Способ получения препрега
Владельцы патента RU 2302431:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (RU)
Изобретение относится к способу получения препрега, используемого при изготовлении полимерных композиционных материалов для аэрокосмической, судостроительной и других отраслей промышленности, требующих материалы с улучшенными противопожарными свойствами. Способ включает пропитку волокнистого рулонного длинномерного материала термореактивным связующим, удаление излишков термореактивного связующего путем пропускания пропитанного волокнистого рулонного длинномерного материала через отжимные валки с последующей сушкой. Перед сушкой на пропитанный связующим волокнистый рулонный длинномерный материал наносят слой порошкового антипирена от 20 мас.% до 50 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена. Дополнительно пропускают через прикаточные валки с регулируемым усилием прижима, причем усилие прижима устанавливают таким, чтобы после прикатки на материале оставался слой неприкатанного порошкового антипирена не менее 10 мас.% от нанесенного, с последующим удалением неприкатанного порошкового антипирена. В качестве порошкового антипирена используют гидроокисел металла. Изобретение позволяет получить препрег с высокими противопожарными свойствами. 5 табл.
Изобретение относится к области получения препрега путем пропитки волокнистых рулонных длинномерных материалов жидкими, в т.ч. расплавными материалами и может использоваться при изготовлении полимерных композиционных материалов для аэрокосмической, судостроительной и других отраслей промышленности, требующих материалы с улучшенными противопожарными свойствами.
Известны способы пропитки рулонного длинномерного материала, включающие пропитку листовой подложки полимерным материалом, удаление излишков полимерного материала с помощью отжимных валков и последующую сушку (а.с. СССР №579032, №628195, заявка Японии №63-36921).
Известен способ получения препрега, включающий пропитку полимерного материала связующим, нанесение на его поверхность слоистого покрытия, при этом верхний слой покрытия является антиадгезионным, сворачивание препрега в рулон и последующую сушку (заявка США №2004091622).
Недостатками известных способов являются невозможность обеспечения пропитки листовой подложки жидким полимерным материалом в смеси с порошковым материалом из-за налипания порошка на отжимные валки и, следовательно, невозможность обеспечить высокие противопожарные свойства полимерного композиционного материала, изготовленного из такого препрега.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ получения препрега, включающий пропитку волокнистого рулонного длинномерного материала термореактивным связующим, удаление излишков термореактивного связующего путем пропускания пропитанного волокнистого рулонного длинномерного материала через вращающиеся отжимные валки с последующей сушкой препрега (Заявка Японии №59133016).
Известный способ не позволяет получать пожаробезопасный препрег с равномерным распределением компонентов из-за налипания порошка на отжимные валки при удалении излишков пропиточной смеси; из-за быстрого обеднения смеси, т.е. уменьшения процентного содержания жидкой компоненты за счет ее большей, по сравнению с порошком, способности проходить внутрь волокна и пропитывать его.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего получать препрег с высокими противопожарными свойствами.
Для решения поставленной технической задачи предложен способ получения препрега, включающий пропитку волокнистого рулонного длинномерного материала термореактивным связующим, удаление излишков термореактивного связующего путем пропускания пропитанного волокнистого рулонного длинномерного материала через отжимные валки с последующей сушкой, отличающийся тем, что перед сушкой на пропитанный волокнистый рулонный длинномерный материал наносят слой порошкового антипирена от 20 мас.% до 50 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена и дополнительно пропускают через прикаточные валки с регулируемым усилием прижима, причем усилие прижима устанавливают таким, чтобы после прикатки на материале оставался слой неприкатанного порошкового антипирена не менее 10 мас.% от нанесенного, с последующим удалением неприкатанного порошкового антипирена.
В качестве порошкового антипирена используют гидроокисел металла.
Теоретическое обоснование предлагаемого способа состоит в том, что пропитанный волокнистый рулонный длинномерный материал с нанесенным на него слоем порошкового антипирена дополнительно проходит между прикаточными валками, которые, пропуская между собой материал со слоем порошкового антипирена с определенным усилием прижима, вдавливают порошковый антипирен в пропитывающий материал термореактивное связующее, причем количество вдавленного порошкового антипирена зависит от усилия прижима. Для надежного исключения налипания порошкового антипирена на прикаточные валки усилие прижима устанавливается таким, чтобы часть порошкового антипирена оставалась неприкатанной, т.е. не вдавленной в термореактивное связующее. Эта часть порошкового антипирена впоследствии удаляется. Исключение прилипания к прикаточным валкам термореактивного связующего в смеси с вдавленными в него частицами порошкового антипирена позволяет сохранить полученную высокую степень равномерности содержания в препреге жидкого и порошкового компонентов, что, в свою очередь, приводит к улучшению противопожарных свойств полученного из такого препрега полимерного композиционного материала.
