Производство изделий из армированных полимерных материалов

Намотка

Метод намотки является одним из наиболее распространенных в получении изделий из армированных материалов. Намоткой производят оболочки различного типа и назначения. Это прежде всего цилиндрические тонко- и толстостенные трубы, закрытые профили прямоугольного, треугольного, эллиптического сечения, конические оболочки. Намоткой получают изделия в виде замкнутых емкостей (баллонов) для хранения газообразных и жидких веществ под повышенным давлением объемом от 1-2 л до сотен кубометров. Производимые по этой технологии изделия диаметром до 20 м, длиной до 35 м и, соответственно, объемом в тысячи кубометров применяются в нефтегазовом комплексе, а также в судостроении и строительстве.

Сущность метода намотки состоит в том, что непрерывный волокнистый полуфабрикат наматывается на вращающуюся оправку (дорн), образуя слои и формируя таким образом требуемую толщину и структуру стенки. Конфигурация оправки (круг, треугольник, прямоугольник, эллипс и т. д.) определяет форму изделия. Это могут быть не только традиционные трубы, но и лопасти вертолетов, ветряных и водяных лопастных движителей, сложнопрофильные фрагменты корпусных деталей и пр.

Пултрузия

Этот метод также известен под названием «протяжка». Суть его состоит в следующем. Пропитанный полимерным связующим наполнитель (жгут, холст, тканая лента) последовательно протягивается через продольное отжимающее избыток связующего устройство, поступает в машину предварительного формования, а затем в горячую профилирующую матрицу, где происходит отверждение связующего и фиксируется требуемая конфигурация изделия. Таким образом, конструкция матриц определяет сечение изделий, которые могут иметь различную форму, что является основным достоинством метода.

Пултрузия позволяет использовать и «мокрую», и «сухую» технологии. Особенность пултрузионной переработки состоит в том, что в полученных изделиях весь наполнитель ориентирован только в одном направлении, совпадающем с вектором протяжки. Следовательно, по свойствам такие изделия сильно анизотропны. Их прочность в продольном направлении существенно выше, чем в поперечном. В то же время деформативность изделий в поперечном, по отношению к их геометрической оси, направлении существенно выше, чем в продольном. Это качество может быть использовано как в технологических, так и в эксплуатационных целях. Применение волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеволокна, органоволокна) в одном технологическом процессе позволяет получать изделия с уникальными свойствами, согласованными с особенностями энергетического нагружения изделия в условиях его практического использования.

Контактное формование

Наиболее простым по аппаратурио-технологическому оформлению способом получения полимерных композиционных материалов продолжает оставаться контактное формование, которое применяется для изготовления крупногабаритных малона-груженных деталей сложной конфигурации: коробчатых кожухов механизмов, баков, корпусов и других элементов лодок, катеров и пр. Контактное формование изделий в открытых формах осуществляют в основном двумя методами — ручной укладкой и напылением. Технология ручной укладки включает следующие основные операции:

— нанесение разделительных покрытий на формы;
— раскрой тканых или нетканых армирующих материалов;
— приготовление связующего;
— укладка армирующего материала на форму;
— нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры;
— отверждение связующего при комнатной температуре или при нагревании до 70-95 0С;
— извлечение изделия из формы и его механическая обработка согласно требованиям чертежа;
— контроль качества изделия.

Метод формования напылением отличается от описанного тем, что волокнистая арматура (стекловолокно, базальтовое волокно, углеволокно) в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки — штапельки — и доставляется в форму одновременно со смесью соответствующей смолы и катализатора. Варьирование соотношения смолы и наполнителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы и ее наполнителей позволяет в широких пределах изменять свойства получаемых композиционных пластиков, поскольку структура и свойства композита, да и само изделие формообразуется в процессе его получения.

При конструировании деталей необходимо располагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет определить необходимые прочностные характеристики применяемого материала.

Формование с эластичной диафрагмой

При формовании с эластичной диафрагмой (мембраной) получают изделия, наружная и внутренняя поверхности которых повторяют морфологию поверхностей формующих элементов (самой формы и диафрагмы).

К методам этой группы относятся: вакуумное формование, формование под давлением и автоклавное формование. Диафрагмы, представляющие собой тонкие эластичные мембраны (мешки) из силоксанового каучука, отделяют формуемую композицию от находящихся под давлением газов в процессе отверждения материала. Из герметичной полости, образующейся между формуемой композицией и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образующемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происходит прижим полимерного композиционного материала к жесткой форме соответствующей конфигурации, что обеспечивает конструктивное оформление детали. Кроме того, в процессе прижима формуемая композиция уплотняется в результате устранения пустот и удаления избытка смолы. Отверждение композиции осуществляется в прижатом к форме состоянии при комнатной температуре либо при нагревании воздушными сушилками и другими устройствами.