Уникальный материал — бумага

Существуют бумаги на основе различных волокон как синтетических, так и минеральных [1]. В числе волокон, из которых были получены бумаги специального назначения, — арамидные, углеродные, керамические, металлические и другие.

Бумаги отличает ряд важных достоинств: большая прочность на раздирание, устойчивость к многократным изгибам. Благодаря их пористости, они хорошо пропитываются различными составами и, таким образом, являются отличным материалом для создания уникальных композитов [1].

Ускоренное развитие науки и техники потребовало создания новых видов бумаг, обладающих рядом особых свойств. К таким свойствам относятся: стойкость к агрессивным средам, термостойкость или термопроводность, высокая механическая прочность, высокие электроизоляционные свойства или высокая электропроводность, устойчивость к радиации, низкая степень деформации, биостойкость и так далее. Все перечисленные свойства могли быть достигнуты за счёт расширения сырьевой базы и обогащения теоретических основ технологии производства.

На сегодняшний день разнообразие терминов и определений, относящихся к видам бумаг, насчитывает более двухсот стандартизированных видов бумаг, используемых в различных сферах [2].

В данной статье будут рассмотрены основные виды бумаг со специальными свойствами, в том числе полученные из волокон специального назначения.

Бумаги на основе углеродных волокон могут быть получены из нетканого материала, пропитанного связующим. Пропитанный материал подвергается горячему прессованию и далее при необходимости карбонизации и графитации. На рисунке 1 показан внешний вид листа бумаги из углеродных волокон [3].

Рисунок 1. Фотография листа бумаги из углеродных волокон

Бумаги на основе углеродного волокна, как правило, отличаются высокой электропроводностью и могут быть использованы в качестве электродов в водородном топливном элементе, электрохимических процессах [3, 4].

Известны также бумаги, получаемые из смеси углеродных волокон и волокон других типов — вискозных, поливинилспиртовых, асбестовых, полиамидных, полиолефильных, целлюлозных. В зависимости от содержания углеродных волокон, бумаги этого вида могут иметь регулируемую электропроводность и среди прочего использоваться в качестве листовых нагревателей.

Относительно новыми углеродными материалами волокнистой структуры являются бумаги из углеродных нанотрубок. Это лёгкий, прочный, устойчивый к действию высоких температур материал. Он интересен не только как объект изучения физиков-экспериментаторов. Благодаря своим уникальным свойствам, углеродные нанотрубки (УНТ) уже давно привлекли внимание исследователей, работающих над созданием новых материалов для катализаторов, фильтров, электродов, конденсаторов и также бумаги. В теории эти бумаги должны иметь такие же хорошие механические, электрические и термические свойства, как и отдельные нанотрубки.

Один из способов получения бумаги из УНТ описан в работе [5]. Сначала методом химического газофазного осаждения (CVD) на кремниевой подложке (обычно круг диаметром 10 см) выращивают плотный массив многостенных нанотрубок высотой более 100 мкм. Затем применяется принцип домино (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема принципа «домино» для получения бумаг из УНТ: а — формирование бумаги из отпрессованных ориентированных нанотрубок; b — отделение бумаги от подложки; c — отделение бумаги от микропористой мембраны (источник: www.nanonewsnet.ru)

Массив нанотрубок покрывают микропористой мембраной и «прокатывают» с помощью небольшого стального валика, сплющивая массив. Силы Ван-дер-Ваальса прочно скрепляют нанотрубки друг с другом. Образуется материал в форме плотной бумаги. С помощью микропористой мембраны она легко отделяется от подложки. Мембрану, в свою очередь, можно отделить, пропитав ее этанолом.

Использование принципа домино позволяет получить плотный материал, состоящий из хорошо ориентированных нанотрубок. Такие материалы наиболее перспективны для электродов суперконденсаторов.

Керамическая бумага является наиболее массовым видом бумаги, производимым на основе волокон минерального происхождения.

Керамическая бумага изготавливается из керамических волокон на оборудовании для производства бумаги. Небольшое количество органического связующего добавляется с целью повысить прочность бумаги на растяжение. Данное связующее выпаривается при достижении бумагой рабочих температур.

