ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / 12.Автоматизированные системы управления на производстве

Ст. преп. Доумчариева Ж., Қапан С.С.

Таразский Государственный Университет имени М.Х.Дулати

Автоматизация температурного режима

пропиточной установки для получения препрега

Обзор различных технологии изготовления препрегов с использованием полимерных связующих и тканого наполнителя. Приведена классификация наиболее распространенных способов производства препрегов, предназначенных для изготовления стекло-, органо- и углепластиков. Рассмотрены преимущества и недостатки следующих технологий: пропитки путем протягивания наполнителя через ванну со связующим, пропитки контактным роликом, рулонной пропитки, пропитки способом нагнетания, вакуумной пропитки, напылением и центробежной пропитки.

Ключевые слова: препрег, растворная и расплавная технологии, полимерное связующее.

Материалы второго поколения – анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокопрочных высокомодульных волокон и термореактивных или термопластичных матриц. Интеллектуализация таких материалов – переход к ПКМ третьего поколения. Модификация структуры материалов специальными компонентами, разработанными на основе достижений микро- и нанотехнологий, превращает ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные ПКМ.

Мировой выпуск разнообразных ПКМ в 2008 году составил 5,5 млн т. Уникальные физико-химические, конструкционные и технологические свойства таких материалов позволяют использовать их в разнообразных областях жизнедеятельности.

Настоящая статья направлен на обновление теоретических знаний и формирование современного подхода к вопросам производства современных полимерных композиционных материалов.

Следует отличать понятие препрега от прекурсора и преформы. Совмещение углеродных нитей с углеродными матрицами при изготовлении углерод-углеродных композиционных материалов осуществляют через жидкое и газообразное состояние матрицы, называемой прекурсором. Не пропитанный, но скрепленный каким-либо иным способом волокнистый наполнитель, которому придана форма всего или части будущего изделия, называется преформой. Вопросами пропитки полимерными связующими волокнистых наполнителей занимались многие исследователи и одним из основателей научной школы по праву считается С.С. Воюцкий [1] который заложил физико-химические основы процессов пропитки.

Волоконный мат, представляет собой армирующие волокна, нарубленные мелкими кусками длиной от 12 до 50 мм и склеенные друг с другом временным связующим - эмульсией. Из-за того, что волокна короткие и ориентированы хаотично, мат не отличается прочностью. Однако он легко пропитывается смолой, так как является мягким, толстым и рыхлым, похожим на губку при пропитывании. Мат хорошо использовать для клеевого соединения слоев из других видов материалов и заполнителей. Поэтому самый популярный способ формования - это укладка чередующихся между собой слоев ровинга и мата.

Армирующая ткань представляет собой очень прочный материал. В отличие от тканого ровинга ткань имеет очень мелкую текстуру и часто используется при формовании как наружный слой для укрытия грубой поверхности тканого ровинга и мата. К примеру, один-единственный слой ткани изнутри корпуса позволяет получить красивую гладкую поверхность. Как следствие, тонкую армирующую ткань часто именуют отделочной.

В качестве полимерного связующего в ПКМ 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.

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.

Современное производство элементов конструкций из ПКМ в значительной мере ориентируется на препреговую технологию изготовления изделий. Препрег – это материал-полуфабрикат, получаемый пропиткой армирующей волокнистой основы (лент, жгутов, тканей) точно дозированным количеством равномерно распределенного полимерного связующего. Пропитка волокнистого материала осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-механические свойства армирующего материала и обеспечить однородность свойств ПКМ, получаемого на основе препрега.

Существует два способа изготовления препрегов: вручную и на специальной пропиточной машине.

Получение препрегов с использованием порошковых дисперсных полимеров В последние годы разрабатываются и применяются методы получе- ния препрегов с использованием полимеров, находящихся в тонкодисперсном порошкообразном состоянии. Для нанесения порошковых материалов на волокнистый на- полнитель их переводят в псевдоожиженное («кипящее») состояние в результате продувки газа, под действием механических колебаний (виброожижение) или при совместном воздействии продуваемого газа и механических колебаний (вибрации).

Препреги — это композиционные материалы-полуфабрикаты. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала и обеспечить заданные электротехнические и другие показатели композиционного материала.

