Получение полимерных композиционных материалов
Путем различных комбинаций связующих и наполнителей получают полимерные композиционные материалы (ПКМ) с необходимыми физико-механическими и физическими характеристиками для эксплуатации в различных условиях. Зачастую получение полимерных композиционных материалов и формование изделий из них совмещены в один процесс, что позволяет существенно снизить себестоимость изделий из полимерных композитов.
Оптимальный метод формования для каждого конкретного изделия из ПКМ определяется большим числом факторов, таких как:
- конструктивные особенности изделия;
- предназначение получаемого изделия (и соответствующие требования –чистота поверхности, точность размеров и т.д.);
- свойства и технологические возможности связующего компонента;
- структура наполнителя;
- экономические факторы (стоимость, производительность и сроки эксплуатации оборудования, трудоемкость и т.д.)
Особенности формования полимерных композитов на основе термопластов
Производительность методов получения и переработки полимерных композитов на основе термопластов в основном определяется скоростью происходящих в связующем полимере физических и физико-химических процессов при переработке:
- плавления;
- кристаллизации;
- нагрева;
- охлаждения;
- релаксации и т.д.
Полнота и характер протекания этих процессов являются во многом определяющими факторами для качества готового изделия. Кроме того на качество готовых изделий влияют и деструктивные процессы в полимере, протекающие с повышенной скоростью в результате термических и механических воздействий на материал со стороны рабочих органов машин в процессе переработки.
Необходимую форму изделию из термопласта можно придать путем развития высокоэластической или пластической деформации. Из-за высокой вязкости материала, скорость протекания процессов деформации низкая. В зависимости от физического состояния полимера в момент формования, в готовом изделии достигается различная степень неравновесности из-за неполной релаксации внутренних напряжений. Это накладывает определенные ограничения на температурный интервал эксплуатации изделий, полученных различными методами. Увеличение доли высокоэластической составляющей деформации ведет к снижению верхнего температурного предела вплоть до температуры стеклования полимера.
Особенности формования полимерных композиционных материалов на основе реактопластов
Особенность методов получения полимерных композиционных материалов на основе реактопластов состоит в сочетании физических процессов собственно формования с химическими реакциями образования трехмерных полимеров (отверждением), причем свойства изделий определяются скоростью и полнотой отверждения. Неполное отверждение обусловливает нестабильность свойств изделий из реактопластов во времени, а также протекание деструктивных процессов в готовых изделиях.
В зависимости от метода переработки, отверждение совмещается с формованием изделия (в случае прессования реактопластов, происходит после оформления изделия в полости формы (литьевое прессование, литье под давлением реактопластов) или при термической обработке сформованной заготовки (при формовании крупногабаритных изделий). Достижение необходимой полноты отверждения некоторых типов олигомеров даже в присутствии катализаторов и при повышенных температурах требует значительного времени (до нескольких часов). При этом окончательное отверждение может проводиться уже вне формующей оснастки, так как устойчивость формы приобретается задолго до полного окончания процесса отверждения.
Некоторые проблемы производства полимерных композиционных материалов
Наличие при переработке температурных перепадов по сечению изделия ведет к возрастанию структурной неоднородности и появлению дополнительных напряжений, связанных с различием в скоростях охлаждения, кристаллизации, релаксации в различных частях, а также с различной степенью отверждения (в случае реактопластов). Это обусловливает неоднородность свойств материала в изделии, что не всегда допустимо, и является причиной многих видов брака (коробления, растрескивания и др.). Существование внутренних напряжений, в первую очередь ориентационных, ограничивает также температурный интервал эксплуатации. Некоторого повышения неоднородности надмолекулярной структуры и снижения внутренних напряжений удается достигнуть благодаря термической обработке готового изделия, однако более эффективно использование методов направленного регулирования структур в процессе переработки.
При формовании изделий из полимерных композитов возможно значительное изменение структуры, а следовательно, и свойств полимера. Поэтому полученные на основе одного и того же полимера материалы и изделия могут значительно отличаться по характеристикам, если технологии у них разные. Важнейшими факторами, влияющими на структуру и свойства ПКМ, являются параметры процесса переработки:
- температура,
- давление,
- режимы нагрева и охлаждения и т.д.
