книги / Технология производства полимерных композитных материалов и конструкций на их основе

раций пропитки и сушки армирующего материала. При этом требуются и меньше контактные давления формования. При "мокром" методе имеет место несколько лучшая формуемость поверхностей. Поэтому "мокрый” метод является доминирующим в практике формования круп­ ногабаритных конструкций сложной конфигурации.

Намоткой можно формовать конструкции в виде цилиндров, сфе­ рической, конической и геодезической формы. Намотка дает возмож­ ность укреплять термопластичные трубы и металлические сосуды.

Недостатком "мокрого" метода является повышенная токсичность жидких связующих, сложность контроля и регулирования коэффициента армирования.

2.1.8. Методы намотки

По характеру главного движения формования различают 6 основ­ ных технологических методов намотки.

I. Кольцевая намотка. Окружные, или круговые слои наматыва­ ют под углом, близким к 90°, причем за один оборот подающее уст­ ройство продвигается на ширину ленты (рис.21). Главным движением является окружное вращение оправки, движение подачи - продольное перемещение раскладчика ленты (жгута, нити). Окружные слои можно наносить для дополнительного усиления или увеличения жесткости отдельных мест цилиндра.

Рис.21. Кольцевая намотка: 1 - лента; 1 - раскладчик; 3 - оправка

2. Орбитальная (планетарная) намотка - орбитальное вращение (рис.22) вокруг неподвижной оправки катушки с армирующим матери­ алом со скоростью под заданным углом наклона. В момент за­ вершения орбитальным раскладчиком полного (или половины) оборота происходит резкий поворот оправки на величину заданной подачи

$кр (круговая подача).

Частным случаем орбитальной намотки является планетарная (рис.23). Покрытие поверхности осуществляется за счет продоль­ ной подачи ( &Пр ) оправки, а не за счет ее поворота.

3. Продольно-поперечная намотка, позволяет повысить осевую прочность и жесткость оболочек. Процесс укладки продольных сло­ ев армирующего материала технологически совмещен с намоткой тангенциальных слоев (рис.24), благодаря чему значительно повы­ шается производительность процесса формования.

Рис.24. Продольно-поперечная намотка: / - вертлюг; 2. - катушка продольных

лент; 3 - оправка; S - суппорт; £ катушки тангенциальных лент

4. Спиральная намотка. Оправка вращается, а каретка переме­ щается возвратно-поступательно (рис.25). Намотка осуществляется под углом оС к оси конструкции. При спиральной намотке витки укладываются по геодезическим кривым.

5.Метод свертывания (качения) - главным движением оправки является ее качение по армирующему материалу, который при этом свертывается и наматывается на оправку.

6.Косая перекрестная намотка (КПН). При КПН лента уклады­ вается с натяжением Т0 на вращающуюся оправку по спирали с ме­ ридиональным шагом (подачей) 3 (рис.26).

Рис.25. Спиральная намотка: Рис.26. Косая перекрестная намотка 1 - оправка; 2 - расклад-

чик

Чтобы избежать совпадения винтовых стыков в однонаправленных слоях, необходимо правильно рассчитать длину намотки, т.е. техно­ логическую длину формуемой трубы. Для этой цели удобно воспользо­ ваться формулой

где т - целое число шагов намотки; S - шаг намотки; JO - диа­ метр формуемой трубы; Z - число наматываемых слоев.

при которых винтовые стыки одного направления будут совпадать только через 3 слоя, т.е. совпадение будет в 1,5,9 я т.д. слоях. Витки слоев 3.7,11 и т.д. будут смещены на 50 % ширины ленты. Второе слагаемое позволяет полностью избежать совпадения стыков и обеспечивает равномерное их распределение в структуре компо­ зитной стенки.

