მაარმირებელი ბოჭკოვანი შემავსებლები

მაარმირებელი ბოჭკოვანი შემავსებლები – ბოჭკო წარმოადგენს მოქნილ, მტკიცე, გრძელ, ძაფისმაგვარ ტანს, რომლის სიგრძე მნიშვნელოვნად აღემატება განივკვეთის ზომებს. არსებობს ნატურალური (ბუნებრივი), მცენარეული (ბამბა, სელი, ჯუთი), ცხოველური (მატყლი, აბრეშუმი), მინერალური (აზბესტი) წარმოშობის და ქიმიური ბოჭკოები, რომლებიც თავის მხრივ იყოფიან ხელოვნურ და სინთეზურ ბოჭკოებად. ხელოვნური მიიღება მაღალმოლეკულური ბუნებრივი ნაერთის – ცელულოზასგან. ცელულოზა იწარმოება მერქნისგან ან ბამბეულის მრეწველობის ნარჩენებისგან, ცხოველური და მცენარეული ცილებისგან (ზეინი, კაზეინი). სინთეზური ბოჭკო მზადდება სინთეზური პოლიმერებისგან: პოლიეთილენ-ტერეფთალატი, პოლიამიდი, პოლიაკრირნიტრილი, პოლიურეთანი, პოლივინილის სპირტი, პოლივინილქლორიდი, პოლიონეფილები და სხვ. ბოჭკო შეიძლება დამზადდეს როგორც გრძელი უწყვეტი ძაფის სახით, ისე მოკლე ბოჭკოების სახით (შტაპელური). კონსტრუქციული პლასტმასების წარმოებაში (მინაპლასტიკი, მინატექსტოლიტი) მაარმირებლად ფართოდ გამოიყენება მინის ბოჭკო.

არსებობს ბოჭკოს მრავალი სახეობა: აზბესტის, არამიდის, ბაზალტის, ბორის, კაპრონის, კიდური, მერქნის, მინერალური, მინის, მცენარეული, ნახშირბადის, ნეილონის, ორგანული, პოლიეთილენის, პოლისტირენის, საფეიქრო, საფირონის, სელის, სინთეზური, ტექნიკური, ქიმიური, ქოქოსის, შტაპელის, ცხოველური, წმინდა, ხელოვნური და სხვ.

ბოჭკოს შეიძლება ჰქონდეს სხვადასხვა დიამეტრი, თუმცა კომპოზიტებში ძირითადად გამოიყენება ბოჭკოები დიამეტრით 6-10 მკმ, რაც გაცილებით ნაკლებია ადამიანის თმის დიამეტრზე (50 მკმ). სამრეწველო მინის ბოჭკოს დიამეტრია ≈ 8 მკმ, მაღალი სიმტკიცის არამიდის – ≈ 13 მკმ, ზემაღალი სიმტკიცის ნახშირბადის – ≈ 6 მკმ. უფრო მსხვილია ბორის ბოჭკოები – ≈ 50 მკმ (გამოწვეულია მიღების განსაკუთრებულობით). რაც ნაკლებია ბოჭკოს დიამეტრი, მით მეტია მისი სიმტკიცე. დისპერსიულ კომპოზიტებში 10 მკმ დიამეტრის გამოყენებისას მაქსიმალურ სიმტკიცეს იძლევა 0,5-5 მმ სიგრძის ბოჭკოები. მაღალი სიმტკიცის კომპოზიტებში კი გამოიყენება უწყვეტი ბოჭკოები, რომელთა სიგრძე კილომეტრობით იზომება.

მაარმირებელი ბოჭკოების ძირითადი ტიპები (ნახშირბადის, მინის), მზადდება წრიული, სამკუთხა, რომბული, კვადრატული და სხვ. ფორმის განივკვეთებით.

კომპოზიტის სიმტკიცეზე დიდ გავლენას ახდენს მასში ბოჭკოების შემცველობა. რაოდენობის გაზრდა იწვევს დრეკადობის მოდულისა და გაჭიმვაზე სიმტკიცის ზღვრის გაზრდას.

