Технологии производства полимерных композитов

СПОСОБЫ СМЕШЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ С ДИСПЕРСНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ
Для получения композиционного материала на основе полимера и дисперсного наполнителя надо не только равномерно распределить и хорошо диспергировать наполнитель в полимерной матрице, но и обеспечить условия образования прочной адгезионной связи между полимером и наполнителем. Образование такой связи возможно только в условиях хорошего смачивания поверхности наполнителя полимером. Для этого полимер на одной из стадий процесса приготовления КМ должен находиться либо в вязкотекучем, либо в растворенном состоянии. 
Известны следующие наиболее распространенные способы получения ПКМ с дисперсным наполнителем.
1. Смешение наполнителя с полимером, находящемся в вязкотекучем состоянии.
2. Смешение раствора полимера с наполнителем с последующим удалением растворителя.
3. Введение наполнителя в латекс полимера с последующей коагуляцией смеси и удалением воды.
4. Введение наполнителя в мономер с последующей полимеризацией мономера (полимеризация мономера в присутствии наполнителя).
5. Смешение порошков полимера и наполнителя с последующим переводом полимера в вязкотекучее состояние нагреванием.
Первый способ является наиболее распространенным при получении наполненных ПКМ на основе термопластов, резиновых смесей и реактопластичных композиций. Недостатками способа является сильное пыление наполнителя, ухудшающие санитарно-гигиенические условия труда и экологическую чистоту. Кроме того, этот способ требует высоких энергозатрат и сложного оборудования. К достоинствам способа относится высокое качество диспергирования наполнителя и отсутствие вспомогательных веществ (растворителей, коагулянтов и т.д.).
По второму способу композиции нельзя получить простым перемешиванием раствора с наполнителем, поскольку из-за низкой вязкости раствора невозможно достичь высокой степени диспергирования наполнителя. Поэтому диспергирование наполнителя в растворе полимера ведут в специальных мельницах (шаровых, бисерных), краскотерках или применяют ультразвуковые диспергаторы. Сущность работы таких мельниц заключается в перетирании агрегатов наполнителя между твердыми поверхностями, например, между поверхностью шаров или бисера или между двумя твердыми противоположно движущимися поверхностями. Поскольку растворы полимеров имеют низкую концентрацию, а растворители являются очень дорогими, поэтому таким способом получают только те композиции, в которых растворитель является компонентом, обеспечивающим определенные свойства композиции. Таким способом получают всевозможные эмалевые краски, в которых растворитель снижает вязкость системы и позволяет нанести эмаль на поверхность кистью или распылителем. После испарения растворителя образуется прочное эмалевое покрытие.
По третьему способу качество диспергирования наполнителя оказывается неудовлетворительным из-за низкой вязкости латекса, и даже применение ПАВ не решает полностью эту проблему. Но благодаря тому, что этот способ существенно снижает пыление наполнителя и затраты энергии, он нашел применение для получения резиновых смесей, наполненных техническим углеродом. Полученная таким способом смесь имеет промышленное название – «маточная смесь». Однако после приготовления смеси таким способом приходится прибегать к ее дополнительному диспергированию путем перемешивания в вязкотекучем состоянии по первому способу.
Четвертый и пятый способы смешения пока не нашли практического применения из-за того, что не позволяют получить высокую степень диспергирования наполнителя.
Основные принципы формования (формование - это процесс придания расплаву полимера конечной формы) изделий достаточно просты. В подавляющем большинстве случаев это подача расплава в форму, где расплав затвердевает в результате либо охлаждения (термопласты), либо химического сшивания (реактопласты). Подача расплава в форму может быть периодической (литье, прессование и т. п.), либо непрерывной (экструзия, каландрование, штранг-прессование и т. п.). В последнем случае мы говорим о подаче расплава не в форму, а в формующую оснастку. В первом случае материал формуется, находясь в форме, а во втором - проходя через форму.
Конечно, этим не исчерпывается все многообразие методов. Полимеры перерабатываются также путем нанесения их на подложки с последующим отверждением путем охлаждения, химического структурирования или высушивания (при нанесении из раствора); путем формования заготовок (термоформование, раздув и т. п.) и многими другими способами. Часто возможно формование изделия не только из полимера, но и непосредственно из олигомера или даже из мономера.
Несмотря на отмеченную выше относительную простоту принципов формования, конкретное аппаратурное оформление методов может быть очень сложным. Сложность обусловлена высоким уровнем автоматизации и механизации процессов, необходимостью обеспечения высокой производительности и высокой размерной точности изделий, конструкция которых может быть сложной сама по себе, контроля качества, а также наличием многих разновидностей одного и того же процесса.
Так, литье под давлением нерационально применять для формования изделий из маловязких материалов, например олигомеров и мономеров. Целесообразнее применять метод литья без давления (заливки). Если тот же олигомер содержит много наполнителя, то хорошие результаты может дать заливка в сочетании с виброуплотнением.
Многообразие методов формования вызывает необходимость их класссификации.
Ни один способ классификации не обладает «предсказательной силой», т. е. не может помочь, например, в создании новых методов переработки. Каждая классификация нужна, однако, для систематизации накопленного опыта, изложения логической схемы развития разных методов формования, т. е. необходима для понимания и оценки существующих возможностей создания изделий из пластмасс.



