Способ изготовления препрега и устройство для его осуществления
Изобретение относится к химической промышленности и технологии изготовления препрегов-полуфабрикатов, представляющих собой волокнистый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении, и может быть использовано во многих отраслях промышленности при изготовлении конструкций из армированных композиционных материалов, например стоек ферм, стержней, опор, труб, емкостей и баллонов, с наполнителем в виде стеклянных, органических и углеродных нитей, перерабатываемых методом “сухой” намотки. Способ включает намотку наполнителя на оправку в бобины, вакуумирование и заполнение связующим. Намотку наполнителя на оправку производят с объемом свободного пространства, равным требуемому содержанию связующего и не менее 0,2 от общего объема сформированной бобины. Вакуумирование производят в камере не менее 4-х часов при остаточном давлении не выше 10 мм рт.ст. Заполнение межволоконного и межнитяного пространства бобин связующим производят помещением бобин с наполнителем в этих же условиях вакуума в связующее. По достижении объема связующего над бобиной более объема межволоконного и межнитяного пространства в бобине давление в камере поднимают до величины не ниже атмосферного и выдерживают бобину в объеме связующего не менее 4-х часов. Затем дают стечь излишкам связующего. Устройство для осуществления способа содержит вакуумную камеру с вакуумным насосом, вакуумным вентилем и манометром, емкость со связующим и бобины с наполнителем. В емкости со связующим расположена грузовая перфорированная платформа с центральным стержнем, перпендикулярным плоскости платформы и связанным с механизмом сброса последней. На грузовую перфорированную платформу установлены бобины с наполнителем, чередующиеся с промежуточными перфорированными съемными платформами. Между оправками бобин и центральным стержнем расположены грузовые диски. Изобретение позволяет улучшить качество смачиваемости волокон и пропитки наполнителя в препреге, снизить межволоконную и межнитяную пористость перед началом пропитки, что позволяет повысить герметичность изделий, изготавливаемых из препрегов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к химической промышленности в области полимеров и технологии изготовления препрегов-полуфабрикатов, представляющих собой волокнистый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении [1], и может быть использовано во многих отраслях промышленности при изготовлении конструкций из армированных композиционных материалов, например стоек ферм, стержней, опор, труб, емкостей и баллонов, с наполнителем в виде стеклянных, органических и углеродных нитей, перерабатываемых методом “сухой” намотки.
Известно несколько способов изготовления препрегов.
Наиболее распространенным из них является способ, заключающийся в пропускании волокнистого наполнителя в виде нити, жгута или ленты через ванну с раствором связующего. Пропитка наполнителя осуществляется методом свободного насоса связующего или с отжимным устройством [2].
Процесс пропитки наполнителя делится на две стадии, которые нередко совмещаются во времени. Первая стадия - нанесение слоя жидкого связующего на поверхность наполнителя, вторая - пропитка наполнителя, т.е. проникновение связующего вглубь структуры материала. Вторая, технологическая стадия является типичным диффузионным процессом [3]. Проникновению связующего вглубь структуры пропитываемого материала препятствует воздух, находящийся внутри наполнителя, который создает напор сопротивления. Причем последний увеличивается по мере проникновения связующего в структуру нитей наполнителя. Поэтому для улучшения качества пропитки и уменьшения газовых включений в структуре готовых стеклопластиков пропитку целесообразно выполнять под вакуумом [2].
Проведенные микроструктурные исследования стеклопластиков показали, что очень важной характеристикой качества процессов формования, пропитки и отверждения стеклопластиков является относительная пористость материала. Основной причиной появления пор является воздух, содержащийся в нитях, ровнице, лентах, а также захватываемый в процессе пропитки.
Кроме того, причиной появления пор могут быть и воздушные включения, содержащиеся в связующем, количество которых зависит от типа связующего, скорости намотки при формовании, вязкости и смачиваемой способности связующего [3].
Очевидно, что устранить пористость или снизить ее удается при более тщательном вакуумировании как наполнителя, так и связующего в процессе его пропитки [4].
Известен способ получения ленточного препрега, заключающийся в непрерывном сматывании нитей со шпулей с большой скоростью (около 20 м/мин), протягивании их через ванночку с раствором связующего, где они пропитываются. Затем нити формируют специальным раскладчиком в ленту и погружают в камеру сушки. Подсушенная лента сматывается на приемную катушку с прокладыванием между слоями разделительной бумаги, предохраняющей препрег от склеивания [1].
