Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

2.1. Природные волокнистые материалы

По происхождению, которое определяет и химический состав, природные волокна подразделяются на волокна животного (шерсть, шелк), растительного (хлопок, лен, джут, древесная целлюлоза) и минерального (асбест) происхождения.

Состав некоторых растительных материалов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Состав некоторых растительных материалов

Растительный материал

Цел-люло-за

Пен-тоза-ны

Пектиновые вещества

Белковые вещества

Жиры и воски

Лигнин

Зольность

Хлопковый пух

90-91

1,5-2

2

1,5-2

0,5-1,0

2-3

1,0

Древесина

- хвойная

- лиственная

 

50-58

52-54

 

11

25

 

1

1,5-2

 

0,5-0,8

0,5-0,8

 

1-2

1-2

 

26-28

17-18

 

0,25-0,5

0,25

Солома

40-42

25-30

2-3

-

2-2,5

22-24

5-7

Из природных волокон в производстве шин, РТИ, резиновой обуви применяются текстильные материалы из хлопка, шерсти и реже шелка.

Данные об изменении прочности химических волокон в мокром состоянии приведены в табл. 2. Как показали результаты экспериментальных работ, с повышением ориентации макромолекул или их агрегатов не только увеличивается величина разрывного усилия, но и значительно меньше снижается прочность волокна в мокром состоянии [5].

Таблица 2

Свойства природных волокон

 

Волокно

Степень полимери-зации

Прочность при

разрыве, ркм

Общее удлинение, %

Полностью обратимые удлинения, %

сухого

мокрого

сухого

мокрого

Хлопко-вое

3000-5000

27-36

30-40

7-9

8-10

1,5

Льняное

5000-8000

54-72

-

2-3

2,5-3,5

1,5

Шерстя-ное

-

10,8-13,5

7-10

25-35

30-50

4-6

Натуральный шелк (сырец)

 

500-700

 

27-31,5

 

22-26

 

18-24

 

20-28

 

2-3

Дополнительной характеристикой гигроскопичности волокна является, по предложению Михельса, количество влаги, удерживаемой волокнами, находившимися в воде в течение 1 мин после отжима их в центрифуге (1000 об/мин) и сушки при 80 0С. Полученые Михельсом данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства природных волокон

 

Волокно

Плот-ность, г/см3

Начальный модуль, кгс/мм2

Гигроскопичность по относительой влажности воздуха, %

Количество удерживаемой влаги после отжима, %

65

95

Хлопковое

1,52

4,8-7,5

6

20

76,0

Шерстяное

1,32

2,5-3,0

14

28

28,3

Натураль-ный шелк

1,37

8,7

11

30

46,8

Основная часть шерсти - кератин, относится к белкам амфотерной природы. Волокно шерсти имеет чешуйчатое строение, что обуславливает развитость его поверхности, и характеризуется невысокой прочностью, значительной гигроскопичностью, малой теплопроводностью. Обычно в качестве наполнителей применяют отходы шерсти длиной 3 - 10 мм.

К природным волокнам относятся и натуральные нити шелка. Вследствие больших трудозатрат при получении, шелк - самое дорогое природное сырье. Шелк обладает высокой прочностью, эластичностью, но вместе с тем и значительным влагопоглощением. Выбор шелковых волокон в качестве усилителей резины авторы [6] объясняют устойчивостью их к изгибу и разрушению при сдвиговых напряжениях, возникающих при переработке резиноволокнистой композиции.

Из волокон растительного происхождения наиболее широкое применение получили целлюлозные волокна. Содержание целлюлозы в волокнистом наполнителе различно.

Например, в хлопке содержится 85 - 92 % целлюлозы, в древесине хвойных и лиственных пород - около 50 %, в соломе - 50 - 54 % [7].

Волокна хлопка и древесины различаются расположением компонентов в клеточной стенке и характером связи их с целлюлозой. Кроме целлюлозы в растительных волокнах содержится лигнин и гемицеллюлза (гетерополисахариды). Лигнин находится преимущественно в межклеточном веществе. В древесине хвойных пород содержится до 30 % лигнина, лиственных пород - до 20 %, в волокне хлопка содержится небольшое количество лигнина (2-3 %).

В работе [8] были проведены исследования по применению лигнина (отхода гидролизной промышленности) в качестве наполнителя в рецептурном составе для низа клееной обуви. Результаты исследований показали, что дополнительное введение лигнина в изученные резиновые смеси (до 15 мас.ч. на 100 мас.ч. каучука) позволяет сохранить физико-механические показатели вулканизатов на требуемом уровне. Из изученных лигнинов наибольший интерес представляет хлорлигнин. Он более ощутимо влияет на кинетику подвулканизации, что может благоприятно сказаться на качестве готовых изделий. Применение хлорлигнина может исключить такой брак, как «пережег» изделий при котловой вулканизации. Таким образом, применение лигнина в качестве наполнителя в рецептуре резиновых смесей в производстве клееной обуви обеспечивает необходимый комплекс технологических и технических свойств и вносит ощутимый вклад в решение задач по утилизации вторичного сырья, охране окружающей среды и удешевлению резиновых смесей.

По химической природе хлопковая и древесная целлюлоза относится к природным полисахаридам, состоящих из остатков b-Д-глюкозы. Связь между остатками молекул Д-глюкозы осуществляется за счет гликозидного гидроксила одной молекулы и гидроксила, стоящего у четвертого атома углерода другой молекулы. Макромолекулярные цепи целлюлозы имеют следующее строение:

p

Молекулярная масса целлюлозы составляет 1,5 - 2 млн.

В зависимости от молекулярной массы различают a-, b-, g- целлюлозу. В составе целлюлозы, являющейся основой хлопкового волокна, содержатся функциональные группы, такие как карбонильные, гидроксильные. По внешнему виду волокно имеет форму ленточки, скрученной в трубку, толщина стенок которой зависит от зрелости. Особенности строения и состава хлопкового волокна обуславливают его хорошие механические свойства, умеренную гигроскопичность. Высокая развитость поверхности хлопка, так же как и шерсти, обеспечивают хорошую прочность связи с резиной за счет увеличения площади контакта [7].

Наряду с применением хлопкового волокна в качестве ингредиента резиновых смесей можно применять различные отходы хлопко-перерабатывающей промышленности, как один из перспективных путей решения задачи направленной на комплексное использование сырьевых ресурсов.

В работе [9] показана возможность применения в качестве ингредиента резиновых смесей одного из отходов масложировой промышленности который получается при переработке хлопковых семян - смолы госсиполовой (ГС) взамен традиционных мягчителей и веществ, повышающих клейкость резин. При изучении вулканизационных свойств у всех резиновых смесей, содержащих ГС, отмечается ускорение вулканизации по сравнению с канифолью ЭМ-3. Повышение прочности резин с ГС в присутствии неактивного техуглерода дает основание предполагать, что в этом случае происходит улучшение диспергирования наполнителей, что создает условие для возникновения большего поверхностного контакта полимера с ГС и техуглердом, которое и обуславливает увеличение прочности резины.

Применение натуральных (особенно шелка и шерсти) волокон в резиновой промышленности в настоящее время очень ограничено и имеет тенденцию к дальнейшему сокращению. Причиной этого является создание большого ассортимента химических волокон, обладающих более высоким комплексом физико-механических свойств и превосходящих натуральные волокна по прочностным, деформационным и усталостным свойствам, а также по теплостойкости. Однако хлопчатобумажные и шерстяные очесы попрежнему находят свое применение в резинотехнических композициях.

Волокна нерегенерированной древесной целлюлозы являются основой разработанного в США наполнителя с торговой маркой «Сантовеб». Введение в резины «Сантовеба» повышает их механические свойства, динамическую выносливость, анизотропию модулей и прочности. «Сантовеб» предлагают применять в приводных ремнях, так же как и в шинах, для частичной замены усиливающих слоев, в клиновых ремнях [10, 11].