2.1.9. Формование оболочек методом локального прижима уплотняющим роликом

С увеличением диаметра намотки величина контактного давле­ ния формования А/ , создаваемого технологическим натяжением арми­ рующего материала, уменьшается пропорционально изменению кривиз­ ны формуемой поверхности. При намотке оболочек диаметром более

250...300 мм давление N оказывается недостаточным для уплотнения структуры формуемой стенки до заданного коэффициента армирования. Поэтому приходится применять специальные формующие ролики. При этом могут использоваться две принципиальные схемы.

I. Первая технологическая схема (рис.27). Главное движение формования (вращение) сообщается ведущему ролику, который одно­ временно является формующим. В процессе намотки перед роликом об­ разуется волна опережения за счет результирующей силы Ф от нор­ мального давления А/ и силы трения ^ . Чем рыхлее структура композитной оболочки и чем больше количество и толщина намотанных слоев, тем заметнее сдвиг текстуры и больше высота опережающей волны.

слоев вперед и увеличивается высота волны опережения. Это, в свою очередь, вызовет еще больший подъем вектора FT вверх, что спо­ собствует отклонению Ф вперед и росту волны.

Ведущий ролик приводит, таким образом, к разуплотнению и да­ же расслоению структуры стенки в зоне волны опережения. При очень рыхлой структуре, отсутствии или малости технологического натяже­ ния армирующего материала при намотке может произойти отрыв волны опережения, которая, сделав один оборот, вновь встречается с формующим роликом, но, с другой стороны, и закатывается в складку,

Чтобы предотвратить расслоение, необходимо уменьшить окруж­ ное усилив формования F0 при одновременном увеличении давления /V

Однако объяснить возрастание механических характеристик увеличением коэффициента армирования недостаточно, Прикатка конструкций горячим роликом приводит к лучшей пропитке армиру­ ющего материала, уменьшению количества раковин, пустот, пор, микротрещин, улучшению адгезионных и когезионных связей в мате­ риале конструкции. Микропористость уменьшается с 11,2 до 5,4 %.

2.2.Ко н т р о л ь составов композитов

ихарактеристик связующего

Прочностные и массовые характеристики конструкций из компо­ зитных материалов во многом определяются коэффициентом армирова­ ния, Поэтому при производстве конструкций с заданными прочност­ ными, массовыми свойствами требуется непрерывный или периодичес­ кий контроль содержания связующего в пропитанном материале.

Для оперативного контроля массового содержания связующего в неотвержденном композитном материале наибольшее применение нашли устройства, принцип действия которых основан на измерения существенно различающихся электрофизических характеристик арми­ рующего материала и связующего. Так, диэлектрическая проницае­ мость стекловолокна и эпоксидной смолы различается почти на по­ рядок, Поэтому данный косвенный параметр оказывается зависимым от объемного (или массового) состава композиции "связующее - летучие, пары воды - наполнитель".

К числу наиболее совершенных в конструктивном и метрологи­ ческом отношении приборов относится измеритель массовой доли связующего в стеклоленте (ИСС-I), разработанный В.П. Горбовым. Прибор ИИС-1 имеет следующие технические характеристики: диапа­ зон измерения массовой доли связующего - от 25 до 50 %\ основ­ ная абсолютная погрешность измерения ±2 %9 а также содержание летучих компонентов в связующем от 3 до 13 %с точностью ±£ %.

Для непрерывного контроля концентрации связующего в стекло- и органопластиковых ленточных материалах применяют анализатор состава пропитанной ленты АСПЛ-2, принцип действия которого ос­ нован на зависимости диэлектрической проницаемости ленты от со­ держания в ней связующего.

Анализатор АСПЛ-2 требует квалифицированного обслуживания: установка "нулей" должна проводиться через каждые 3-4 ч эксплу­

атации; периодически необходимо осуществлять тарировку прибора. Анализатор обеспечивает измерение состава ленты с основной по­ грешностью, не превышающей ±3 %.