Такая бумага применяется в качестве тепло- и электроизоляции нагревательных аппаратов, теплоизоляции тепловых агрегатов, термических печей, для термических швов в футеровках печей, изоляции паропроводов, герметических высокотемпературных прокладок, для фильтрации горячих металлов, масел и расплавов солей; в автомобильных камерах сгорания дорогую нержавеющую сталь заменяют мягкой сталью, обшитой тонкой керамической бумагой. Температура применения керамической бумаги — не выше 1250°С [6]. Для керамических бумаг характерно хорошее сопротивление разрыву, высокая гибкость, устойчивость к термоударам, отсутствует адгезия к металлам (даже расплавленным). Также она характеризуется высокой хемостойкостью.

В настоящее время бумага из синтетических волокон стала незаменимым материалом, определяющим прогресс в ряде отраслей мировой промышленности. Высокотемпературная электроизоляция, обеспечивающая надёжную работу электрооборудования при повышенных температурах; фильтрующие материалы, обладающие высокой стойкостью к агрессивным средам, улучшенной удерживающей способностью и повышенной скоростью фильтрации; сорта бумаги для печати, в которых сочетается высокая механическая прочность в сухом и влажном состоянии, низкая степень деформации, биостойкость с прекрасными печатными свойствами — вот области использования бумаги из синтетических волокон.

Благодаря своим уникальным свойствам, она способна не только конкурировать, но и частично, а в ряде случаев полностью заменить традиционные виды бумаг из растительных волокон.

Технология производства бумаги из синтетических волокон принципиально не отличается от производства бумаги из растительных волокон. Однако в связи с тем, что большинство синтетических волокон по своей природе гидрофобны, не набухают в воде и не фибриллируются при размоле, производство бумаги из них имеет свои специфические особенности. Они заключаются в необходимости резки волокон на определённую длину, изыскании способов получения устойчивых суспензий, выборе связующих веществ для обеспечения связи между волокнами в процессе формования бумаги и её отделки.

Также бумагу из синтетических волокон можно получать по сухому способу — путём изготовления бумажного полотна без помощи воды при использовании специальных связующих. Из-за отсутствия у синтетических волокон достаточных сил сцепления, аналогичных присущим волокнам целлюлозы, в производстве бумаги на основе синтетических волокон приходиться прибегать к специальным связующим, обеспечивающим бумаге определённую механическую прочность. На рисунке 3 представлен снимок поверхности бумаги, полученной из синтетических термостойких полиоксадиазольных волокон и связующего — целлюлозы.

Рисунок 3. Бумага из синтетических волокон ПОД и целлюлозы

На сегодняшний день среди бумаг на основе синтетических волокон, используемых в технике, самыми распространёнными являются бумаги на основе мета- и параарамидных волокон.

Наиболее известной метаарамидной бумагой, производимой в промышленном масштабе, является бумага из волокон «Номекс». По химическому составу она представляет собой ароматический полиамид и в целом известна под названием «арамид». Молекулярная структура этого материала отличается высокой стабильностью, что и определяет свойства волокон и бумаги «Номекс» [7].

Эта бумага производится из двух форм арамидного полимера. Непосредственно из полимера под высоким сдвиговым усилием производятся небольшие волокнистые связующие частицы — фибриды. Они смешиваются с короткими волокнами — флоком, которые нарезаются определенной длины из элементарного волокна.

Оба компонента: флок и фибриды — смешиваются в пульпу на водной основе, из которой на специальной бумагоделательной машине производится непрерывный листовой материал. При выходе из машины бумага имеет низкую плотность и обладает довольно посредственными механическими и электрическими свойствами.

Последующее уплотнение и упрочнение внутренних связей осуществляется с помощью высокотемпературного каландрования. Получаемая в результате бумага обладает механической прочностью, гибкостью и хорошими электрическими свойствами, которые сохраняются при высоких температурах [8, 9].

Бумаги «Номекс» характеризуются высокой механической прочностью, гибкостью, стабильностью электроизоляционных характеристик при воздействии высоких температур, ввиду хорошей термостабильности метаарамидного полимера.

Такие бумаги наряду с параарамидными применяют для создания многослойных электроизоляционных материалов, а также лёгких и не поддерживающих горения сотовых заполнителей (рисунок 4).