Каландрование - это процесс непрерывного формования полимерного материала при пропускании его расплава через зазор между вращающимися валками каландра. При каландровании расплав полимерного материала проходит через каждый зазор только один раз. При этом происходит увеличение ширины ленты материала при одновременном ее утонении. В результате каландрования получают полотно заданной толщины и ширины.
Каландр является основной частью каландровой линии, которая состоит из различных машин, объединенных в единую функциональную цепочку с единым целевым назначением.

Экструзия – метод формования на поршневых и винтовых машинах (экструдерах) изделий или полуфабрикатов неограниченной длины продавливанием расплава полимера через формующую головку с каналами необходимого профиля. Для этого используют шнековые, или червячные, экструдеры. Применяют для формования из термо- и реактопластов разл. длинномерных изделий-волокон, пленок, листов, труб, профилей разнообразного поперечного сечения
Производство различных видов изделий методом экструзии осуществляется путем подготовки расплава в экструдере и придания экструдату той или иной формы посредством продавливания его через формующие головки соответствующей конструкции с последующими охлаждением, калиброванием и т. д.
Выходящее из головки изделие охлаждается, отводится тянущим устройством и сматывается (или разрезается на отрезки необходимой длины). Скорость отвода изделия может быть больше скорости выхода из головки, тогда происходит ориентация материала в направлении оси изделия. С помощью специальных устройств возможна поперечная ориентация материала. Методом экструзии можно также наносить на провода и кабели полимерную изоляцию.
Основным оборудованием для переработки пластмасс методом экструзии служат шнековые машины, называемые также червячными прессами. В отдельных случаях переработки пластмасс применяются бесшнековые, или дисковые, экструдеры, в которых рабочим органом, продавливающим расплав в головку, является диск особой формы. Движущая сила, продавливающая расплав, создается в них за счет развития в расплаве нормальных напряжений, направленных перпендикулярно касательным (совпадающим с направлением вращения диска).
Дисковые экструдеры применяются, когда необходимо получить улучшенное смешение компонентов смеси. Из-за невозможности развивать высокое давление формования такие экструдеры применяются для получения изделий с относительно невысокими механическими характеристиками и небольшой точностью геометрических размеров.
Комбинированные экструдеры имеют в качестве рабочего органа устройство, сочетающее шнековую и дисковую части, и называются червячно-дисковыми. Применяются для обеспечения хорошего смесительного эффекта, особенно при переработке композитов. На них перерабатываются расплавы пластмасс, имеющие низкую вязкость и достаточно высокую эластичность.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. Винтовой экструдер: 1 - бункер для материала; 2 - каналы охлаждения; 3 - нагревательные элементы; 4-винт (шнек); 5-сетка; 6 - формообразующая головка; 7-изделие; 8-станина экструдера; 9-узел подшипников; 10-редуктор; 11 -электродвигатель привода; 12-форсунка для охлаждения изделия; 13-тянущее устройство.

Вальцевание – переработка полимерных материалов на вальцах.
Вальцевание осуществляется на валковых машинах (вальцах), оснащенных двумя параллельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами (валками). Вальцевание можно проводить с подогревом или охлаждением, с одинаковой или с различной частотой вращения валков. Это периодический или непрерывный процесс многоразового перехода полимерного материала через зазор. В зависимости от аппаратурного оформления метода материал с вальцов может сниматься в виде листа или узкой непрерывной ленты.
Процесс вальцевания заключается в многократном пропускании массы через зазор между валками, в результате чего на материал передается интенсивное силовое воздействие, сопровождающееся протеканием комплекса физических и химических процессов, приводящих к его разогреву, перемешиванию, гомогенизации. Вальцевание служит не только для получения однородной массы материала или перевода его в состояние, облегчающее дальнейшую переработку (подогрев, пластикация). Вальцевание может проводиться также с целью получения из полимеров листов или пленки, охлаждения материала, выходящего из смесителя, и придания ему формы, удобной для последующей переработки (введения наполнителей в связующее под давлением, дробления, размола и рафинирования сырья).
Вальцевание широко используется в технологии производства разнообразных композитов, например, для смешивания компонентов сырых резиновых смесей и пластических масс на стадии их приготовления. Кроме того, этот метод применяется для пластификации каучука, смешивания полимеров с разными ингредиентами (наполнителями, красителями, пластификаторами, антипиренами), совмещения резин с вулканизирующими агентами и другими компонентами, грубого дробления резины для регенерации, тонкого дробления твердых сыпучих материалов, для переработки пресс-порошков, улучшения технологических свойств полимерного материала перед формованием изделий, а также для изготовления полуфабрикатов (листов, пленки).


