Получение композиционных материалов литьевым способом

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

Прессование полимерных композиционных материалов

Описание метода прессования полимерных композитов

Прессование полимерных композиционных материалов (ПКМ) заключается в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него тепла и давления и в последующей фиксации формы изделия. Прессование композитов проводится, как правило, в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует конфигурации будущего изделия.

Пресс-формы устанавливаются на прессах, назначение которых – создание необходимого давления прессования. Помещенный в пресс-форму холодный или предварительно подогретый материал разогревается до температуры прессования и, подвергаясь под давлением прессования деформации одномерного течения, заполняет полость формы и одновременно уплотняется.

Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения реактопластов или охлаждения термопластов, либо охлаждения под давлением до температуры ниже температуры стеклования полимеров (для термопластов).

Параметры процесса прессования полимерных композиционных материалов: начальная температура полимерного композиционного материала и пресс-формы, удельное давление и скорость его приложения, время выдержки в пресс-форме, температура извлечения изделия из пресс-формы, давление прессования 0,01 -250 Мпа. При переработке реактопластов решающее влияние на режимы оказывает скорость отверждения, а при прессовании термопластов – скорость охлаждения сформованного изделия.

Оборудование для прессования ПКМ: прессы.

Метод прессования применяется: для получения изделий сложной формы, разнообразных размеров и толщин из полимерных композитных материалов с порошкообразными, волокнистыми, листовыми волокнистыми наполнителями на основе термопластичных и реактивных связующих.

Метод прессования полимерных композитов имеет разновидности:

• прямое прессование (горячее или компрессорное);
• литьевое прессование (трансферное);
• профильное прессование (штранг-прессование).

Прямое прессование полимерных композиционных материалов

Пресс-материал в виде порошка, таблеток, таблеток либо заготовок из листовых или волокнистых полуфабрикатов загружают в открытую полость пресс-формы или между обогреваемыми плитами пресса и подвергают воздействию тепла и давления.

Параметры процесса: определяются типом ПКМ, конфигурацией и габаритными размерами изделия.

Оборудование: прессы.

Применяется для переработки:

• термореактивных и термопластичных полимерных композиционных материалов, изготовления толстых листов, блоков, толстостенных изделий сложной формы и переменного сечения;
• заготовок простой формы, подвергающихся дальнейшей механической обработке;
• изделий из полимерных композитов, содержащих большое количество абразивных частиц;

Литьевое прессование полимерных композиционных материалов

Предварительно размягченный (пластифицированный) материал впрыскивается перемещающимся в осевом направлении поршнем из загрузочной камеры через литниковые каналы в предварительно замкнутую пресс-форму.

Параметры процесса литьевого прессования полимерных композиционных материалов: удельное давления впрыска 150-200 Мпа, давление в пресс-форме 50-65 Мпа.

Оборудование для литьевого прессования: специальные трансферные гидравлические прессы с двумя (верхним и нижним) рабочими плунжерами или универсальные прессы с одним верхним плунжером.

Литьевое прессование применяется: главным образом для переработки полимерных композиционным материалов на основе быстроотверждающихся реактопластов и высоковязких термопластов.

Профильное прессование полимерных композиционных материалов

Пресс-материал продавливается через профильную фильеру с открытыми входными и выходными отверстиями или специальную головку. В процессе продавливания происходит формование и получение данного профиля, а в случае реактопластов – их отверждение. Процесс с периодически повторяющимся циклом, обеспечивающий непрерывное производство профилей благодаря тому, что за один цикл выдавливается не вся порция полимерного композиционного материала, а оставшийся подогретый ПКМ сваривается с вновь поступившей порцией. Метод занимает промежуточное положение между прессованием и экструзией.

Параметры процесса профильного прессования ПКМ: давление прессования 250-400 МПа для реактопластов и 40-50 МПа для термопластов.