ბოჭკოვანი პოლიმერული კომპოზიტების თვისებები, განსაკუთრებით მექანიკური, განისაზღვრება, პირველ ყოვლისა, მაარმირებელი ბოჭკოს ან ძაფის სახეობით, თვისებებით, განლაგებითა და ზომებით, ანუ მაარმირებელი ბოჭკოვანი შემავსებლის აგებულებით. კონსტრუქციულ კომპოზიტურ მასალებში გამოყენებული მაარმირებელი ბოჭკოები უნდა აკმაყოფილებდეს საექსპლუატაციო და ტექნოლოგიურ მოთხოვნებს. პირველს მიეკუთვნება მოთხოვნები, რომელიც უზრუნველყოფს მასალის სიმტკიცეს, სიხისტეს, სიმკვრივეს, სტაბილურობას განსაზღვრულ ტემპერატურულ ინტერვალში, ქიმიურ მედეგობას და ა.შ., ხოლო მეორეს – ბოჭკოების ტექნოლოგიურობა, რაც ითვალისწინებს მაღალტექნოლოგიური პროცესების საშუალებით დამზადდეს ძალოვანი კარკასი და მის საფუძველზე – ნაკეთობა.

მაარმირებელ ბოჭკოებად გამოიყენება: ძაფი, მონობოჭკო, მავთული, ფიბრა, ჩალიჩი, ბადე, ლენტი, ქსოვილი, ტილო, ქაღალდი და სხვ. ამასთანავე უნდა გავითვალისწინოთ ის, რომ კომპოზიტის ხარისხი და თვისებები დამოკიდებულია არა მარტო ბოჭკოებისა და მატრიცის თვისებებზე, არამედ დაარმირების მეთოდზე. შესაბამისად შეიძლება გამოვყოთ შემდეგი ძირითადი ჯგუფები:

ა) კომპოზიტები, შექმნილი ფენებისაგან, რომლებიც დაარმირებულია უწყვეტი, პარალელურად განლაგებული ბოჭკოებით;

ბ) ქსოვილებით (ქსოვილური მასალებით) დაარმირებული კომპოზიტები;

გ) კომპოზიტები, დაარმირებული მოცულობაში ქაოტურად განლაგებული დისკრეტული ბოჭკოებით.

კომპოზიტების დაარმირების სახეობა განისაზღვრება რამდენიმე ფაქტორით, როგორიცაა:

• სივრცითი განლაგება, რაც საშუალებას იძლევა მაარმირებელი კომპონენტი (ბოჭკო, ძაფი) განვალაგოთ მოქმედი ძალების მიმართულებით (მექანიკურად დატვირთულ კომპოზიტებში) ან თანაბრად (იზოტროპიულ კომპოზიტებში), შესაბამისად მაქსიმალურად გამოიყენება კომპოზიტისგან დამზადებული კონსტრუქციის მზიდუნარიანობა;
• მაარმირებელი ელემენტების ოპტიმალური რაოდენობის შერჩევა (ხშირად მაქსიმალური);
• რთული ფორმის (მაგ., ორმაგი სიმრუდის) ნაკეთობის ზედაპირზე კომპოზიტური მასალის თანაბარი განაწილების შესაძლებლობა;
• ხელმისაწვდომობა და ეკონომიკური მოსაზრებები (არც თუ მაღალი თვისებების კომპოზიტებისათვის) და სხვ.

გასათვალისწინებელია ის, რომ ბოჭკოების სივრცითი განლაგებისას კომპოზიტურ სტრუქტურებში (ხაზოვანისაგან განსხვავებით), მექანიკური დატვირთვის მიმართულება ხშირად არ ემთხვევა ბოჭკოების მიმართულებას, რაც იწვევს ტრანსვერსალური (განივი) და ძვრის ძაბვების გაჩენას, ადჰეზიური კონტაქტის რღვევას მატრიცასა და ბოჭკოს შორის და საბოლოო ჯამში – ლოკალურ ღღვევას კონსტრუქციაში, რასაც ერთმნიშვნელოვნად მივყავართ კომპოზიტის მექანიკური თვისებების შემცირებისკენ. ამრიგად, კომპოზიტის დაპროექტებისას გადამწვეტი მნიშვნელობა აქვს მაარმირებელი ბოჭკოვანი შემავსებლის სტრუქტურის სწორ განსაზღვრასა და შესაბამისობას კონსტრუქციის საანგარიშო სქემასთან.

