Процесс формования поли(мет)акрилимидных пенопластов и формуемые из них композитные детали
Изобретение относится к области производства композитных материалов с серединой из жестких пенопластов и касается процесса формования поли(мет)акрилимидных пенопластов и формуемых из них композитных деталей. Преимуществом способа является возможность свободного выбора как пенопластового материала, так и покровного слоя. В частности, указанным способом можно перерабатывать также покровные слои, температура переработки которых существенно отличается от температуры переработки материала сердцевины. Кроме того, описан способ, во втором варианте осуществления которого можно частично уплотнять внутренние структуры пенопластов. Третий вариант осуществления способа позволяет путем сваривания по меньшей мере двух пенопластовых заготовок изготавливать полое тело с особенно высококачественными стыками. При этом способ можно осуществлять как при наличии, так и при отсутствии покровных слоев. Кроме того, описываемый способ особенно хорошо пригоден для переработки пенопластовых материалов посредством вакуумного формования. Изобретение обеспечивает создание способа, посредством которого можно осуществлять быстрое и несложное формование жестких пенопластов без повреждения их структуры и/или перерабатывать их в композитные материалы совместно с покровными слоями, в частности термопластичными синтетическими материалами. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к новому способу, пригодному, например, для изготовления композитных материалов с сердцевинами из жестких пенопластов. Важным преимуществом изобретения является возможность свободного выбора как пенопластового материала, так и покровного слоя. В частности, указанным способом можно перерабатывать также покровные слои, температура переработки которых существенно отличается от температуры переработки материала сердцевины.
Кроме того, изобретение относится к способу, во втором варианте осуществления которого можно частично уплотнять внутренние структуры пенопластов. Третий вариант осуществления способа позволяет путем сваривания по меньшей мере двух пенопластовых заготовок изготавливать полое тело с особенно высококачественными стыками. При этом способ можно осуществлять как при наличии, так и при отсутствии покровных слоев.
Кроме того, предлагаемый в изобретении способ особенно хорошо пригоден для переработки пенопластовых материалов посредством вакуумного формования.
В общем случае из уровня техники известны разные технологии изготовления армированных волокнами синтетических материалов с жестким пенопластом или формования жестких пенопластовых материалов. В соответствии с настоящим изобретением под жесткими пенопластовыми материалами подразумевают, например, пенопласты, которые в отличие от коммерчески доступных пенополиуретанов или пенополистиролов не способны к деформированию под действием незначительных механических усилий и последующему восстановлению первоначальной формы. Примерами жестких пенопластов прежде всего являются пенополипропилены, пенополиметилметакрилаты или сильно сшитые пенополиуретаны. Пенопластовым материалом, отличающимся особенно высокой способностью к восприятию нагрузок, является поли(мет)акрилимид, поставляемый, например, фирмой Evonik под торговым названием Rohacell®.
Общеизвестная технология изготовления композитных материалов указанного выше типа предусматривает формование покровных слоев с последующим заполнением пенопластовым материалом и его вспениванием. Подобный способ описан, например, в патенте США US 4933131. Недостаток данного способа состоит в том, что вспенивание в большинстве случаев происходит чрезвычайно неравномерно. Это относится, в частности, к подобным поли(мет)акрилимиду материалам, которые наиболее удобно подавать в виде гранулята. Другой недостаток данного способа состоит в том, что для придания формы только пенопластовому материалу приходится удалять покровные слои. Кроме того, адгезия между покровными слоями и пенопластовой сердцевиной композитных деталей часто бывает недостаточной для деталей, подверженных воздействию значительных механических нагрузок.
В статье Пассаро и других (Polymer Composites, 25(3), 2004, сс. 307 и следующие) описана технология, в соответствии с которой пенополипропиленовую сердцевину в пресс-форме соединяют с армированным волокнами синтетическим материалом и при этом для обеспечения прочной связи между пенопластовой сердцевиной и покровным материалом выполняют целенаправленное нагревание посредством пресс-формы только поверхности материала пенопластовой сердцевины. Аналогичная технология изготовления материалов типа «сэндвич» с сотовым материалом сердцевины или сердцевиной из поли(мет)акрилимидного пенопласта описана в публикации Грефенштайна и других (International SAMPE Symposium and Exhibition, 35, 1, Adv.Materials: Challenge Next Decade, 1990, cc. 234-244). Однако реализация процесса формования посредством обеих указанных выше технологий не представляется возможной, поскольку они предназначены лишь для изготовления плиточных материалов типа «сэндвич».
В международной заявке WO 02/098637 описан способ, в соответствии с которым термопластичный покровный материал в виде расплава наносят на поверхность материала пенопластовой сердцевины, затем термопластичный покровный материал формуют вместе с пенопластовой сердцевиной по технологией Twin-Sheet, получая композитную формованную деталь, после чего термопласт охлаждают таким образом, чтобы покровный материал затвердевал в форме. Однако указанный способ позволяет комбинировать лишь ограниченное число материалов. Так, например, он непригоден для изготовления армированных волокнами покровных материалов. Указанный способ нельзя использовать также для формования пенопластовой заготовки без покровных материалов. Кроме того, выбор пенопластовых материалов ограничен лишь материалами, упругодеформируемыми при низких температурах. Переработка указанным способом жесткого пенопласта без равномерного нагревания приводила бы к существенному нарушению его структуры.