Каландрование применяют для непрерывного формования разл. пленочных или листовых П. м., нанесения на пов-сть листовых материалов рельефного рисунка, дублирования предварительно отформованных ленточных заготовок, армирования П. м. тканями или сеткой при т-ре выше т-ры текучести или т-ры плавления. Осуществляют на агрегатах непрерывного действия, осн. частью к-рых является многовалковый каландр (рис.). Полимерная или резиновая композиция непрерывно поступает на каландр с питательных вальцов или экструдера. В отличие от вальцевания при каландровании материал проходит через зазор между парой валков только один раз. Для получения листа заданной толщины и с гладкой пов-стью каландр делают многовалковым, что позволяет последовательно пропускать материал через два или три зазора разного размера. В процессе каландрования П. м. в зазоре между валками подвергается интенсивной деформации сдвига, в нем в направлении движения развиваются значит. эластические деформации, к-рые фиксируются в изделии послед. охлаждением. Продольная ориентация обусловливает значит. анизотропию св-в материала (каландровый эффект).
Каландровые агрегаты м. б. снабжены дополнит. устройствами для одно- или двухосной ориентации пленки.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. Производство изделий каландрованием: 1 - смеситель; 2 - вальцы; 3 - детектор металла; 4-5-образный наклонный каландр; 5 - охлаждающие барабаны; 6-толщиномер; 7-устройство для обрезания кромок; 8-закаточное устройство.