Правильный учет и подбор всех технологических параметров позволяет достигнуть в готовом изделии:
- однородной структуры,
- минимального уровня остаточных напряжений (структурных, усадочных, термических),
- высокой степени завершенности процессов отверждения, кристаллизации,
Источник
Технологии изготовления композитов
Введение :
Для производства изделий из армирующих материалов: углеткани (карбона), кевлара, стеклоткани существует множество различных технологий (методов, способов). В зависимости от выбранного метода используется различное профессиональное оборудование и множество вспомогательных материалов. В данной статье мы постараемся описать преимущества и недостатки наиболее популярных и эффективных технологий, предоставить перечень материалов с оборудованием которое используется в зависимости от выбранной технологии.
1. Контактное (ручное) формование:
Одной из наиболее простых технологий изготовления композитов из армирующих материалов в технологическом плане является контактное формование в открытых формах.
Технология контактного формования заключается в следующем: на подготовленную определенным способом оснастку (матрицу) наносится кистью или распылителем защитно-декоративный слой (гелькоут). Гелькоут предназначен для формирования наружной поверхности будущего изделия. Как правило используется для подготовки поверхности изделия для дальнейшей окраски. Кроме того, гелькоут предохраняет изделие от пагубного влияния ультрафиолета, химически активных сред, воздействия воды. После высыхания гелькоута происходит формовка изделия. Вначале в матрицу укладывается предварительно раскроенный армирующий материал: стеклоткань, углеткань или другой тип наполнителя, выбор которого зависит от требований, предъявляемых к изделию. Затем, при помощи кисти или мягкого валика армирующий материал пропитывается связующим (смолой). Последний этап – прикатка еще не отвержденного ламината жестким валиком для удаления пузырьков воздуха из него. После отверждения, готовое изделие извлекается из формы и подвергается механической обработке: обрезка облоя — излишков пластика или отвержденной смолы по краям изделия; высверливание отверстий и т. д.
Связующие: любые смолы — эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные, фенольные и другие;
Армирующие материалы: углеткань, стеклоткань и др.
Низкая стоимость, так как отсутствует сложное технологическое оборудование;
Широкий выбор материалов и их поставщиков.
Высокая вероятность получения воздушных пузырей в изделии, что может быть следствием низкой прочности уже готового изделия;
Высокое содержание смолы в изделии, что увеличивает массу и снижает прочность;
Качество изделия напрямую зависит от квалификации исполнителя;
Небезопасные условия труда.
2. Вакуумное формование:
Это технология производства композита, процесс которого аналогичен при контактном (открытому) формовании, но дополняется применением вспомогательных материалов (жертвенная ткань, вакуумная пленка) и источника остаточного давления (вакуумный насос). После пропитки армирующих материалов связующим на них укладываются вспомогательные материалы и покрывается вакуумной пленкой. В дальнейшем внутри вакуумного мешка создается остаточное давление которое способствует удалению излишков смолы и воздуха. Детали произведенные по этой технологии, отличаются высоким качеством (отсутствие воздушных пузырей), малой массой и высокой прочностью.
Связующие: в основном эпоксидные смолы;
Армирующие материалы: углеткань, стеклоткань и др.
Вспомогательные материалы: разделительная ткань, жертвенная ткань, вакуумная пленка, жгут герметизирующий;
Лучшее сотношение волокно/связующее, что благоприятно сказывается на прочности и массе готового изделия;
Получение наиболее гладкой поверхности;
Отсутствие воздушных пузырей;
Лучшее пропитывание материалов;
Увеличение номенклатуры материалов и соответственно увеличение себестоимости изготовления;
Более высокие требования к квалификации рабочих;
Небезопасные условия труда.
Вакуумная инфузия:
Технология вакуумной инфузии подразумевает собой доработанную технологию вакуумного формования, но основное отличие заключается в процессе пропитки материала. Если при вакуумном формовании пропитка материала осуществляется с помощью кисти или валика, а потом покрывается вакуумной пленкой и вакуумируется, то при вакуумной инфузии изначально делается вакуумной мешок с расположенном внутри материалом и пропитка осуществляется за счет создания вакуума внутри мешка. Данная технология является одной из самых популярных и может применяться при изготовлении практически любых изделий.