Оборудование для профильного прессования ПКМ: специальные горизонтальные прессы, поршень которых медленно совершает рабочий ход и быстро возвращается в исходное положение, пресс-форма со сменной матрицей.

Профильное прессование применяется (наряду с экструзией) для получения труб, стержней и других профильных изделий большой длины.

Источник

Получение композиционных материалов литьевым способом

Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

• 
• 

Авторизация

Статьи

Рассмотрены различные технологии получения препрегов на термопластичной матрице и композиционных материалов на их основе. Представлены их преимущества перед технологиями изготовления полимерных композиционных материалов на основе термореактивной матрицы. Показано, что применение расплавной технологии позволяет изготавливать стеклопластик с наиболее высоким уровнем прочностных характеристик. Описан алгоритм оценки остаточных напряжений в термопластичном композите для оптимизации технологического процесса получения сложнопрофильных изделий.

Введение

Разработка длинноразмерных и сложнопрофильных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) требует расширения номенклатуры материалов, обеспечивающих высокие характеристики изделий и упрощение технологического процесса их изготовления. Анализ данных научно-технической литературы подтверждает перспективность использования композиционных материалов на основе термопластичных матриц (КТМ) для решения данных задач [1]. В настоящее время на основе КТМ изготавливают каркасы для лобового остекления, элементы хвостового отсека и фюзеляжа, лобовики крыльев длиной до 12 м, а также зализы мотогондолы и стабилизатора авиалайнера Аэробус А380 [2, 3].

Использование термопластичных связующих при изготовлении изделий позволяет устранить ряд недостатков, присущих термореактивным связующим [4], а именно: недостаточную устойчивость к ударным нагрузкам, пылевой и дождевой эрозии, токсичность и пожароопасность технологического процесса переработки из-за наличия в рецептуре термореактивных связующих легколетучих компонентов и горючих растворителей, а также длительный цикл формования [5, 6]. Кроме того, термопласты известны своей хорошей свариваемостью, длительным сроком хранения, способностью к вторичной переработке и стойкостью к агрессивным средам [7, 8].

Однако, как известно, термопласты также обладают специфическими свойствами: более высокой вязкостью растворов и расплавов по сравнению с реактопластами, высокой температурой переработки [9, 10], низкой адгезионной способностью [11–14], а также плохой растворимостью, что требует разработки отличающихся от традиционных технологий получения препрегов и композиционных материалов на их основе.

Таким образом, крайне актуальной является задача выбора способов переработки термопластов для получения материалов с заданным уровнем свойств при минимальных затратах. Цель данной работы – анализ наиболее перспективных технологических схем, которые используются для получения препрегов на термопластичных матрицах, а также КТМ и изделий на их основе.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15–18].

Технологии совмещения армирующего наполнителя

с термопластичной матрицей

Состав композиционных материалов на основе как термопластичной, так и термореактивной матрицы по общим признакам одинаковый: непрерывное армирующее волокно, аппретирующий слой и связующее. В составе КТМ используют различные волокнистые наполнители – углеродные, стеклянные и полимерные.

Для совмещения термопластичных связующих с волокнистыми наполнителями разработан ряд технологий, среди которых наиболее активно применяются следующие: растворная, расплавная, электронно-ионная, пленочная и волоконная [19–28].

Растворная технология считается одной из наиболее простых и заключается в пропитке армирующего наполнителя раствором полимера низкой вязкости [29]. Данная технология обеспечивает качественную пропитку волокна, однако имеет и ряд недостатков. В первую очередь, из-за наличия растворителя при переработке материал склонен к образованию пор и дефектов, что влечет за собой снижение механических характеристик изделия. Кроме того, данная технология требует применения габаритного и дорогостоящего рекуперационного оборудования, а также проведения операции пропитки в 2–3 этапа. Следует отметить, что не все термопласты можно растворить.

