Производство стеклопластиков

  23.08.2018  |   Статьи

Производство стеклопластиков.

Производство стеклопластиков и композитных материалов становится все более популярным с каждым годом, а продукцию из стеклопластиков все чаще можно встретить в самых разных отраслях.

Стеклопластик описание.

Стеклопластик — композиционный материал, который производится из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего.

Наполнителем служат в основном стеклянные волокна, например в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон.

Связующим — полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремний органические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.

Свойства стеклопластиков.

Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

Кроме того механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации — связующим.

Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают такие стеклопластики, которые содержат ориентированно расположенные непрерывные волокна.

Стеклопластик и его виды.

Производство стеклопластиков подразделяется на однонаправленные и перекрёстные:

у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых — под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию.

Изменяя ориентацию волокон при производстве стеклопластиков, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон, например: материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов).

Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

Изделия из стеклопластика.

Производство стеклопластиков с ориентированным расположением волокон может проходить насколькими методами, такими как намотка, послойной выкладка или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов — прессованием и литьём.

Стеклопластик используют как конструкционный и теплозащитный материал.

Стеклопластик применяют на многих производствах, например: корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, выхлопных труб, деталей машин и приборов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.

Свойства стеклопластиков.

Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, которые дают ему право называться одним из материалов будущего. Ниже перечислены, некоторые из них.

Малый вес.
Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3.

Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди — 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, — дуралюмина составляет 2,8 г/см3.

Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина.

Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте.

Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

Диэлектрические свойства.
Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

Высокая коррозионная стойкость.
Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии.
Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), которые позволяют получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

Хороший внешний вид.
При производстве стеклопластикок, они окрашиваются в любой цвет и кроме того, при использовании стойких красителей, могут сохранять его неограниченно долго.

Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

Высокие механические свойства.
При своем небольшом удельном весе, стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя, некоторые смолы и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам, превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

Теплоизоляционные свойства.
Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя при производстве стеклопластика, между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт.

Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов например в промышленном строительстве или в судостроении и в вагоностроении и т.д.

Простота в изготовлении.
Существует много способов производства стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование.

Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.).

Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

Производство стеклопластиков.

Производство стеклопластиков проходит путем горячего прессования стекловолокна (имеется ввиду метод производства СТЕКЛОМАТЕРИАЛА), перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, следовательно придает изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее время существует целый ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиков. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы.

В зависимости от метода формования, химсостава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

а) по методу формования:

  • ручного формования
  • вакуумной инжекции
  • горячего прессования
  • процессов намотки
  • пултрузии

б) по области применения:

  • обычные конструкционные
  • химстойкие
  • огнестойкие
  • теплостойкие
  • светопрозрачные

Основные методы производства стеклопластиковых изделий.

1. Производство стеклопластиков методом ручного (контактного) формование.

При этом методе стеклоармирующий материал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками.

Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и т.д.)

Применяемые материалы:

Смолы: Эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.
Волокна: Любые.
Наполнители: Стойкие к используемым смолам.

Основные преимущества:

  • Широко используется в течении многих лет.
  • Простота процесса.
  • Недорогие используемые инструменты.
  • Широкий выбор поставщиков и материалов.
  • Большее содержание стеклянного наполнителя и длина волокон.

Основные недостатки:

  • Качество смеси смолы и катализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате очень зависят от квалификации рабочих.
  • Высокая вероятность воздушных включений в ламинате.
  • Малая производительность метода.
  • Вредные условия труда.
2. Производство стеклопластиков методом напыления рубленного ровинга.

Стеклонить подается в ножи пистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваются с струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленного роввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушных включений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферных условиях.

Применяемые материалы:

Смолы: Полиэфирные.
Волокна: Стеклонить в виде роввинга (ровницы).
Наполнители: Любые, стойкие к стиролу. Укладываются вручную.

Основные преимущества:

  • Широко используется много лет.
  • Быстрый путь нанесения волокна и смолы.
  • Дешевые формы.

Основные недостатки:

  • Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.
  • Короткие волокна ограничивают механические свойства ламината.
  • Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.
  • Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла.
  • Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.
3. Производство стеклопластиков методом RTM.

