Химическая промышленность

Непрерывные процессы производства изделий из композитных материалов

Быстрорасширяющееся применение деталей из композитов в автомобильной и других крупномасштабных отраслях промышленности привлекает особое внимание к непрерывным производственным технологиям, используемым для производства этих конструкционных материалов. Непрерывный процесс их получения, от сырья до готового продукта, обеспечивает оптимальную эффективность производства в тех случаях, когда это оправдано объемом выпуска изделий.

При работе с композиционными материалами, свойства которых зависят практически только от ориентации волокон, непрерывный процесс дает дополнительное преимущество, обеспечивая надежный контроль их ориентации и натяжения.

Изготовление гофрированных и плоских полупрозрачных листов — это самое старое непрерывное промышленное производство композиционных материалов.

Однако машины с микропроцессорным управлением, предназначенные для непрерывной облицовки фанеры и других заполнителей композиционным материалом, получения конструкционных и покрытых металлом листов, трехмерных армированных изоляционных панелей, прямых и изогнутых конструкций с переменным поперечным сечением и меняющимися объемными пропорциями, уже внедряются в промышленность или разрабатываются по мере того, как непрерывная технология производства композитов идет в ногу с нуждами промышленности.

Пултрузия — способ непрерывного получения длинномерных профильных деталей постоянного сечения из армированных полимерных композитных материалов (ПКМ).

Пултрузия получила свое название от английских слов pull — тянуть и through — сквозь/через. Причиной такому названию послужил сам процесс протягивания исходного материала сквозь фильеру, нагретую до температуры полимеризации матрицы ПКМ. Схема процесса показана на рис. 1.

Схема процесса пултрузии

Рис. 1. Схема процесса пултрузии: 1 — шпулярник; 2 — направляющее устройство; 3 — наполнитель; 4 — пропиточная ванна; 5 — смола; 6 — профилирующая головка; 7 — тянущее устройство; 8 — отрезное устройство; 9 — готовый профиль

Изготовление материала заданного профиля осуществляется с помощью специальной пултрузионной машины. Технологический процесс пултрузии непрерывный и в зависимости от происходящих процессов разделен на следующие стадии. Разматываемые со шпуль жгуты армирующих волокон в сухом состоянии собираются определенным образом в пучок и с помощью направляющих устройств подаются в ванну, где смачиваются полиэфирным, эпоксидным или другим связующим.

Время пребывания волокон в пропиточной ванне должно обеспечивать полное пропитывание волокон связующим. Содержание смолы в жгутах после пропитки должно составлять около 30 %. Для предотвращения увеличенного содержания смолы в жгутах в конце ванны устанавливаются специальные отжимные валки, где волокна освобождаются от избытка смолы и включений воздуха. Связующее должно обладать низкой вязкостью и большой скоростью отверждения при повышенных температурах. Далее пропитанный материал поступает в нагретую фильеру, которая формирует конфигурацию профиля (рис. 3).

Фильера

Рис. 3. Фильера

Несколько комплектов нагревателей, находящихся в прямом контакте с фильерой, создают несколько зон нагрева (обычно 4−6) и обеспечивают оптимальный для процесса полимеризации температурный профиль. Температурный профиль задает система управления в зависимости от изделия и скорости протяжки. Как и в процессе экструзии, во время пултрузии возникают эффекты саморазогрева (экзотермическая реакция в полимере). В этой же головке есть и охлаждающий участок, который обеспечивает сохранность сечения профиля на выходе. Происходит отверждение композиции при заданном температурном режиме.

В результате на выходе получается профиль, конфигурация которого повторяет форму фильеры. Этим методом получают монолитные и полые профили с различной формой поперечного сечения — круглой, квадратной, треугольной, прямоугольной и т. д. Кроме того, пултрузией могут быть получены профили с Е-, Т— и I-образным поперечным сечением высотой до 300 мм, шириной до 150 мм и толщиной более 10 мм. Конечный материал, выходящий из фильеры, — сильно отвержденный продукт, не требующий обработки. Этот отвержденный погонажный продукт вытягивается из фильеры вытяжной машиной и в отрезной машине распиливается на готовые к использованию сегменты заданного размера.

Первоначально пултрузию рассматривали как метод получения простых сплошных профилей, армированных однонаправленным волокном. По мере усовершенствования процесса пултрузия превратилась в метод производства практически неограниченного ассортимента сплошных и полых профильных изделий. Одновременно появилась возможность получать изделия, свойства которых удовлетворяют широкому диапазону технологических и конструкционных требований.

При пултрузии в качестве наполнителей выступают непрерывные волокна: углеродные, стеклянные, арамидные и др. Наиболее широко используется волокно в виде ровницы, состоящей из 15−60 нитей, каждая из которых образована из 100−400 волокон толщиной 5−10 мкм. Размер и расположение волокон должны способствовать их пропитке и склеиванию. В некоторых случаях их подвергают термической или химической очистке, окраске. Помимо жгутов из непрерывных волокон можно использовать также тканые наполнители в виде лент.

В качестве матрицы для композиционных материалов, получаемых методом пултрузии, используют как термореактивные полимеры, такие как полиэфирные, эпоксидные, фенольные смолы, так и термопластичные полимеры, например, полипропилен или полиамид. Правильный выбор смолы позволяет увеличить химическую стойкость, теплостойкость, ударную и усталостную прочность материала.

По мере того как осваивается промышленное производство смол и катализаторов, входящих в композиции, предназначенные специально для переработки этим методом, его производительность возрастает. В последнее время используют специальные «пултрузионные» смолы и отвердители, оптимизированные для пултрузионного процесса, это повысило скорость процесса до 4−6 м/мин (первые пултрузионные установки имели скорость протяжки около 1 м/мин). Такой резкий рост производительности обусловлен синергическим эффектом, поскольку произошла не только модификация смол, но и была усовершенствована технология их отверждения.

Применение высокочастотного нагрева наряду с традиционными способами нагрева не только увеличивает рабочие скорости, но и позволяет выпускать как простые крупные профильные изделия, так и такие, масса которых в пределах профиля резко изменяется. Ограничение по скорости процесса пултрузии (4−6 м/мин) является компромиссом скорости полимеризации смол и качества продукции и при существующих материалах пока является предельной. Однако это ограничение в большей степени касается маломощных установок. Высокой производительности можно достичь на установках с большой рабочей зоной, в этом случае одновременно протягивается несколько профилей (рис. 3). В настоящее время производятся пултрузионные машины с размерами рабочей зоны от 300 × 100 мм (усилие протяжки 5,5 т) до 1270 × 305 мм (усилие протяжки 18 т).

Схема устройства для одновременного вытягивания нескольких профилей

Рис. 3. Схема устройства для одновременного вытягивания нескольких профилей

Параметры формования оказывают значительное влияние на целостность композитного изделия. Правильный выбор скорости протяжки, температурный профиль фильеры, оптимальный объем волокна, выбор и совместимость волокон и полимерной матрицы, хорошая упаковка волокон, кинетические свойства полимера и правильная пропитка полимером являются ключевыми факторами, определяющими качество продукта.

В оптимальном варианте по свойствам пултрузионные изделия превосходят детали, произведенные контактным формованием: они более монолитные, более кислото- и щелочестойкие. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность даже при наиболее опасном для пултрузионной технологии межслойном сдвиге. Она на 30−35 % превышает аналогичный показатель материалов с войлочной структурой наполнителя, полученных вакуумным формованием.

Пултрузионное оборудование современных установок обладает высокой производительностью и допускает полную автоматизацию процесса. Существует несколько способов сборки пултрузионных линий. Большинство из них горизонтальные, хотя иногда для устранения колебаний концентричности при производстве полых профилей применяется вертикальная компоновка. Технологический процесс может быть периодическим (с остановками в протягивании) и непрерывным.

По мере усовершенствования пултрузия превратилась в метод производства практически неограниченного ассортимента сплошных и полых профильных изделий. Одновременно появилась возможность получать изделия, свойства которых удовлетворяют широкому диапазону технологических и конструкционных требований, поэтому основное внимание уделяется обеспечению точной ориентации армирующего волокна, что позволяет оптимизировать свойства изделий в соответствии с их конкретным назначением.

Гибкость непрерывной технологии при современном подходе можно проиллюстрировать на примере получения трубы следующего строения: внутренний слой — из полиэфирной смолы (для придания поверхности необходимой гладкости), затем слой мата из непрерывного волокна (для создания ненаправленных свойств), три продольных слоя ровинга (для обеспечения прочности на изгиб), окружной слой ровинга (для прочности на разрыв под действием внутреннего давления), слой ровинга, наложенного под углом + 45° и – 45° (для сопротивления скручивающим нагрузкам), еще один слой мата из непрерывного волокна (для увеличения ударной прочности) и, наконец, наружный слой из химически стойкого стекловолокна (для обеспечения высокой коррозионной стойкости). Эта конструкция показывает широкие возможности варьирования свойств конструкционных изделий, получаемых пултрузией.

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 деформируемость изделия 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.

Изделия, полученные пултрузией, по свойствам могут превосходить детали, сделанные традиционными методами формирования. Более высокая стоимость оборудования компенсируется рядом преимуществ, характерных для этого процесса, строгим контролем натяжения и ориентации волокон, поддержанием постоянного содержания волокна в композите.

Области применения пултрузионного профиля: оконный профиль, системы вентиляции, арматура для бетона, шумозащитные экраны, электроизоляторы, кабель — трассы, столбы для установки средств дорожного оснащения, трапы и поручни, строительные конструкции. Армированный стеклопластиковый профиль, полученный с помощью пултрузии, — строительный композитный материал XXI в. с уникальным сочетанием свойств дерева, металла, полимера, обладает высокой прочностью, низкой теплопроводностью, устойчивостью к агрессивным средам и резким перепадам температур, био-, влаго-, атмосферостойкостью.

Результаты исследований показали, что долговечность конструкций с применением стеклопластика и стеклопластиковых профилей значительно превосходит срок службы аналогичных конструкций из других материалов.

Стеклопластиковый профиль, полученный с помощью пултрузии, находит широкое применение в изготовлении окон, витражей и ограждающих конструкций, облицовки и арматуры электротехнического профиля, стеклопластиковой арматуры для бетона, элементов крепежных дюбелей, несущих (силовых) конструкций. Разработана технология производства стеклопластиковых труб и освоено оборудование для их производства.

Такие трубы могут конкурировать со стальными, чугунными, полиэтиленовыми, ПВХ-трубами. При этом стеклопластиковые трубы имеют такие значительные преимущества, как высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость, надежность и долговечность (50–80 лет), отсутствие зарастания внутренней поверхности и разрушения при замерзании в них воды.

Затраты на монтаж и обслуживание таких труб минимальны, высока ремонтопригодность. Стеклопластиковые трубы могут быть использованы для всех видов трубопроводов: холодного и горячего водоснабжения, канализации, химических трубопроводов, водостоков, мусоропроводов, вентиляции и др.

Пултрузионное производство стремительно завоевывает технологический мир. В период с 2014 по 2018 г. мировой парк пултрузионных машин увеличился в 4,5 раза.

Другим примером непрерывной технологии получения ПКМ является роллтрузия. При реализации этого процесса роль фильеры выполняют группы профилированных роликов (рис. 4), последовательно формирующих контур поперечного сечения изделия.

Схема формующего узла при роллтрузии

Рис. 4. Схема формующего узла при роллтрузии

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.