Прессование - это технологический процесс изготовления изделий из полимерных материалов, заключающийся в пластической деформации материала при действии на него давления и последующей фиксации формы изделия. Если формуемый материал способен к пластической деформации без нагревания, то процесс ведется в холодной форме и носит название холодного прессования. Формование в нагретой форме, т. е. горячее прессование, применяется в том случае, если нагрев необходим для снижения вязкости материала перед подачей давления или когда фиксация формы изделия осуществляется за счет реакций отверждения, протекающих при повышенных температурах. Горячее прессование в зависимости от аппаратурного оформления проводится методами компрессионного (прямого) или литьевого (трапсферного) прессования. Метод прессования широко применяется при переработке реактопластов, резиновых смесей, а в ряде случаев и при переработке термопластов.
Компрессионное прессование реактопластов - наиболее распространенный и простой в аппаратурном оформлении метод. Он применяется при переработке пресс-порошков, волокнитов, слоистых пластиков. Его используют при изготовлении несложных по конструкции изделий, при переработке высоконаполненных материалов, в производстве изделий, к которым предъявляются высокие требования по однотонности, и изделий массой свыше 1 кг. Давление в форме создается прессом, на котором она устанавливается с помощью крепежных плит.
Прессование осуществляется в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует форме изделия.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
Для формования изделий и/или получения волокнистых полимерных композитов на основе термо- и реактопластов применяются различные исходные материалы и составы:
порошкообразные и гранулированные термопласты, листовые и стержневые заготовки на их основе;
порошкообразные и волокнистые наполнители, матрицы (связующие) в виде расплавов или жидких композиций (растворов и эмульсий, компаундов, содержащих исходные мономеры или олигомеры);
премиксы (на основе эпоксидных, полиэфирных или других связующих) в виде паст, порошков, рыхловолокнистых смесей гранул и таблеток;
препреги (на основе нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых матов и холстов, бумаг, пропитанных связующим) и другие.
Основные параметры процессов получения армированных полимерных материалов это давление, температура и время. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий заданной формы.
Температурно-временные режимы получения деталей и изделий определяются протеканием в материале физических (кристаллизация, релаксация) и химических (реакции отверждения и сшивки) процессов. Кроме того, время процесса зависит от скорости прогрева и охлаждения перерабатываемого материала, что определяет выравнивание температуры по его толщине.
В процессах переработки термопластов и армированных термопластов они переводятся в высокоэластическое или вязкотекучее состояние и затем затвердевают при снижении температуры. В расплавленном или текучем состоянии происходит деформирование материала и придание материалу формы детали или изделия. При выдержке термопластов перед охлаждением, кристаллизации и релаксации (снятия внутренних напряжений) необходимо время для обеспечения стабильности размеров и формы получаемых изделий.
При переработке реактопластов на первой стадии также происходит плавление или размягчение материала, его деформирование и придание материалу необходимой формы. На второй стадии происходят реакции образования химических сшивок и сетчатой структуры полимера. Часто при реакциях отверждения реактопластов с выделением тепла происходит разогрев материала, что может вызвать его деструкцию, поэтому в цикле формования может иметься необходимость отвода выделяющегося тепла.
После процесса формования изделий происходит их усадка как вследствие уменьшения объема при охлаждении и кристаллизации, так и особенно при отверждении реактопластов. Они требуют некоторого времени выдержки. Неполнота протекания этих процессов приводит к последующим усадочным явлениям в готовых изделиях.
При использовании исходных материалов, содержащих растворители, а также при отверждении реактопластов, выделяющих низкомолекулярные продукты реакции, они должны быть удалены для того, чтобы сохранить монолитность материала. Получению монолитного материала также способствует применяемое давление, поскольку остаточная часть низкомолекулярных компонентов, выделившаяся в виде газовой фазы (пузырей), может быть растворена под давлением и уже не препятствует нормальному процессу формования изделий.
Методы формования изделий из термопластичных полуфабрикатов
Для получения изделий из наполненных полимеров и армирующих волокнистых полуфабрикатов (АВП) на основе термопластов применяются нижеследующие методы.
Литье под давлением (80-140 МПа) применяется для переработки термопластов и реже реактопластов. Для уплотнения материала изделия применяются различные варианты метода литье под сверхвысоким давлением (до 300 МПа), литье с предварительным сжатием расплава, инжекционное прессование, литье с наложением механических колебаний, интрузия и другие.
Литье и заливка без давления применяются при изготовлении изделий из полимеризующихся мономеров и текучих расплавов полимеров.
Экструзия применяется для формования длинномерных изделий (стержней, трубок, профилей различного сечения) из термопластов и реже реактопластов. Применяется также метод экструзионного формования с раздувом полых изделий.
Каландрование применяют для получения листовых материалов, дублирования листовых заготовок, армирования тканями или сетками, нанесения на поверхность материала рельефного рисунка.
Прямое прессование (под давлением 7-50 МПа) в пресс-формах применяют при изготовлении изделий из термопластов. Этот метод применяют также при переработке высоковязких термопластов или если температура их текучести близка к температуре деструкции.
Литьевое прессование (под давлением 60-200 МПа) применяется для переработки термопластов, имеющих вязкотекучее состояние. Этот метод позволяет получать изделия сложных форм.
Прокатка применяется для придания листовым или профильным материалам необходимого поперечного сечения.
Штамповка используется для получения крупногабаритных изделий из заготовок, полученных литьем, прессованием, литьем под давлением или экструзией.
Вакуум-формование и пневмоформование используется для получения изделий из тонкостенных заготовок.
Метод окунания используется для нанесения на поверхность деталей или изделий полимерного слоя.
Технологии производства армированных пластиков
Для получения полимерных изделий, наполненных непрерывными волокнами, используют как непосредственно волокна в виде пучков, ровницы или пряжи, так и различные текстильные материалы, а также маты или путаницу из волокна. В качестве полимерного связующего в таких материалах практически всегда используют различные низковязкие реактопласты невысокой молекулярной массы (эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.), которые после формования изделия отверждают химическим путем. Такое ограничение в выборе связующего обусловлено невозможностью проведения процесса смешения без разрушения волокна. Связующее должно за счет капиллярных сил и под действием силы тяжести или небольшого давления проникнуть между волокнами и достаточно равномерно распределиться там (должна произойти пропитка наполнителя связующим). Это возможно только при сравнительно невысокой вязкости связующего.
В последнее время все чаще в качестве связующего стали применять и термопласты (полиамид, полипропилен и др.). В этом случае волокна наполнителя укладывают или переплетают с волокнами термопластичного связующего, так, чтобы волокна связующего и наполнителя были достаточно равномерно распределены в объеме заготовки. Затем из такой заготовки формуют изделие под давлением при температуре выше температуры плавления связующего. Термопластичные волокна плавятся, растекаются за счет приложенного давления и связывают волокна. После оформления изделия его фиксируют охлаждением. Однако такой способ получения ПКМ еще не нашел широкого применения.
Процессы получения изделий из композиций с бесконечно длинными волокнами очень специфичны и зависят не только от вида связующего и наполнителя, но и в значительной степени от конфигурации формуемого изделия.
В зависимости от метода изготовления изделий ориентация волокон в нем может быть одноосной, двухосной, слоистой и многоосной.
Можно выделить два основных метода получения изделий из полимерных материалов на основе непрерывных волокон и текстильных лент – это протяжка и намотка.
Как правило, процесс изготовления изделий из непрерывно армированных полимерных композиционных материалов совпадает с процессом получения самого композита.
Наибольшее практическое применение находят следующие способы производства изделий из армированных пластиков:
-     контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму;
-     напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;
-     различные способы формования в закрытой форме;
-     намотка пропитанного смолой волокна на форму;
-     пултрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру.
В зависимости от технологии формования значения свойств полимерных композитов могут отличаться в несколько раз. Выбор технологии зависит от конструкции изделия, условий его эксплуатации, объема изготовления и имеющихся производственных ресурсов.
Неправильная организация техпроцесса, неудовлетворительная подготовка исходных компонентов, несоблюдение технологических режимов (давления прессования, продолжительности и температуры процесса, предписаний по подготовке сырья и материалов) и многие другие причины могут значительно изменять свойства готовых изделий. Поэтому очень важно не только грамотно, с учетом конструкции и условий эксплуатации изделий, построить технологический процесс, но и при его реализации четко соблюдать технологические режимы. С этой целью необходимо на всех стадиях процесса осуществлять текущий контроль технологических параметров и свойств изготавливаемого изделия.
Для изготовления небольших серий крупногабаритных изделий сложной геометрической формы применяют послойную укладку ламината, используя в качестве связующего смолы холодного отверждения (эпоксидные, полиэфирные и др.). Эта технология называется контактным формованием. Представляет собой технологию придания изделиям необходимой формы вручную.
При этом способе формования пропитанные связующим слои наполнителя уплотняют путем прижатия кистью или прикатки роликом. Отверждение материала производится без приложения постоянного давления в основном при температуре цеха
 

