Химическая промышленность

Формование композиционных материалов с использованием эластичной диафрагмы

К методам формования полимерных композиционных материалов (ПКМ) с использованием эластичной диафрагмы относятся вакуумное формование, формование под давлением и автоклавное формование. В этом случае весь технологический процесс протекает по схеме, аналогичной контактному формованию, однако после укладки всех армирующих слоев, пока смола еще не заполимеризовалась, на матрицу с корпусом накидывается вакуумный мешок (диафрагма) и герметизируется лентой.

Диафрагмы представляют собой тонкие эластичные мембраны из силоксанового каучука. Из герметичной полости, образующейся между формуемой композицией и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к внешней стороне диафрагмы. Благодаря образующемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происходит прижим полимерного композиционного материала к жесткой форме соответствующей конфигурации, что обеспечивает конструктивное оформление детали.

При таком формовании получают изделия, наружная и внутренняя поверхности которых повторяют морфологию поверхностей формующих элементов (самой формы и диафрагмы). 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. При отверждении необходимо избегать образования пузырей в композите, а также тщательно контролировать давление, температуру и массовое соотношение между волокном и смолой. При таком способе формования получается необыкновенно плотный, прочный и ровный ПКМ, который по прочности значительно превышает изделия ручной формовки. Уплотнение материала при вакуумном формовании с эластичной диафрагмой может быть достигнуто с использованием атмосферного давления путем вакуумирования слоев стеклопластика в процессе его отверждения.

При формовании под давлением и автоклавном формовании сжатие композитов во время отверждения производится горячими газами. Вентиляционные отверстия, связанные с атмосферой или вакуумом, предназначены для вывода летучих побочных продуктов реакции и захваченного воздуха из отверждающегося композита. В некоторых случаях отверждение композитов при вакуумном формовании с эластичной диафрагмой происходит при комнатной температуре. Однако для улучшения свойств изделия отверждение, как правило, проводится при нагревании. При этом лучше всего использовать воздушные сушилки, но применяются также сушильные установки с инфракрасными нагревателями, а также конвекционные сушилки пассивного типа.

Формование ПКМ с участием эластичной диафрагмы включает стадию отверждения связующего, как правило, при повышенных температурах. В этой связи важным является соотношение температурных коэффициентов объемного расширения формуемого ПКМ и материала формы. По значению этого коэффициента из металлов ближе всех к композитам сталь. Она обладает и другими ценными свойствами: превосходной износостойкостью, способностью работать при повышенных температурах и хорошей теплопроводностью.

Наиболее благоприятными для изготовления форм свойствами характеризуется также керамика. Она имеет самый низкий коэффициент теплового расширения, а по теплостойкости почти не отличается от закаленной инструментальной стали. Однако при температурах окружающей среды керамика хрупкая. Она должна быть защищена от повреждений, которые ей грозят в процессе обработки. Стальные формы с керамическими вставками и без них наиболее широко применяются в производстве высококачественных композиционных материалов.

Находят применение и формы из алюминия, никеля и сталистого чугуна. В качестве оснастки используют теплопроводные пластмассы и формы из слоистых пластиков, для изготовления которых обычно используются очень теплостойкие литые или ламинированные эпоксидные смолы. На рис. 1 приведена типичная схема формования ПКМ с эластичной диафрагмой.

Из трех перечисленных выше методов формования с эластичной диафрагмой вакуумный способ менее других лимитируется размерами получаемого изделия.

Вакуумное формование с эластичной диафрагмой

Рис. 1. Вакуумное формование с эластичной диафрагмой1 — штуцер для присоединения вакуума; 2 — плита формы; 3 — коллектор для удаления воздуха; 4 — уплотнение диафрагмы; 5 — боковое выпускное отверстие; 6 — слой с вентиляционными отверстиями; 7 — диафрагма; 8 — перфорированные слои; 9 — впитывающие слои; 10 — разделительная ткань; 11 — слоистый пластик; 12 — внешний слой; 13 — промежуточная плита; 14 — эластичная перегородка; 15 — выбрасываемый слой 

Формование под давлением среди других методов переработки пластмасс имеет наиболее давнюю историю и широко применяется при переработке термореактивных смол. Для получения изделий из композиционных материалов на основе таких смол и армирующих волокон этот метод используется практически без изменений. На рис. 2 и 3 представлены схемы формования с эластичной диафрагмой с использованием давления.

В зависимости от заданных свойств изделия выбирают схему ориентации волокон и в соответствии с этим делают раскрой препрега при комнатной температуре. Нарезанные листы определенной формы складывают в пакет и вручную укладывают в металлическую форму. Из-за отсутствия необходимости перераспределения компонентов в объеме материала не требует высоких давлений при формовании изделий.

Формование с эластичной диафрагмой под давлением

Рис. 2. Формование с эластичной диафрагмой под давлением1 — эластичная диафрагма; 2 — крышка формы; 3 — канал для подачи сжатого газа; 4 — боковое выпускное отверстие; 5 — канал для соединения с атмосферой или вакуумом; 6 — композиционный материал; 7 — вертикальное выпускное отверстие 

Величина используемого давления зависит от формы изделия: для плоских листов оно составляет приблизительно 1 МПа, а для изделий сложной конфигурации — до 5−10 МПа. Температура и время термообработки в каждом отдельном случае зависят от типа используемой полимерной системы. Форму раскрывают, извлекают из нее готовое изделие и отделывают его (зачищают).

После извлечения готового изделия из формы при необходимости можно провести дополнительное отверждение изделия в термокамере. В качестве полимерных матриц (связующих) для композиционных материалов используются как термопластичные, так и термореактивные смолы. Однако в настоящее время первые применяют в меньших количествах, чем вторые.

В качестве полимерных матриц обычно применяются связующие на основе эпоксидных смол, а также ненасыщенных полиэфирных смол, поливиниловых эфиров, полиимиды и другие типы полимеров. Применение термопластичных препрегов, однако, дает некоторые преимущества. Так, они имеют неограниченный срок годности при хранении; переходят в расплавленное состояние в течение нескольких минут, их свойства при повышенных температурах практически не зависят от влажности.

В качестве армирующих волокнистых материалов чаще всего используют стеклянное, арамидное, углеродное и борное волокна. Однако большинство из них нуждается в поверхностной обработке для улучшения их адгезионного взаимодействия со специфическими типами смол — связующих. Рассматриваемый метод обладает многими достоинствами, а его недостаток — низкая производительность, обусловленная многостадийностью процесса.

Формование с эластичной диафрагмой под давлением в прессе

Рис. 3. Формование с эластичной диафрагмой под давлением в прессе1 — верхняя плита пресса; 2 — нагреватели; 3 — камера, заполняемая сжатым газом; 4 — коллектор для подачи сжатого газа; 5 — защитный слой из силоксанового каучука; 6 — форма; 7 — композиционный материал; 8 — выпускное отверстие; 9 — плунжер; 10 — коллекторы для соединения с атмосферой или вакуумом; 11 — нижняя плита пресса

В случае автоклавного формования (схема приведена на рис. 4) препрег или многослойный пакет из препрега на основе армирующих волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием.

Автоклавное формование с вертикальным выпускаемым отверстием

Рис. 4. Автоклавное формование с вертикальным выпускаемым отверстием1 — канал для соединения с атмосферой или вакуумом; 2 — плита формы; 3 — коллектор для удаления воздуха из формы; 4 — уплотнение диафрагмы; 5 — боковое выпускное отверстие; 6 — эластичная перегородка; 7, 8 — слои с вентиляционными отверстиями; 9 — диафрагма; 10 — промежуточная плита; 11 — перфорированный слой; 12 — впитывающие слои; 13 — разделительная ткань; 14 — выбрасываемый слой; 15 — внешний слой; 16 — слоистый пластик 

Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов:

  • 1) на форму накладывают необходимое число слоев препрега;
  • 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение;
  • 3) осуществляют отделку (зачистку) отвержденных изделий.

При формовании в автоклаве температура обычно составляет 177 °С, а давление 1380 кПа. При формовании композитов на основе полиимидной смолы, из которых изготавливают наиболее теплостойкие конструкции, создают более жесткие условия отверждения: температуру свыше 260 °С и давление более 3450 кПа. При повышенных температурах и давлении значительно возрастает опасность загорания автоклавов. Она может быть сведена к минимуму при переработке огнестойких материалов, а также при использовании сжатых инертных газов.

Меры по снижению пожарной опасности включают в себя применение диафрагм из силоксанового каучука, или нейлона. Рассмотренный метод формования является периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка.

Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования:

  • 1) возможность получения изделий равномерной толщины;
  • 2) возможность формования крупногабаритных изделий;
  • 3) высокое качество поверхности изделий;
  • 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.

Недостаток этого метода заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. При формовании с эластичной диафрагмой (мембраной) получают композиционные материалы и клееные композиции, которые представляют собой армированную волокном органическую матрицу.

Диапазон применения композиционных материалов очень широк: от украшений и декоративных архитектурных панелей до высококачественных несущих конструкций сложной формы. Усовершенствование технологии и определение оптимальной конструкции изделия очень часто позволяет получать методом формования с эластичной диафрагмой такие композиты, которые по эксплуатационным характеристикам оказываются конкурентоспособными по сравнению с другими типами конструкционных материалов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.