Очень похожим является способ, описанный в европейском патенте ЕР 0272359. При этом заготовку пенопластовой сердцевины сначала нарезают по форме и помещают в пресс-форму. Затем на поверхность заготовки инжектируют расплав термопластичного материала. После этого заготовку пенопластовой сердцевины вспенивают путем повышения температуры, что обусловливает ее прижатие к поверхности покровного материала. Указанный способ позволяет обеспечить более высокую адгезию сердцевины к покровному материалу. Однако необходимость осуществления дополнительной технологической операции первого формования повышает трудоемкость способа и в целом значительно ограничивает возможные формы его реализации.
В другой публикации (W. Pip, Kunststoffe, 78(3), 1988, сс. 201-205) описана технология изготовления формованных композитных материалов с армированными волокнами покровными слоями и сердцевиной из поли(мет)-акрилимидного пенопласта в пресс-форме. В соответствии с данной технологией отдельные слои объединяют в обогреваемой пресс-форме, причем в результате сжатия самых верхних слоев происходит незначительное деформирование локально нагреваемого пенопластового материала. Кроме того, в цитируемой публикации описана технология, в соответствии с которой формообразование может быть реализовано посредством последующего вспенивания внутри пресс-формы. Недостатки подобной технологии указаны выше. В качестве третьего варианта описана технология, в соответствии с которой в процессе прессования предварительно нагретого пеноматериала реализуют его упругое сжатие. Предварительное нагревание выполняют в печи. Недостаток данной технологии обусловлен тем, что для термоупругого формования многих пенопластовых материалов требуются чрезвычайно высокие температуры. Так, например, температура термоупругого формования поли(мет)акрилимидных пенопластов составляет по меньшей мере 185°C. Кроме того, для исключения возможных разрывов необходимо нагревать материал сердцевины по всей области материала. Однако нагревание при указанных температурах, в особенности учитывая необходимость равномерного распределения температуры, которое может быть обеспечено только в течение длительного промежутка времени (до нескольких минут), приводило бы к повреждению многих покровных материалов, например, таких как полипропилен, а, следовательно, обусловливало бы неосуществимость процесса.
В соответствии с другой публикацией (U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), сс. 275-279) для переработки сердцевин из поли(мет)акрилимидного пенопласта используют несколько модифицированный третий технологический вариант, описанный в цитированной выше статье W. Pip, Kunst-stoffe, 78(3), 1988, сс. 201-205. При этом нагревание сердцевины из поли-(мет)акрилимидного пенопласта и армированных волокнами покровных материалов выполняют посредством инфракрасной лампы. Соответствующий тепловой инфракрасный излучатель с длиной волн в диапазоне от 3 до 50 мкм (то есть в средней инфракрасной области спектра) особенно пригоден для быстрого нагревания основы. Однако в рассматриваемом случае желательно подведение весьма значительного количества энергии, что обусловливает повреждение многих покровных материалов, например, полипропилена. Согласно цитируемой публикации в качестве матричного материала покровных слоев можно использовать лишь полиамид 12. Этот полимер можно нагревать без повреждения до температур, несколько превышающих 200°C. Однако одновременное формование пенопластовой сердцевины описываемым в статье методом не представляется возможным, поскольку тепловое излучение в указанном инфракрасном диапазоне не проникает в пенопластовую матрицу, а, следовательно, она не может быть переведена в пригодное для термопластичного формования состояние.
С учетом изложенного выше уровня техники в основу настоящего изобретения была положена задача предложить новый способ, посредством которого можно было бы осуществлять быстрое и несложное формование жестких пенопластовых материалов без повреждения их структуры и/или перерабатывать их в композитные материалы совместно с покровными слоями, в частности, с термопластичными синтетическими материалами.
Задача изобретения, в частности, состояла в том, чтобы предложить способ изготовления указанных композитных материалов, позволяющий придавать им надлежащую форму, и одновременно допускающий возможность относительно свободного выбора поверхностного материала, неподверженного повреждению в процессе переработки.
Кроме того, способ должен быть пригоден для частичного уплотнения пенопластовых материалов как с покровным материалом, так и без покровного материала. Способ должен быть пригоден также для изготовления полых тел из двух или более пенопластовых материалов как с покровными слоями, так и без покровных слоев. Вместе с тем должна существовать возможность такого модифицирования способа, которая позволяла бы комбинировать его с процессом вакуумного формования.
Кроме того, вне зависимости от отдельных вариантов осуществления нового способа, определяемых указанными выше задачами, длительность производственного цикла должна составлять значительно меньше десяти минут.
Другие не указанные в явной форме задачи изобретения вытекают из уровня техники, а также из описания, формулы и примеров осуществления изобретения.
Согласно изобретению указанные выше задачи решаются с помощью нового способа формования пенопластовых материалов. Новый способ прежде всего пригоден для формования жестких пенопластовых материалов, например, на основе полиуретана с высокой степенью сшивания, полипропилена или поли(мет)акрилимида, в частности, на основе полиметакриламида. При этом способ включает следующие технологические стадии:
a) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b) нагревание пенопластового материала посредством облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
c) формование посредством формующей пресс-формы,
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
Возможны два разных варианта осуществления указанного способа. В соответствии с первым вариантом пресс-форма, предназначенная для нагревания пенопластового материала посредством инфракрасного излучения в ближней области спектра, и формующая пресс-форма отделены друг от друга. При этом способ включает следующие технологические стадии:
а) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b1) введение указанных слоев в зону действия нагревающих полей термоформовочной машины,
b2) нагревание пенопластового материала посредством его облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
c1) перемещение пенопластового материала в формующую пресс-форму,
с2) формование посредством пресс-формы и
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
Во втором варианте нагревательное устройство, используемое для облучения посредством ИК-излучения в ближней области спектра, является составной частью формующей пресс-формы. При этом способ включает следующие технологические стадии:
а) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b1) введение указанных слоев в пресс-форму с удаляемым нагревающим полем,
b2) нагревание пенопластового материала посредством его облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
c1) удаление нагрева из зоны перемещения пресс-формы,
с2) формование посредством пресс-формы и
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
При этом стадии b1) и b2) являются этапами стадии b). Соответственно, стадии c1) и с2) являются этапами стадии с).
Неожиданно было обнаружено, что реализуемое в щадящем режиме нагревание материала на технологической стадии b) (соответственно b2)) может приводить к тому, что благодаря равномерному подводу тепла он становится пригоден для пластического деформирования в то же время без повреждения материала. В частности, при надлежащем осуществлении предлагаемого в изобретении способа отсутствует повреждение поверхности жесткого пенопласта, происходящее, например, при нагревании в печи. Используемое тепловое ИК-излучение в ближней спектральной области пронизывает газовую фазу ячеек пенопласта без поглощения и вызывает непосредственное нагревание материала стенок ячеек.
Предлагаемый в изобретении способ, в частности, отличается тем, что на стадии d) осуществляют формование под вакуумом, соответственно при пониженном давлении, с использованием технологии Twin-Sheet. При этом устройство Twin-Sheet сконструировано таким образом, что его можно использовать в качестве пресс-формы.
Принципиальная особенность технологии Twin-Sheet состоит в том, что две или более заготовки на одной технологической стадии деформируют в вакууме, соответственно при пониженном давлении, и при этом сваривают друг с другом без использования дополнительных компонентов, таких как клеи, присадочные материалы или растворители. Указанную технологическую стадию реализуют с высокой частотой повторений, экономично и экологически безопасно. Неожиданно было обнаружено, что благодаря дополнительной операции предварительного нагревания заготовок посредством ИК-излучения в ближней области спектра с длиной волн в диапазоне от 0,78 до 1,40 мкм, выполняемого на технологической стадии b), предлагаемый в изобретении способ можно использовать также для переработки вышеуказанных жестких пенопластовых материалов, которые непригодны для переработки методами из уровня техники. Благодаря относительно быстрому нагреванию посредством указанного излучения обеспечивают равномерное распределение тепла в совокупной заготовке и отсутствие в ней внутренних напряжений. При этом интенсивность излучения можно варьировать в указанном выше диапазоне длин волн в зависимости от используемого пенопластового материала. В случае дополнительного использования покровных материалов температуру и интенсивность нагревающих полей варьируют таким образом, чтобы пенопластовую сердцевину и покровные материалы можно было подвергать совместному термоформованию и соединять друг с другом также при варьируемых температурах переработки и формования. Специалисты могут легко выполнить соответствующую адаптацию благодаря осуществлению небольшого количества экспериментов.
Важным преимуществом предлагаемого в изобретении способа является возможность его экологически безопасного осуществления с чрезвычайно высокой частотой повторений при одновременном объединении нескольких рабочих операций в единый производственный процесс. При этом предлагаемый в изобретении принципиально новый способ может быть реализован в соответствии с рядом следующих технологических вариантов, позволяющих производить изделия совершенно нового типа.
В соответствии с первым вариантом на технологической стадии d), то есть при формовании, обеспечивают локальное уплотнение пенопластового материала. Подобное локальное уплотнение позволяет производить изделия нового типа. Речь при этом идет о формованных изделиях из жесткого пенопластового материала с локальными уплотнениями, причем указанные изделия можно использовать в самых разных сферах и в целом они обладают более высокой стабильностью. Кроме того, могут быть реализованы новые формы изделий. Преимущество подобного изделия состоит также в том, что для соразмерного восприятия усилий от конструкционной периферии прежде всего в уплотненные зоны можно вводить арматуру, вставные элементы или резьбовые соединения. Подобные вставные элементы или резьбовые соединения позволяют упростить последующую переработку пенопластовых материалов в сфере автомобилестроения или самолетостроения. Кроме того, подобные уплотненные зоны часто способствуют улучшению склеивания или сваривания. В случае поли(мет)-акрилимидных пенопластов указанный вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа можно повторять с периодом(частотой) повторения, составляющим, например, менее пяти минут. Неожиданное преимущество данного варианта, в частности, состоит в том, что в отличие от уровня техники указанные выше изделия можно изготавливать на единственной технологической стадии.
В соответствии со второй модификацией предлагаемого в изобретении способа под стадией d) подразумевают технологию Twin-Sheet.
Данный вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа особенно предпочтительно предусматривает выполняемую на технологической стадии а) одностороннюю или двустороннюю облицовку пенопластового материала покровным материалом, а, следовательно, посредством технологии Twin-Sheet производят композитный материал с односторонним или двусторонним покровным слоем и сердцевиной из жесткого пенопласта. Указанный второй вариант можно осуществлять с частотой повторений, составляющей менее шести минут.
Неожиданной оказалась возможность относительно свободного выбора покровного материала. Речь при этом идет, например, о чисто термопластах, тканях, трикотажных материалах или комбинированных материалах из термопластов, например, так называемых органолистах, или покрытых синтетическим материалом полосовых текстильных основах, например, подобных искусственной коже. Под покровным материалом предпочтительно подразумевают армированный волокнами синтетический материал. Соответствующими волокнами могут являться, например, арамидные, стеклянные, углеродные, полимерные или текстильные волокна. Соответствующим синтетическим материалом предпочтительно может являться полипропилен, полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, эпоксидная смола, изоцианатная смола, полиакрилат, сложный полиэфир или полиамид.
В соответствии с третьим вариантом осуществления способа на технологическую стадию а) подают по меньшей мере две, отдельные заготовки пенопластового материала, из которых на последующей технологической стадии d) формуют полое тело. Данный вариант можно осуществлять также таким образом, чтобы можно было получать формованные изделия более чем с одной полостью. Преимуществом данного варианта является возможность изготовления подобного полого тела без склеивания или последующего термического сваривания. Благодаря этому соответствующее полое тело характеризуется сочетанием стабильности и массы, улучшенной по сравнению с полыми телами уровня техники. Кроме того, соответствующее полое тело производит лучшее визуальное впечатление. Это может быть достигнуто благодаря тому, что у соответствующего изделия отсутствует визуально обнаруживаемый стык между обеими исходными пенопластовыми заготовками или подобный стык почти невозможно обнаружить. В частности, образующийся при использовании данного способа сварной шов невозможно или почти невозможно отличить от окружающего его материала, и пористая структура в месте стыка остается неизменной. Соответствующий способ также может быть реализован в виде технологии Twin-Sheet. При этом можно изготавливать также изделия, обладающие чрезвычайно сложной конфигурацией, с высокой воспроизводимостью с частотой повторения, составляющей менее пяти минут.
Кроме того, в соответствии с одним вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа, несколько модифицированным по сравнению с третьим вариантом, из отдельной заготовки жесткого пенопласта посредством вакуумной технологии формования можно изготавливать изделия, которые обладают чрезвычайно сложными формами. Подобный вариант особенно пригоден в случае, если толщина пенопласта составляет до 10 мм. При этом непосредственно перед выполняемым на технологической стадии с) перемещением пенопластового материала в формующую пресс-форму или, в качестве альтернативы, непосредственно после указанного перемещения в формующей пресс-форме предпочтительно осуществляют предварительное формование посредством сжатого воздуха.
Указанные выше варианты способа в другой модификации в принципе можно осуществлять в пресс-форме, состоящей из двух частей. Это позволяет дополнительно повысить точность геометрических параметров. Другим важным преимуществом изобретения является также возможность свободного комбинирования трех рассмотренных выше вариантов друг с другом в один предлагаемый в изобретении способ, предусматривающий одновременное осуществление этих вариантов. Так, например, можно изготавливать уплотненные по краям тела по меньшей мере с одной полостью. Можно изготавливать также композитный материал с частично уплотненной пенопластовой сердцевиной и/или одной или несколькими полостями.
Вне зависимости от варианта осуществления изобретения материал, как правило, фиксируют в устройстве посредством прижимной рамы, что позволяет исключить возможность его смещения. При этом подлежащий переработке материал выступает за края пресс-формы, например, на несколько сантиметров, причем выступающую зону зажимают посредством указанной прижимной рамы.
Перерабатываемый предлагаемым в изобретении способом жесткий пенопластовый материал может быть свободно выбран специалистами. При этом предпочтительным жестким пенопластовым материалом является пенополи(мет)акрилимид. Подобные поли(мет)акрилимидные пенопласты обычно изготавливают двухстадийным способом, включающим а) получение литьевого полимера и b) вспенивание полученного литьевого полимера.
Для получения литьевого полимера сначала выполняют приготовление смеси мономеров, которые в качестве основных компонентов содержат (мет)акриловую кислоту и (мет)акрилонитрил в предпочтительном молярном отношении от 2:3 до 3:2. Дополнительно можно использовать другие сомономеры, например, сложные эфиры акриловой или метакриловой кислоты, стирол, малеиновую кислоту или итаконовую кислоту, соответственно их ангидриды, или винилпирролидон. Однако доля указанных сомономеров в мономерной смеси не должна превышать 30% масс. Можно использовать также небольшие количества сшивающих мономеров, например, таких как аллилакрилат. Однако максимальные количества сшивающих мономеров предпочтительно составляют от 0,05 до 2,0% масс..
Кроме того, используемая для сополимеризации смесь содержит порообразователи, которые в примерном температурном интервале от 150 до 250°C распадаются или испаряются с образованием газовой фазы. Полимеризацию осуществляют при температуре ниже указанной, а, следовательно, получают литьевой полимер, который содержит латентный порообразователь. В предпочтительном варианте полимеризацию осуществляют между двумя стеклянными пластинами в форме.