Схема контактного формования:
1 - форма; 2 - ламинат; 3 - прикаточный ролик
Ламинат 2, представляющий собой армирующий материал, пропитанный полимерной композицией, укладывается на специальную негативную форму 1 (матрицу), затем тщательно прикатывается валиком 3 с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха, после чего полимерная композиция отверждается. Поверхность готового изделия является зеркальным отражением поверхности использованной формы и полностью воспроизводит ее фактуру.
При больших толщинах будущего изделия нанесение ламината проводят в несколько стадий, давая возможность каждому слою отвердиться и охладиться. Это связано с тем, что отверждение смолы происходит с выделением значительного количества тепла. В результате происходит перегрев отверждающейся композиции, появляются значительные внутренние напряжения, приводящие к деформациям, короблению и растрескиванию готовых изделий.
Ручное формование принципиально достаточно просто, но требует от работника профессионального мастерства и большого опыта. Ручное формование – малопроизводительная технология, однако она незаменима при изготовлении больших и сложных изделий, а также экспериментальных и опытных образцов.
Материалы
Смолы
Волокна
Наполнители

полиэфирные, эпоксидные, винилоэфирные и любые другие
любые
без ограничений, единственное условие - стойкость к используемым смолам


Преимущества
Недостатки

проверенный временем способ: применяется на протяжении многих лет;
простой в работе;
в случае применения смол застываемых в обычных условиях, не требуется дорогих инструментов, только форма, валики или кисть;
доступность материалов.
успех и качество результата зависит от уровня подготовки рабочих;
большой процент возможности скопления воздушных капель и возникновения пустот в ламинате;
небольшая производительность, медленность производства;
вредные для здоровья людей условия труда.


В последние годы получил развитие способ изготовления крупногабаритных изделий путем напыления на формообразующую оснастку композиции, содержащей связующее (полиэфирную смолу и катализатор отверждения) и рубленое волокно.
При изготовлении заготовок изделия методом напыления в качестве наполнителей используют короткие волокна (30-60 мм), которые с помощью спец. установок напыляют потоком воздуха совместно со связующим на форму до достижения требуемой толщины. Этим методом производят крупногабаритные изделия, напр. корпуса лодок и катеров, элементы легковых и грузовых автомобилей, контейнеры различного назначения, плавательные бассейны, покрытия полов, облицовки бетонных конструкций.