К недостаткам этого способа можно отнести повреждение волокон нитей в процессе прохождения их через вращающиеся и трущиеся направляющие, отжимные валики в пропиточной ванне и сушильной камере. А так как при больших скоростях длительность пропитки невелика, сцепление волокон со связующим недостаточно, то не происходит однородной пропитки волокнистого наполнителя препрега.
В патенте ФРГ №2932742, 1981 г., описывается способ пропитки нитей на бобинах связующим. Во время такой пропитки нить наматывается на перфорированную жесткую оправку, так что образуется однородная бобина, в которой объем свободного пространства соответствует желаемому объему связующего, который подается в прорези оправки после первоначального пропускания под давлением воздуха через бобину. Пропитка прекращается тогда, когда на поверхности прекращается появление маленьких пузырьков. Подачу сжатого воздуха после этого отключают.
Недостатком этого способа является то, что полностью удалить воздух из межволоконного пространства при пропитке не удается. Кроме этого, в связующем также имеется воздух. При последующем изготовлении изделий из таких препрегов в структуре материала после отверждения появляются микропоры, что приводит к снижению герметичности готового изделия.
За прототип принят способ получения препрега [1] стр.71, в котором наиболее важным этапом является вакуумирование нитяного наполнителя, образующего препрег, его сушка и пропитка в вакуумной камере.
Способ по прототипу заключается в следующем: наполнитель-нить, находящийся в вакуумной камере, сматывается с бобин, вакуумируется, подсушивается и поступает в ванну со связующим, также находящуюся в вакуумной камере, проходит отжимное устройство, сушильную печь, калибрующее устройство и наматывается на барабан. Цель вакуумирования заключается в удалении газовых включений из микротрещин и межволоконного пространства в нитях наполнителя для свободного проникновения в них связующего.
Недостатком прототипа является то, что не все микротрещины и межволоконные пространства успевают заполниться связующим, что приводит к снижению герметичности готовых изделий.
Аналогом предлагаемого устройства является малогабаритная установка для получения ленточных препрегов [1], стр.72, рис. 1.19.
Установка содержит пропиточную ванну с отжимными валиками, раскладчик нитей, формирующий из них ленту, подающий валик, цилиндрическую камеру сушки ленты с барабаном, между двумя боковыми дисками которого расположены шесть транспортеров подачи ленты, катушку с лентой препрега на намоточном устройстве, калорифер, нагнетающий вентилятор, отсасывающий вентилятор.
Недостатками аналога являются громоздкость камеры, длительность естественного удаления газовых включений и, как следствие, фактическое обволакивание, а не пропитка нитей, причем возврат связующего приводит к большим его затратам и ухудшает его качество.
Прототипом изобретения является установка для получения препрега [1], стр.71, рис. 1.18.
Данная установка содержит вакуумную камеру, вакуумный насос, нагреватель, компенсатор уровня связующего, отжимное устройство, сушильную печь, бобину с разделительной пленкой, калибрующее устройство, нагреватель, ресивер, фильтр, вакуумный затвор, ванну со связующим, шпулярник с нитяным наполнителем, распределительный барабан.
Недостатком прототипа является малое время обезгаживания наполнителя, кроме того, наполнитель, погружаясь сразу в связующее, обволакивается им и не проникает в межволоконное (необезгаженное) пространство. Сама установка имеет большие габариты и стоимость.
Задачами изобретения являются улучшение качества смачиваемости волокон и пропитки наполнителя в препреге, снижение межволоконной и межнитяной пористости перед началом пропитки, что ведет к повышению герметичности изделий, изготавливаемых из препрегов. Кроме того, устройство для осуществления этого способа компактно и недорого в изготовлении.
Эти задачи решаются тем, что в способе изготовления препрега, включающем намотку наполнителя на оправку в бобины, вакуумирование и заполнение связующим, намотку наполнителя на оправку производят с объемом свободного пространства, равным требуемому содержанию связующего и не менее 0,2 от общего объема сформированной бобины, а вакуумирование производят в камере не менее 4-х часов при остаточном давлении не выше 10 мм рт.ст., причем заполнение межволоконного и межнитяного пространства бобин связующим производят помещением бобин с наполнителем в этих же условиях вакуума в связующее, и по достижении объема связующего над бобиной величиной, большей объема межволоконного и межнитяного пространства в бобине, давление в камере поднимают до величины не ниже атмосферного и выдерживают бобину в объеме связующего не менее 4-х часов, после чего дают стечь излишкам связующего.