Связующие: в основном эпоксидные смолы;
Армирующие материалы: углеткань, стеклоткань и др.
Вспомогательные материалы: разделительная ткань, жертвенная ткань, вакуумная пленка, жгут герметизирующий, коннекторы, спиральная трубка;
Лучшее сотношение волокно/связующее, что благоприятно сказывается на прочности и массе готового изделия;
Получение наиболее гладкой поверхности;
Отсутствие воздушных пузырей;
Лучшее пропитывание материалов;
Экономия связующего вещества (смолы);
Возможность изготовления больших изделий;
Минимальное взаимодействие с вредными веществами.
Увеличение номенклатуры материалов и соответственно увеличение себестоимости изготовления;
Более высокие требования к квалификации рабочих;
Сложность разработки схемы пропитки при изготовлении крупногабаритных изделий;
Использование вакуумного оборудования.
Формование с подачей смолы (RTM — Resin Transfer Moulding ):
Технология формования с подачей смолы заключается в следующем: на подготовленные части формы (верхнюю и нижнюю) наносится защитный слой гелькоут, после его высыхания в форму укладываются материалы и форма закрывается. В верхнюю часть формы подается связующее. Связующее может подаваться как под малым давлением, так и с применением вакуума. После пропитки материала отверстие подачи смолы закрывается. В основном используется при давлении, так как улучшается пропитываемость материала в разы.
Связующие: при отсутствие давления могут применяться любые смолы. При давлении в основном используются эпоксидные;
Армирующие материалы: углеткань, стеклоткань и др.
Заполнители: любые, кроме сотовых, так как при подаче смолы под давлением соты могут быть разрушены.
Обе стороны изделия имеют гладкую поверхность с предварительно заданным рельефом;
Минимизированы отходы материалов;
Отсутствие воздушных пузырей;
Точные размеры и отличное воспроизводство изделий;
Лучшее пропитывание материалов;
Экономия связующего вещества (смолы);
Минимальное взаимодействие с вредными веществами;
Cокращение времени изготовления изделия в 3-5 раз;
Увеличение скорости оборачиваемости оснастки;
Уменьшение количества рабочих, снижение требований к квалификации при производстве.
Повышенная наукоемкость при проектировании оснастки;
Высокие начальные инвестиции;
Основное применение технологии при серийном изготовлении;
Использование оборудования для создания давления.
Автоклавное формование:
Автоклав это герметичная емкость с открываемой крышкой, в автоклаве возможно создание большого избыточного давления и температуры. Технология автоклавного формования заключается в следующем: на подготовленную оснастку обработанную гелькоутом укладывается специальная ткань препрег — это композиционный материал полуфабрикат, который изначально пропитан связующим. Оснастка укладывается в вакуумный мешок и помещается в автоклав. К ней подводится вакуумная линия. Автоклав герметично закрывается, нагнетается избыточное давление 5 — 8 атмосфер и нагревают до 100 — 180 *С в зависимости от выбранного препрега.
Автоклавное формование это самый дорогой способ изготовления композитов, но и полученные изделия имеют высокие прочностные характеристики. Как правило данная технология применяется при изготовлении специальных изделий в военной промышленности.
Армирующие материалы: препрег.
Вспомогательные материалы: жертвенная ткань, вакуумная пленка высокотемпературная, жгут герметизирующий, коннекторы;
Заполнители: При выкладке сэндвичей могут применятся любые заполнители, но они должны выдерживать высокие температуры, которые достигаются при отверждении..
Лучшее сотношение волокно/связующее, что благоприятно сказывается на прочности и массе готового изделия;
Получение наиболее гладкой поверхности;
Отсутствие воздушных пузырей;
Лучшее пропитывание материалов;
Экономия связующего вещества (смолы);
Отсутствие взаимодействия с вредными веществами.
Высокая стоимость оборудования;
Высокая себестоимость изделий из-за затрат на электроэнергию (создание давления и температуры);
Длительность изготовления изделий высока, что усложняет серийное изготовление;
Габариты изделия напрямую зависят от габаритов применяемого автоклава.
Более высокие требования к квалификации рабочих;
Высокая пожароопасность изза температуры, давления, кислорода.
Источник
