Производство изделий из армированных полимерных материалов

Под армированными полимерными материалами (ЛПМ) в данной книге понимаются композиционные пластики, состоящие из двух основных компонентов, а именно полимерного связующего и волокнистого наполнителя, составляющих в материале две непрерывные фазы. Фаза, образуемая наполнителем, может создаваться из длинных и коротких волокон, содержание которых обеспечивает формирование армирующего скелета со свойствами, характерными для материала наполнителя (теплопроводность, электропроводимость и др.).

Особенность переработки АПМ состоит в том, что процесс формообразования изделия происходит одновременно с процессом образования армированного пластика. Оба процесса оказываются практически неразделимыми и, таким образом, являются предметом как технологии пластмасс, так и переработки полимерных материалов и производства изделий из них.

В качестве связующих АПМ, как правило, используют эпоксидные смолы, фенолоформальдегидные олигомеры и ненасыщенные полиэфиры, а также некоторые термопласты.

Армирующим, то есть усиливающим, компонентом АПМ являются волокнистые наполнители в виде свободных волокон (в том числе коротких), а также полученных из них: ровинга, жгута, лент, тканей, матов, холстов, войлока и др. АМП, в которых волокнистые наполнители уложены ориентированно, являются анизотропными. АПМ на основе войлочных наполнителей — квазиизотроиные.

Методы производства изделий

Технологическое и аппаратурное оформление изготовления деталей из АМП определяется особенностями используемых материалов, формой, размерами и назначением изделий. Условно все используемые методы могут быть разделены на две группы — открытые и закрытые. Открытыми методами получают изделия, одна из поверхностей которых оформляется жесткой поверхностью формы, вторая — может оставаться либо совершенно свободной, либо формуется при весьма небольших давлениях (в пределах 0,1-0,6 МПа). Из открытых методов наиболее распространены намотка, контактное формование (укладка), центробежное формование, формование с помощью эластичной диафрагмы и ряд других.

Закрытые методы предполагают формование, при котором все поверхности изделия контактируют с жесткими или эластичными поверхностями формы. К этим методам принадлежат пултрузия погонажных изделий, прессование штучных изделий, в том числе эластичным пуансоном, пропитка под давлением и др.

Изделия, полученные открытым методом, имеют гладкую поверхность, соответствующую поверхности формы, только с одной стороны, то есть со стороны матрицы, оправки и пр. При использовании закрытого метода поверхность изделий обычно не требует механической обработки или операций типа шпаклевки, выравнивания, шлифования и т. п.

Изделия обеих групп получают по мокрой и сухой технологиям. В первом случае наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед нанесением на поверхность формы, во втором — наполнитель пропитывается раствором связующего и сушится, превращаясь в полуфабрикат, называемый препрегом.

Мокрый метод позволяет получать изделия более монолитные и высокопрочные, однако для него характерны: невозможность применения растворителей и, следовательно, технологические сложности реализации требуемой вязкости связующего; необходимость длительной жизнеспособности вязкотекучего связующего (по крайней мере, в течение цикла формования); большие потери связующего вследствие его отжима при контакте с элементами намоточного узла, а также при ракельном выравнивании формуемого изделия.

Сухой метод позволяет разделить производство на две стадии: первая — приготовление полуфабриката (препрега), вторая — производство изделия. Использование препрега (заготовки), который может храниться длительное время, иногда исчисляемое месяцами, позволяет более точно дозировать содержание связующего на наполнителе, упрощает как переход с одного армирующего наполнителя на другой, так и, соответственно, производство гибридных изделий типа угле-, стеклопластик, улучшает санитарные условия операции формования, позволяет существенно повысить производительность труда. Недостатки сухого метода состоят в следующем: наличие остаточного растворителя в связующем снижает свойства получаемого АПМ, формование происходит при температуре формы (оправки), которая выше температуры плавления связующего, то есть, как правило, более 100 0С; в получаемом материале возможно наличие пор и дефектов, вызванных неполной пропиткой наполнителя связующим (особенно тканей из волокон с развитой свободной поверхностью в условиях их низкой смачиваемости).

Выбор метода производства изделий из АПМ является многофазным действием. В первом приближении можно использовать данные таблице 1.

При их применении необходимо дополнительно учитывать показатель, характеризующий сложность конфигурации изделия, его габаритные размеры. По этому дополнительному показателю вне конкуренции метод контактного формования. Несмотря на самую низкую производительность, в настоящее время он является одним из основных. Важным фактором, влияющим на выбор метода формования, является также серийность производства. Чем она выше, тем более роботизированным должен быть технологический процесс получения изделий. С позиций прочности предпочтительнее метод намотки.

Таблица 1: Сравнительная оценка методов изготовления изделий из АМП

Примечание: 1 - ниcший, 10 - высший балл