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

Рис. 40. Температурный ре­

жим отверждения в печи ( 1 ), температура на вне

ней ( 2 ) и внутренней (J ) поверхностях обо­

лочки, давление на оправ­ ку (4 ) во время намотки и термообработки, сте­ пень отверждения (5 )

температурное поле практически становится только ко времени завершения полимеризации, которая согласно расчетам составля­ ет 95 %.

На рис.41 показано изменение коэффициента армирования ( Щ - начальный коэффициент армирования) по толщине конструк­

ции в ходе полимеризации для различных моментов времени. Нерав­ номерность распределения связующего к моменту прекращения фильт­ рации (10-12 ч) достигает 32-33 %. При этом значение коэффициен­ та армирования во внутренних слоях близко к оптимальному ( у « «0,85), а на внешнем слое у& 0,64. При выдержке конструкции после намотки при температуре 20 °С в течение 2,5 ч неравномер­ ность распределения связущего еще более увеличивается и дости­ гает 34 %9

На рис.42 сравниваются коэффициенты армирования по толщине стенки конструкции, после окончания намотки которой было прове­ дено обжатие лентой (сила обжатия 2-I04 Н/м). Применение обжатия намотанной конструкции лентой улучшает структуру отвержденного композита вследствие выдавливания при обжатии связующего преиму­ щественно из внешних слоев. При этом неравномерность распределе­ ния связующего по толщине уменьшается на 2-3 %.

2.10. Оправки

Формование оболочковых конструкций из композитных материалов производится методом намотки на специальные оправки. Поэтому на­ ружная поверхность оправок должна иметь конфигурацию, размеры и

шероховатость, отвечавшие требованиям производства, и соответст­

вовать внутренним поверхностям конструкции.

В зависимости от конфигурации формуемой конструкции приме­ няются оправки следующих конструктивных типов:

неразборные (цельные и составные); разборные; выплавляемые; растворяемые; разрушаемые; надувные; комбинированные.

Неразборные оправки применяются при производстве оболочко­ вых конструкций, конфигурация которых допускает извлечение оправ­ ки в осевом направлении. Такие оправки наиболее технологичны, обеспечивают максимальную точность и качество формуемых поверх­ ностей, допускают многоразовое использование в производстве,. удобны в эксплуатации, не требуют специальной сборки, наладки, что существенно снижает трудоемкость изготовления конструкций. Неразборная технологическая оснастка является одной из наиболее дешевых.

К недостаткам их следует отнести сравнительно большие уси­ лия извлечения оправок из готовых конструкций и необходимость применения специальных станков: кобестанов, лебедок, прессов и т.п.

Разборные оправки применяются для формования конструкций сложной конфигурации, поверхности которых должны иметь высокое качество, когда невозможно осевое извлечение оправки без ее рас­ членения на отдельные элементы. Эти оправки также позволяют по­ лучать высокие характеристики качества готовых конструкций и до­ пускают многократное их использование. Разборные оправки изго­ тавливаются из прочного и твердого материала, который имеет не­ значительный износ, малый коэффициент линейного термического рас­ ширения и способен длительно сохранять при нормальных и повышен­ ных (до 200 °С) температурах точность и чистоту формующих поверх­ ностей. Поэтому в качестве основного материала используются стали.

Разборные оправки имеют более широкие технологические возмож­ ности, могут легко извлекаться из готовой конструкции, но они

И З

значительно дороже, менее удобны в обращения и требуют много вре­ мени на сборку для повторного использования.

Разрушаемые оправки используют при производстве оболочек сложной конструкции (с одним или двумя днищами), для которых не­ возможно применение разборных оправок. Разрушаемые оправки изго­ тавливаются из прочного и достаточно твердого материала, способ­ ного воспринимать усилия, возникающие при формовании конструкций. Обычно используется для этих целей гипс, стеклопластик и др. В гипсовые оправки при отливке закладывается специальная арматура в виде стрингеров, которая повышает прочность и жесткость опра­ вок при эксплуатации. Для извлечения гипсовой оправки ее разруша­ ют на куски, удобные для извлечения из конструкции. Стеклопласти­ ковые оправки из готовой конструкции легко извлекаются путем от­ слоения и размотки непрерывной стеклоленты или ткани.

Одноразовость использования разрушаемых оправок резко повы­ шает стоимость технологической оснастки и трудоемкость ее изго­ товления. В силу того, что каждая оправка имеет свои, присущие только ей размеры, то точность готовых конструкций определяется не только действием технологических факторов, но и погрешностями изготовления оправок.

Применение разрушаемых оправок существенно расширяет техно­ логические возможности методов формования намоткой оболочек слож­ ной конфигурации с замкнутыми внутренними полостями.

