Технологии получения изделий из армированных пластиков

Получение изделий из ПКМ с дисперсными наполнителями (наполненных пластмасс) осуществляется традиционными методами переработки: экструзия, ЛПД, прессование и т.д.

Получение изделий из ПКМ с волокнистыми наполнителями (армированных пластиков) осуществляется как традиционными методами переработки, так и специфическими методами формования: контактным, прессовым и др.

Получение изделий из армированных пластиков с короткими волокнами

Короткие волокна подразделяют на следующие категории:

• 1) природные (например, асбест);
• 2) искусственные, которые получают либо синтетически с требуемой длиной, либо разрезанием природных и синтетических волокон до требуемой длины.

Композиции готовят:

• 1) пропиткой волокон жидким олигомерным связующим, которое отверждают после пропитки и формования изделия;
• 2) смешением волокон с термопластами и поликонденсационными смолами (вязкотекучее состояние) на роторных, валковых или шнековых смесителях.

Композиции с короткими волокнами перерабатывают традиционными методами переработки полимерных материалов, но из-за высокой вязкости композиций технологические параметры (температура, давление) выше, чем при переработке ненаполненных полимеров.

Получение изделий из армированных пластиков с длинными волокнами

Длинные волокна чаще всего применяют в виде:

• 1) пучков;
• 2) ровницы;
• 3) текстильных материалов;
• 4) матов.

В качестве связующих используют:

• 1) низковязкие олигомеры невысокой молекулярной массы (например, эпоксидные), отверждаемые после формования изделия химическим путем;
• 2) волокна из термопластов (полиамид, полипропилен), которые равномерно по объему переплетают с волокнами наполнителя.

Существует три основных метода получения изделий из ПКМ с длинными волокнами - это пултрузия, намотка и формование изделий из листовых препрегов^[1].

Пултрузия

Заключается в протягивании композиции с длинными волокнами через профильную головку. Изготавливают монолитные и полые профили с различной формой сечения.

Технологический процесс непрерывен. Технологические операции (рис. 3.87):

• 1) подготовка волокна и связующего;
• 2) пропитка - жгуты (поз. 1) разматываются со шпуль и подаются в пропиточную ванну (поз. 3);
• 3) формование профиля - после ванны жгуты освобождаются от избытка связующего и пузырьков воздуха с помощью отжимных валков (поз. 4); затем валками (поз. 5) формируется один пучок, попадающий в головку (поз. 6) и приобретающий в ней конфигурацию формующего канала; часто профиль покрывают слоем термопласта за счет головки (поз. 7) шнекового экструдера;
• 1 2 3 4 5 6 1 // //8 9 10 11 12

Рис. 3.87. Пултрузия: 1 - жгуты; 2 - направляющие ролики; 3 - пропиточная ванна;

• 4 - отжимные валки; 5 - сближающие валки; 6 - головка; 7 - головка экструдера; 8 -термокамера; 9, 11 - тянущие устройства; 10 - охлаждающая ванна; 12 - режущее устройство
• 4) отверждение связующего (лимитирующая операция) -конфигурация фиксируется при определенной температуре в камере высокочастотного нагрева (поз. 8) (достоинства высокочастотного нагрева: высокая производительность, улучшение качества изделия, снижение выхода брака);
• 5) охлаждение - производится в ванне (поз. 10);
• 6) нарезка профиля - осуществляется режущим устройством (поз.
• 12).

Намотка

Заключается в послойной намотке волокон, пропитанных связующим, на оправку с последующим отверждением связующего и из-влечением оправки. Изготавливают пустотелые изделия и трубы.

Технологические операции следующие.

I. Подготовка волокна и связующего.

В качестве волокнистых материалов используют ровницу и ленточный текстиль. Волокна отмывают от замасливателей, которые наносились для исключения механических повреждений волокон при текстильной переработке. После чего волокна покрывают аппретами 182

для повышения адгезии к связующему. Для пропитки применяют термореактивные олигомерные связующие (эпоксидные, фенолформальдегидные).

II. Формование.

На оправку предварительно наносят антиадгезив.

Различают следующие виды намотки: окружная, спиральная, продольно-кольцевая, спирально-перекрестная.

Виды машин для намотки:

• 1) токарного типа - оправка вращается, а волокнистый материал подается кареткой вдоль оси оправки;
• 2) кабельного типа - оправка движется поступательно, а волокнистый материал наматывается вокруг.

В зависимости от способа введения связующего в композицию различают:

• 1) сухую намотку - волокнистый материал заранее пропитывается связующим (полученный полуфабрикат является препрегом) и наматывается на оправку в сухом виде (достоинства: волокна лучше смачиваются; уменьшается количество пор в материале);
• 2) влажную намотку - пропитка волокнистого материала осуществляется непосредственно перед его намоткой на оправку или одновременно с намоткой за счет распыления связующего.

III. Отверждение связующего - осуществляется при комнатной или повышенной температуре непосредственно на оправке.

IV. Охлаждение - определяет стабильность геометрии изделия.

Скорость охлаждения должна обеспечивать снижение остаточных напряжений. Быстрое охлаждение приводит к растрескиванию изделия.

V. Съем изделия с оправки - осуществляется за счет удаления оправки.

Оправки делятся на следующие виды: сплошные, полые, разъемные, надувные, выплавляемые (парафин, воск), разрушаемые (гипс, глина). Иногда полую оправку оставляют внутри изделия для повышения его прочности и герметичности.

Формование изделий из листовых препрегов

Различают контактное, прессовое, пневмогидрокомпрессионное, термокомпрессионное и магнитоимпульсное виды формования изделий из листовых препрегов.

При контактном формовании давление на поверхность препрега осуществляется механическим воздействием.

Различают следующие виды контактного формования.

I. Контактное формование роликами (рис. 3.88).

Изготавливают

Рис. 3.88. Контактное формование роликами: 1 - оправка; 2 - препрег; 3 -

ролик

неответственные детали.

Заключается в уплотнении каждого слоя препрега, уложенного в форму, роликом. Достоинство - в полной мере удаляются пузырьки воздуха и избыточное связующее.

Недостаток - прочность изделия мала.

II. Формование резиновым жгутом (рис. 3.89).

Заключается в создании давления на препрег (поз. 2), находящийся на оправке (поз. 1), путем намотки по его поверхности резинового жгута (поз. 3) в несколько слоев. С каждым слоем намотки жгута на препрег действует все большее обжимающее усилие.

Достоинства: большое давление на поверхность препрега; простота оснащения; возможность формования протяженных изделий без ограничения габаритных размеров. Недостаток -низкое качество внешней поверхности изделия.

Рис. 3.89. Формование резиновым жгутом: 1 -оправка; 2 - препрег; 3 - резиновый жгут

III. Вибрационное формование (рис. 3.90).

Давление на препрег (поз. 5) создается за счет инерционных сил со стороны пуансона (резиновая оболочка (поз. 2) + дробь (поз. 1)), возникающих при вибрации формы (поз. 4). Недостатки: вредное воздействие вибрации на организм человека; нельзя формовать изделия больших размеров.

Рис. 3.90. Вибрационное формование: 1 - дробь;

• 2 - резиновая оболочка; 3 - стол вибромашины;
• 4 - форма; 5 — препрег

При прессовом формовании давление на поверхность препрега передается прессовым оборудованием через оснастку штамповочного типа.

Различают следующие виды прессового формования.

I. Жесткое прессование (рис. 3.91).

Изготавливают изделия с рельефом без перепадов толщин и вертикально расположенных элементов. Заключается в передаче давления гидравлического пресса на препрег с помощью двух полуформ. Поверхность пресс-формы предварительно покрывается антиадгезивом.

Достоинство - формуются изделия с повышенной точностью размеров и хорошим качеством поверхности.

Недостатки:

Рис. 3.91. Жесткое прессование: 1 и 2 -нижняя и верхняя части пресс-формы; 3 -препрег

• 1) часто создается неравномерное давление на разных участках формуемого изделия;
• 2) высокая цена пресс-форм из-за предъявляемых к ним повышенных требований по прочности, т.к. они работают в условиях длительных нагрузок и повышенных температур.

II. Упругое прессование (рис. 3.92).

Отличается от жесткого

прессования тем, что пуансон (поз. 1) выполняется из резины. Технология аналогична жесткому прессованию. Но давление пуансона передается на поверхность изделия волнообразно, что обеспечивает уплотнение композиции и удаляет воздушные включения между слоями препрега (поз. 2 и 3).

Достоинства:

1) стоимость оснастки в 2 3 раза ниже, чем при жестком

формовании;

• 2) равномерное давление прессования;
• 3) высокое качество внешней и внутренней поверхностей изделия;
• 4) высокая однородность и прочность материала.

Недостатки:

• 1) высокая стоимость и материалоемкость штампов;
• 2) сложность получения изделий больших габаритов и сложной конфигурации.

При пневмогидрокомпрессионном формовании давление на поверхность препрега осуществляет газ или жидкость. Различают следующие виды пневмогидрокомпрессионного формования.

I. Упругое формование вакуумированием (рис. 3.93).

Стадии:

• 1) на оснастку (поз. 1) укладывают препрег (поз. 3);
• 2) на препрег (поз. 3) укладывают герметичную оболочку (поз. 2);

3) по краям оболочку прижимают к фланцу оснастки;

Рис. 3.93. Упругое формование вакуумированием: 1 - оснастка; 2 -герметичная оболочка; 3 - препрег; 4 -герметизирующий жгут; 5 - зажимы

4) из полости между герметичной оболочкой (поз. 2) и препрегом (поз. 3) откачивают воздух.

Достоинства:

• 1) простота реализации;
• 2) отсутствие ограничений на размеры изделия.

Недостаток -ограничение реализуемого давления 1 атм.

II. Автоклавное формование (рис. 3.94).

Изделие формуется в автоклаве. Автоклав представляет собой герметичный цилиндрический сосуд с крышкой, в котором за счет насосов создается избыточное давление до 15 атм и за счет электрических нагревательных элементов обеспечивается температура до ЗОО°С.

Достоинства:

• 1) автоклавы имеют числовые системы управления, позволяющие изменять и поддерживать давление и температуру по заданному закону;
• 2) возможно формование изделий различной конструкции, в том числе больших размеров и сложной конфигурации;
• 3) одинаковое давление на любой части поверхности изделия.

А-А ₇

Рис. 3.94. Автоклавное формование: 1 - форма; 2 - препрег; 3 - эластичная мембрана; 4 - уплотнители; 5 - тележка; 6 - рельсы; 7 - корпус; 8 - крышка

Недостатки:

• 1) большая стоимость автоклава;
• 2) большие энергетические затраты;
• 3) автоклав является взрывоопасным объектом, мощность взрыва в котором пропорциональна объему и давлению в емкости.

III. Гидроклавное формование (рис. 3.95).

Рис. 3.95. Гидроклав: 1 - корпус; 2 -крышка; 3 - форма; 4 - препрег; 5 -герметичная диафрагма; 6 -рабочая жидкость

вакуумному насосу

Процесс аналогичен автоклавному формованию, но для создания давления используются гидроклавы - цилиндрические сосуды с герметично закрывающейся крышкой, устанавливаемые вертикально в грунт. В качестве рабочего тела используют глицерин или кремнийорганические масла, которые нагревают до 200 250°С без

выделения газов.

Достоинства:

• 1) размеры гидроклавов существенно меньше, чем у автоклавов;
• 2) в отличие от автоклавов, гидроклавы безопасны в работе, и в них реализуют более высокое давление (до 30 + 50 атм).

IV. Формование в пресс-камерах (рис. 3.96).

Рис. 3.96. Формование в пресс-камере: 1 -форма; 2 - эластичная диафрагма; 3 -препрег; 4 - крышка

В форму (поз. 1) укладывается препрег (поз. 3) и эластичная оболочка (поз. 2). Из-под оболочки (поз. 2) откачивается воздух, а в полость, образуемую пространством между оболочкой (поз. 2) и крышкой (поз. 4), подается рабочее тело (разогретый пар, вода, воздух).

Достоинство - по энергозатратам на нагрев и подвод давления (20 ^30 атм) метод эффективнее авто- и гидроклавов.

При термокомпрессионном формовании давление на поверхность препрега осуществляется за счет температурного расширения резинового вкладыша.

Различают следующие виды термокомпрессионного формования.

I. Формование температурным расширением резинового вкладыша (рис. 3.97).

На нижнюю часть формы (поз. 1) укладывается препрег (поз. 4), а сверху устанавливается верхняя часть формы (поз. 2) с вкладышем из кремнийорганической резины (поз. 3). Форма помещается в печь. При нагреве вкладыш (поз. 3) расширяется и создает давление (до 30 атм.) на формуемый материал.

Недостатки:

• 1) ресурс вкладыша невысок, т.к. резина не выдерживает многократного нагружения при высоком давлении и разрушается;
• 2) при сложном рельефе детали профиль давления на препрег неравномерен в зонах с большим и малым объемами.

Рис. 3.97. Формование температурным расширением резинового вкладыша: 1 и 2 - нижняя и верхняя части формы; 3 — кремнийорганическая резина; 4 - препрег

II. Комбинированное формование (рис. 3.98).

К вакуумному насосу =->‘

Рис. 3.98. Комбинированное формование: 1 - форма; 2 — препрег; 3 - резиновые вкладыши; 4 - оболочка

Комбинированное формование представляет собой сочетание температурного расширения резинового вкладыша и автоклавного формования. Используется для повышения прочности изделия, качества поверхности и снижения энергозатрат.

Комбинированное формование осуществляется так. В автоклав устанавливается форма (поз. 1) с препрегом (поз. 2). В углубления помещают вкладыши из резины (поз. 3), а сверху - герметичную оболочку (поз. 4). Из-под оболочки (поз. 4) откачивается воздух, а в автоклаве создается давление и повышенная температура. В результате происходит комбинированное формование - давлением воздуха и расширением резины.

Магнитоимпульсное формование применяется для изготовления цилиндрических полых изделий. Полуфабрикат - препрег с термопластичной матрицей. Магнитоимпульсное формование заключается в передаче давления магнитоимпульсного поля на заготовку через деформацию алюминиевой фольги (рис. 3.99). Энергия магнитоимпульсного поля расходуется:

• 1) на полезную механическую работу по монолитизации препрега;
• 2) на нагрев материала;
• 3) на рассеивание.

2 3 4

Рис. 3.99. Магнитоимпульсное формование трубы: 1 - оправка; 2 - магнитный индуктор; 3 - алюминиевая фольга; 4 - резиновая прослойка; 5 - полимерная труба; TV- повышающий трансформатор; С - батарея конденсаторов; VD - выпрямитель; FR - разрядник

Технологические операции (рис. 3.99):

• 1) на оправку (поз. 1) с антиадгезивом наматывается лента препрега (поз. 5);
• 2) на полученную заготовку (поз. 5) надевается продольно разрезанная резиновая труба (поз. 4), а сверху наматывается алюминиевая фольга (поз. 3), которая служит технологической деталью, обеспечивающей давление на препрег;
• 3) заготовку (поз. 5) нагревают до температуры 250 270°С и

помешают в индуктор (поз. 2);

• 4) при разряде батареи конденсаторов (С) на индуктор (поз. 2) алюминиевая фольга (поз. 3) деформируется, отталкиваясь от индуктора (поз. 2), и создает через резину (поз. 4) давление формования;
• 5) фольга (поз. 3) сматывается с готовой трубы (поз. 5), снимается резиновая труба (поз. 4), и оправка (поз. 1) извлекается.

Достоинства:

• 1) простота оснастки;
• 2) отсутствие движущихся частей;
• 3) возможность передачи давления через изолирующие прослойки;

• 4) возможность получения равномерного по площади давления до 350 - 400 МПа;
• 5) возможность изготовления длинных труб за счет перемещения оправки вдоль индуктора;
• 6) большая скорость деформирования (50 200 м/с).

• [1] Препреги - это полуфабрикаты, представляющие собой совмещенные со связующим или пропитанные им волокнистые жгуты, ленты, ровницу, ткани, маты и холсты.