Пленочная технология заключается в послойной укладке наполнителя и связующего, предварительно изготовленного в виде пленки [30]. Связующее в виде пленки накладывается на аппретированную стеклоткань и закрепляется в отдельных точках с помощью нагретого до температуры 200 °С электропаяльника или аппарата горячего воздуха. Наиболее сложным в использовании пленочной технологии является изготовление пленки связующего необходимых толщины и размера – для этого требуются дорогостоящее оборудование и высокие энергозатраты. Однако данная технология обеспечивает наиболее равномерную пропитку наполнителя и, как следствие, высокие механические характеристики, аналогичные характеристикам литьевого материала с равномерным распределением свойств по его объему. Следует также отметить, что ввиду отсутствия отвердителя в составе пленочных связующих на основе термопластов они обладают более длительным сроком хранения, по сравнению со связующими на основе термореактивной матрицы.

Суть волоконной технологии состоит в совмещении двух типов волокон: армирующих, выполняющих роль наполнителя, и термопластичных, выполняющих роль связующего [31]. Данная технология позволяет производить качественную пропитку наполнителя и изготавливать материалы с высокими механическими характеристиками. Однако поскольку не из всех термопластов можно получить волокна, применение этой технологии достаточно ограничено.

Электронно-ионная технология основывается на нанесении заряженного в электростатическом поле связующего в виде порошка на поверхности наполнителей за счет электростатического притяжения, а затем его оплавлении. Схема данного процесса представлена на рис. 1 [32].

Рис. 1. Схема получения препрега по электронно-ионной технологии

Армирующий наполнитель через систему тянущих валков попадает в камеру, где связующее благодаря силам электростатического притяжения осаждается на наполнитель, а затем подается на приемную бобину через термокамеру (камеру оплавления) и калибрующие валки.

При расплавной технологии непрерывное волокно армирующего наполнителя протягивается через пропиточную зону, куда подается расплав полимера. Данный процесс является практически аналогичным технологии для термореактивного связующего (рис. 2) [33].

Рис. 2. Схема получения препрега по расплавной технологии

Расплавная технология обеспечивает достаточно быструю и качественную пропитку наполнителя и, как следствие, высокие физико-механические характеристики КТМ. Однако из-за высокой вязкости расплава термопластов требуется применение сложного и дорогостоящего оборудования.

Из перечисленных способов совмещения волокнистого наполнителя с термопластичным связующим наиболее перспективными и менее энергоемкими считаются электронно-ионная и расплавная технологии, а пленочная и волоконная технологии обеспечивают наиболее равномерную пропитку наполнителя связующим и наиболее высокий уровень механических свойств материала.

Следует отметить, что от качества пропитки армирующего наполнителя напрямую зависят свойства КТМ, поскольку последующее формование практически не влияет на глубину пропитки волокна термопластичным связующим. В частности, для изготовления материала с характеристиками на уровне КТМ, полученного с применением растворной технологии, необходимы дополнительная стадия пропитки промежуточного слоя или использование аппретирующего состава [22, 23].

Особенности получения композиционных материалов

на основе термопластичной матрицы

По рассматриваемым технологиям совмещения армирующего наполнителя с термопластичной матрицей изготавливают полуфабрикаты для получения КТМ – препреги. Технологии формования изделий с использованием препрегов обеспечивают точное соотношение «матрица–наполнитель», что напрямую влияет на равномерное распределение физико-механических характеристик материала. Одним из основных преимуществ изготовления КТМ из препрегов является также ускорение технологического цикла благодаря разделению на два самостоятельных процесса – изготовление препрега и формование изделия.

С использованием препрегов можно формировать детали по традиционным для ПКМ технологиям ‒ например, по автоклавной технологии, намоткой, пултрузией и др. В частности, пултрузия с дальнейшей консолидацией лент или стренг (армирующего наполнителя, пропитанного расплавом термопласта) в отсутствие дополнительного нагрева материала позволяет получать изделия с высокими показателями прочности и жесткости, а также малой плотностью и низкой стоимостью [34]. Кроме того, данная технология считается экологически чистой благодаря возможности многократной переработки полученного материала.