Схема производства изделий из стеклопластика методом напыления:
1 - форма; 2 - ламинат; 3 - режущее устройство; 4 - напылительный пистолет; 5 - бобина ровинга
Важной особенностью напылительного оборудования последнего поколения является то, что смешение смолы и катализатора отверждения происходит вне напыляющего пистолета, т.е. в потоке воздуха, транспортирующего и перемешивающего все три компонента (смолу, катализатор отверждения и рубленое стекловолокно). Такая конструкция напыляющего оборудования позволяет избежать отверждения полимерной композиции внутри смесительной камеры и в подающих шлангах при внутреннем смешении компонентов. Поток воздуха выполняет двойную функцию: перемешивает компоненты и транспортирует смесь к матрице.
Как и при послойной ручной укладке пропитанной смолой ткани, напыленный на матрицу слой композиции прикатывается валиком с целью уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Увеличение содержания волокна в композиции приводит к росту прочностных свойств. Однако для хорошей пропитки волокна связующим его содержание при такой технологии не должно превышать 33-35% по массе.
В сравнении с ручным формованием рассматриваемый метод обладает следующими преимуществами:
отпадает необходимость в разрезании и укладке армирующих материалов (стеклоткань, стеклоровинг);
можно перерабатывать большое количество полимерных композиций;
упрощается изготовление слоистых пластиков и облицовок (процесс изготовления, как правило, более экономичен);
упрощается формование слоистых пластиков на поверхностях, расположенных вертикально и вверху, точнее говоря, подобное формование может быть осуществлено только таким способом.
При контактном формовании напылением качество слоистых пластиков в еще большей степени зависит от квалификации специалиста. Предпосылкой к внедрению этого метода должно быть владение технологией ручного формования
При изготовлении цилиндрических изделий из армированных полимеров используют технологию намотки. По этой технологии на вращающуюся оправку наматывается волокно, пропитанное связующим. Пропитка осуществляется в ванне со связующим, через которую проходит непрерывное волокно или жгут. Этим способом производят трубы большого диаметра (до 5 м), цистерны для перевозки химических продуктов, корпуса ракет и другие изделия.
Метод намотки волокном – сравнительно простой процесс, в котором армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои наносятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина.
Для уменьшения анизотропии прочности намотанных изделий армирующий наполнитель укладывают послойно под различными углами к оси вращения оправки. Угол намотки может изменяться от очень малого - продольного до большого - окружного, т.е. около 90o относительно оси оправки, включая любые углы спирали в этом интервале. Укладка армирующего наполнителя осуществляется по различным схемам в зависимости от условий работы готового изделия. В промышленности применяют следующие схемы намотки: кольцевую, орбитальную, продольно-поперечную, спиральную.
Содержание волокнистого наполнителя в пластиках, перерабатываемых намоткой, достигает 6085%, что обуславливает исключительно высокие показатели прочности таких материалов. Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирующий материал. Связующим для армирующего материала служит термореактивная смола. Основными материалами для матрицы служат эпоксидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. При "мокрой" намотке смола наносится в процессе самой намотки. "Сухая" намотка основана на использовании ровинга, предварительно пропитанного смолой. Обычно отверждение идет при повышенной температуре без избыточного давления, и завершающей стадией процесса является снятие изделия с оправки. При необходимости проводятся отделочные операции: механическая обработка или шлифованиеПри изготовлении цистерны отдельно изготавливают трубу способом намотки и две обечайки методом напыления, которые затем соединяют по клеевой технологии с помощью фланцев. Формование замкнутых корпусов цилиндрической формы производят в виде коконов путем орбитальной намотки с усилением отдельных наиболее нагруженных участков корпуса.
Процесс намотки производится в автоматическом режиме с помощью программного управления.
Основные преимущества:
Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.
Регулируемое соотношение смола/волокно.
Высокая прочность при малом собственном весе.
Неподверженность коррозии и гниению.
Недорогие материалы.
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание армирующего материала.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Основные недостатки:
Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.
Волокно трудно точно положить по длине сердечника.
Высокие затраты на сердечник для больших изделий.
Рельефная лицевая поверхность.
Спиральную намотку применяют для изготовления оболочек совместно с днищами, деталей конич. формы, изделий переменного сечения. При комбинир. намотке сочетают в любых вариантах спиральную, продольную или окружную намотку для достижения требуемой анизотропии св-в материала. Простейший вид комбинир. намотки-продольно-поперечная. Применение многокоординатных намоточных станков с программным управлением позволяет автоматизировать процесс намотки и сделать его высокопроизводительным.
При использовании армирующих наполнителей в виде тканей, холстов, бумаги, лент с перекрестным расположением волокон применяют окружную намотку с прикаткой, напр. при изготовлении труб, цилиндров, оболочек конич. формы. Если уплотнение материала вследствие натяжения наполнителя или при прикатке является достаточным для обеспечения необходимой плотности материала при послед. отверждении изделия, то намотка представляет собой и метод формования.
Комбинированные методы создания заготовок изделий включают неск. разл. методов при сборке одной детали, напр. сочетание послойной выкладки и намотки.
Указанные выше методы позволяют ориентировать наполнитель в одной или двух плоскостях изделия. При необходимости получения объемного армирования в трех и более плоскостях применяют метод плетения или ткачества заготовки из жгутов или нитей. Направление армирования и содержание наполнителя в каждом из направлений определяются условиями эксплуатации детали. Метод плетения применяется также для создания многослойных заготовок деталей, в к-рых слои механически связаны между собой
Для изготовления длинномерных элементов с небольшим поперечным сечением, таких как стержни, трубки, уголки, швеллеры используют непрерывное формование способом пултрузии.

Установка для формования профилей из стеклопластика способом пултрузии:
1 - шпулярник; 2 - пропиточная ванна; 3 - формующая матрица; 4 - камера термообработки 5 - камера охлаждения; 6 - тянущее устройство; 7 - дисковая пила; 8 - станина; 9 - пульт управления
Технология пултрузии - технология производства конструкционных профильных изделий из одноосно-ориентированных волокнистых пластиков непрерывным способом. Методом пултрузии производятся профильные изделия с постоянным поперечным сечением из соответствующего материала.
Основными узлами пултрузионной установки являются секция подачи стеклонаполнителя, пропиточная секция, фильера, тянущий узел, гидромаслостанция, пила и контрольный узел, который включает в себя блок питания, блок управления нагревательными элементами и блок управления тянущим узлом.
Этим методом можно получать изделия с любым профилем (стержни, трубки, профили разл. поперечного сечения и др.). Процесс осуществляют по непрерывной схеме: армирующий наполнитель, совмещенный со связующим, собирают в пучок и протягивают через систему формообразующих головок (фильер), в которых осуществляется формование изделия и частичное отверждение связующего. Окончат. отверждение происходит в термокамере или высокочастотной установке. Метод характеризуется высокой производительностью, экономичностью, поддается автоматизации.
В современных пултрузионных установках нагревание осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты, что позволяет осуществлять практически мгновенный нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. Использование высокочастотного нагрева позволяет изготавливать способом пултрузии толстостенные изделия с высокой производительностью, достигающей 6 м/мин.

Основные преимущества:
Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.
Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.
Недорогие материалы.
Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.
Закрытый процесс пропитки волокна.
Основные недостатки:
Ограниченная номенклатура изделий.
Дорогое оборудование.