Ранее препреги приготавливали на основе хлопчатобумажных и шелковых тканей, а сейчас для этого используют стеклоткани, стеклосетки и др. современные материалы на основе высокопрочных нитей (углеволокна, арамидных волокон и т.п.).

При изготовлении препрега ткань поступает из разматывающего устройства, разглаживается, пропускается через ванны со смолой, тщательно отжимается при помощи системы специальных прецизионных валов, высушивается в специальных сушилках, а затем сматывается в рулон или разрезается на листы заданного размера.

В зависимости от назначения получаемых препрегов, пропитка тканей осуществляется специальными эпоксидными или фенолоформальдегидными смолами, разбавляемыми ацетоном, этиловым спиртом и др. растворителями.

В технологическом процессе пропитки и сушки полотна строго контролируются вязкость и количество наносимой смолы, сила натяжения полотна, температура и продолжительность сушки, количество летучих веществ и др. параметры.

Полученные препреги в дальнейшем подвергаются плоскому или фасонному формованию или же реализуются другим предприятиям в виде товарной продукции. Наибольшее производство препрегов сейчас сосредоточено в Китае и др. странах Юго-Восточной Азии.

Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала, обеспечить заданные электротехнические, механические и др. параметры. Препреги с ориентированным расположением волокон изготавливают на специальных установках вертикального (шахтного) или горизонтального типа. При изготовлении препрега на основе тканей, сеток и т.п. (рис. 1) материал поступает из разматывающего устройства, разглаживается, пропускается через ванны со смолой, тщательно отжимается при помощи системы специальных прецизионных валов, высушивается в специальных сушилках, а затем сматывается в рулон или разрезается на листы заданного размера. Сушильно пропиточные линии представляют собой крупногабаритные и технически сложные инженерные системы, обеспечиваемые современными средствами автоматического управления, безопасности.

Рисунок 1. Схема пропиточной установки для получения препрега

Готовый препрег обычно представляет собой рулоны или пакеты ленточного калиброванного материала с разделительной пленкой между слоями. В таком виде препреги могут храниться до нескольких недель, однако для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах. Полученные препреги в дальнейшем подвергаются плоскому или фасонному формованию, а так же реализуются другим предприятиям в виде товарной продукции.

Препрег, полученный на специальных пропиточных установках, обладает высоким качеством пропитки наполнителя связующим, минимальными механическими повреждениями наполнителя, равномерным «наносом» связующего в наполнитель при оптимальном процентном содержании связующего. Отсутствие сколько-нибудь заметной липкости при нормальной температуре позволяет автоматизировать процесс нанесения препрега методами намотки, выкладки, делать технологически «чистыми» процессы ручной выкладки сложных изделий, проводить автоматизированный раскрой препрега на станках с программным управлением, например, на лазерных или ультразвуковых установках раскроя материала.

Таким образом, технологический процесс получения изделий из композиционных полимерных материалов делится на два этапа: получение заготовки заданной конфигурации и ее формование для достижения высокой прочности и жесткости. КМ, состоящие из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения являются твердыми телами. Характеристики готового изделия (такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обусловливают выбор состава композиции, способа ее получения и формования.

Наибольшее практическое применение находят следующие способы производства изделий из армированных пластиков:

- контактное формование с укладкой пропитанного смолой волокнистого холста на форму;

- напыление волокнисто-полимерной композиции на поверхность формы;

- различные способы формования в закрытой форме;

- намотка пропитанного смолой волокна на форму;

- пультрузия, или формование профильных изделий путем протяжки волокна через ванну с полимером и калибрующую фильеру.

В зависимости от технологии формования значения свойств полимерных

композитов могут отличаться в несколько раз. Выбор технологии зависит от конструкции изделия, условий его эксплуатации, объема изготовления и имеющихся производственных ресурсов.

Неправильная организация техпроцесса, неудовлетворительная подготовка исходных компонентов, несоблюдение технологических режимов (давления прессования, продолжительности и температуры процесса, предписаний по подготовке сырья и материалов) и многие другие причины могут значительно изменять свойства готовых изделий. Поэтому очень важно не только грамотно, с учетом конструкции и условий эксплуатации изделий, построить технологический процесс, но и при его реализации четко соблюдать технологические режимы. С этой целью необходимо на всех стадиях процесса осуществлять текущий контроль технологических параметров и свойств изготавливаемого изделия.