В устройстве для осуществления этого способа, содержащем вакуумную камеру с вакуумным насосом, вакуумным вентилем и манометром, а также емкость со связующим, бобины с наполнителем, введена в емкость со связующем над зеркалом связующего грузовая перфорированная платформа с центральным стержнем, перпендикулярным плоскости грузовой платформы и связанным с механизмом сброса последней, при этом на грузовую платформу установлены бобины с наполнителем, чередующиеся с промежуточными перфорированными съемными платформами, а между оправками бобин и центральным стержнем расположены грузовые диски.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства.
На фиг.2 изображен процесс пропитки бобин с наполнителем связующим.
На фиг.3 изображен процесс удаление излишков связующего после пропитки бобин с наполнителем.
На фигурах:
1 - вакуумная камера;
2 - емкость со связующем;
3 - грузовая перфорированная платформа;
4 - промежуточные перфорированные съемные платформы;
5 - смотровое окно;
6 - стопорная платформа;
7 - механизм сброса;
8 - грузовые диски;
9 - оправки;
10 - уплотняющая крышка вакуумной камеры;
11 - бобины с наполнителем;
12 - вакуумный вентиль;
13 - манометр;
14 - связующее;
15 - вакуумный насос;
16 - съемная ручка;
17 - стержень для подвески грузовой перфорированной платформы;
18 - излишки связующего;
19 - центральный стержень.
Процесс изготовления препрега выполняется в следующей последовательности:
- на оправки 9 наматывается наполнитель необходимой ширины, в качестве которого может быть использована, например, стеклонить или стеклолента, с обеспечением объема свободного пространства в бобине с наполнителем не менее 0,2 от общего объема формируемой бобины с наполнителем 11 (фиг.1).
Если наполнитель обработан замасливателем, например, в виде парафиновой эмульсии, то приготовленные бобины с наполнителем предварительно проходят термообработку при температуре не менее 450° С в течение не менее 2-х часов для удаления этой эмульсии.
Наполнитель должен быть сформирован в бобину с таким объемом свободного пространства, чтобы он был равен требуемому содержанию связующего в изготовляемом препреге. То есть бобина должна быть намотана с определенной плотностью, определяемой усилием натяжения. Необходимое содержание связующего определяется плотностью намотки бобины. Экспериментальным путем установлено, что для обеспечения содержания связующего 30-35% в пропитанном наполнителе объем свободного пространства в бобине наполнителя не должен быть менее 0,2 от общего объема формируемой бобины.
- бобины с наполнителем 11 закрепляются на перфорированной грузовой платформе 3, при этом свободное пространство в оправках 9 для намотки бобин между ними и центральным стержнем 19 заполняется грузовыми дисками 8, а между бобинами устанавливаются промежуточные перфорированные съемные платформы 4 (фиг.1);
- бобины с наполнителем 11 жестко закрепляются стопорной платформой 6, и грузовая перфорированная платформа 3 удерживается в подвешенном состоянии механизмом сброса 7, например, электромагнитным механизмом, установленным на внутренней поверхности уплотняющей крышки вакуумной камеры 10 (фиг.1);
- в емкость со связующим 2, расположенную внутри вакуумной камеры 1, заливается расчетное количество связующего 14 (фиг.1);
- уплотняющая крышка 10 вакуумной камеры с подвешенной грузовой перфорированной платформой 3 и бобины с наполнителями 11 устанавливаются на вакуумную камеру 1 (фиг.1);
- с помощью вакуумного насоса 15 удаляют газовую среду из вакуумной камеры 1, где находятся бобины с наполнителем 11 и связующее 14 (фиг.1);
Удаление газовой среды идет до остаточного давления не выше 10 мм рт.ст. Величина такого давления определяется экспериментально и обеспечивает полное удаление воздуха из межволоконного пространства бобины и последующую качественную (без пористости) пропитку бобины связующим.
- после откачки воздуха из вакуумной камеры 1, межволоконного и межнитяного пространства бобин с наполнителем 11 и из связующего 14 до величины остаточного давления не выше 10 мм рт.ст. (по манометру 13) выполняется выдержка в течение 4-х часов (фиг.1).
За это время воздух полностью успевает удалиться из межволоконного и межнитяного пространства бобин с наполнителем, причем удаляется он по всей толщине бобины, начиная от наружных слоев наполнителя, в которых удаление воздуха начинается с момента начала вакуумирования, и кончая самыми глубокими слоями, прилегающими к внешней поверхности оправок 9, на которые наматывается наполнитель;
- в условиях вакуума с помощью механизма сброса 7, например электромагнитного механизма, опускают бобины с наполнителем 11 вместе с грузовой перфорированной платформой 3 в связующее 14, причем погружение осуществляется на дно емкости со связующем 2 с обеспечением зазора А равного, например, 10-15 мм, что является необходимой величиной, превышающей величину объема свободного пространства бобин. Только в этом случае после заполнения межволоконного пространства бобин связующим они не оголятся.