Выплавляемые оправки. Для снижения себестоимости выпускаемых конструкций сложного контура необходимо применять автоматизиро­ ванные высокопроизводительные методы изготовления оснастки одно­ разового использования. К таким оправкам относятся песчано-поли­ мерные композиции (ППК) на основе песка и поливинилового спирта (ПВС), песчано-смоляные на основе песка и эпокситриазоновой смо­ лы, песчано-смоляные.

В настоящее время одним из самых эффективных я экономичных методов изготовления конструкций сложной конфигурация является литье. Благодаря этому появляется возможность изготавливать оп­ равки методом литья.

Извлечение такой оправки из конструкции проще всего достига­ ется ее выплавлением. Для этого выплавляемые оправки изготавлива­ ются из легкоплавких материалов и сплавов, температура плавления

которых ниже температурной деструкции отвержденного композитного материала, но выше температур формования и отверждения композит­ ного материала. Для изготовления выплавляемой оправки применяют­ ся парафиновосковые составы, термопластичные полимерные материа­ лы, эвтектические сплавы.

Легкоплавкие материалы обычно имеют невысокие твердость, прочность и жесткость, вследствие чего технологические возмож­ ности их ограничены. Применяется эта оснастка в производстве конструкций из композитных материалов "холодного" отверждения.

По части формирования сложных и труднодоступных полостей и каналов выплавляемая оснастка имеет практически неограниченные возможности.

Надувные оправки. Эластичная оболочка соответствующего кон­ тура заполняется для придания ей жесткости сжатым воздухом, жид­ костью или сыпучим веществом. После формования я отверждения конструкция последние удаляются из оправки и эластичная оболочка легко извлекается из конструкции.

Надувная оправка не позволяет использовать токарную намотку из-за трудности передачи крутящего момента на такую оправку.

Часто оптимальные технико-экономические решения удается получать, используя комбинированные оправки, например, раэборновыплавляемые.

2.10.1. Материалы я технологические процессы, используемые при изготовлении оправок

Широкое распространение получили оправки из ППК на основе песка и ПВО. Соотношение песка и ПВС в смеси может быть различ­ ным. От него зависит прочность оправки. Так, при изготовлении оправки из смеси в соотношении песка и ПВС 8:1 (25 £-ный раст­ вор ПВС) обеспечивается прочность 20 МПа. Более высокая проч­ ность на сжатие достигается при указанных выше соотношениях о повторным использованием ППК. Для этого оправку распаривают и добавляют свежий 25 £-ный ПВС в соотношения 25:1. Отформованные из такой смеси оправки имеют прочность на сжатие 35...40 МПа.

Кроме песка и ПВС, для изготовления оправок или их элемен­ тов используются и такие материалы, как пескоклеевые массы, ме-

т а и я гипс, дерево, армированный углеродными волокнами цемент, пенопласт и т.д.

Прочность оправок зависит от размера частиц песга, давле­ ния формования я температуры нагрева. Приготовленные из песка с размером частиц 0,5 мм образцы имеют небольшую прочность на сжа­ тие (16,4 МПа). Достаточную прочность (12,5 МПа) образцов обес­

Для повышения физико-механических свойств ППК применяются различные добавки, так как оптимальные по технологической пробе ПВО не всегда обеспечивают необходимую прочность. Для получения ППК с пониженной влажностью и улучшенными механическими характе­ ристиками без снижения эффективности использования ПВО можно об­ рабатывать водные растворы ПВС сильными окислителями, например, концентрированной перекисью водорода. Максимальную прочность смеси придает ПВС 15 %-яой концентрации, обработанный 5-10 %

HyPl (б* = 6,2...6,8 МПа), и 20 %-ъой. концентрации, обрабо­ танный 5-15 % Н202 (<3 з 5,9...6,2 МПа). Более высокая проч­ ность объясняется наличием в продуктах окислительной деструкции ПВС реакционноспособных групп, способствующих образованию при термической обработке слитных структур макромолекул.

Для увеличения прочности оправок предлагается вводить камен­ ноугольную пыль до 2 %, а для улучшения условий изготовления за счет повышения текучести смеси использовать низковязкое масло ВД-4 (ТУ 38-101-308-72) в количестве 0,2 5?. С целью получения предельной плотности частиц песка рекомендуется применять поверх­ ностно-активные вещества ДС-РАС и никель в количестве 0,0015 мг.

стекло 4-6 %, вода 0-2 %) увеличивается с 1,24 до 1,74 г/см8.

При плотности 1,6 г/см8 достигается максимальное значение проч­ ности <о = 1,2...2,3 МПа (исходная прочность 0,5...1,1 МПа).

Для увеличения прочности смеси на 22 % входящие в их сос­ тав в количестве 0,54 % соли NQOH , КОН подвергают магнитной обработке. Можно обрабатывать воду ультразвуком в течение 5 мин. За счет увеличения диссоциации воды, ориентации ее несимметрич­ ных молекул в продольном направлении в зонах разряжения и в по­ перечном в зонах сжатия увеличивается число устойчивых парных молекул, что повышает степень сольватации и в итоге приводит к повышению прочности смесей на 15-20 %.

На прочность смесей влияют адсорбционные свойства водных растворов ПВО, которые зависят от концентрации ПВО, от его хи­ мического состава и ряда других факторов. Адсорбционные свойст­ ва могут быть улучшены за счет использования вместо песка облу­ ченного ft -лучами селикагеля. Ц*-облучение может также повы­ шать химическую активность селикагеля.

Прочность оправок во многом зависит от наличия внутренних напряжений, которые могут быть снижены за счет введения добавок разной дисперсности, обусловливающих эффект демпфирования. Кро­ ме того, такие добавки поглощают энергию деформации и тормозят процесс трещинообразования.

Высокие демпфирующие свойства проявляют доменный гранулиро­ ванный шлак и керамзит, введение которых повышает удельную удар­ ную вязкость. Кроме того, за счет своей пористости они снижают температуру растрескивания, повышают теплостойкость, увеличива­ ют усталостную долговечность.

Качество ППК зависит и от структуры ПВС. В частности аце­ тат натрия, остающийся в спирте при его промышленном получении, играет роль своеобразного наполнителя, находящегося в молекуляр­ ной или мелкодисперсной форме, и влияет на надмолекулярную структуру ПВС, которая определяет весь комплекс физико-механи­ ческих свойств полимеров.

На структуру ПВС влияет радиационное облучение. В зависи­ мости от исходного состояния ПВС при облучении наблюдаются про­ цессы деструкции и сшивания. При облучении твердого ПВС происхо­ дит преимущественно его деструкция. В водных растворах ПВС под­ вергается при облучении действию продуктов радиолиза воды Н и ОН , что должно приводить к образованию радикалов:

R - CH2— - tH-CH2—R,

R — CH2 — •- HC - CHl ~ R ,

обусловливающих сшивку между цепями полимера и образования двой­ ных связей.

Процесс накопления радикалов в ПВС зависит от температуры, при которой происходит облучение. Во времени он стремится к не­ которой условно постоянной величине для данной температуры. При мощности дозы облучения 0,5 МГр/ч концентрация радикалов линейно растет до дозы 0,3 МГр.

Опыт изготовления крупногабаритных конструкций показывает, что для стабильного получения неповрежденных внутренних поверх­ ностей конструкций, а также для достижения максимальной произ­ водительности и возможности механизации процесса извлечения оп­ равок из форм, наиболее удобными являются размываемые песчано­ полимерные оправки, в которых могут применяться различные напол­ нители. Критериями выбора наполнителя являются его прочность при различных температурах, жесткость, коэффициенты линейного и объемного расширения, технологичность, недифицитность.

Экспериментально установлено, что наиболее пригоден для ис­ пользования в качестве наполнителя кварцевый песок, он отвечает всем предъявляемым требованиям.

В качестве связующего для полимерных частей оправок могут использоваться различные полимерные материалы и смолы. ПВС в зна­ чительной степени обеспечивает высокую технологичность,удовлетво­ рительное вдагопоглощение готового материала и достаточный уро­ вень физико-механических свойств.

2.10.2. Технология изготовления оправок из ППК

Технологический процесс изготовления оправок начинается с обеспечения надлежащих условий хранения песка и ПВС и подготовки

их к использованию. Песок должен храниться в специальной таре с крышкой, исключающей попадание инородных предметов, случайные загрязнения и увлажнение, в сухих помещениях. ПВО следует также хранить в герметичной таре, исключающей попадание воды. Песок нужно дополнительно просеивать для исключения посторонних пред­ метов и комков крупнее 2-3 мм.

Для приготовления смеси могут применяться порционные смеси­ тели с £ -образными мешалками типа С1У-800, СМ-200, С2Р, шнеко­ вые одно- и двухвалковые смесители непрерывного действия. В ка­ честве сушильно-просеивающего агрегата рекомендуется использо­ вать установку для скоростной сушки сыпучих материалов типа ОМ 9976-114 МПС.

Последовательность и режимы приготовления песчано-полимер­ ной смеси указаны на рис. 43.

Рис.43. Последовательность и режимы изготовления песчано­ полимерной смеси

Особое внимание следует уделять непрерывности загрузки смеси

песчаный элемент, тем стабильнее характеристики материала. Если приготовленной порции недостаточно для заполнения формы или если по каким-либо причинам необходим перерыв в изготовлении, допуска­ ется (как исключение) прерывание процесса, но не более чем на 5 ч. При этом необходимо на открытую поверхность заформованной массы

уложить влажную ветошь, а при продолжении работ удалить поверхност­ ный слой на глубину 30-40 мм.