Развиваются исследования [12], направленные на применение коротких целлюлозных волокон в конструкциях для поглощения энергии - пружин, набивок, амортизаторов, бамперов, гибких автомобильных щитов, подвесок.

В [13] показана возможность использования в резинах коротких джутовых волокон. Волокна джута получают из стеблей тропических однолетних растений. Поверхность их характеризуется высокой степенью развитости. Применение волокон джута обеспечивает высокую эффективность армирования за счет увеличения прочности на границе раздела волокно - резиновая матрица.

К природным волокнам минерального происхождения относят асбест - минерал, способный расщепляться на тонкие эластичные и очень прочные волокна. Основу асбеста составляют водные силикаты магния, кальция, натрия и железа сложного состава. По химическому строению асбест может быть отнесен к неорганическому полимеру, основным элементарным звеном которого является сочетание орто- и метасиликатов магния [14].

Благодаря волокнистой структуре природный минерал асбест обладает армирующим действием и с эластомерными и смоляными связующими применяется в производстве фрикционных и теплостойких изделий. Для защиты эластомеров от кратковременного воздействия пламени в них вводят 3 - 80 мас.ч. асбестового волокна вместе с 1,25 - 25 мас.ч. окиси хрома. Имеются сведения [15], что мелкоизмельченный асбест повышает износостойкость протектора.

По данным [7], применение асбестового волокна в качестве наполнителя резин по сравнению с техническим углеродом не дает преимуществ. Оно может применяться в основном для удешевления смеси. С этой целью асбест рекомендуют использовать в качестве наполнителя фторсодержащих эластомеров. Отмечается плохая способность асбестового волокна смешиваться с эластомерами по сравнению с другими типами волокон [7].

Более подробно свойства природных волокон освещены в табл. 4, а недостатки и преимущества их в табл. 5.

Таблица 4

Свойства природных волокон

 

Волокно

Основное вещество

Плот-ность, г/см3

Влажность, %

Длина (средняя), мм

Толщина (средняя), мкм

Фактор формы L/D

Хлопок

Целлюлоза

1,52

7-9

25-45

20-25

1250-1800

Лен (техническое волокно)

 

Целлюлоза

 

1,50

 

12

 

400-1250

 

40-85

 

10000-14000

Шерсть

- тонкая

- грубая

 

Кератин

 

1,32

1,32

 

15-17

15-17

 

50-100

50-200

 

16-35

35-63

 

2857-3125

1429-3175

Шелк (коконная нить)

Фиброин

1,35

10,5

6∙105-8∙105

20-30

-

Асбест

Силикат магния

2,5

0,5

9-20

2∙10-5 (у одиночн. крист.)

-

Таблица 5

Преимущества и недостатки природных волокон

Наименование волокна

Преимущества

Недостатки

1

2

3

Шерсть

Большая эластичность

Характеризуется невысокой прочностью, значительной гигроскопичностью

Хлопок

Хорошие механические свойства, умеренная гигроскопичность (обладает высокими модулями растяжения, значительной прочностью наряду с достаточной гибкостью)

Низкая прочность, низкая химическая стойкость

Шелк

Обладает высокой прочностью и эластичностью

Обладает значительным влагопоглощением, дорогое сырье

Сантовеб (на основе волокна не-регенериро-ванной древесной целлюлозы)

Фактор формы 100-200 (l/d), способность сообщать матрице требуемую степень жесткости и адгезионной прочности

 

 

-

Продолжение таблицы 5

1

2

3

Джут

Поверхность характеризуется высокой степенью развитости. Высокая эффективность армирования за счет высокой прочности на границе раздела волокно - резиновая матрица

Дорогое сырье (получают из стеблей тропических однолетних растений)

Асбест

Повышает износостойкость (с элстомерными и смоляными связующими применяется в производстве фрикционных и теплостойких изделий, для удешевления смеси)

Плохая способность к сшиванию с эластомерами


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074