Методы заключительной обработки изделий из армированных полимерных материалов
Изделия из армированных полимерных материалов дополнительно подвергают различным видам обработки: термической, радиационной, механической; их также соединяют друг с другом методами сварки, склеивания, механической сборки.
Термическая обработка изделий производится для стабилизации структуры (завершение кристаллизации), снятия внутренних напряжений, стабилизации формы и размеров. Для изделий на основе реактопластов часто необходимо проводить термическое доотверждение связующего. Термическую обработку проводят на воздухе, в среде инертного газа или жидкости, в некоторых случаях под вакуумом. Тепло к изделию подводят путем конвективного нагрева, обогрева ИК-излучением, токами высокой частоты и другими методами.
В некоторых случаях применяется высокотемпературная термообработка для изменения природы материала пиролиз, графитизация. Таким превращениям обычно подвергаются материалы и изделия на основе реактопластов, имеющих высокие коксовые числа (феноло-формальдегидные, полиимидные смолы). Методом высокотемпературной обработки (часто в среде углеводородов, способствующей дополнительному отложению углерода) получают углерод-углеродные материалы.
Радиационная обработка материалов и изделий производится для образования дополнительных поперечных связей между фрагментами молекулярной структуры реактопластов (сшивки – образования сетки химических связей), а в отдельных случаях и термопластов. В результате такой обработки повышаются механические свойства и термостойкость материалов и изделий.
Механическая обработка (точение, фрезерование, строгание, сверление) применяется для доведения деталей и изделий до заданных размеров. Кроме того, обычно возникает необходимость удаления заусениц на деталях, полученных различными методами формования.
Изготовление изделий из листовых, цилиндрических и других заготовок (гетинаксов, текстолитов и др.) производится методами механической обработки (точение, фрезерование, строгание, сверление). В зависимости от вида материала и содержащегося в нем армирующего компонента применяются различные виды инструмента:
при обработке пластиков, содержащих наполнители с невысокой твердостью, используются обычные виды инструмента с углами заточки, зависящими от вида и механических свойств материалов;
при обработке стеклопластиков используются инструменты на керамической основе или абразивные инструменты;
при обработке композиционных материалов, содержащих арамидные волокна, используются инструменты на алмазной основе, а также лазерные методы обработки.
Сварка применяется для соединения деталей из простых элементов. Сварке подвергаются в основном материалы на основе армированных термопластов. Процесс сварки производится путем нагрева конвекцией (горячий воздух или инертный газ), ультразвуком, токами высокой частоты, действием ИК- и лазерного излучения, трением. В некоторых случаях возможна так называемая «химическая сварка» под действием сшивающих агентов, вводимых в зону нагрева. Образование прочного соединения возможно только при образовании достаточного числа межмолекулярных или химических связей в зоне контакта соединяемых сваркой деталей.
Склеивание деталей на основе армированных реактопластов предпочтительнее производить с применением клеев также на основе реактопластов как холодного, так и горячего отверждения, что обеспечивает более прочное соединение. Возможно также применение других видов клеев на основе растворов полимеров или их расплавов, однако при этом должен учитываться вид и состав материала деталей и клея для обеспечения высокой адгезии, поскольку универсальных клеев не существует.
Склеивание деталей из армированных термопластов возможно также путем неоднократного нанесения на место соединения подходящего растворителя или раствора полимера, родственного материалу соединяемых деталей. При этом происходит набухание материала в местах намечаемого соединения. За этим следует плотное соединение деталей по месту склеивания до полного удаления (высыхания) растворителя.
Механическая сборка применяется для соединения деталей на основе армированных термо- и реактопластов или их соединения с деталями из других материалов - с помощью заклепок, замков, винтов, шпилек, скрепок и другими методами.
ПРЕМИКСЫ (premixes) – реактопласты, представляющие собой тестообразные смеси жидкого термореактивного связующего (обычно ненасыщ. полиэфирной смолы), рубленого волокна (обычно стеклянного), минер. дисперсного наполнителя (мел, каолин или др.) и разл. добавок (напр., смазок, красителей).
Приготовление П. заканчивается после смешения всех компонентов (этим П. отличаются от пресспорошков). П. превосходят препреги того же состава по текучести (что важно при изготовлении изделий сложной конфигурации), но уступают им по прочностным характеристикам. Выпускают П. в виде тестообразной массы, расфасованной в заготовки.
Содержание в П. смолы составляет 2050% (от общей массы), наполнителя 5080% (в т.ч. волокнистого 530%), смазывающих веществ 1,53%, красителя 24% (в двух последних случаях от массы связующего).
Для изготовления П. чаще всего используют полиэфирные смолы, реже – эпоксидные смолы. Благодаря тому, что эти связующие не содержат растворителя и отверждаются без выделения побочных продуктов, П. не подвергают предотверждению. Связующие, особенно полиэфирные, характеризуются низкой вязкостью расплава и большой усадкой при отверждении. Чтобы уменьшить усадку и исключить возможность сепарации компонентов при формовании (связанную с низкой вязкостью связующего), в состав П. вводят порошкообразные наполнители с размером частиц 0,550 мк: мел, доломит, каолин, тальк, кварц, стекло, глинозем, гидроокись алюминия (иногда древесную муку). Для снижения усадки в полиэфирные П. эффективно введение термопластов (510% от общей массы). С целью повышения прочности готовых изделий в П. вводят рубленые волокна стеклянные, асбестовые, искусственные и синтетические.
В качестве смазывающих веществ, предотвращающих прилипание изделия к форме, используют стеариновую к-ту, стеараты Са, А1 или Zn.
Все компоненты интенсивно перемешивают в лопастных или шнековых смесителях. Волокнистый наполнитель вводят в последнюю очередь, чтобы по возможности предотвратить его механич. разрушение. Изделия из П. формуют методами прессования и литья под давлением.
Эксплуатационные характеристики изделий из П. изменяются в широких пределах в зависимости от природы и соотношения отдельных компонентов. Ниже приведены типичные свойства материала из П. общетехнич. назначения на основе полиэфирного связующего и рубленого стекловолокна:
По сравнению с обычной технологией получения изделий из стеклопластиков применение премиксов дает следующие преимущества:
1) переработка премикса в изделия отделена от производства связующего, которое часто (например, для полиэфирных смол, растворенных в стироле) связано с применением летучих токсичных мономеров;
2) усадка премиксов значительно меньше в связи с применением порошкового минерального наполнителя;
3) при прессовании премиксов не происходит отжима связующего от стекловолокна.