В процессе проведения экспериментальных работ было установлено, что уменьшение слоя неприкатанного порошкового антипирена менее 10 мас.% от нанесенного приводит к увеличению налипания его на прикаточные валки. Большее количество неприкатанного порошкового антипирена никак не сказывается на налипании его на прикаточные валки и приводит лишь к перерасходу порошкового антипирена и повышению расходов на его удаление для последующего возврата в производство.
Также, в процессе проведения экспериментальных работ было установлено, что нанесение порошкового антипирена на подложку менее 20 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена приводит к выходу величин тепловыделения за пределы требований Авиационных Правил АП-25, как по максимальной скорости тепловыделения, так и общего количества выделившегося тепла за 2 мин. Поэтому для решения технической задачи изобретения целесообразно наносить на волокнистый рулонный длинномерный материал порошковый антипирен в количестве от 20 мас.% до 50 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена.
Пример осуществления.
Способ получения препрега опробован в полупромышленных условиях на установке для пропитки волокнистых рулонных длинномерных материалов УПП. В качестве рулонного длинномерного материала использовали стеклоткань Т-15П-76 (ТУ 6-48-107-94). В качестве термореактивного связующего использовали термореактивные связующие ФПР-520 (ТУ-595-25-436-93), УП-2227 (ТУ 1-595-12-526-98), ЭНФБ-2М (ТУ 1-595-25-494-96). В качестве порошкового антипирена использовали порошок гидроокислов алюминия Al(OH)3, магния Mg(OH)2, титана Ti(OH)4.
Для насыпания порошкового антипирена использовался установленный сверху стеклоткани бункер с длинной щелью, ось которой располагалась под углом к двигающейся стеклоткани. На корпусе бункера располагались индукционные катушки с железными сердечниками. При подключении катушек к электрическому току сердечники начинали стучать по корпусу бункера, создавая вибрацию, с помощью которой и осуществлялось высыпание порошкового антипирена на двигающуюся стеклоткань.
Рулон стеклоткани Т-15П-76, окунали в термореактивное связующее ФПР-520, находящееся в ванне, и пропитывали им. После пропитки ткань пропускали через отжимные валки с целью удаления излишков термореактивного связующего. Затем на пропитанную стеклоткань насыпали порошок антипирена в количестве 20 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена и пропускали ее через прикатные валки с усилием, регулируемые таким образом, чтобы после прикатки на материале оставался слой неприкатанного порошкового антипирена не менее 10 мас.% от нанесенного. После этого препрег проходил через узлы нагрева и охлаждения, где, в последнем, обдувом сжатым газом осуществлялось удаление излишков порошкового антипирена и производилась намотка в рулон.
В таблице 1 показана равномерность нанесения на стеклоткань термореактивного связующего и порошкового антипирена. Как видно, в предлагаемом способе неравномерность нанесения по длине рулона находится в пределах +/-1-1,2%.
В таблице 2 приводятся экспериментальные данные о содержании порошкового антипирена в препреге в зависимости от усилия прижима прикаточных валков. Первоначальное содержание порошкового антипирена не менее 20 мас.% и не более 50 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена.
Как видно из приведенных данных, увеличение усилия прижима в 6 раз приводит к увеличению содержания порошкового антипирена в препреге примерно в 1,5 раза, т.е. от 32 мас.% до 55 мас.%.%. Излишек порошкового антипирена (оставшегося неприкатанным) удалялся методом обдува сжатым газом.
В таблице 3 приводятся данные о равномерности содержания термореактивного связующего и порошкового антипирена в зависимости от неприкатанного остатка порошкового антипирена.
Как видно из таблицы 3, неравномерность нанесения термореактивного связующего и порошкового антипирена весьма значительна и имеет неслучайный характер, когда неприкатанный остаток порошкового антипирена составляет 8% от общего количества нанесенного антипирена, т.е. из-за налипания порошка на отжимные валки наблюдается резкое уменьшение содержания связующего и антипирена на пропитанном материале. При неприкатанном остатке 10% и 12% неравномерность нанесения незначительна. Количество неприкатанного порошкового антипирена определялось весовым методом путем взвешивания неприкатанного собранного порошка.
В таблицах 4 и 5 приводятся данные о противопожарных свойствах ПКМ, полученного из препрега, изготовленного по предлагаемому способу (пример 1-3) и способу-прототипу (пример 4). Полимерный композиционный материал (ПКМ) выполнен из нескольких слоев методом вакуумного формования. Определялось время прогорания материала пламенем с температурой 927°С+38° по Авиационным Правилам АП-25.
Как видно из таблицы 4, максимальная скорость тепловыделения в примерах 1-3 значительно меньше норм, установленных АП-25, в примере 4 максимальная скорость тепловыделения значительно превышает предельные нормы.
Испытания на горючесть, проведенные в соответствии с АП-25 (время экспозиции 60 с) также показали высокие противопожарные свойства стеклопластиков, изготовленных из препрега по предлагаемому способу.