Перерабатывать КТМ из препрегов наиболее целесообразно путем давления и прокатки, при этом можно применять металлургическое оборудование с высокой производительностью при достаточно коротком цикле формования (от 10 мин до 1 ч). Внедрение такого технологического процесса на серийных заводах проводят с использованием исходного материала в виде листов заданной толщины. Это избавляет от необходимости иметь на производстве участки для изготовления связующих и пропитки наполнителя, а также проводить прессование листов, чтобы получать материал требуемой для данного производства толщины. В работе [19] описаны способы изготовления изделий из КТМ путем штамповки и гибки.

При замене в конструкциях композиционных материалов на основе термореактивного связующего на КТМ следует учитывать особенности технологического процесса переработки, который проходит при высоких температурах и требует или модернизации традиционного для ПКМ оборудования, или разработки нового. Специальное оборудование для получения и переработки КТМ за рубежом разрабатывают и поставляют известные компании – ICI (Великобритания), Bayer (Германия) и др. Выпускаемое этими фирмами оборудование позволяет проводить такие операции, как предварительный прогрев препрега для его размягчения и приварка слоев при сборке пакета (в случае необходимости), обеспечивает высокие температуры (200–450 °С) и давление (100–400 МПа) при формовании, а также позволяет охлаждать отформованную деталь (заготовку) под давлением с определенной скоростью [19].

Выбор состава и способа формования изделий из КТМ определяется большим количеством факторов. В частности, в первую очередь к ним относятся технологические возможности переработки выбранного термопластичного полимера, технические требования к изделиям, их конструктивные особенности и условия эксплуатации, а также объемы выпуска и экономические аспекты производства (затраты на приобретение оснастки и оборудования, включая их производительность и срок эксплуатации, трудоемкость, квалификация специалистов и др.).

В качестве связующих для КТМ могут быть использованы любые термопласты, допускающие технологическую возможность их переработки для изготовления препрегов и формования изделий. Наиболее широко применяются полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат, а в материалах конструкционного назначения наиболее активно используются полиамиды, полиарилаты, полиимиды, полисульфоны [20].

Например, при изготовлении труб массовое применение находят КТМ из теплостойкого полиэтилена PERT (сополимер этилена с октеном-1), наполненного базальтом и стекловолокном. Армирующие наполнители используют в виде дискретных волокон (длина отрезка от 3 до 6 мм) при наполнении связующего от 15 до 30% (по массе) [35, 36]. Отмечается, что армирующие наполнители влияют на реологические свойства связующих: наполненные базальтовыми волокнами связующие имеют более низкую вязкость, чем наполненные стеклянными волокнами, благодаря чему они лучше смачивают поверхность волокон и обеспечивают более высокие адгезионные свойства.

При температуре >232 °С наблюдается увеличение вязкости ненаполненного полиэтилена PERT, по сравнению с образцом, наполненным базальтом. При температуре >262 °С характер кривой вновь меняется – отмечено монотонное снижение вязкости [37]. Наблюдаемая особенность поведения полиэтилена PERT в процессе изотермического нагревания, вероятно, связана с теплопроводностью системы.

В последнее время за рубежом в рецептурах КТМ применяют так называемые «суперконструкционные» термопласты: полиэфирсульфид (PES) [38], полиэфиримиды (PEI) [39], кардовые полиариленэфиркетоны [40], жидкокристаллические термопласты и др.

Свойства термопластичного стеклопластика на основе препрегов, полученных с применением стеклоткани Т-15(п)-76 и отечественного полисульфона ПСФ-150 при различных технологиях изготовления, приведены в таблице.

Свойства термопластичного стеклопластика на основе препрегов,

полученных с применением стеклоткани Т-15(п)-76 и полисульфона ПСФ-150

при различных технологиях изготовления (Т_прес=280±5 °С; Р_уд.max=0,5–1,5 МПа)

Источник