Пропитка эпоксидным связующим полимерных волокон

Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа
Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ)
Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2015 год
УДК 54.03
Пропитка эпоксидным связующим полимерных волокон
сверхплотного плетения
ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический
университет», Институт авиационных технологий и управления
Лапышёв Алексей, аспирант
Федоров А.А., к.т.н.,
В настоящее время в наукоемких отраслях промышленности, таких
как авиа- и ракетостроение, все чаще применяются полимерные
композиционные материалы (ПКМ) сверхплотного плетения, создаваемые
таким образом, чтобы максимально увеличить содержание волокна и,
следовательно, уменьшить объемное содержание пор. В современных
полимерных волокнах сверхплотного плетения объемное содержание
волокна достигает 71%.
При применении технологии сверхплотного плетения появляется
возможность производить более легкие, тонкие и обладающие лучшими
механическими свойствами полимерные конструкции, а при сохранении
исходной толщины конструкции снизить объемное содержание пор в 1,5
раза.
Но при всех вышеперечисленных достоинствах существенно
усложняется технология пропитки наполнителя связующим за счет резкого
(до 8 раз) снижения скорости пропитки, что грозит превысить время
вязкотекучего состояния, и, следовательно, привести к недостаточной
пропитке
связующим,
ведущей
к
снижению
эксплуатационных
характеристик и преждевременному разрушению изделий из ПКМ. Кроме
того, образование воздушных включений в процессе пропитки значительно
ухудшает прочность изделий из ПКМ, особенно при межслойном сдвиге.
В связи с этим, для повышения качества и прочности изделий из
ПКМ, необходимо повысить эффективность процесса пропитки, то есть
обеспечить условия, облегчающие проникновение связующего в
межволоконное пространство волокнистого наполнителя.
Существуют различные технологические приемы, облегчающие
проникновение полимерного связующего в наполнитель. Это уменьшение
скорости движения волокнистого наполнителя через ванну с полимерным
связующим,
вакуумирование
связующего,
отжим
пропитанного
наполнителя, а также физическое модифицирование полимерного
связующего и изменение его вязкости, способствующие значительному
улучшению смачиваемости волокон наполнителя.
Уменьшение скорости либо увеличение времени протягивания
волокнистого наполнителя через ванну с полимерным связующим
значительно понижает производительность процесса, так как скорость
протягивания значительно выше скорости капиллярной пропитки.
Обеспечение вакуумирования процесса пропитки технологически сложно.
Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа
Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ)
Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2015 год
Наиболее эффективным способом улучшения смачиваемости
волокон наполнителя и облегчения проникновения полимерного
связующего является физическое модифицирование полимерного
связующего под воздействием ультразвуковых колебаний высокой
интенсивности.
Важнейшим преимуществом ультразвуковой интенсификации
является возможность снижения вязкости полимерного связующего в
десятки раз. Благодаря этому облегчается проникновение связующего в
межволоконное пространство наполнителя сверхплотного плетения. В
результате происходит изменение физических свойств изделий из ПКМ
после их полимеризации, кроме того, под воздействием кавитационных
потоков
происходит
лучшее
проникновение,
активация,
сопровождающееся интенсивной дегазацией в области пропитки
полимерным
связующим.
Ультразвуковая
дегазация
ведет
к
значительному уменьшению количества воздушных газовых включений в
изделии из ПКМ, что ведёт к повышению его качества и прочности.
Известно, что применение механических колебаний ультразвуковой
частоты высокой интенсивности позволяет интенсифицировать и другие
стадии технологического процесса производства изделий из полимерных
композиционных материалов, например, калибровку внешнего диаметра
стержня,
активацию
смолы,
используемой
для
склеивания
стеклопластиковых изделий.
Так, при отработке технологии склеивания силового элемента
активированной ультразвуком смолой было установлено значительное
увеличение прочности соединения (до 70 % от прочности основного
материала).
Кроме того, в ходе проведения исследований в разные годы было
установлено, что применение механических колебаний ультразвуковой
частоты низкой интенсивности позволяет организовать и осуществить
оперативный контроль качества получаемой продукции из полимерных
композиционных материалов.
К сожалению, широкие возможности ультразвуковых колебаний
высокой интенсивности для производства и модификации композиционных
материалов не получили широкого применения в производственной
практике из-за отсутствия специализированного оборудования, способного
обеспечить кавитационный режим обработки вязких композиционных
материалов. Эти ограничения обусловлены аномально высоким
затуханием ультразвуковых колебаний в вязких материалах.
Такое затухание ультразвуковых колебаний в вязких средах
ограничивает область распространения ультразвуковых колебаний и
размеры зон, в которых интенсивность колебаний достигает значений,
достаточных для реализации кавитационного процесса.
В связи с этим возникает необходимость в исследовании метода
ультразвукового воздействия для повышения эффективности пропитки
полимерных волокон сверхплотного плетения за счет интенсификации
процессов пропитки и активации смолы, что позволит существенно
повысить качество пропитки. На данный момент такие работы ведутся в
Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа
Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ)
Интернет-сайт: http://ify.ulstu.ru. Ульяновск, 2015 год
Институте авиационных технолгий и управления Ульяновского
государственного технического университета и уже получены первые
положительные результаты.
Основные идеи проекта:
-Исследование влияния ультразвуковых колебаний на химический
состав и физические свойства эпоксидного связующего в зависимости от
времени и интенсивности их приложения. Это позволит разработать
оптимальные режимы для ультразвуковой обработки.
-Интенсификация процесса пропитки за счет ультразвукового
капиллярного эффекта.
Перспективы проекта:
Применение ультразвуковых колебаний при работе с полимерами и
эпоксидными смолами позволит ускорить пропитку полимерных волокон и
повысить ее качество. Так же возможно использование ультразвуковых
колебаний для восстановления эпоксидных связующих и красок.
Cписок литературы
1. В.Н. Хмелёв. Ультразвуковая пропитка полимерных композиционных
материалов / В.Н. Хмелёв, С.С. Хмелёв, С.Н. Цыганок, Г.А. Титов // Южно-сибирский
научный вестник – 2012. - №2. - с. 192-196.
2. Хозин, В.Г. Модифицирование эпоксидных композиций ультразвуком / В.Г.
Хозин, А.А. Каримов, А.М. Череватский, А.А. Полянский, А.В. Мурафа. – Механика
композиционных материалов – 1984. – № 4. – с. 702-706.
3. Прохоренко, П.П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П.П. Прохоренко,
Н.В. Дежкунов, Г.Е. Коновалов. – Минск: Наука и техника, 1981. – Ч.1. – 135 с.
4. Э.Р.Галимов. Основные тенденции в развитии и применении композиционных
материалов в современной технике / Э.Р.Галимов. - Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева 2000. - № 4. – с.20-25.
5. Колосов, А.Е. Пропитка волокнистых наполнителей полимерным связующим.
Ультразвуковая интенсификация пропитки / А.Е. Колосов, А.А. Каримов, В.Г. Хозин, В.В.
Клявин // Механика композитных материалов. – 1988. – № 4. – С. 651
6. В.Н. Хмелёв. Повышение эффективности ультразвукового воздействия при
производстве высоконаполненных композиционных материалов / В.Н. Хмелёв,
С.С. Хмелёв, С.Н. Цыганок, Г.А. Титов // Южно-сибирский научный вестник – 2012. - №2. с. 192-196.
7. Д.И. Коган. Свойства конструкционных углепластиков, изготовленных
пропиткой под вакуумом / Д.И. Коган, М.И. Душин, А.В. Борщёв, Е.А. Вешкин, П.А.
Абрамов, К.В. Макрушин // Известия Самарского научного центра Российской академии
наук, т. 14. -2012. - №4(2).
8. Магсумова, А.Ф. Влияние ультразвуковой обработки на технологические
свойства эпоксидного олигомера / А.Ф. Магсумова, Л.М. Амирова, М.М. Ганиев // Вестник
КГТУ им. Туполева. – 2005. – №2.
9. Мийченко И.П. Технология полуфабрикатов полимерных материалов /
Мийченко И.П. – М.: Научные основы и технологии, 2012. – 374 с.