Во всех образцах по примерам 1-3 время остаточного горения и длина прогорания меньше, чем нормы, установленные Авиационными Правилами АП-25. Стеклопластик, полученный из препрега по способу-прототипу, значительно превышает предельно допустимые нормы по горючести.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет получать препрег с высокими противопожарными свойствами, которые обеспечиваются высокой степенью равномерности распределения в препреге жидкой и порошковой компонент. Полимерный композиционный материал, изготовленный из такого препрега, будет обладать улучшенными характеристиками надежности и безопасности по сравнению с указанными аналогами и прототипом.
| Таблица 1 | |||
| № пробы | Начало рулона % | Середина рулона % | Конец рулона % |
| Образец №1 ФПР-520+AL(OH)3 в соотношении 50 мас.%+50 мас.% | 36,6 | 38 | 37,2 |
| Образец №2 УП-2227+Mg(OH)2 в соотношении 65 мас.%+35 мас.% | 35,4 | 37,8 | 37,5 |
| Образец №3 ЭНФБ-2М+Ti(ОН)4 в соотношении 80 мас.%+20 мас.% | 37,7 | 37,7 | 38,5 |
| Таблица 2 | |||
| Усилие прижима кг/см2 | Начало рулона % | Середина рулона % | Конец рулона % |
| 0,10 | 33 | 34 | 32 |
| 0,2 | 36 | 35 | 35 |
| 0,4 | 41 | 40 | 41 |
| 0,6 | 55 | 53 | 55 |
| Таблица 3 | |||
| № пробы и количество антипирена, оставшегося неприкатанным (мас.%) | Начало рулона % | Середина рулона % | Конец рулона % |
| №1-8% | 40,0 | 30,0 | 14,5 |
| №2-10% | 36,0 | 36,7 | 36,4 |
| №3-12% | 36,8 | 36,2 | 36,8 |
| Таблица 4 | ||||
| Описание образцов | Кол-во слоев | Толщина мм | Максимальная скорость тепловыделения кВт/м2 | Общее кол-во выделившегося тепла за 2 мин кВт·мин/м2 |
| Стеклопластик: стеклоткань Т15П76+ФПР-520+AL(OH)3 в соотношении 50 мас.%+50 мас.% | 4 8 12 | 1,15 2,36 3,48 | 36 47 19 | 15 <5 >5 |
| Стеклопластик: стеклоткань + УП-2227+Mg(OH)2 в соотношении 65 мас.%+35 мас.% | 4 8 12 | 1,10 2,17 3,34 | 44 53 34 | 30 10 <5 |
| Стеклопластик: стеклоткань + ЭНФБ-2М+Ti(ОН)4 в соотношении 80 мас.%+20 мас.% | 4 8 12 | 1,0 2,08 3,25 | 55 60 52 | 60 50 25 |
| Стеклопластик: стеклоткань + ФПР-520, полученная по способу-прототипу | 8 | 2.0 | 120 | 90 |
| Таблица 5 | |||||
| Описание образцов | Кол-во слоев | Толщина мм | Время остаточного горения, с | Длина прогорания м | Классификация |
| Стеклопластик: стеклоткань Т15П76+ ФПР520+AL(OH)3 в соотношении 50 мас.%+50 мас.% | 4 8 12 | 1,15 2,36 3,48 | 2 1 0 | 37 28 17 | Трудно сгорающий |
| Стеклопластик: стеклоткань Т15П 76+УП-2227+Mg(OH)2 в соотношении 65 мас.%+35 мас.% | 4 8 12 | 1,10 2,17 3,34 | 5 3 0 | 62 45 21 | Трудно сгорающий |
| Стеклопластик: стекло ткань Т15П 76+ЭНФБ-2М+Ti(OH)4 в соотношении 80 мас.%+20 мас.% | 4 8 12 | 1,0 2,08 3,25 | 6 4 2 | 70 66 41 | Трудно сгорающий |
| Стеклопластик: стеклоткань Т15П76+ФПР-520, полученная по способу-прототипу | 8 | 2.0 | 18 | 95 | самозатухающий |
1. Способ получения препрега, включающий пропитку волокнистого рулонного длинномерного материала термореактивным связующим, удаление излишков термореактивного связующего путем пропускания пропитанного волокнистого рулонного длинномерного материала через отжимные валки с последующей сушкой, отличающийся тем, что перед сушкой на пропитанный волокнистый рулонный длинномерный материал наносят слой порошкового антипирена от 20 до 50 мас.% от общего веса термореактивного связующего и порошкового антипирена и дополнительно пропускают через прикаточные валки с регулируемым усилием прижима, причем усилие прижима устанавливают таким, чтобы после прикатки на материале оставался слой неприкатанного порошкового антипирена не менее 10% от нанесенного, с последующим удалением неприкатанного порошкового антипирена.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкового антипирена используют гидроокисел металла.