Стеклоармирующий материал укладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек. Затем укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смола подается в полость формы под рассчитанным давлением.

Иногда, для облегчения прохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутри формы. После пропитки смолой всего стекломатериала, инжекцию останавливают, после чего ламинат оставляют в форме до полного отверждения.

Отверждение может проходить при обычной или повышенной температурах.

Применяемые материалы:

Смолы: эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.
Волокна: Любые. Желательно использовать специально предназначенные для этого стекломатериалы с проводящим слоем и механически связанными волокнами.
Наполнители: Любые стойкие к стиролу, кроме материалов в виде сот.

Основные преимущества:

  • Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
  • Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.
  • Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производящих инжекцию.
  • Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность.
  • Минимизированы отходы материалов.

Основные недостатки:

  • Дорогие и сложные формы.
  • Сложность процесса.
  • Необходимость иметь инжекционное оборудование.
4. Производство стеклопластиков методом пултрузии.

Волокна подаются от катушечной рамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру. В фильере убираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждение материала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается на необходимые длины.

Применяемые материалы.
Смолы: Эпоксидная смола, полиэфирная смола, винилэфирная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Не используются.

Основные преимущества:

  • Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.
  • Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.
  • Недорогие материалы.
  • Хорошие структурные свойства ламинатов. Профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.
  • Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные недостатки:

  • Ограниченная номенклатура изделий.
  • Дорогое оборудование.

 

5. Производство стеклопластиков методом намотки.

Этот процесс используется для изготовления круглых или овальных пустотелых секционных компонентов, труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы.

Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки к скорости вращения.

Применяемые материалы:

Смолы: Любые.
Волокна: Любые, поэтому волокна подаются напрямую от рамы для катушек без дополнительного сшивания в ткань.
Наполнители: Любые.

Основные преимущества:

  • Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.
  • Регулируемое соотношение смола/стекло.
  • Высокая прочность при малом собственном весе.
  • Неподверженность коррозии и гниению
  • Недорогие материалы
  • Хорошие структурные свойства ламинатов.
  • Профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Основные недостатки:

  • Ограниченная номенклатура изделий.
  • Дорогое оборудование.
  • Волокно трудно точно положить по длине сердечника.
  • Высокие затраты на сердечник для больших изделий.
  • Рельефная лицевая поверхность.

 

6. Производство стеклопластиков методом RFI (Resin Film Infusion).

Сухие ткани выкладываются вместе со слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрывается специальной пленкой. Сначала между пленкой и формой создается вакуум, после чего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температуры смола переходит в текучее состояние и так же благодаря вакууму пропитывает материал. После некоторого времени смола полимеризуется.

Применяемые материалы:

Смолы: Эпоксидная смола.
Волокна: Любые.
Наполнители: Практически все, за исключением ПВХ пены. Она нуждается в специальной обработке из-за высоких температур процесса.

Основные преимущества:

  • Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
  • Высокие физико-механические характеристики из-за твердого начального состояния полимера и высоких температур отверждения.
  • Стоимость процесса ниже метода препрегов.
  • Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Основные недостатки:

  • Мало применяется вне аэрокосмической промышленности.
  • Для процесса необходима система вакуумного мешка, термошкаф или автоклав.
  • Требования к оборудованию и инструменту по температуростойкости.

 

7. Производство стеклопластиков методом препрегов.

Препрег — предварительно пропитанная смолами стеклоткань.
Ткани и волокна предварительно пропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. Таким образом препреги могут хранится до нескольких недель. Поэтому, для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах.

Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются на поверхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит их нагревание до температуры примерно 120 — 180 градусов C при этой температуре смола переходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы.

Далее при дальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительное давление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.

Применяемые материалы:

Смолы: Эпоксидные, полиэфирные, фенольные и высокотемпературные смолы типа полиимидных др.
Волокна: Любые.
Наполнители: Любые стойкие к температурам процесса.

Основные преимущества:

  • Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
  • Хорошие условия труда и окружающая среда.
  • Нет большого выброса вредных веществ.
  • Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

Основные недостатки:

  • Высокая стоимость материалов
  • Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

 

Мы надеемся, что выше приведенная классификация, была Вам полезна и поможет Вам разобраться в основах производства стеклопластика.