Анализатор АСПМ-2 принципиально не отличается от АСПЛ-2>кро- ме незначительных конструктивных особенностей, в частности нали­ чия полуавтоматической подотройки "нулей". Кроме названных при­ боров применяются УКСС-IA, АРСС-2М.

Периодический контроль содержания связующего в композитном материале выполняют в лаборатории путем выделения из пропитанно­ го образца органической составляющей. Последнюю экстрагируют из образца спиртом, толуолом, ацетоном в аппарате Сокслета или вы­ жиганием в муфельных печах. Разность масс до и после экстрагиро­ вания (выжигания) рассматривают в первом приближении как массовое содержание связующего с абсолютной погрешностью не более 0,7 %.

Для автоматизации анализа применяют экспресс-контроль со­ держания связующего и метод термогравиметрии.

Одной из важнейших характеристик связующего является его вязкость. Для оперативного контроля в пропиточных ваннах приме­ няют вискозиметры, принцип действия которых основан на эффекте изменения интенсивности ультразвуковых колебаний при прохожде­ нии их через вязкую жидкость. По известной скорости ультразвука в связующем можно оценить и его плотность. Конструкции пропиточ­ ных ванн намоточных станков разнообразны. Чаще всего они выпол­ няются в форме параллелепипеда объемом более 1,5 л.Пропиточные ванны должны обеспечить поддержание оптимальной вязкости связую­ щего, необходимой для качественной пропитки армирующего материа­ ла. По этой причине для поддержания заданной температуры про­ питочные ванны снабжают теплоизоляционным покрытием и системой термостатирования (электрической, калориферной, водяной). Регу­ лирование температуры пропиточной ванны обычно проводится с точностью ±0,5 0 датчиками типа ДТ-72. Прямое измерение вязкос­ ти связующего можно проводить ультразвуковым вискозиметром УКВС-I с диапазоном измерения до 60 с.

В конструкцию пропиточной ванны станка могут входить уст­ ройства, предназначенные для интенсификации процесса пропитки путем применения давления контактных роликов и пористых шин капиллярного насыщения, вакуумирования, ультразвуковых воздейст­

вий, перегибов, пульверизации и т.п. Отжимные валики пропиточной ванны, которые обычно выполняются из пары материалов сталь - резина, наилучшим образом обеспечивают регулирование наносимого на армирующий материал количества связующего.

Ролики и валики пропиточно-формущего тракта содержат элект­ ронагреватели, которые создают' на их поверхности необходимую температуру. Возможен нагрев и горячим воздухом.

Системы контроля температуры лент армирующего материала обычно выполняются на основе датчика ДТЛ-I, низкотемпературного пирометра РПН-2М, регулирующего и корректирующего приборов типа РПУ-2, КП2-СЗ и др. Они контролируют температуру движущейся ленты в интервале температур 293...453 К с точностью ±2,5 % при рабочем зазоре до 10 мм. Контроль температуры барабанов, роликов и валиков станка ведется датчиками типа ДТ-100, термо­ метрами сопротивления типа ТСМ-23 и др. при температурах до 453 К с точностью ±1,5 %.

2.3.Особенности пропитки пои "мокрой"

и"с у х о й " намотке

Одним из важнейших технологических параметров процесса на­ мотки является скорость. Скорость намотки не только определяет производительность оборудования, но и существенно влияет на качество получаемых конструкций. Выбор скорости намотки зависит от вида армирующего материала, величины усилия его натяжения, времени пропитки наполнителя связующим при "мокрой" намотке или временя размягчения его при "сухой". Скорость намотки яв­ ляется количественной характеристикой совершенства намоточных станков.

При использовании вязкого связующего скорости намотки долж­ ны быть низкими как из-за необходимости увеличения времени про­ питки в ванне, так и из-за возможности разрывов волокон армату­ ры под действием гидродинамического давления связующего при фор­ мовании наматываемой конструкции на оправке.

Намотка с большим натяжением ведется на невысоких скоростях. Окружные слои наматывают со скоростью до 30 м/мин, а спиральные - до 15 м/мин.

"Сухая" намотка обычно ведется со скоростью до 12-20 м/мин и реже до 30-50 м/мин, а "мокрая" - только 3-15 м/миц. Связано это с тем, что связующее должно заполнить все пустоты в струк­ туре и склеить между собой отдельные волокна, их пучки и слои, придавая монолитность композитному материалу. Поэтому качество пропитки арматуры является основным фактором, определяющим до­ пускаемую скорость намотки.

Процесс пропитки не заканчивается при прохождении наполни­ телем ванны со связующим и продолжается при намотке его на оп­ равку, а также в начале процесса отверждения связующего. На этапах намотки на оправку и отверждения связующего на процесс пропитки влияют натяжение армирующего материала и диффузия на­ гретого связующего.

Важнейшим является этап пропитки армирующего материала в ванне со связующим. На следующем этапе за счет технологического натяжения образуется поток связующего, направленный к наружной поверхности наматываемой оболочки. Течение его усложняется дейст­ вием инструментов дополнительного уплотнения структуры я сопутст­ вующим намотке нагревом. И наконец, последний этап пропитки сов­ падает с началом процесса отверждения и по мере нарастания вяз­ кости связующего затухает. Этот этап следует учитывать особенно при использовании связующих горячего отверждения, обладающих большой жизнеспособностью и достаточно высокой вязкостью. В этом случае уже после окончания намотки происходит значительное пере­ распределение связующего в намотанной структуре.

Этап пропитки армирующего материала в ванне является самым существенным и тем не менее он должен быть проведен в ограничен­ ное время. При скоростях намотки порядка 10 м/мин время пребыва­ ния армирующего материала в ванне со связующим составляет лишь около 3 с.

В практике намотки величина наноса связующего в пропиточной ванне должна составлять 50-70 #, чтобы получить требуемое содер­ жание связующего в материале, необходимо удалить излишки его от­ жимным устройством. Для интенсификации процесса пропитки снижают вязкость связующего подогревом, повышают давление связующего в ванне или вакуумируют пространство над связующим и сушат на­ полнитель перед подачей его в ванну. Улучшить смачивающую спо­

собность материала можно о помощью ультразвуковых колебаний, со­ общаемых армирующему материалу, и магнитной обработки связующего Существенным фактором, определяющим процесс пропитки (а сле­

довательно, и скорость самой намотки), является технологическое

стигается за счет создания определенного температурного режима на наружной поверхности наматываемой оболочки. Нагрев, как прави­ ло, осуществляют рефлекторами до (333-393) ±10 К в зависимости от применяемого связующего. Иногда нагрев обеспечивают путем пе­ редачи тепла от уплотняющих устройств (роликов, валиков), нагре­ тых до (403-428) ±5 К.

Таким образом, скорость намотки и технологическое натяжение армирующего материала являются основными технологическими харак­ теристиками процесса намотки. Они определяют практически все ос­ новные прочностные и деформативные свойства получаемого компо­ зитного материала, а также его пористость. Поэтому параметры, непосредственно связанные со скоростью намотки, в частности вязкость связующего и его количество, нанесенное на армирующий материал, стремятся поддерживать на постоянном уровне ±2 %.

Часто для упрощения контроля вязкости связующего используют косвенную оценку ее по температуре нагрева пропиточной ванны.

2.4. Пр о и з в о д с т в о и технологические свойства поепвега

"Сухая" намотка позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда и несколько упростить намоточное оборудование за счет отсутствия пропиточного устройства. Она позволяет также обеспечить более высокую производительность процесса и проводит­ ся при более жестких условиях. Контактное давление может дости­ гать I...3 МПа, в то время как при "мокрой" намотке оно не пре­ вышает 0,05...1,0 МПа.

Процесс получения препрега включает следующие ооновные опе­ рации: