Способы формования изделий из
армированных пластиков

 

Формование - это этап технологического процесса, при котором происходит отверждение связующего. В этот период создается конечная структура материала, формируются его свойства и фиксируется форма изделия.

 

Отверждение связующего является результатом роста молекул и образования полимерной сетки под воздействием катализатора (отвердителя) и соответствующих внешних условий.

При этом выделяют две характерные стадии отверждения:
• начальную - формирования полимерной сетки;
• конечную - в процессе формирования полимерной сетки.

Эти две стадии отделены друг от друга так называемой фазой гелеобразования.

Фаза гелеобразования соответствует такому моменту, когда связующее утрачивает способность переходить в текучее состояние и растворяться, т. е. теряет свою жизнеспособность и технологические качества. Это одна из наиболее важных технологических характеристик процесса отверждения.

На определенном этапе отверждения вязкость связующего увеличивается до уровня, соответствующего вязкости твердого тела. В результате этого процесса все свойства связующего резко меняются: уменьшается удельный объем;  увеличивается твердость;  возрастает сопротивление деформации; жидкое связующее переходит в стеклообразное состояние; температура, при которой происходит это явление, называется температурой стеклования; стеклование не является фазовым переходом, так как матрица сохраняет аморфную структуру и с термодинамической точки зрения может рассматриваться как переохлажденная жидкость.

Характерным параметром связующего является также точка деструкции, при которой начинается заметное разложение матрицы, сопровождающееся разрывом молекулярных связей. Устойчивость к деструкции характеризуется термостойкостью, которую следует отличать от теплостойкости, отражающей способность полимера к размягчению.

 

Параметры формования. Для того чтобы обеспечить нужные качества композиту, необходимо создать определенные условия для отверждения связующего. Температурный режим обеспечивает необходимые условия для его полимеризации. Повышенное давление должно выполнить следующие функции: уплотнить слои материала, завершить пропитку волокна смолой, выдавить из пустот летучие побочные продукты реакции, увлеченный воздух, а также избыток смолы из слоев материала.

К основным технологическим параметрам относятся: давление, температура, скорость их изменения по времени и степень отверждения.

Конкретной комбинации связующего и арматуры будут соответствовать свои параметры. В процессе производства их величину необходимо строго выдерживать.

 

В настоящее время существует много различных методов формования изделий из ПКМ. Это объясняется разнообразием свойств исходных компонентов композитов, заготовок, полуфабрикатов, а также различными требованиями к прочности и другим параметрам изделий.

Условно все используемые методы могут быть разделены на две группы - открытые и закрытые.

Открытыми методами получают изделия, одна из поверхностей которых оформляется жесткой поверхностью формы, вторая - может оставаться либо совершенно свободной, либо формуется при весьма небольших давлениях (в пределах 0,1-0,6 МПа). Из открытых методов наиболее распространены намотка, контактное формование (укладка), центробежное формование, формование с помощью эластичной диафрагмы и ряд других.

Закрытые методы предполагают формование, при котором все поверхности изделия контактируют с жесткими или эластичными поверхностями формы. К этим методам принадлежат пултрузия погонажных изделий, прессование штучных изделий, в том числе эластичным пуансоном, пропитка под давлением и др.

 

Изделия, полученные открытым методом, имеют гладкую поверхность, соответствующую поверхности формы, только с одной стороны, то есть со стороны матрицы, оправки и пр. При использовании закрытого метода поверхность изделий обычно не требует механической обработки или операций типа шпаклевки, выравнивания, шлифования и т. п.

 

Изделия обеих групп получают по мокрой и сухой технологиям. В первом случае наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед нанесением на поверхность формы, во втором - наполнитель пропитывается раствором связующего и сушится, превращаясь в полуфабрикат, называемый препрегом.

Мокрый метод - позволяет получать изделия более монолитные и высокопрочные, однако для него характерны: невозможность применения растворителей и, следовательно, технологические сложности реализации требуемой вязкости связующего; необходимость длительной жизнеспособности вязкотекучего связующего (по крайней мере, в течение цикла формования); большие потери связующего вследствие его отжима при контакте с элементами намоточного узла, а также при ракельном выравнивании формуемого изделия.

Сухой метод - позволяет разделить производство на две стадии: первая - приготовление полуфабриката (препрега), вторая - производство изделия. Использование препрега (заготовки), который может храниться длительное время, иногда исчисляемое месяцами, позволяет более точно дозировать содержание связующего на наполнителе, упрощает как переход с одного армирующего наполнителя на другой, так и, соответственно, производство гибридных изделий типа углепластик и стеклопластик, улучшает санитарные условия операции формования, позволяет существенно повысить производительность труда.

Недостатки сухого метода состоят в следующем: наличие остаточного растворителя в связующем снижает свойства получаемого ПКМ, формование происходит при температуре формы (оправки), которая выше температуры плавления связующего, то есть, как правило, более 100°С; в получаемом материале возможно наличие пор и дефектов, вызванных неполной пропиткой наполнителя связующим (особенно тканей из волокон с развитой свободной поверхностью в условиях их низкой смачиваемости).