სტრუქტურული ელემენტების (ბოჭკო, ძაფი) განლაგების მიხედვით დაარმირებული ბოჭკოვანი შემავსებლები, პირობითად, შეიძლება დაიყოს რამდენიმე ჯგუფად:

ა) ერთმიმართულებიანი;

ბ) ორმიმართულებიანი;

გ) სამმიმართულებიანი;

დ) ირიბჯვარედინიანი;

ე) ქაოსურად განლაგებული სიბრტყეში (შრეში);

ვ) ქაოსურად განლაგებული სამგანზომილებიან სივრცეში.

კომპოზიტური მასალის მაარმირებელ შემვსებად, სინთეზური ფისის მატრიცით, გამოიყენება მინის, არამიდის, ნახშირბადისა და ბორის ბოჭკოები. მათი შედარებითი მახასიათებლები მოცემულია ცხრილში.

თვისება	მინის	ბორის	ნახშირბადის	არამიდის
მექანიკური:სიმტკიცე	მაღალი	მაღალი	საშუალო	ძალიან მაღალი
კუთრი მოდული	დაბალი	მაღალი	ძალიან მაღალი	საშუალო
წინაღობა დარტყმაზე	კარგი	დამაკმაყოფილებელი	ცუდი	კარგი
წაგრძელება	მაღალი	დაბალი	საშუალო	საშუალო
გაგლეჯის დროს სტაბილურობა	კარგი	კარგი	საშუალო	კარგი
თბოფიზიკური: თბოგამტარობა	დაბალი	საშუალო	მაღალი	დაბალი
ტემპერატურული გაფართოების კოეფიც.	საშუალო	საშუალო	ძალიან დაბალი	ძალიან დაბალი
დეფორმადობა	მაღალი	დამაკმ.	კარგი	ძალიან კარგი
საწარმოო-ტექნოლოგიური: ღუნვის რადიუსი	მცირე	დიდი	მცირე	მცირე
მგრძნობიარობა დაზიანებებისადმი	საშუალო	საშუალო	მაღალი	დაბალი
ლენტების და ქსოვილების გადამუშავების შესაძლებლობა	კარგი	ცუდი	კარგი	კარგი
ღირებულება	დაბალი	მაღალი	მისაღები	მისაღები

გარდა ზემოთ ჩამოთვლილისა, გამოიყენება აგრეთვე ბაზალტის, საფირონის ბოჭკოები სილიციუმის კარბიდის საფუძველზე, პოლიეთილენის ბოჭკოები და სხვ. ლითონურ მატრიციან კომპოზიტებში გამოიყენება მავთული, დამზადებული ფოლადის, ვოლფრამის, ბერილიუმის, ტიტანის, ტანტალის, ნიობიუმისა და სხვა მეტალისგან. მაარმირებელი ბოჭკო შეიძლება იყოს სტრუქტურით ერთგვაროვანი ან ანიზოტროპიული. მკვეთრად გამოხატული ანიზოტროპიული თვისებებით გამოირჩევა ორგანული, არამიდის, ნახშირბადისა და ბორის ბოჭკო, ხოლო მეტალური წარმოშობისა და მინის ბოჭკო ითვლება ერთგვაროვნად.

როდესაც საჭირო ხდება კომპოზიტის ან მის საფუძველზე დამზადებული ნაკე-თობის მექანიკური მახასიათებლების უზრუნველყოფა, მიმართავენ კომბინირებულ და ჰიბრიდულ დაარმირებას. მაგ., ელექტროგამტარი კომპოზიტის დასამზადებლად, ძი-რითადი მაარმირებელი ბოჭკოების პარალელურად, მატრიცას უმატებენ ელეტროობის გამტარ ნახშირბადის ბოჭკოებს ან ლითონის ძაფებს.

კონსტრუქციული, მაღალი სიმტკიცისა და მაღალმოდულური პოლიმერული კომპოზიტური მასალის შექმნაში დიდი მნიშვნელობა ენიჭება მაარმირებელი ბოჭკოს სიგრძეს, რომელიც ყველაზე მეტად გავრცელებულ მინის, ნაშირბადის, ბაზალტის, ბორისა და პოლიმერული ბოჭკოებისთვის შეადგენს 5-100 მკმ-ს, ხოლო მისი კრიტიკული სიგრძე იცვლება საზღვრებში 100 მკმ-დან (ნახშირბადის ბოჭკო) 400 მკმ-მდე (მინის ბოჭკო). სწორედ კრიტიკული სიგრძის სწორ შერჩევაზეა მნიშვნელოვნად დამოკიდებული კომპოზიტის ხარისხობრივი მახასიათებლები.

მოკლე ბოჭკოები სიგრძით 3-12 მმ გამოიყენება კონსტრუქციულ სხმულ და ექსტრუ-ზიის მეთოდით მიღებულ მასალებში; სიგრძით 1-2 მმ – დასასხმელ კომპაუნდებში მცირე შეკლებით. გრძელი ბოჭკოები სიგრძით 15-70 მმ – წნეხ-მასალებად (ფენოლფორმალდეჰიდისა და პოლიეთერული ფისების საფუძველზე); უწყვეტი ბოჭკო – კონსტრუქციული პოლიმერული კომპოზიტური მასალებისათვის.

პოლიმერული კომპოზიტური მასალის ორგანული შემავსებელი წარმოადგენს მცენარეული წარმომავლობის დაბალფასიან ნივთიერებას, რომელიც პრაქტიკულად ხელმისაწვდომია ნებისმიერი რაოდენობით. მათ უმეტესობას, მაგ., ბამბასა და მცენარეულ ნარჩენებს, აქვთ ბოჭკოვანი სტრუქტურა და შედგება ძირითადად ცელულოზის, მცირე რაოდენობის ლიგნინისა და სხვა ნაერთებისგან. გარდა ბუნებრივისა, გამოყენებაშია, აგრეთვე, სინთეზური ორგანული მასალები (ორგანული ბოჭკოები).

როგორც სხვა სახის შემავსებლები, ისე ორგანული შემავსებლებიც, ანიჭებენ მათ საფუძველზე დამზადებულ პოლიმერულ კომპოზიტებს ახალ თვისებებს. მცენარეულ შემავსებლებს გაცილებით დაბალი ფასი აქვთ, ვიდრე პოლიმერულს, რომელთანაც ისინი ერევა, ამიტომ ეს დამატებითი სტიმულია მათი გამოყენებისა. მცენარეული შემავსებლები აუმჯობესებენ გადამუშავების პროცესებს და საშუალებას იძლევიან მოვახდინოთ საბოლოო პროდუქტის თვისებების მოდიფიცირება სასურველი მიმართულებით.

პლასტმასის მრეწველობის მოცულობის სწრაფმა ზრდამ, დღის წესრიგში დააყენა საკითხი რათა კომპოზიტური მასალების შემავსებლად გამოყენებული იქნას იაფი და ხელმისაწვდომი ორგანული მასალები. ასეთი კლასის მასალებს მიეკუთვნება: ხის ფქვილი, დაფქული თხილისა და კაკლის ნაჭუჭი, ბამბის ბოჭკოები, სახამებელი და ცილის შემცველი მცენარეული და ცხოველური წარმომავლობის მასალები და სხვ.