Благодаря хорошей текучести, высокой скорости отверждения, а также высокому уровню электроизоляц. физ.-мех. показателей полиэфирные премиксы широко используют для произ-ва разнообразных деталей в электротехн. и др. отраслях промышленности.
ПРЕПРЕГИ (pre-pregs) – реактопласты, представляющие собой волокнистые наполнители, пропитанные термореактивной смолой (связующим). Прочностные характеристики пластиков, изготовленных из П., как правило, выше и стабильнее, чем у материалов того же состава, но полученных одностадийным («мокрым») методом, когда пропитку наполнителя связующим и формование изделия проводят одновременно. Это обусловлено тем, что при предварительной пропитке можно добиться практически полного смачивания наполнителя связующим и строго регулировать его содержание. П. незаменимый материал для изготовления крупногабаритных изделий относительно простой конфигурации. Области применения: производство спортинвентаря, аэро-и самолетостроение.
Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала. Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке.
В зависимости от вида наполнителя П. подразделяют на три группы:
1) на основе тканей и бумаги; такие П. предназначены для изготовления изделий простой конфигурации («листовые нерастекающиеся П.»);
2) на основе матов из рубленого волокна; из этих П., способных течь под давлением при нагревании, изготавливают более сложные по конфигурации, но менее прочные изделия («листовые растекающиеся П.»);
3) на основе ориентированных нитей, жгутов, лент; их используют для формования изделий, имеющих контур тел вращения.
П. первой и третьей групп изготавливают пропиткой наполнителя р-ром или расплавом связующего с последующей термообработкой для удаления растворителя и частичного отверждения связующего. Последняя операция производится для получения материала, к-рый удобно хранить и транспортировать, а также для максимального сокращения продолжительности отверждения при последующей переработке.
При производстве листовых нерастекающихся П. ткань или бумагу с рулона (одного или нескольких) протягивают через ванну со связующим, снабженную валками для отжима избытка связующего, и затем через печь для термообработки. После этого П. охлаждается на специальном валке и наматывается на приемный барабан. Для предотвращения слипания между отдельными слоями П. в рулоне прокладывается защитная пленка, к-рую перед формованием изделия отделяют от вырезанной (вырубленной) из листа заготовки. В качестве связующих для П. первой и третьей групп используют эпоксидные, феноло-формальдегидные, полиэфирные, кремнийорганич., меламино-формальдегидные и полиимидные смолы в количестве 1850% (от общей массы). Наполнителями служат бумага или стеклянные, асбестовые, хлопковые, кварцевые, полиамидные, углеродные, борные нити либо ткани.
Листовые растекающиеся П. изготавливают пропиткой мата из рубленого стекловолокна смесью связующего (полиэфирная смола, 25–40% от общей массы), не содержащего растворителя, с порошкообразным наполнителем (25–40% от общей массы) и др. добавками, регулирующими технологич. и эксплуатационные свойства композиции (эти П. предотверждению не подвергают). Такие П. составлены из тех же компонентов, что и премиксы, и отличаются от последних лишь методом получения и видом. Однако благодаря тому, что при изготовлении П. в процессе пропитки не происходит механич. разрушения волокон, прочность материалов из растекающихся П. выше, чем материалов из премиксов аналогичного состава. Вещества, используемые для скрепления рубленых волокон в исходном мате, частично или полностью растворимы в связующем.
Изделия из листовых нерастекающихся П. формуют при малых давлениях: вакуумформованием или формованием с помощью эластичного мешка, перегретым паром (в автоклавах), жидкостью (в гидроклавах) и на прессах.
Растекающиеся П. перерабатывают горячим прессованием.
Изделия из П. на основе ориентированных нетканых материалов (нитей, жгутов, лент) изготавливают методом намотки, иногда с последующей опрессовкой.
Основные преимущества:
Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием армирующего волокна и с минимальным содержанием пустот.
Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.
Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.
Основные недостатки:
Высокая стоимость материалов.
Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий

Рисунок 7Рисунок 5Рисунок 1^ђ Заголовок 215

Приложенные файлы

  • doc 14663716
    Размер файла: 487 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий