Методы получения изделий с длинными волокнами

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.

Протяжка

Сущность метода состоит в протягивании большого числа непрерывных волокон, пропитанных вязкотекучим связующим, через фильеру, сечение которой и определяет профиль получаемого изделия. После формования профиля связующее отверждают. Протяжку называют еще палтрузией. Этим методом получают моно­литные и полые профили с различной формой поперечного се­чения – круглой, квадратной, треугольной, прямоугольной и т. д. Кроме того, палтрузией могут быть получены профили с Е-, Т- и I-образным поперечным сечением высотой до 300 мм, шириной до 150 мм и толщиной более 10 мм. В на­стоящее время стеклопластиковые профили несколько дороже металлических, однако, во многих случаях, например, при работе изделий в контакте с химически агрессивными средами, они оказываются незаменимыми.

При палтрузии в качестве наполнителя наиболее широко используется волокно в виде ровницы, состоящей из 15 – 60 нитей, каждая из которых образована из 100 – 400 стеклянных волокон толщиной 5 – 10 мкм. Размер и расположение волокон должны способствовать их пропитке и склеиванию. В некоторых случаях их подвергают термической или химической очистке, окраске. Помимо жгутов из непре­рывных волокон можно использовать также ткани и маты.

Технологический процесс палтрузии непрерывный (рис. 4.6) и в зависимости от происходящих процессов разделен на следующие стадии: подготовка волокна и связующего, пропитка, формование профиля, отверждение связующего (выдержка – отверждение связующего при постоянной температуре), нарезка профиля, охлаждение до конечной температуры.

Разматываемые со шпуль (1) жгуты с помощью направляющих устройств (3) подаются в ванну для пропитки смолой (2). Время пребывания волокон в пропиточной ванне должно обеспечивать полное пропитывание и смачивание волокон связующим. Содержание смолы в жгутах после пропитки должно составлять около 30 %. Для предотвращения увеличенного содержания смолы в жгутах в конце ванны устанавливаются специальные отжимные валки (4), где волокна освобождаются от избытка смолы и включений воздуха.

 

 

Формование. При выходе из ванны, жгуты сближаются двумя парами валков (7) в один пучок и попадают в формующую головку (9), нагретую до заданной температуры. При протягивании жгута, пропитанного связующим, через формующую головку ему придается конфигурация фильеры головки (рис. 4.6.). При этом отжимаются избытки связующего.

В некоторых случаях полученный профиль пропускают через головку червячного экструдера (10), где на него наносится тонкое термопластичное покрытие.

Отверждение. Приданная в головке конфигурация фиксируется при отвержде­нии композиции в термокамере (14). Время нахождения профиля в термокамере и ее температура зависят от типа связующего и должны обеспечивать сохранение профилем своей конфигурации. Как правило, эта стадия является лимитирующей по времени и определяет скорость процесса протяжки. Нагрев профиля при отверждении может производиться и токами высокой частоты. Использо­вание токов высокой частоты позволяет достигать высокой производительности труда, уменьшает выход брака, повышает эксплуатационные качества готовых изделий.

Полученный профиль охлаждается в водяной бане или в пневмокамере и режется на отрезки необходимой длины.

Намотка.

Сущность метода состоит в равномерной и послойной намотке пучка волокон, пропитанного связующим, на оправку, имеющую форму будущего изделия, с последующим отверждением связующего и извлечением оправки. Таким методом получают различные пустотелые изделия, имеющие форму тел вращения, трубы, бочки, цистерны, емкости и т. д.

Технологический цикл формования в зависимости от происходящих процессов разделен на следующие стадии: подготовка волокнистого наполнителя и полимерного связующего, намотка и получение заготовки изделия, отверждение связующего (при повышенной или комнатной температуре), съем изделия с оправки.

Подготовка сырья. Для намотки используют ровницу. Кроме того, для намотки используют текстильные материалы в виде лент. Волокна при необходимости предварительно обрабатываются аппретами для повышения адгезии к ним смолы.

При производстве волокна часто используются различного рода замасливатели, которые обеспечивают предотвращение механических повреждений и истирания волокон при текстильной переработке (например, для стеклянных волокон – крахмало-масляные эмульсии). В этом случае перед изготовлением ПКМ волокна промывают.

Для пропитки волокон перед намоткой применяют только термореактопластичные олигомерные связующие (эпоксидные полимеры, полиэфирные ненасыщенные смолы, фенеолформальдегидные смолы, амидоформальдегидные смолы и т.д.).

При необходимости на дорн перед намоткой наносят антиадгезионный слой, состоящий из парафина или его смеси с полиизобутиленом. Нанесение осуществляется из раствора в бензине с последующей сушкой.

Намотка. При намотке необходимо, чтобы волокно было плотно и равномерно намотано по всей поверхности оправки. Различают несколько видов намотки: прямая (окружная) намотка, спиральная (тангенциальная, кольцевая) намотка, продольно-кольцевая (продольно-поперечная) намотка, спирально-перекрестная и др.

