Диссертация (Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления), страница 6

Длябольшейчастиприменяемыхпринамотке наполнителейсодержание составляет примерно 50-70 %.оптимальное42Изменение этого технологического параметра неизбежно приводит кснижению прочности материала. В свою очередь, объемное содержаниеармирующих нитей в изделии зависит от многих параметров процессаполучения намоточной ленты: вязкости полимерного связующего, скоростипротягивания нитей через пропиточную ванну, количества и плотности упаковки,одновременно пропитываемых волокон, а также их способности к смачиваниюданным типом связующего [5].Вязкость связующего на практике определяют с помощью простыхвискозиметров типа ВЗ-4 и измеряют ее в секундах.

Согласно измерениям по ВЗ4, вязкость - это время, за которое вытекает 100 мл связующего из коническойворонки, имеющей диаметр выходного сечения 4 мм. Чем меньше вязкостьсвязующего во время соприкосновения с армирующими волокнами, тем лучшепропитка намоточного материала, тоньше его слой на каждом волокне и,следовательно, выше объемное содержание наполнителя в ПКМ и конечнаяпрочность этого материала.

С целью уменьшения вязкости связующего в негодобавляютрастворительтипаацетоноспиртовойсмеси,родственныйвысокомолекулярный полимер или дополнительно подогревают его.Следует заметить, что подогрев связующего во время пропитки нужноосуществлять кратковременно и до определенных температур, так как это можетпривести к загустеванию и реакции полимеризации. С целью уменьшения наносасвязующего на протягиваемую через него ленту на выходе из пропиточной ванныустанавливают отжимные валки или острые скребки, снимающие излишкисвязующего с верхней и нижней сторон намоточной ленты.При способе "мокрой" намотки содержание наполнителя в композиционномматериале может изменяться по толщине изделия: уменьшиться по мере удаленияслоя от поверхности технологической оправки.

Это происходит вследствие того,что сжимающие силы в материале, возникающие от технологического натяжениянаматываемой ленты, суммируются пропорционально нарастанию толщиныстенки изготавливаемого изделия и жидкое связующее выдавливается, мигрируяот нижних слоев к верхним. Получившееся в результате этого процесса43соотношение между содержанием наполнителя и связующего фиксируется приотверждении, что приводит к неодновременности включения слоев в работу принагружении эксплуатационными силами.При"сухом"способенамоткификсацияэтоговажнейшеготехнологического параметра происходит уже при подсушке намоточной лентыв нагревательной камере, обеспечивающей удаление растворителя и частичнуюполимеризациютермореактивногосвязующего.Притакойтехнологииизготовления изделий выдавливания связующего из нижних слоев в верхниепочти не происходит.В процессе непрерывной намотки изделий и производстве препреговиспользуют в основном пропитку окунанием арматуры в ванночку (рис.

2.2.4 а)и пропитку на вращающемся барабане; так называемый "типографский" или―лаковый‖ способ (рис. 2.2.4 б).Рис. 2.2.4 Два способа пропитки наполнителя:а - пропитка окунанием; б - на вращающемся барабане.1 - нити, сматываемые со шпулярника; 2 - направляющие ролики; 3 – отжимныевалики; 4 - устройство формирования ленты из пряди; 5 - валики, регулирующие уголохвата лентой барабана; 6 – барабан с внутренним нагревомВторая схема более предпочтительна, поскольку упрощает обслуживаниеи позволяет перейти на нагрев связующего не во всем объеме ванночки, атолько в зоне пропитки, что существенно снижает температуру связующего вванночке и резко увеличивает его жизнеспособность. В соответствии с первымспособом связующее нагревается во всем объеме ванночки, поэтомужизнеспособность связующего, например ЭДТ-10, не превышает 2 ч. Большойнедостатокэтогоспособа-необходимостьвведениясистемы44термостатированияпропиточнойванны,регулированияизакачкитеплоносителя (глицерина, масла, воды) в рубашку дна и стенки ванны собеспечением герметичности [5].При пропитке окунанием перемешивание связующего в ванночкепроисходит за счет движения ленты, при барабанной пропитке вследствиевращения барабана, что повышает интенсивность перемешивания, выравниваеттемпературу связующего и улучшает качество пропитки.

Тем не менее, обаметода не позволяют существенно повысить жизнеспособность связующего.Этого недостатка лишен радиационный метод нагрева ленты и связующего взоне пропитки при барабанном способе. Простым подбором расстояния отинфракрасногонагревателядозоныпропиткиобеспечиваетсянужнаятемпература в этой зоне.

За счет того, что нагреву подвергается локальныйучасток, значительно снижается потребляемая мощность. [5] Однако и этот способимеет два недостатка: трудность организации контроля и регулированиятемпературы связующего в зоне нагрева и пропитки; зависимость качествапрогрева от скорости движения ленты (пропитки).Однако резкое уменьшение температуры связующего во всем объемеванночки, увеличение живучести и, как следствие, времени межоперационныхпромывок нитетракта, а также снижение требований по температуре кдоливаемому связующему в процессе его расходования делают этот способнаиболее перспективным.Переработка связующего при повышенных температурах, приводящая кобразованиюсгустковипреждевременномучастичномуотверждениюсвязующего, выражающемуся в быстром нарастании вязкости, предъявляетопределенные требования к ванночкам.

Это прежде всего отсутствие застойныхзон, где массообмен затруднен и "старое" связующее может стать центромнарастания вязкости во всем объеме [5].Для непрерывного процесса намотки необходимо, чтобы ванночки былибыстросъемными, причем в комплекте нитетракта их должно быть не менее двух.Ванночка и узлы, остающиеся на тракте, должны быть скомпонованы таким45образом, чтобы все участки были доступны к промывке растворителями. Особенноэто относится ко всякого рода втулкам, подшипникам, пробкам и узлам трения, вкоторые не исключено попадание связующего. Выполнение конструктором этихусловийсущественнооблегчитэксплуатациюоборудованияиповыситнадежность процесса намотки.2.3.

Параметры процесса отверждения полимерного композиционногоматериала [55,71,72,76]Процесс превращения полимерного связующего из жидкого состояния, вкотором оно лучше пропитывает волокнистую арматуру, в твердое называютполимеризацией,илиотверждением.Длянекоторыхсмол(например,полиэфирных) отверждение наступает в результате реакции поликонденсации.Наиболее эффективно отверждение связующего осуществляется при нагревематериала.Полимерныесвязующие,укоторыхотверждениеявляетсянеобратимым процессом, называются термореактивными. Полимеры, которыепри нагревании могут повторно переходить в жидкое или пластичное состояние,являютсятермопластичнымисмолами.Режимыпроцессаотвержденияопределяются видом применяемого полимерного связующего и входящего в егосостав отвердителя, а также толщиной стенки намотанной оболочки, частично ееразмерами и формой.

[5]Наиболее технологичными для процесса намотки являются отвердители,обеспечивающие ускорение отверждения полимера при нагревании изделия доопределенных температур, способствующих сшивке молекул и образованиюсетчатых структур. Для распространенных эпоксидных связующих такимиотвердителями являются соединения на основе алифатических и ароматическихаминов. Например, ТЭАТ (триэтаноламинтитанат) обеспечивает довольнодлительную жизнеспособность эпоксидного компаунда типа КДА (ТУ6-05-138076) при комнатной температуре и достаточно быстрое его отверждение принагреве до 455 К.46Схематично процесс отверждения эпоксидного связующего в нагревательнойпечи выглядит таким образом (рис. 2.3.1):Рис.

2.3.1 Процесс отверждения эпоксидного связующегоТиповойпроцесстермообработкиПКМнаосновеэпоксидногосвязующего:нагрев до температуры гелеобразования связующего Tr (порядка 350393К), соответствующей температуре формирования полимерной сетки, прикоторой связующее утрачивает текучее состояние, теряет жизнеспособность итехнологичность;выдержка для обеспечения прогрева всей массы изделия;нагрев до температуры стеклования TСА , при котором связующеетвердеет;повышение температуры до оптимальной температуры отверждения(около 453 К);выдержка до окончания полимеризации связующего;охлаждение до комнатной температуры.В процессе отверждения в материале (в волокнах и связующем) возникаютусадочные напряжения за счет уменьшения объема (2-30 %) жидкого связующегопри его затвердении.

При этом связующее испытывает растягивающие, аволокна-сжимающиенапряжения.Крометого,вследствиеразличиякоэффициентов линейного расширения волокон и связующего в них возникаюттермические напряжения, как правило, того же знака. Эти напряжения снижают(компенсируют) технологическое натяжение нитей при намотке [5].В связи с тем, что композиционные материалы (КМ) на основе полимерныхсвязующих, как правило, имеют довольно низкую теплопроводность, прибольших толщинах намотанного и помещенного в печь изделия возможны47случаи, когда на его наружной поверхности, соприкасающейся с нагретымвоздухом, уже началась реакция полимеризации связующего, в то время какглубинные слои у технологической оправки еще не прогрелись до этойтемпературы. В результате толстостенные трубы нередко имеют дефекты в видерасслоений и межслоевого растрескивания.

Для борьбы с этими явлениями либоувеличивают время выдержки, обеспечивающей прогрев изделия при болеенизкой температуре, либо применяют процесс изготовления, заключающийся вчередовании послойной намотки с операцией отверждения [5].Для некоторых синтетических смол, использующихся при намотке,например, фенольных, кроме термообработки в процессе отверждениянеобходимо обеспечить давление по наружной поверхности изделия. В этомслучае отверждение изделий осуществляют в автоклавах при давлениях наформуемую поверхность порядка 0,35-0,7 МПа, передаваемых от жидкого илигазового рабочего тела через эластичный мешок или диафрагму.