Рисунок 4. Сотовый заполнитель из мета-арамидной бумаги

Сотовые заполнители на основе мета- и параарамидных бумаг активно используются в авиастроении. Из них изготавливают сотопласты, которые используют для изготовления лопастей, лонжеронов и других элементов корпуса летательных аппаратов (рисунок 5).

Рисунок 5. Пример использования сотопластов в авиастроении

Материалами для получения сотопластов могут быть фольги, целлюлозные или полимерные бумаги, стеклоткани, углеткани, гетинаксы и текстолиты, пропитанные фенолоформальдегидными или эпоксидными смолами. Конструкция стандартной сотовой панели представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Конструкция стандартной сотовой панели

На рисунке 7 показана сотопластовая панель, изготовленная из параарамидной бумаги и углепластика.

Рисунок 7. Композит с сотовым заполнителем и покровными слоями из углепластика (источник: www.kmvcity.ru)

Конструкция сухих трансформаторов с изоляцией из мета- и параарамидной бумаги способна выдержать рост температуры до 150°С. При этом требуется меньше токопроводящих материалов и стали для сердечников, что приводит к снижению исходных затрат.

Такие изоляционные материалы сохраняют превосходные электрические и механические характеристики в течение всего срока эксплуатации трансформатора. Незначительное старение, стойкость к усадке и сжатию, а также прекрасная эластичность материалов способствуют сохранению плотности намотки и ее способности противостоять короткому замыканию, даже после длительной эксплуатации [10].

Некоторыми примерами применения бумаги и прессованного картона из мета- и параарамидной бумаги в электродвигателях (рисунок 8) и генераторах являются пазовые прокладки, вкладыши, средние и верхние изоляционные штанги, изоляция фаз, обертка проводников, обертка обмоток и шихтовка, концевые пластины и другое.

Таким образом, бумаги, на основе обладающих комплексом особых свойств волокон специального назначения, являются незаменимыми материалами в технике. Применяются для решения широкого спектра задач, в числе которых разработка высокотемпературной электроизоляции, термоизоляции, композиционных материалов, устройств водородной энергетики.

Литература

1. Фляте Д. М. Технология бумаги / Д. М. Фляте. — М.: Лесная промышленность, 1988. — 440 с.
   
2. Бумага. Термины и определения (с Изменением N 1): ГОСТ 17586-80. — Изд. май 1991с изм. (ИУС N 11-12, 1994 год); введ. 01.07.81.
   
3. Михалчан А. А. Электропроводящие композиты на основе нано− и микродисперсий углерода / А. А. Михалчан, А. А. Лысенко, В. А. Лысенко // Дизайн. Материалы. Технология. — 2008. — №. 4. — С. 35–38.
   
4. Лысенко В. А. Углеродные волокнистые материалы. Получение, свойства, области применения: учеб. пособие для студентов вузов / В. А. Лысенко и др. — СПб.: СПГУТД, 2011. — 96 с.
   
5. Володин А. А. Электропроводящие композиты на основе оксида титана и углеродных нанотрубок / А. А. Володин и др. // Неорганические материалы. — 2013. — Т. 49. — №. 7 — С. 702.
   
6. Керамическая бумага [Электронный ресурс]. — Режим доступа: termokeramika.com (дата обращения 01.10.2020).
   
7. Демышок Т. И. Электроизоляционная термостойкая бумага с применением параарамидных фибридов и пульпы в качестве связующего / Т. И. Демышок, Л. П. Антоненко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2013. — № 6 (10). — С. 42–47.
   
8. Михайлин Ю. А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы / Ю. А. Михайлин. — СПб.: Профессия, 2006. — 624 с.
   
9. Буринский С. В. Бумаги технического назначения на основе термостойкого волокна / С. В. Буринский, И. О. Цыбук, Е. А. Антонова // ВЕСТНИК СПГУТД. Сер. 1, Естественные и технические науки. — 2016. — № 3. — С. 39–43.
   
10. Цыбук И. О. Бумажные материалы на основе термостойких и огнестойких волокон / И. О. Цыбук, С. В. Буринский, А. А. Лысенко // Химические волокна. — 2016. — № 3. — С. 72–74.