтетической поставил более остро вопрос о необходимости введения в прорезиненные ткани промоторов адгезии (особенно на основе полиэфирных и арамидных волокон). С другой стороны, эластомеры с низкой непредельностью и отсутствием или низким содержанием функциональных групп осложняют достижение высокой прочности связи. При активации резины различными промоторами адгезии для повышения прочности связи учитываются тип эластомера, тип и содержание наполнителей, природа волокна, наличие поверхностной модификации, тип адгезионной обработки текстильного материала. Прочность связи также зависит от правильности проведения процесса вулканизации в многослойных ЭТМ и изделиях.

На стойкость ЭТМ к воздействию атмосферных факторов (атмосферному старению) прежде всего влияет  стойкость к нему эластомерной композиции (светопроницаемости, особенно ультрафиолетового спектра) и ее защитных свойств. При этом потеря прочности ткани зависит от собственной атмосферостойкости и озоностойкости используемых волокон.

Жесткость ЭТМ зависит от типа ткани (структуры переплетения, массы, наличия пропитки), а также от толщины покрытия и эластических свойств резины.

Другие требования к свойствам материалов более специфичны и зависят от области использования мягких оболочечных конструкций. За счет послойной модификации, введения электропроводящих, радиопрозрачных волокон армирующей ткани, изменения функциональных свойств адгезионного подслоя и подбора полимера и состава композиции можно обеспечить требуемый комплекс свойств для функционирования конструкции.

 

"Ткани с эластомерным покрытием для мягких оболочечных конструкций"

Авторский коллектив; Л.Е. Ветрова, к.х.н В.Ф. Ионова,  П.В. Таскаева, к.т.н. А.Т. Титаренко, к.т.н. В.П. Шпаков

Под общей редакцией  к.т.н. В.П. Шпакова

Фотогалерея

Новости

С праздником Победы!

9 Мая - День Победы!...далее

Михаил Токарев посетил ОАО "НИИРП

Глава Сергиево-Посадского района Михаил Токарев по...далее

Пластины для лазерной гравировки

ОАО «НИИРП» возобновило производство р...далее

Все новости >>


Мы в СМИ



Прямая связь с руководством

Вы можете отправить сообщение руководству компании.

Форма обратной связи

Вы можете отправить нам сообщение

ОАО НИИРП