Оборудование для нетрадиционных методов формования полимерных материалов

Оборудование и технология формования изделий из стекловолокнистых материалов

Классификация методов формования изделий

Методы изготовления изделий из стеклопластиков весьма разнообразны по аппаратурно-технологическому оформлению и зависят от формы и размеров изделия, типов волокнистого наполнителя и связующего. Все методы формования изделий из стеклопластиков могут быть в самом общем виде разделены на открытые и закрытые.

К открытым относятся методы контактного формования, напыления, намотки, центробежного формования и ряд других, представляющих собой разновидности перечисленных. В этих методах используется одна формообразующая поверхность. Вследствие этого значительно затруднен контроль за получением заданного объемного содержания волокнистого наполнителя в композиции, так как толщина стенки изделия является функцией ряда параметров, к числу которых относятся вязкость связующего, упругость стекловолокнистого наполнителя, конструктивные особенности устройств, используемых для локального уплотнения наполнителя и др. Дополнительное уплотнение свободной поверхности изделий, формуемых открытым способом, позволяет повысить стабильность технологического процесса и улучшить качество изделий.

К закрытым методам относятся прессование, инжекционное формование, протяжка. Вся поверхность изделия формуется в контакте с соответствующими элементами формы. Как правило, при закрытом формовании не требуется дополнительной обработки поверхности изделий и достигается значительно более высокая точность толщины стенок.

В табл. 6.1 приведены наиболее распространенные методы изготовления изделий из стеклопластиков.

Вид стекловолокнистого наполнителя в значительной степени предопределяет выбор метода формования изделий. Элементар;

ное стеклянное волокно, получаемое фильерной вытяжкой из расплава, может использоваться при получении материала типа С ВАМ; нити, жгуты, ленты используются при намотке оболочек; рубленое волокно применяется при напылении; холсты и ткани используются в основном при контактном формовании, прессовании, прямой намотке труб.

Стеклопластики представляют собой материалы, создание которых собственно происходит при формовании изделия. При этом если совмещение волокнистого наполнителя и связующего осуществляется непосредственно в процессе формования изделия, то говорят о «мокром» способе формования.

При «сухом» способе формования используются предварительно пропитанные волокнистые наполнители (препреги^[1]). Растворы полимерных связующих наносят в заданном количестве на поверхность наполнителя с последующей сушкой и удалением растворителя. Предварительно пропитанные материалы сохраняют технологические свойства и пригодны для практического использования в течение 10—15 дней.

Метод намотки позволяет наиболее полно реализовать достоинства полимерных композиционных материалов (ПКМ). Разнообразие способов технологического оформления процесса намотки открывает перед разработчиками широкие возможности создания изделий из ПКМ самых различных форм и размеров. При этом используются как «сухая», так и «мокрая» намотка.

Наряду с предварительной пропиткой волокнистого наполнителя и пропиткой его в процессе формования изделий используется пропитка волокнистого наполнителя на завершающей стадии процесса формования, осуществляемой после сборки и необходимого уплотнения стекловолокнистой заготовки будущего изделия в замкнутой форме. Практическое осуществление таких методов потребовало серьезных исследований кинетических закономерностей процесса течения вязких жидкостей в пористых средах при различной степени уплотнения последних с учетом геометрической формы изделий.

При формовании изделий из армированных пластиков волокнистый наполнитель, как правило, малоподвижен, а связующее обладает хорошей текучестью. Это требует внимательного подхода к выбору давления формования. При использовании связующих, не выделяющих летучих продуктов на стадии отверждения, давление формования будет определяться только деформационными свойствами волокнистой заготовки, т. е. степенью ее уплотнения.

При использовании связующих, отверждающихся по поликонденсационному механизму с выделением газообразных и жидких продуктов реакции, давление формования следует выбирать с учетом интенсивности этих выделений на разных стадиях процесса во времени, а также с учетом величины давлений, возникающих в результате выделений в замкнутой форме или в форме, конструкция которой обеспечивает удаление части продуктов отверждения. Кроме того, конструкция формы должна обеспечить стабильность размеров изделий при действии давления выделившихся вследствие нагрева продуктов реакции, с тем чтобы получить формуемые изделия, совершенные по толщине стенки и по структуре материала.