Увеличивать же объем связующего, чтобы поглубже опустить бобины, не имеет смысла в виду малого коэффициента использования связующего.
Вакуум обеспечивает не только удаление воздуха из межволоконного и межнитяного пространства бобин с наполнителем, но является средой, обеспечивающей лучшие условия смачиваемости волокон и нитей наполнителя.
- при полном погружении в связующее 14 бобин с наполнителем 11 давление в вакуумной емкости поднимают до величины не ниже атмосферного, открывают уплотняющую крышку вакуумной камеры 10, с помощью съемной ручки 16 вытаскивают емкость со связующем 2 и выдерживают в ней в течение не менее 4-х часов бобины с наполнителем 11 (фиг.2);
Увеличение давления во внутренней емкости для связующего 2 до величины не ниже атмосферного служит необходимым условием для принудительной пропитки бобин с наполнителем, погруженных в связующее, при этом связующее стремится заполнить образовавшиеся вакуумные полости межволоконного и межнитяного пространства в бобинах. Время выдержки бобин с наполнителем 11 в связующем 14 установлено экспериментально и определяется из условия равномерной качественной пропитки наполнителя связующим по всей глубине слоев бобин.
- по окончании процесса пропитки поднимают из связующего 14 бобины с наполнителем 11 с грузовой платформой 3, закрепляют их на стержне для подвески платформы 17, дают возможность стечь излишкам связующего 18 (фиг.18), снимают оправки 9 с пропитанных бобин с наполнителем 11 и направляют на намотку изделия.
При осуществлении данного технического решения положительный эффект достигается за счет того, что использование предварительного вакуумирования как межволоконного и межнитяного пространства бобин с наполнителем, так и самого связующего уменьшает межволоконную пористость при пропитке наполнителя и практически полностью исключает наличие пор в материале готового изделия и тем самым обеспечивает необходимый уровень герметичности изделий типа труб, баллонов и емкостей.
Экспериментально установлено, что толщина стенки труб, равная 1-1,2 мм обеспечивает газопроницаемость по гелию не более 1,5· 10-9 см3· см/см2· с· атм.
Предлагаемый способ изготовления препрега обеспечивает равномерную по толщине бобин с наполнителем пропитку связующим, а процесс вакуумирования уменьшает пористость в структуре препрега и готовом изделии.
Источники информации
1. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 1998 г., с.15, с.71, с.72.
2. Цыплаков О.Г. Производство судовых крупногабаритных изделий из стеклопластика. Л.: Судостроение, 1967 г.
3. Цыплаков О.Г. Основы формования стеклопластиковых оболочек. Л.: Машиностроение, 1968 г.
4. Сборник статей. Методы переработки и свойства армированных пластиков. ВНИИ авиационных материалов, ОНТИ, М., 1968 г.
Формула изобретения
1. Способ изготовления препрега, включающий намотку наполнителя на оправку бобины, вакуумирование и заполнение связующим, отличающийся тем, что намотку наполнителя на оправку производят с объемом свободного пространства, равным требуемому содержанию связующего и не менее 0,2 общего объема сформированной бобины, а вакуумирование производят в камере не менее 4 ч при остаточном давлении не выше 10 мм рт.ст., причем заполнение межволоконного и межнитяного пространства бобин связующим производят помещением бобин с наполнителем в этих же условиях вакуума в связующее и по достижении объема связующего над бобиной более объема межволоконного и межнитяного пространства в бобине давление в камере поднимают до величины не ниже атмосферного и выдерживают бобину в объеме связующего не менее 4 ч, после чего дают стечь излишкам связующего.
2. Устройство для изготовления препрега, содержащее вакуумную камеру с вакуумным насосом, вакуумным вентилем и манометром, емкость со связующим, бобины с наполнителем, отличающееся тем, что в него введена в емкость со связующим над зеркалом связующего грузовая перфорированная платформа с центральным стержнем, перпендикулярным плоскости перфорированной грузовой платформы и связанным с механизмом сброса последней, при этом на грузовую перфорированную платформу установлены бобины с наполнителем, чередующиеся с промежуточными перфорированными съемными платформами, а между оправками бобин и центральным стержнем расположены грузовые диски.
РИСУНКИ
