Развитие различных, приоритетных научных и технических направлений, а также транспортных, авиационных технологий и космических систем, рациональное использование природных ресурсов невозможно без создания новых, современных, высокотехнологичных минеральных композитов.
Бумага, картон и другие материалы представляют собой материалы композиционные. В связи с требованиями рынка возникает необходимость их постоянного совершенствования. Это достигается путем варьирования природы армирующего вещества, которым выступают волокнистые материалы, такие как, древесная масса, целлюлоза, волокна искусственного происхождения, а также варьирования природы связующего компонента, которыми являются органические и неорганические полимеры различных видов. Благодаря уникальным свойствам и неограниченной сырьевой базе минеральные волокна становятся незаменимыми для создания специального назначения листовых композитов.
Особенности свойств минеральных волокон возникают при отличительном процессе подготовки бумажной массы. В связи с исключением стадии размола из технологического процесса подготовки массы появляется неспособность минеральных волокон к набуханию и фибриллированию, а также приводит их к повышенной хрупкости. Благодаря пониженной способности к гидратации, соответственно и к образованию водородных связей появляется ценность сил трения и возрастает их вклад в прочность композитов. Известно также, что у бумажного полотна прочность полотна зависит от сочетания таких факторов, как прочность волокна, степень сопротивления выдергиванию волокон из бумажного полотна из-за трения его между волокнами, а также прочности и числа химических связей между волокнами. Все эти характеристики могут быть применимы для материалов, изготовленных на основе минеральных волокон. В связи с современными представлениями о процессе производства, трение между волокнами определяется прочностью контактов. Это эквивалентно прочности связей и их количеству, в связи с чем прочность полотна в упрощенном виде можно определить, как некое сочетание прочности единичных волокон, а также прочности и числа межволоконных связей.
Вместе с армирующим волокнистым наполнителем в композицию материалов входят различные упрочняющие и связующие добавки.
В качестве связующего вещества применяют гидроксиды металлов. Эта необходимость возникает в связи с регулированием рН среды, которое влияет на изменение прочности композитных материалов.
Предел прочности минеральных волокнистых композитов от рН состояния среды такой же, как и для целлюлозной, то есть максимальная прочность наблюдается у образцов, которые были подготовлены при нейтральном рН среды, снижение прочности заметно при переходе из кислой среды в щелочную. Полнота осаждения гидроксида из исходного сульфата алюминия в кислой среде очень низкая, но в тоже время осаждающие комплексы алюминия достаточно активны по отношению к волокнам. Этим и можно объяснить рост прочности волокна с повышением уровня сульфата алюминия в кислой среде. При повышении рН среды начинается процесс деполимеризации комплексов алюминия. Они начинают переходить в алюминатные формы, которые обладают высоким электрокинетическим потенциалом. Эти соединения действует в таком виде не как связующее, а как инертный наполнитель. В связи с этим увеличение расхода вещества приводит к тому, что снижается прочность композитов.
Сходство в процессах производства различных композитов из минеральных и целлюлозных волокон определяется тем, что необходимо соблюдать условия рН среды, и на стадиях дозирования связующих веществ или веществ проклеивающих, а также в нейтральной, слабощелочной области рН 7,0-8,0.
Для того, чтобы избежать разрушения минеральных волокон подготовительные процессы массы к отливу сводятся к процессу роспуска в гидроразбивателях, снабженных специальным ротором, который мягко воздействует на волокна, а также к процессу перекачивания волокнистой суспензии с помощью объемометрических насосов. Эти объемометрические наносы, в отличие от традиционных центробежных насосов, хрупкие волокна не разрушают, а также позволяют избежать повышенного флокулообразования волокон, у которых длина колеблется в диапазоне от 5 до 10 мм.
Известно также, что способы изготовления композитов подобно бумаге на бумагоделательных машинах и их аппаратурное оформление характеризуются свойствами и размерами волокон. Можно выделить для минеральных волокон такие группы: – состояние поверхности волокна (то есть поверхность гладкая, шероховатая или пористая); – форма поперечного сечения волокна (то есть круглая, овальная или звездчатая форма); – геометрические размеры (диаметр и длина волокна) и фракционный состав.
Характеристики такого типа определяют различные важнейшие показатели, к которым относится число волокон в единице объема системы и удельная поверхность бумажных волокон.
В производстве волокнистых композитов минерального типа, как в любом многофакторном процессе, волокнистое сырье из одного вида в другой переходит в связи с необходимостью индивидуальной настройки параметра работы технологического процесса.