По давлению, развиваемому в формующем инструменте, методы формования классифицируют следующим образом: формование без давления и формование с малым (до 2,5 МПа), средним (до 7 МПа) и высоким (до 30 МПа) давлением. Уровень давления обусловлен гидравлическим сопротивлением пористой среды, а также газовыделением при отверждении.

Согласно приведенной классификации без давления формуют изделия контактным методом и методом напыления. Уплотнение композиции прикаточными валиками здесь носит локальный и кратковременный характер. Намотка и центробежное формование осуществляются с малым давлением. Средние давления используются при «мокром» прессовании волокнистого наполнителя в замкнутой форме, высокие —при прессовании предварительно пропитанных материалов.

После окончания формования оболочки намоткой могут быть применены дополнительные средства создания повышенного давления формования материала. К их числу относятся различные эластичные оправки, эластичные вакуумированные обжимные чехлы в сочетании с автоклавами, гидроклавами, оплетками слоями армирующего наполнителя, лент, канатов («кабельклавы»), а также специальные бандажи и пресс-формы. Применяемое оборудование и оснастка должны обеспечить необходимые давления формования материала изделия.

Несмотря на то что метод намотки относится к открытым методам формования, он позволяет (хотя и не в такой степени, как при закрытом формовании) регулировать объемное содержание волокнистого наполнителя в композиции. Достигается это благодаря тому, что уплотнение ПКМ при намотке армирующего материала на оправку ненулевой кривизны связано с технологическим натяжением. Последнее является достоинством метода намотки еще и потому, что позволяет более полно использовать прочностные свойства волокнистого наполнителя за счет одновременного вступления волокон в работу, а также за счет их предварительного натяжения. Эти факторы позволяют применять при намотке более жесткие связующие с меньшим относительным удлинением и при прочих равных условиях получать материалы с более высокими механическими характеристиками.

Достижение требуемой ориентации волокнистого наполнителя в стенке изделия — довольно трудная задача, и наибольшие возможности здесь разработчикам предоставляет метод намотки. Выбор оптимальных углов намотки в сочетании с требуемым технологическим натяжением позволяет придать материалу изделий анизотропию свойств, наиболее полно отвечающую характеру внешних нагрузок. Таким образом, метод намотки дает возможность в максимальной степени использовать достоинства армированных пластиков как конструкционного материала.

К числу недостатков метода намотки следует отнести прежде всего сравнительно низкую герметичность изделий, характерную, впрочем, и для других методов открытого формования. Герметизация намотанных изделий обеспечивается посредством создания многослойных конструкций со слоями эластомеров, термопластов, а также металлов.

Возможность изготовления методом намотки изделий сложной геометрической формы в значительной степени ограничена, стоимость оборудования достаточно высока. Тем не менее достоинства метода намотки столь существенны, что он широко применяется в самых разных отраслях промышленности. Особое значение метод намотки приобрел за рубежом в ракетно-космической технике. Из крупногабаритных намотанных стеклопластиковых конструкций, изготавливаемых в США, классическими примерами являются корпуса ракет типа «Поларис» и «Минитмен», где применение высокопрочного стеклопластика взамен стали позволило снизить массу и существенно (в 5—10 раз) уменьшить стоимость.

Некоторые сравнительные характеристики ряда методов производства стеклопластиковых изделий представлены в табл. 6.2.

•Высший балл равен 10.

Объем мирового производства намотанных стеклопластиковых изделий непрерывно возрастает. Размеры проектируемых конструкций уже достигли 8 м в диаметре и 35 м в длину и продолжают расти. Современное состояние техники намотки позволяет изготавливать конструкции диаметром более 30 м. Можно предположить, что в будущем совершенствование метода намотки будет идти по пути разработки технологии получения несимметричных и более сложных конструкций.

Технология намотки развивается в продолжение примерно сорока лет. Тем не менее учеными и конструкторами, технологами и эксплуатационниками как отечественными, так и зарубежными накоплен огромный опыт, позволяющий эффективно использовать эту технологию. Вместе с тем существует и множество нерешенных вопросов, однако имеются большие потенциальные возможности для дальнейшего усовершенствования оборудования и технологии.

• [1] Препрег получил название от английского термина «preimpregnated», которыйозначает предварительно приготовленный (пропитанный связующим, подсушенный, намотанный на катушку, бобину или в рулон) армирующий материал.