ორგანული შემვსების თითოეული კლასი განსხვავდება ნაწილაკების ფორმითა და შედგენილობით. ქვემოთ მოყვანილია ბუნებრივი და სინთეზური ორგანული შემავსებ-ლების ჩამონათვალი:

ხის ფქვილი რბილი მერქნის: ფიჭვი ყვითელი, ფიჭვი თეთრი, ნაძვი ჩვეულებრივი, დუგლასის სოჭი, კანადური სოჭი, სეკვოია; მაგარი მერქნის: კოპიტი, წიფელი, არყის ხე, ნეკერჩხალი, ნაძვის ქერქი; ნახერხი, ბურბუშელა, ნაფოტები; ნახერხი, დამუშავებული კაუჩუკით.

დაფქული კაკლის ნაჭუჭი: ნუში, გარგარის კურკა, ბრაზილიური კაკალი, კაკალი გუმბანგი, ქოქოსის კაკალი, ტყის თხილი, მიწის თხილი, ბერძნული კაკალი, კაკალი პეკანი.

მცენარეული ბოჭკოები: კანაფი, ქოქოსის კაკლის გული, ჩალიჩი; რამის ბოჭკო.

სხვა მასალები: სვიის ნარჩენი, ნახშირი, ანტრაციტის მტვერი, ტორფი, მურა ნახშირი, კოქსი; კორპი; სიმინდის ჩალა; ციტრუსების რბილეული (გამომშრალი); სახამებელი (სიმინდის, ბრინჯის, კარტოფილის, ხორბლის) და სხვ.

სინთეზური მასალები: აღდგენილი ცელულოზა [ვისკოზის ქსოვილი, ცელოფანი; პოლიაკრილნიტრილის ბოჭკო (ორლონი, დაინელი)]; ალიფატური (ნივთიერების ტიპი, რომელიც შედის არაარომატული კარბონატების ჯგუფში) პოლიამიდური (ნელონური) ბოჭკო; არომატული (არომატის მქონე, სურნელოვანი) პოლიამიდური (არამიდული) ბოჭკო; პოლიესტერის ბოჭკო (დაკრონი); პოლიტეტრაფთორეთილენის ბოჭკო (ტეფ-ლონი); პოლივინილსპირტის ბოჭკო და სხვ.

ამჟამად მსოფლიო მრეწველობა აწარმოებს სხვადასხვა ტიპის ხელოვნურ ბოჭკოებს, რომელთა ნაწილის ტიპური მახასიათებლები მოცემულია ცხრილში.

ხელოვნური ბოჭკოების უმეტესობა დეფორმაციისას მუშაობს როგორც წრფივად დრეკადი მასალა.

ბოჭკოს დასახელება	სიმკვრივე ρ, კგ/მ3	სიმტკიცე გაჭიმვაზე σ, მპა	კუთრი სიმტკიცე σ/ρ, (მპა·მ3)/კგ	დრეკადობის მოდული E, მპა
E-მინა	2540	3400	1,34	70 000
S-მინა	2540	4200	1,65	90 000
ნახშირბადის (სტანდარტული მოდული)	1860	4100	2,2	230 000
ნახშირბადის (საშუალო მოდული)	1860	5400	2,9	280 000
ნახშირბადის მაღალმოდულური	1900	3400	1,8	440 000
არამიდული (სტანდარტული)	1450	4000	2,76	130 000
არამიდული (მაღალმოდულური)	1450	3400	2,34	185 000
ზემაღალმოლეკულური პოლიეთილენის (სტანდარტული მოდული) (UHMW PE)	970	2600	2,68	120 000
ზემაღალმოლეკულური პოლიეთილენის (მაღალმოდულური) (UHMW PE)	970	3000	3,1	170 000
ბორის	2650	3500	1,32	390 000
კარბორუნდის (SiC)	3000	3400	1,13	414 000
ქსელის (აბლაბუდა)	1300	1000	0,77	95 000
ფოლადი	7850	1000	0,13	210 000
ლუმინი	2800	500	0,18	70 000
ტიტანი	4500	1150	0,26	172 000

წყარო

კომპოზიტური კონსტრუქციები