На второй стадии при соответствующей температуре выполняют вспенивание литьевого полимера. Получение подобных поли(мет)акрилимидных пенопластов в принципе известно специалистам и описано, например, в европейских патентах ЕР 1444293 и ЕР 1678244, а также в международной заявке WO 2011/138060. В качестве пригодных поли(мет)акрилимидных пенопластов следует упомянуть, в частности, продукты Rohacell® фирмы Evonik Industries AG. В отношении получения и переработки акрилимидные пенопласты можно считать аналогами поли(мет)акрилимидных пенопластов. Однако по токсикологическим причинам акрилимидные пенопласты гораздо менее предпочтительны по сравнению с другими пенопластовыми материалами.
Другим пригодным для переработки жестким пенопластом является пенополивинилхлорид. Этот жесткий пенопласт является материалом, хорошо известным из технологии волокнистых композитов и материалов типа «сэндвич», используемым в вагоностроении, в производстве ветросиловых установок и мелком судостроении. Готовые пластины поливинилхлоридного пенопласта можно перерабатывать аналогично пластинам из поли-(мет)акрилимидного пенопласта.
То же относится к жестким пенополипропиленам. Полипропиленовые пенопласты прежде всего используют в качестве изоляционного материала для грузовых контейнеров и в качестве материала для производства изделий типа «сэндвич». Коммерчески доступные полипропиленовые пенопласты, которые могут содержать наполнители, обладают плотностью, чаще всего находящейся в диапазоне от 20 до 200 кг/м3.
Жесткие пенополиуретаны в отличие от мягких пенополиуретанов характеризуются замкнутой пористой структурой и более высокой степенью сшивания. Жесткие пенополиуретаны дополнительно могут содержать значительные количества неорганических наполнителей.
Необходимые пенопластовые заготовки можно изготовить посредством надлежащего выбора стеклянных пластин или методом вспенивания In-mold. В качестве альтернативы их изготавливают путем разрезания, распиливания или фрезерования пенопластовых пластин. При этом из одной пластины предпочтительно можно нарезать несколько пенопластовых заготовок.
Плотность жесткого пенопластового материала может быть выбрана относительно свободно. Используемые поли(мет)акрилимидные пенопласты могут обладать плотностью, например, находящейся в диапазоне от 25 до 220 кг/м3.
При этом заготовки пенопластовой сердцевины, получаемые распиливанием, разрезанием или фрезерованием, обладают преимуществом по сравнению с получаемыми методом вспенивания In-mold заготовками, поскольку на поверхности нарезанных заготовок находятся открытые поры. При контакте подобных заготовок с пропитанными смолой волокнами часть еще неотвержденной смолы проникает в открытые поверхностные поры пенопластовой сердцевины. Благодаря этому после отверждения достигают особенно сильной адгезии на границе раздела между пенопластовой сердцевиной и покровным материалом.
Предлагаемые в изобретении изделия из жесткого пенопласта в принципе могут находить чрезвычайно широкое применение.
Изделия, выполняемые в соответствии с первым вариантом локального уплотнения, можно называть также пенопластовыми материалами со встроенными структурами. Подобные изделия, включая также соответствующий дополнительному варианту композитный материал, пригодны для применения, в частности, в тех сферах, в которых требуется соединение воспринимающих усилие мест сопряжения с периферийными структурами окружающих (композитную) деталь материалов. Это относится к любой возможной конструкции, элементы которой, выполненные, например, из металла или других синтетических материалов, соединяют с пенопластовым материалом, соответственно композитом. Подобные ситуации имеют место, в частности, в таких сферах применения, как автомобилестроение, авиационная и космическая техника, судостроение, конструирование рельсовых транспортных средств, машиностроение, медицинская промышленность, мебельная промышленность, сооружение ветросиловых установок или подъемных устройств.
Композитные материалы второго варианта, включая композиты без встроенных структур, могут находить применение, в частности, при серийном производстве, например, в автомобильной промышленности для изготовления кузовов или внутренней облицовки, в производстве рельсовых транспортных средств или судостроении для изготовления элементов интерьера, в авиационной и космической промышленности, машиностроении, мебельной промышленности или при конструировании ветросиловых установок.
Полые тела из жестких пенопластов можно использовать, например, в моноблоках аккумуляторных батарей, воздухопроводящих каналах устройств для кондиционирования воздуха или в качестве аэродинамического конструктивного узла лопастей несущих винтов (например, в качестве задней кромки). Кроме того, они могут найти применение в указанных выше отраслях промышленности.
Обозначения на чертежах
Фиг. 1. Изготовление армированных волокнами синтетических материалов с пенопластовой сердцевиной:
А фаза нагревания; В формование,
(1) верхняя часть формующей пресс-формы,
(2) нижняя часть формующей пресс-формы,
(3) верхний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(4) нижний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(3а) и (4а) смещенные в сторону нагреватели,
(5) пенопластовая сердцевина,
(6) прижимная рама,
(7) покровные слои.
Фиг. 2. Изготовление встроенной структуры с частичным уплотнением пенопласта:
А фаза нагревания; В формование,
(1) верхняя часть формующей пресс-формы,
(2) нижняя часть формующей пресс-формы,
(3) верхний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(4) нижний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(3а) и (4а) смещенные в сторону нагреватели,
(5) пенопласт,
(6) прижимная рама.
Фиг. 3. Формование полых тел:
А фаза нагревания; В формование,
(1) верхняя часть формующей пресс-формы,
(2) нижняя часть формующей пресс-формы
(3) верхний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(4) нижний подогрев (ИК-излучатель ближней области),
(3а) и (4а) смещенные в сторону нагреватели,
(5) пенопласт (первая заготовка для верхней стороны),
(6) прижимная рама,
(8) пенопласт (вторая заготовка для нижней стороны).
Фиг. 4. Вакуумное формование пенопластов:
А фаза нагревания; В формование,
(1) нижняя часть формующей пресс-формы,
(2) верхний подогрев (ИК-излучатель),
(3) нижний подогрев (ИК-излучатель),
(4а) смещенный в сторону нижний нагреватель,
(4) пенопласт,
(5) прижимная рама,
(6) покровные слои,
(9а) рабочий объем при повышенном давлении,
(9b) рабочий объем при пониженном давлении (вакууме).
Примеры осуществления изобретения
Ниже на соответствующих примерах приводится общее описание некоторых особых вариантов изобретения. В соответствующих экспериментах получены положительные результаты.
Пример 1. Изготовление армированных волокнами синтетических материалов с пенопластовой сердцевиной (композитных деталей)
Способ осуществляют на машине для термоформования методом Twin-Sheet, например, модели Т8 (фирма Geiss AG). Технические параметры машины:
создаваемые импульсными излучателями нагревающие поля (ИК-излучение в ближней области спектра, длина волн от 0,78 до 1,40 мкм),
регулируемое окно рабочего объема,
регулируемый по высоте верхний подогрев,
минимальное усилие прессования 30 тонн (привод с мотором),
нагреваемая и охлаждаемая формующая пресс-форма.
Для пояснения данного варианта осуществления способа служит приведенный на фиг. 1 чертеж.
Технологические параметры в общем случае выбирают в зависимости от конкретного конструктивного исполнения используемого устройства. Технологические параметры подлежат определению в предварительных экспериментах. Так, например, температура проведения процесса TF определяется Tg(S) пенополи(мет)акрилимидной матрицы, температурой термоформования покровных слоев, установкой верхнего подогрева по высоте Tg(S)≤TF (температурой верхнего подогрева). При этом температура верхнего подогрева должна быть тем выше, чем больше расстояние до пенопластовой матрицы. Интенсивность излучаемого поля (I) можно варьировать также в зависимости от степени термоформования (Ug) отдельных участков детали. Выбираемая интенсивность излучаемого поля (I) вблизи от прижимной рамы составляет около 100%, что позволяет обеспечивать последующее течение материала и одновременно его закрепление.
Накладывание покровных слоев
Пенопластовую сердцевину можно снабжать различными покровными материалами с одной или с двух сторон. Так, например, можно использовать драпировочную ткань/холст, комбинированные материалы, изготовленные из волокон самого разного типа или смесей волокон (так называемые органолисты), которые снабжены термопластичными фазами, или покровные слои из термопластов, в частности, поликарбоната, полиметилметакрилата, поливинилхлорида или других термопластично деформируемых синтетических материалов, которые можно соединять с поверхностью пенопласта. Для подобного соединения в качестве усиливающего сцепление средства при необходимости можно использовать снабженную термоклеем пленку или нетканый материал. В одном случае сверху и снизу, например, используют слой толщиной 800 мкм из органолиста фирмы Bond Laminates (Терех ® Dynalite 102-RG600). В другом случае, например, с двух сторон используют поликарбонатную пленку Lexan толщиной 1500 мкм.
Способ осуществляют следующим образом. В качестве пенопластовой сердцевины используют поли(мет)акрилимидный пенопласт Rohacell® S фирмы Evonik Industries AG плотностью 51 кг/м3 и толщиной 15 мм. Внутренняя сторона прижимной рамы предпочтительно должна быть алюминирована алюминиевой клейкой лентой или снабжена листами из специальной стали с зеркальным блеском. Формат покровных слоев определяется установленным размером окна и выбран таким образом, чтобы покровные слои по ширине и длине примерно на 5 см перекрывали окно, а, следовательно, их можно было фиксировать посредством прижимной рамы. Подлежащую термоформованию пенопластовую сердцевину вместе с покровными слоями позиционируют над рабочим окном и фиксируют, опуская прижимную раму.
В процессе нагревания поли(мет)акрилимидного пенопласта до температуры термоформования (210°C) можно наблюдать возникновение волнистости покровных слоев. С началом прогрессирующей пластификации во избежание провисаний материала в зоне нижнего обогрева в рабочий(машинный) объем отдельными импульсами подают сжатый воздух. В зависимости от предъявляемых к покровным слоям требований по истечении промежутка времени, составляющего примерно от трех до четырех минут, управляющую температуру и интенсивность обогревателей можно изменять таким образом, чтобы покровные материалы пластично деформировались, обеспечивая драпирующий эффект. Затем управляющую температуру кратковременно повышают примерно на 5°C, чтобы материал сохранил большее количество остаточного тепла.
По завершении фазы нагревания нижнее и верхнее нагревающие поля удаляют из зоны перемещения половин пресс-формы и с максимально возможной скоростью реализуют ход смыкания термостатированной при температуре от 120 до 150°C пресс-формы. Таким образом, формование и драпирование покровных слоев по контуру пресс-формы реализуют на одной технологической стадии. После охлаждения пресс-формы до температуры ниже 80°C формованная деталь может быть извлечена из пресс-формы. После повторного нагревания пресс-формы можно приступить к изготовлению следующей композитной детали.
Пример 2. Изготовление пенопластовых материалов с локальным уплотнением (встроенными структурами)
Способ осуществляют на аналогичной примеру 1 машине для термоформования методом Twin-Sheet, например, модели Т8 (фирма Geiss AG). При этом технологические параметры в общем случае также выбирают в зависимости от конкретного конструктивного исполнения используемого устройства. То же относится и к температуре проведения процесса Tf (смотри пример 1). Для пояснения данного варианта осуществления способа служит приведенный на фиг. 2 чертеж.
В описываемом примере для осуществления способа используют поли-(мет)акрилимидный пенопласт Rohacell® IG фирмы Evonik Industries AG с плотностью 110 кг/м3. Толщина исходного материала составляет 60 мм. Локальное уплотнение осуществляют посредством выполненных в пресс-форме рельефных конусов, уплотняющих участки материала диаметром около 25 мм до толщины 34 мм. Зоны уплотнения с небольшими радиусами и значительными степенями уплотнения формируют в пресс-форме также на других участках детали при продолжительности цикла около 6 минут.
Внутренняя сторона прижимной рамы предпочтительно должна быть алюминирована посредством алюминиевой клейкой ленты или снабжена листами из специальной стали с зеркальным блеском. Формат покровных слоев определяется установленным размером окна и выбран таким образом, чтобы покровные слои по ширине и длине примерно на 5 см перекрывали окно, а, следовательно, их можно было фиксировать посредством прижимной рамы. Подлежащую термоформованию пенопластовую сердцевину вместе с покровными слоями позиционируют над рабочим окном и фиксируют, опуская прижимную раму.
Интенсивность нагревания можно приводить в соответствие со степенью частичного уплотнения, например, в тех зонах, в которые должны быть введены формованные детали, например, вставные элементы. В данном примере сначала посредством импульсных ИК-излучателей (длина волн в диапазоне от 0,78 до 1,40 мкм) выполняют нагревание до температуры 190°C. С началом прогрессирующей пластификации во избежание провисаний пенопластового материала толщиной ≤15 мм в зоне нижнего обогрева в машинный объем отдельными импульсами подают сжатый воздух. По завершении фазы нагревания температуру проведения процесса кратковременно повышают на величину примерно от 5 до 10°C, чтобы материал сохранил большее количество остаточного тепла.
С целью формования нижнее и верхнее нагревающие поля по завершении фазы нагревания удаляют из рабочей зоны половин пресс-формы, после чего с максимально возможной скоростью реализуют ход смыкания термостатированной при температуре от 120 до 150°C пресс-формы. Таким образом, формование и одновременное уплотнение отдельных участков формуемой детали реализуют на одной технологической стадии. При этом на той же технологической стадии одновременно можно вводить вставные элементы.
После охлаждения пресс-формы до температуры ниже 80°C формованная деталь может быть извлечена из пресс-формы. После повторного нагревания пресс-формы можно приступить к изготовлению следующей композитной детали.
Пример 3. Формование полых изделий
Способ осуществляют на аналогичной примеру 1 машине для термоформования методом Twin-Sheet, например, модели Т8 (фирма Geiss AG). При этом технологические параметры в общем случае также выбирают в зависимости от конкретного конструктивного исполнения используемого устройства. То же относится и к управляющей температуре TF (смотри пример 1). Для пояснения данного варианта осуществления способа служит приведенный на фиг. 3 чертеж.
В данном примере для осуществления способа используют поли(мет)-акрилимидный пенопласт Rohacell® IG фирмы Evonik Industries AG с плотностью 110 кг/м3. Толщина обеих заготовок пенопласта составляет соответственно 15 мм.
Внутренняя сторона прижимной рамы предпочтительно должна быть алюминирована посредством алюминиевой клейкой ленты или снабжена листами из специальной стали с зеркальным блеском. Формат покровных слоев определяется установленным размером окна и выбран таким образом, чтобы покровные слои по ширине и длине примерно на 5 см перекрывали окно, а, следовательно, их можно было фиксировать посредством прижимной рамы. В раму машины Twin-Sheet вставляют две заготовки пенопласта. Подлежащие соединению в полое тело заготовки пенопласта позиционируют над рабочим окном и фиксируют, опуская прижимную раму.
Интенсивность нагревания можно приводить в соответствие со степенью формования. В описываемом примере сначала посредством импульсных ИК-излучателей (длина волн в диапазоне от 0,78 до 1,40 мкм) выполняют нагревание до температуры 195°C. С началом прогрессирующей пластификации во избежание провисаний пенопластового материала толщиной ≤15 мм в зоне нижнего обогрева в машинный объем отдельными импульсами подают сжатый воздух. По завершении фазы нагревания температуру проведения процесса кратковременно повышают на величину примерно от 5 до 10°C, чтобы материал сохранил большее количество остаточного тепла.