		Рис. 4.7 Схема производства изделий в форме тел вращения методом намотки: а – с возвратно-поступательным перемещением каретки вдоль дорна; б – с вращением намоточного устройства; в, г – схемы планетарной намотки с неподвижным намоточным устройством

 

Применяют два вида машин для намотки: 1 – токарного типа, у которых оправка вращается в одном направлении, а наматываемый на оправку армирующий материал подается кареткой, движущейся вдоль продольной оси оправки; 2 – кабельного типа, когда волокна вращаются вокруг движущейся поступательно оправки. Выбор схемы намотки определяется конфигурацией и размерами изделия. Простейшей является схема двухосной намотки, при которой дорн вращается вокруг продольной оси специальным устройством, а каретка с устройством для укладки стекложгута перемещается вдоль дорна. Углы намотки (15 - 90°) и отношение радиальной и осевой прочности изделия зависят от скорости вращения дорна и перемещения каретки. Оптимальное соотношение радиальной и осевой прочности достигается при величине угла намотки a = 54,75°.

Применяется также планетарная схема намотки (рис. 4.7 в, г), при которой дорн вращается вокруг одной или двух наклонных осей, а намотка осуществляется от одного торца дорна к другому под небольшим углом b к образующей. При этом устройство для намотки может вращаться вокруг дорна или быть неподвижным. В процессе намотки слои жгута должны укладываться вплотную друг к другу, но не перекрываться.

В зависимости от способа введения связующего в композицию различают сухую и влажную намотку. Ровница или полоса ткани может пропитываться смолой заранее на специальной пропиточной установке и наматываться на дорн в сухом виде. Это сухая намотка. В этом случае используют смолу, которая при комнатной температуре является твердой. При мокрой намотке пропитка ровницы или ткани осуществляется непосредственно перед ее намоткой на дорн или одновременно с намоткой на дорн путем распыления смолы на наматываемое изделие.

При сухой намотке отдельные волокна лучше смачиваются смолой, уменьшается количество микропузырей и пор в материале и скольжение ровницы при минимальных углах намотки. В материале выдерживается постоянное количество смолы. Сухая намотка позволяет поддерживать чистоту в помещении. Однако при сухой намотке оправка и намоточная композиция должны разогреваться выше температуры текучести связующего.

Преимущество способа мокрой намотки заключается в более низком контактном давлении формования, что требует оборудования с меньшей мощностью привода и лучшей формуемостью поверхностей изделия.

Ровница наматывается на дорн со строго определенным натяжением: для ровницы из волокон диаметром 5 и 9 мкм натяжение соответственно равно 1900 – 2000 и 1200 – 1400 МПа при модуле упругости волокна 4900 ГПа.

Отверждение связующего осуществляется при комнатной или повышенной температуре непосредственно на дорне. Уровень температуры отверждения обычно выбирается в зависимости от типа применяемого связующего таким образом, чтобы обеспечить заданные требования по физико-механическим характеристикам отвержденной матрицы. Технологические режимы отверждения должны обеспечивать бездефектную структуру материала в изделии при наименьших затратах энергетических ресурсов.

Не менее важной стадией процесса намотки является стадия охлаждения после горячего отверждения. Выбор оптимального режима (скорости) охлаждения отвержденного изделия должен обеспечивать снижение остаточных температурных напряжений в композите. Быстрое охлаждение может привести к растрескиванию изделия. Стадия охлаждения определяет стабильность геометрических характеристик изделия.

Извлечение дорна. Конструкция дорна должна обеспечивать его удаление без нарушения целостности изделия. В зависимости от конфигурации и размеров изделия оправки (дорны) могут быть сплошными, полыми, разъемными, надувными, выплавляемыми (из воска или парафина) или разрушаемыми (из глины или гипса). В некоторых случаях полый дорн оставляют внутри изделий для повышения их прочности и герметичности.

Процесс намотки текстильных материалов идентичен процессу намотки жгутов, только вместо жгутов на дорн наматываются ленты (рис. 4.8. – 4.10).

 

 

а б

 

Рис. 4.8 Схема спирально-винтовой намотки лентой (В – ширина ленты, j - угол намотки, S – скорость перемещения каретки, k – коэффициент перекрытия лент при намотке)

 

	Рис. 4.9 Схема спирально-перекрестной намотки: 1 – оправка, 2 – каретка поперечного смещения катушки, 3 – лента (В – ширина ленты, j - угол намотки, S – скорость перемещения каретки)

 

Следует отметить, что намотка может быть полностью автоматизирована. Использо­вание стеклянных нитей или жгутов, предварительно пропитанных заданным количеством связующего, позволяет получать изделия с равномерным распределением наполнителя по объ­ему. Кроме того, намоткой можно изготавливать крупногабарит­ные изделия - баки с площадью поверхности до 135 м², цистерны диаметром 12 м и длиной 3,6 м и т. д.

Содержание волокнистого наполнителя в пластиках, перерабатываемых намоткой, достигает 60—85%, что обуславли­вает исключительно высокие показатели прочности таких мате­риалов. Для уменьшения анизотропии прочности намотанных изделий армирующий наполнитель укладывают послойно под раз­личными углами к оси вращения оправки.