С целью формования нижнее и верхнее нагревающие поля по завершении фазы нагревания удаляют из зоны перемещения половин пресс-формы, после чего с максимально возможной скоростью реализуют ход смыкания термостатированной при температуре от 120 до 150°C пресс-формы. Формование происходит вследствие присасывания пластичных пенопластовых листов к внутренним стенкам верхней и нижней половин пресс-формы. Одновременно благодаря особым конструктивным геометрическим параметрам пресс-формы происходит сваривание краев пенопластовых заготовок. При этом полое тело повторяет конфигурацию пресс-формы, причем сваривание краев пенопластовых заготовок происходит без образования соединяющего шва и сопровождается формированием однородной структуры пенопласта.
После охлаждения пресс-формы до температуры ниже 80°C формованная деталь может быть извлечена из пресс-формы. После повторного нагревания пресс-формы можно приступить к изготовлению следующей композитной детали.
Пример 4 Вакуумное формование полых тел
Способ осуществляют на аналогичной примеру 1 в машине для термоформования методом Twin-Sheet, например, модели Т8 (фирма Geiss AG). При этом технологические параметры в общем случае также выбирают в зависимости от конкретного конструктивного исполнения используемого устройства. То же относится и к температуре проведения процесса TF (смотри пример 1). Для пояснения данного варианта осуществления способа служит приведенный на фиг. 4 чертеж.
Для осуществления способа в данном примере используют поли-(мет)акрилимидный пенопласт Rohacell® HF фирмы Evonik Industries AG плотностью 71 кг/м3. Толщина исходной заготовки пенопластового материала составляет 5,6 мм. В данном варианте осуществления изобретения предпочтительно используют заготовки пенопластового материала толщиной до 10 мм.
Внутренняя сторона прижимной рамы предпочтительно должна быть алюминирована посредством алюминиевой клейкой ленты или снабжена листами из специальной стали с зеркальным блеском. Формат покровных слоев определяется установленным размером окна и выбран таким образом, чтобы покровные слои по ширине и длине примерно на 5 см перекрывали окно, а, следовательно, их можно было фиксировать посредством прижимной рамы. В раму машины Twin-Sheet вставляют две заготовки пенопласта. Подлежащие соединению в полое тело заготовки пенопласта позиционируют над рабочим окном и фиксируют, опуская прижимную раму.
Интенсивность нагревания можно приводить в соответствие со степенью формования. В данном примере сначала посредством импульсных ИК-излучателей (длина волн в диапазоне от 0,78 до 1,40 мкм) выполняют нагревание до температуры 210°C. С началом прогрессирующей пластификации в машинный объем отдельными импульсами подают сжатый воздух, формируя пенопластовый пузырь.
По завершении фазы нагревания из зоны перемещения половин пресс-формы с целью формования удаляют только нижнее нагревающее поле, и формующую пресс-форму смещают вниз под пенопластовый пузырь. Затем пресс-форму позиционируют под пенопластовым пузырем. После этого с максимально возможной скоростью вакуумируют рабочий объем. В результате этого пенопласт под действием воздушного столба растягивается, повторяя контур пресс-формы. В ходе всего процесса формования верхний нагреватель остается в рабочем положении, что позволяет избежать охлаждения пенопласта. После охлаждения пресс-формы до температуры ≤80°C формованная деталь может быть извлечена из пресс-формы. После повторного нагревания пресс-формы можно приступить к изготовлению следующей детали.
Выполняемой указанным образом деталью с высотой свода около 260 мм может являться, например, носовой сегмент вертолетного обтекателя.
1. Способ формования пенопластовых материалов, отличающийся тем, что под пенопластовым материалом подразумевают поли(мет)акрилимид, причем способ включает следующие технологические стадии:
a) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b) нагревание пенопластового материала посредством облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
c) формование посредством формующей пресс-формы,
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревание и формование выполняют в двух отдельных пресс-формах, причем способ включает следующие технологические стадии:
а) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b1) введение указанных слоев в зону действия нагревающих полей формовочной машины,
b2) нагревание пенопластового материала посредством его облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
с1) перемещение пенопластового материала в формующую пресс-форму,
с2) формование посредством пресс-формы и
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревание и формование выполняют в пресс-форме, причем способ включает следующие технологические стадии:
а) при необходимости формирование композитной многослойной конструкции из покрывных материалов и уложенной между ними пенопластовой сердцевины,
b1) введение указанных слоев в пресс-форму, снабженную удаляемым нагревающим полем,
b2) нагревание пенопластового материала посредством его облучения инфракрасным излучением с длиной волн от 0,78 до 1,40 мкм, соответствующей ближней инфракрасной области,
c1) удаление нагрева из рабочей зоны пресс-формы,
с2) формование посредством пресс-формы и
d) охлаждение и извлечение готового изделия.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что под технологической стадией d) подразумевают стадию вакуумного формования.
5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что на технологической стадии d) обеспечивают локальное уплотнение пенопластового материала.
6. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что используют по меньшей мере две отдельные заготовки пенопластового материала, из которых на технологической стадии d) формуют полое тело.
7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что непосредственно до или непосредственно после технологической стадии с) выполняют предварительное формование посредством сжатого воздуха.
8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на технологической стадии а) в качестве покровного материала используют армированный волокнами полимер.
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на технологической стадии а) в качестве покровного материала используют армированный волокнами полимер.
10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что полимером является полипропилен, полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, эпоксидная смола, изоцианатная смола, акрилатная смола, сложный полиэфир или полиамид, а волокнистым материалом являются углеродные, стеклянные, полимерные или арамидные волокна.
